單盤浮頂原油儲(chǔ)罐保溫節(jié)能分析

徐亞威

（中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)[舟山]有限公司，舟山，316000）

單盤浮頂原油儲(chǔ)罐保溫節(jié)能分析

徐亞威

（中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)[舟山]有限公司，舟山，316000）

本文首先定性分析得出，單盤浮頂保溫油罐只限于對(duì)罐壁進(jìn)行保溫是不夠的，罐頂單盤成為主要的散熱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行保溫將大大減少油罐的熱損耗。然后通過傳熱學(xué)理論分析，推導(dǎo)出保溫油罐各環(huán)節(jié)的傳熱計(jì)算公式，進(jìn)而得出油罐的總體傳熱系數(shù)。最后通過實(shí)例闡明單盤保溫后油罐保溫性能的顯著提升和帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

單盤浮頂保溫節(jié)能

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)邁入世界經(jīng)濟(jì)大國(guó)的行列，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致了石油需求量的猛增，我國(guó)已成為世界第二大石油消費(fèi)國(guó)和第二大石油進(jìn)口國(guó)。巨大的石油需求促使石油儲(chǔ)運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，全國(guó)各地，特別是沿海、沿江建立了眾多的石油倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)，擁有大量用于儲(chǔ)備原油、成品油的油罐。儲(chǔ)備油品相當(dāng)部分均為高凝點(diǎn)、高粘度油品，因此需要使用蒸汽加熱油罐內(nèi)的油品以確保儲(chǔ)運(yùn)安全和油品品質(zhì)。油罐的保溫效果決定了石油倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)消耗的蒸汽，因此降低油罐的散熱成為企業(yè)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。

1 背景

石油儲(chǔ)罐從油罐頂部結(jié)構(gòu)來看可以分為拱頂油罐和浮頂油罐，浮頂油罐又分為單盤浮頂和雙盤浮頂。拱頂罐由于這幾類油罐各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在石油倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)都有廣泛的運(yùn)用。單盤浮頂罐由于浮頂重量輕，耗材少，減少油氣排放和安全性高等特點(diǎn)在大型（5000m3以上）油罐中多被采用，單盤浮頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單盤浮頂油罐結(jié)構(gòu)

在油罐保溫方面，這三類油罐的罐壁都安裝了保溫材料進(jìn)行保溫，而罐底由于在埋在底下，散熱也很少。三類油罐罐頂?shù)谋匦Ч驗(yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同而有差異，拱頂罐由于拱頂下面的空氣層能起到一定的保溫作用，其傳熱系數(shù)在1.16～2.33 W/(㎡.℃)之間，因此一般無需采用保溫措施。雙盤浮頂由于采用雙層鋼板，鋼板中間充滿靜止的空氣層，其傳熱系數(shù)與空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)0.0244W/(㎡.℃)相當(dāng)。單盤浮頂僅為一層鋼板，其導(dǎo)熱性能很好，因此存在很大的散熱，特別是在冬季和多風(fēng)季節(jié)。

隨著油罐建設(shè)趨于大型化，單盤浮頂?shù)拿娣e占整個(gè)油罐表面積的比重也相當(dāng)大。表1是10000m3以上儲(chǔ)罐的相關(guān)參數(shù)?？梢钥闯鰡伪P面積占總面積的比重基本上都在20%以上，而且上述數(shù)據(jù)是按照滿罐（罐內(nèi)液位為安全液位）的情況下計(jì)算的，而實(shí)際上油罐大多數(shù)時(shí)候并非滿罐，這時(shí)單盤面積占總面積的比重還會(huì)增大。

因此單盤浮頂油罐罐頂保溫對(duì)于油罐減少散熱損失有著舉足輕重的作用。下面將通過理論計(jì)算和實(shí)例來闡明。

圖1 單盤浮頂油罐結(jié)構(gòu)

2 理論計(jì)算[1-4]

