大型原油储罐传热系数的研究

大型原油储罐传热系数的研究

0罐内原油加热随着中国原油储量的增加，原油仓库生产规模的大规模开发已成为原油仓库的发展趋势。目前国内外常用的地上大型原油储罐主要是浮顶罐,在储存的过程中,当原油温度较低时,含蜡原油容易在储罐内沿形成一定的凝油层,严重威胁储罐的安全启动,因此在生产运行中需要对罐内原油适时加热[2~5]。计算加热负荷时,传热系数的准确与否,直接影响到相关工艺参数的合理确定。而以往应用主要针对小体积油罐或是拱顶罐,对大型浮顶罐少有涉及。在分析浮顶储罐内原油温降过程的特点基础上,综合考虑大气温度、储罐容积、油品物性等众多因素,建立适合于描述大型浮顶油罐温度场变化规律的理论传热模型,进而研究油罐传热系数的变化规律,对于优化大型浮顶罐的储存工艺设计,保障油库安全经济运行具有重要的现实意义。1浮顶罐顶、罐壁、罐底的传热系数计算浮顶储油罐传热主要包括罐顶、罐壁、罐底三个部分,其总传热系数为式中Kding、Kbi、Kdi———分别是浮顶罐罐顶、罐壁、罐底的传热系数/W·m-2·℃-1;Fding、Fbi、Fdi———分别是浮顶罐罐顶、罐壁、罐底的面积/m2。(1)浮盘及浮舱的热性能式中α1ding———油品至罐顶的内部放热系数/W·m-2·℃-1;δding———罐顶保温层的厚度/m;λding———罐顶保温层材料的导热系数/W·m-1·℃-1;δfu———浮盘上、下盘之间的距离/m;λfu———浮舱内部的散热系数/W·m-2·℃-1;α3ding———罐顶至周围介质的辐射放热系数/W·m-2·℃-1。双盘浮顶罐顶部传热包括油品至下浮盘的内部传热、浮舱内空气的自然对流和支架的传热、顶部保温层的传热以及透过保温层向空气中的传热,其中浮舱内部的传热系数不易确定,所以参考文献λfu取6.98W/m2·℃。(2)保温层材料放热系数式中α1bi———油品至罐内壁的内部放热系数/W·m-2·℃-1;δbi———罐壁保温层的厚度/m;λbi———罐壁保温层材料的导热系数/W·m-1·℃-1;α2bi———罐壁至周围介质的外部放热系数/W·m-2·℃-1;α3bi———罐壁至周围介质的辐射放热系数/W·m-2·℃-1。(3)导热系数di式中α1di———油品至罐底的放热系数/W·m-2·℃-1;δdi———表示油泥沉积物、底板等各层的厚度/m;λdi———表示相应各层的导热系数/W·m-1·℃-1;λu———土壤的导热系数/W·m-1·℃-1;2浮顶罐传热系数的计算浮顶罐主要经由罐壁、罐底、浮顶向外界散失热量。为了便于分析,做出以下简化:假设罐内原油温度是均匀分布;忽略原油内部物理化学因素产生的内热源以及罐壁厚度;外界环境温度取计算日温度的平均值;罐底土壤为同性均匀介质。其中原油的粘度和密度等物性参数与其平均温度一一对应,为避免由于平均温度的不当选取,使得计算误差不断得到放大,本文采用分段计算的集总参数方法研究浮顶罐传热系数的变化规律。(1)从降温的起始温度到终止温度,以温度tb为一个温降步长,使温度每降低tb都会计算出罐顶、罐壁、罐底传热系数以及总传热系数。