基于Visual Basic的大型原油儲罐維溫程序設計

宋義偉 李 強 張 釗 崔慧山

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062550)

在油田和原油儲庫中，當儲罐儲存的原油溫度低于凝點時會發(fā)生凝固。為了保證儲存油品在轉(zhuǎn)輸時有一定的流動性，通常要求原油儲存的溫度大于其凝點，因此除低凝點原油外，大型原油儲庫的儲罐維溫所需熱量占儲庫總能耗的一半以上。李征西和徐思文提出原油儲存時的溫度應高于其凝點10～15℃[1]；文獻[2]則認為油品最低儲存溫度應比凝點高3～5℃[2]，這主要是考慮油氣儲庫以儲存為主，適當降低儲存溫度，可大幅度減少能耗。

在進行儲罐加熱維溫計算時，對于儲罐中油品至周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)K的計算是關鍵，K值的選取和油品的性質(zhì)、環(huán)境溫度、風速及保溫層厚度等因素有關，環(huán)境溫度越低、保溫層厚度越薄、風速變化越大則油品溫降越快，K值的變化也就相應地越大。目前國內(nèi)對K值的確定主要有經(jīng)驗數(shù)據(jù)法和公式試算法兩種，采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算，相對簡便但是誤差較大；而采用公式試算法進行計算時計算精度較高，但是需要進行反復試算，驗算工作量較大，造成大量的人力資源浪費。為解決采用參考值存在較大誤差而手工試算工作量較大的問題，筆者提出運用Visual Basic編程計算儲罐加熱維溫過程中的儲罐傳熱系數(shù)K，進而計算儲罐維溫過程需要的熱量。

1 計算K值的兩種方法①

經(jīng)驗數(shù)據(jù)法。文獻[3]認為無保溫層的地上立式金屬儲罐的罐壁傳熱系數(shù)Ktw在4.5～8.2W/(m2·℃)，罐頂傳熱系數(shù)Ktr在1.2～2.4W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)Ktb為0.35W/(m2·℃)。而文獻[1]則認為罐壁不設保溫層時Ktw在4.65～8.14W/(m2·℃)，設聚氨酯保溫層(40mm)時Ktw在0.93～1.05W/(m2·℃)，罐頂未設保溫層且罐內(nèi)油面溫度小于40℃時Ktr取1.2W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)Ktb取0.23～0.47W/(m2·℃)。文獻[4]則根據(jù)儲罐的總?cè)莘e確定其總傳熱系數(shù)K，即5 000m3以下地面的金屬保溫儲罐K值取-1.5W/(m2·℃)。從上述數(shù)據(jù)可以看出，對于儲罐總傳熱影響最大的是罐壁部分，其次是罐頂，罐底傳熱系數(shù)最小。

公式試算法。文獻[1～6]均介紹了K值的計算方法，采用公式試算法的理論依據(jù)是，先假定一個罐壁溫度twc，然后進行試算，計算出罐壁傳熱系數(shù)Ktw，通過熱平衡方程式校核，校核公式為：

|twc+(tav-tai)Ktw/α1tw-tav|

(1)

式中tai——當?shù)?月份平均溫度，℃；

tav——油品平均溫度，℃；

α1tw——油品至儲罐罐壁的內(nèi)部放熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

當式(1)能滿足小于某一設定的較小數(shù)值時，確定此時的twc為罐壁溫度tw，同時根據(jù)罐壁溫度確定傳熱系數(shù)Ktw的值。

2 數(shù)學模型的提出

對于儲罐保溫、加熱問題，需要根據(jù)油品的物性(凝點)和環(huán)境溫度確定儲罐所需維持的溫度；根據(jù)儲罐需要維持的溫度，確定儲罐是否需要保溫、保溫材料的選擇和保溫層經(jīng)濟厚度的計算；根據(jù)保溫層的設定而確定傳熱系數(shù)、儲罐加熱方式和熱負荷。

油品在冷卻過程中不斷向外散發(fā)熱量，因此維溫過程中補充給儲罐的熱量值等于罐壁散失于周圍介質(zhì)中的熱量，即：

dQL=dQS

式中 dQL——需要給儲罐補充的熱量，kJ/h；

dQS——儲罐散發(fā)出的熱量，即熱損失，kJ/h。

經(jīng)儲罐散失到周圍介質(zhì)的熱量dQS可由下式求得：

dQS=86.4KF(t-tai)dτ

式中F——油罐的總表面積，m2；

K——從油品到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

t——油品的溫度，℃；

tai——油罐周圍介質(zhì)的溫度(一般取一月的平均溫度)，℃。

2.1 油罐傳熱系數(shù)K的求取

立式油罐一般可分為罐頂、罐壁和罐底3部分，因此K值的計算包括兩部分內(nèi)容，即油罐各部分傳熱面積的計算和各部分傳熱系數(shù)的計算，儲罐的總傳熱系數(shù)K的計算式如下：