單盤浮頂保溫油罐的總傳熱系數(shù)K：

K——油罐總體換熱系數(shù)，W/m2·℃

Kwall、Kbottom、Ktop、Kfloat——罐壁、罐底、罐頂、浮艙的換熱系數(shù)，W/m2·℃

Fbottom、Fwall、Ftop、Ffloat——罐壁、罐底、罐頂、浮艙的換熱面積，m2

Fbottom=πR2bottom

Fwall=2πRbottomH

Ftop=πR2top

Ffloat=π（R2float-R2top）

Rbottom——油罐底部半徑，m

Rfloat——油罐罐頂單盤半徑，m

Rtop——油罐罐頂單盤半徑，m

H——油罐油品液位高度，m

2.1 罐壁換熱系數(shù)Kwall

αw1——油品至油罐內(nèi)壁的內(nèi)部換熱系數(shù)，W/m2·℃

αw2——油罐罐壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·℃

αw3——油罐外壁至周圍介質(zhì)的外部換熱系數(shù)，W/m2·℃

αw4——油罐外壁至周圍介質(zhì)的輻射換熱系數(shù)，W/m2·℃

δw1——罐壁保溫層平均厚度，m

λ1——罐壁鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

λ2——罐壁保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

λoil——油品在定性溫度的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃twall——油罐壁面平均溫度，℃

tair——空氣平均溫度，℃

toild——油品的定性溫度，℃

ε——油罐外壁的黑度，取0.9

C0——黑體的輻射系數(shù)，為5.67×10-8W/m2·℃λair——空氣在定性溫度的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃coil——定性溫度下油品的比熱容，J/kg·℃

ρoil——油品在定性溫度下的密度，kg/m3

Gr1=——油品的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)

Pr1=——油品的普郎特準(zhǔn)則數(shù)

Re1=——罐壁的外界空氣雷諾準(zhǔn)則數(shù)

g——重力加速器，為9.81m/s2

βoil——定性溫度下流體的體積膨脹系數(shù)，℃-1

v——空氣的平均速度，m/s

voil——定性溫度下油品的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

vair——定性溫度下空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

ρoil——定性溫度下油品的密度，kg/m3

λoil——定性溫度下油品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

系數(shù)c1,n1,c2,n2,β由下表確定。

表2 c1,n1取值表

αw1、αw3、計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)的定性溫度分別為（twall+toil）/2、（twall+tair）/2。

由于上面計(jì)算中均用到中間溫度，可通過以下平衡方程用試算法求得

2.2 罐底換熱系數(shù)

αb1——油品至油罐底板的內(nèi)部換熱系數(shù)，W/m2·℃ab1=c3×

λbc——罐底各層的平均導(dǎo)熱系數(shù)，取2.37W/m·℃

δbc——罐底各層的平均厚度，取0.8m

λearth——罐底土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

e——修正系數(shù)

Gr2=油品的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)

系數(shù)c3，n3由下表確定

表5 c3,n3取值表

αb1計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)的定性溫度為(tair+toil)/2

2.3 罐頂浮艙換熱系數(shù)Kfloat

af1——油品至油罐浮艙內(nèi)壁的內(nèi)部換熱系數(shù)，W/m2·℃

af2——油罐浮艙內(nèi)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

af3——油罐外壁至周圍介質(zhì)的外部換熱系數(shù)，W/m·℃

af1=1.3×c4×

af2=c5×

af3=0.023

Gr3=油品的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)

Gr4=——空氣的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)Re2=罐頂?shù)耐饨缈諝饫字Z準(zhǔn)則數(shù)