(2)先假设一个罐壁的温度tbi,其与油品温度ty的平均值为罐壁的定性温度,然后计算出油品在定性温度下,油品至罐顶的内部放热系数a1bi,罐壁至周围介质的外部放热系数a2bi以及罐壁至周围介质的辐射放热系数a3bi,如果罐壁有保温层,还需再计算保温层的传热,最终得出罐壁的传热系数Kbi,如果Kbi满足精度要求则认为假设的罐壁温度tbi成立,罐顶Kding和罐底Kdi的传热系数计算与罐壁相同。(3)通过计算罐壁Kbi、罐顶Kding和罐底Kdi的传热系数得出浮顶罐总的传热系数Kzong,最后改变相关参数,绘制传热系数曲线,分析其影响因素。3温度和粘度测定以一座100000m3的地上浮顶罐为例。已知油罐平均直径为80m,罐壁高21m,储罐内液位为95%,罐壁涂层黑度为0.96,罐底土壤导热系数为1.745W/m·℃,环境温度为-20℃,平均风速为2.5m/s,油品在20℃时的相对密度为0.91,在15℃时油品的粘度为10.53×10-6m2/s,罐内油温从47℃降到30℃,取油品温降间隔为1℃,计算结果如图1所示,计算结果与文献一致。受浮顶罐内原油温度的影响,罐顶传热系数,罐壁传热系数以及总传热系数都在减小,其中罐顶传热系数下降最为明显。另外,浮顶的类型、储罐液位、储罐体积、外界环境温度、风速等因素都会影响传热系数的大小,具体分析如下:(1)热系数的变化浮顶类型只对罐顶的传热系数和总传热系数有影响,所以可以不考虑罐壁传热系数和罐底传热系数的变化,如图2所示。初始时单盘浮顶罐的罐顶传热系数比双盘大4W/m2·℃,随着温度的逐渐降低差距将会将小到2.7W/m2·℃,罐顶传热系数的差距会导致总传热系数的变化,即单盘的总传热系数比双盘大1~1.3W/m2·℃。(2)罐顶及罐底传热系数油品温度在40℃时,传热系数与油罐储存系数的关系如图3所示。油罐储存系数对罐底、罐壁传热系数的影响不大,对罐顶传热系数的影响较大,特别是在油罐储存系数为20%~60%时,罐顶传热系数处在一个明显的上升趋势,当储罐内液位变化时,罐顶传热系数对总传热系数的变化起到了主导作用。(3)浮顶储罐传热系数随浮顶罐少,浮顶罐总传热系数逐年下降改变储罐尺寸时,传热系数与储罐体积的关系如图4所示。当体积逐渐增大时,其罐顶、罐底、罐壁以及总传热系数的数值都在逐渐减小,其中20000m3与30000m3的浮顶储罐各项传热系数相近,从50000m3到150000m3的浮顶罐总传热系数出现了明显下降的趋势。(4)罐顶、罐壁传热系数随温度控制的变化传热系数与环境温度的关系如图5所示。在-20~5℃的温度变化区间内罐顶传热系数逐渐增加,在5~20℃温度区间内变化的程度较小,罐壁传热系数随着环境温度的升高而逐渐增加,罐底传热系数的数值基本保持不变,总传热系数受罐壁传热系数的影响较大呈现出上升的趋势。(5)罐顶传热系数和罐壁传热系数随罐顶传热系数变化的规律风速与传热系数的变化如图6所示。风速的升高会导致罐顶传热系数和罐壁传热系数的升高,其中罐壁传热系数的变化最为明显,最终导致总传热系数的升高。4罐总传热系数的计算(1)罐顶传热系数、罐壁传热系数对总传热系数的变化起到了主导作用,但是随着浮顶罐的大型化,罐底面积的逐渐增加,罐底传热系数对总传热系数的影响也将会日趋重要,因此在计算浮顶罐总传热系数时需对罐顶、罐壁以及罐底传热系数进行综合精确计算。(2)在浮顶罐静止储油过程中,罐顶传热系数随着储罐液位、环境温度的升高,风速的增加而增大,随着储罐体积增大而减小。单盘浮顶罐的罐顶传热系数约是双盘浮顶罐的1.5倍