2.2 傳熱系數(shù)的計算

一些參考資料對儲罐罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)計算方法進行了詳細的說明，其中儲罐罐底的傳熱系數(shù)較小(0.06～0.21W/(m2·℃))，罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)較大，而儲罐罐壁的傳熱系數(shù)最大。各部分傳熱系數(shù)的計算式為：

Ktw=1/[1/α1tw+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw)]

Ktr=1/[1/α1tr+1/αgas+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr)]

Ktb=1/(1/α1tb+δtb/λtb+πDav/8λso)

式中αgas——儲罐中混合氣體空間的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α1tb——儲罐罐底內(nèi)部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α1tr——儲罐罐頂內(nèi)部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α2tr——儲罐罐頂外部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α3tr——儲罐罐頂外部的輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α2tw——儲罐罐壁至大氣外部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α3tw——儲罐罐壁至大氣輻射的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

δtb——罐底污垢厚度，m；

δtr——罐頂保溫層厚度，m；

δtw——罐壁保溫層厚度，m；

λtb——罐底污垢導熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λtr——罐頂保溫層導熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λso——罐底污垢導熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λtw——罐壁保溫層導熱系數(shù)，W/(m·℃)。

3 計算程序的編制

按照上述思路，儲罐加熱溫度的計算采用Visual Basic語言進行維溫程序的編寫。在計算過程中分別對儲罐罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)進行計算，確定各部分的散熱量，求取儲罐的總散熱，即儲罐維溫所需熱量。

3.1 計算程序

儲罐維溫計算程序流程如圖1所示。

圖1 儲罐維溫計算程序流程

3.2 設計界面

在設計過程中，考慮采用面向?qū)ο蟮脑O計界面，程序分為兩個界面，界面一用于輸入基礎數(shù)據(jù)，此部分基礎數(shù)據(jù)是進行程序計算的必要條件，需要設計人員進行輸入，包括項目建設地區(qū)氣象資料、儲罐基礎數(shù)據(jù)(如罐直徑、罐高、保溫層厚度及導熱系數(shù)等)和油品物理性質(zhì)(包括粘度、溫度、加熱的始溫及終溫等數(shù)據(jù))。

數(shù)據(jù)輸入后，程序進行計算。計算結果顯示于界面二，主要包括儲罐罐壁傳熱系數(shù)和散熱量、罐頂傳熱系數(shù)和散熱量、罐底傳熱系數(shù)和散熱量，以及所需的總熱量。

4 計算實例

某油庫處于河北東部地區(qū)，建設地上10萬m3立式儲罐10座儲存原油，原油凝點較高，需要進行加熱維溫儲存。采用本軟件對儲罐維溫所需熱量進行計算，計算結果與人工計算結果吻合。計算結果在現(xiàn)場進行實驗，能夠滿足儲罐維溫的需要。

操作流程：啟動軟件，輸入已知參數(shù)，包括當?shù)貧庀筚Y料、儲罐的基本數(shù)據(jù)及油品的相關物性等，如圖2所示的參數(shù)輸入界面；在已知參數(shù)輸入后，單擊計算按鈕，即可顯示散熱系數(shù)及散熱量等相關計算結果，如圖3所示的結果顯示界面。

圖2 參數(shù)輸入界面

圖3 儲罐散熱計算結果顯示界面

5 結束語

Visual Basic作為基于Windows的一種簡單易用的開發(fā)環(huán)境，具有良好的交互界面。筆者所建立的程序模型及其基于VB環(huán)境的實現(xiàn)具有較好的通用性，所提供的利用軟件計算儲罐維溫的方法在多個原油儲庫已經(jīng)投入實際應用，結果證實該方法能夠較好地確定儲罐散熱情況和加熱維溫需要熱量的計算，提高了計算效率和準確性，提

高了設計效率，減輕了設計人員繁瑣的計算工作量。

[1] 李征西,徐思文.油品儲運設計手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997.

[2] 《石油和化工工程設計工作手冊》編委會.石油和化工工程設計工作手冊(第六冊)油氣儲庫工程設計[M].青島:中國石油大學出版社,2010.

[3] 《油氣田油氣集輸設計技術手冊》編寫組.油氣田油氣集輸設計技術手冊(上冊)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[4] 大慶油田科學研究設計院編寫組.油氣集輸貯運設計手冊[M].大慶:大慶油田科學研究設計院,1975.

[5] 馬秀讓.油庫設計實用手冊[M].北京:中國石化出版社,2009.

[6] 郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設計與管理[M].北京:中國石油大學出版社,1994.

DesignofTemperature-keepingProgramforLargeStorageTanksBasedonVisualBasic

SONG Yi-wei, LI Qiang, ZHANG Zhao, CUI Hui-shan

(CNPCCPENorthChinaCompany,Renqiu062550,China)

The mathematical model for storage tank’s heat transfer coefficientKwas established in the process of calculating the tank’s ideal temperature, including the quantity of heat required by keeping the tank’s ideal