δfloat——浮艙平均厚度，m

系數(shù)c4，n4，c5，n5由下表確定

表6 c4,n4取值表

表7 c5,n5取值表

at1、at2計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)的定性溫度分別為：

2.4 罐頂單盤換熱系數(shù)Ktop

2.4.1 單盤未保溫時(shí)

at1——油品至油罐內(nèi)頂板的內(nèi)部換熱系數(shù)，W/m2·℃

at2——油罐單盤至周圍介質(zhì)的外部換熱系數(shù)，W/m2·℃

at3——油罐單盤至周圍介質(zhì)的輻射換熱系數(shù)，，W/m2·℃

at1=1.3×c6×at2=0.023af3=εC0

δw2——罐頂單盤鋼板平均厚度，m ttop——灌頂單盤平均溫度，℃

Gr5=油品的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)

系數(shù)c6,n6由下表確定at1、at2計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)的定性溫度分別為：(ttop+toil)/2、(tair+ttop)/2。

表8 c6,n6取值表

由于上面計(jì)算中均用到中間溫度ttop，可通過以下平衡方程用試算法求得

2.4.2 單盤保溫時(shí)

δw3——罐頂單盤保溫材料平均厚度，m

λ3——灌頂單盤保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

at1、at2計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)的定性溫度、平衡方程式同2.4.1

3 計(jì)算實(shí)例

5萬m3單盤浮頂油罐為例：Rbottom=30.075m，Rfloat=30m，Rtop=25.75m，H=15.55m，δfloat=0.65m，罐壁保溫層厚度[5]δw1=0.06m，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.033W/m·℃。油罐內(nèi)存有原油，toil=55.69℃，ρoil=820kg/m3，voil=41.5mm2/s，大氣日平均溫度tair=19.61℃，平均風(fēng)速v=4.4m/s，土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)λearth=2.37W/m·℃。單盤浮頂保溫層厚度δw3=0.045m，導(dǎo)熱系數(shù)λ3=0.0255W/m·℃。計(jì)算結(jié)果如下：

表9 計(jì)算結(jié)果

單盤保溫后可節(jié)約的熱流量為

ΔK——單盤保溫時(shí)的總體傳熱系數(shù)與單盤未保溫時(shí)的差值，W/m·℃

按照燃油鍋爐燃燒180燃料油產(chǎn)生蒸汽，熱能價(jià)格為6.716×10-5元/KJ，則5萬立方米油罐每天節(jié)能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為：3829元。如果5萬立方米油罐一年保溫時(shí)間分別為100天及200天，則年節(jié)約價(jià)值為：38.29萬及76.58萬元。同時(shí)由于減少對(duì)燃料油的消耗，也減少了二氧化碳的排放，具有較高的環(huán)保效益。

目前國(guó)內(nèi)大型石油倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)油罐容量大多數(shù)都在100萬立方米以上，其中保溫罐容也十分巨

大，因此對(duì)單盤浮頂進(jìn)行保溫對(duì)成本的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)有著顯著的意義。

4 結(jié)論

通過定性分析和傳熱學(xué)理論推導(dǎo)，可以看出在單盤浮頂油罐罐壁保溫的基礎(chǔ)上，單盤成為油罐主要的熱損耗環(huán)節(jié)，將產(chǎn)生大量的熱損失。對(duì)單盤進(jìn)行保溫后，單盤和油罐整體傳熱系數(shù)都大大降低，節(jié)能降耗效果明顯，將為企業(yè)降低大量的能耗成本。從項(xiàng)目實(shí)例中可以定量的看出單盤保溫前后油罐保溫效能的提升以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保的社會(huì)效益，因此單盤浮頂油罐用于保溫油品儲(chǔ)存時(shí)，對(duì)單盤進(jìn)行保溫將是必須考慮的問題。

【1】楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京，高等教育出版社.2006:229-277

【2】梁文杰.石油化學(xué)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社,1995:88-123

【3】李德海.原油庫(kù)加熱節(jié)能研究,41-52

【4】候威.原油大浮頂儲(chǔ)罐罐頂保溫設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)分析.石油商技.1998.5：30-33.

【5】沈維道,蔣智敏,童鈞耕.北京：工程熱力學(xué)（第三版）[M].高等教育出版社.2001,391-432