拱頂式油罐總傳熱系數(shù)的分析計(jì)算

陳思佳 申潔

摘 要：本文通過(guò)分析拱頂式油罐的傳熱，對(duì)拱頂式油罐罐頂、罐壁、罐底進(jìn)行傳熱計(jì)算，得出拱頂式油罐總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，并通過(guò)VB語(yǔ)言編制拱頂式油罐總傳熱系數(shù)的計(jì)算軟件，然后通過(guò)實(shí)例分析環(huán)境溫度、裝滿系數(shù)、風(fēng)速變化和容積變化對(duì)總傳熱系數(shù)曲線的影響，總結(jié)出影響拱頂式油罐總傳熱系數(shù)的敏感因素。

關(guān)鍵詞：拱頂式油罐；傳熱過(guò)程；傳熱影響因素；總傳熱系數(shù)；溫變規(guī)律

中圖分類號(hào)：TE972.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0035-03

The Analysis and Calculation of the Total Heat Transfer

Coefficient of the Vault Type Oil Tank

CHEN Sijia SHEN Jie

（School of Petroleum and Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500）

Abstract： In this paper， the heat transfer of vaulted tank was analyzed， and the heat transfer calculation of vaulted tank roof， tank wall and tank bottom was carried out. The formulas for calculating the total heat transfer coefficient of vaulted tank were obtained. The software for calculating the total heat transfer coefficient of vaulted tank was programmed by VB language， and then the environmental temperature， the filling coefficient， the variation of wind speed and the total heat transfer coefficient were analyzed by an example. The influence of volume change on the total heat transfer coefficient curve was summarized， and the sensitive factors affecting the total heat transfer coefficient of vaulted tank were summarized.

Keywords： dome shaped oil tank；heat transfer process；influencing factors of heat transfer；total heat transfer coefficient；temperature change rule

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)原油依存度越來(lái)越大，原油價(jià)格受國(guó)際環(huán)境、產(chǎn)能的影響波動(dòng)很大。為了提高國(guó)家的戰(zhàn)略安全，國(guó)家也建設(shè)了大量的油庫(kù)以增加石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備。隨著油品存儲(chǔ)數(shù)量急劇上升，給油庫(kù)的管理運(yùn)行工作也帶來(lái)了較大困難。在日常運(yùn)營(yíng)和管理過(guò)程中，由于油罐內(nèi)的原油與外界環(huán)境之間存在溫度差，必然要通過(guò)罐壁、罐頂、罐底及土壤產(chǎn)生熱交換[1]。當(dāng)油罐內(nèi)罐壁、罐底的原油溫度下降到凝點(diǎn)以下時(shí)，原油就會(huì)因溫度過(guò)低而發(fā)生凝固，即罐壁和罐底將形成一定厚度和強(qiáng)度的凝油層。當(dāng)儲(chǔ)罐要恢復(fù)作業(yè)時(shí)，這些凝油將失去流動(dòng)性，嚴(yán)重影響儲(chǔ)罐的安全啟動(dòng)[2]。為了有效解決此問(wèn)題，采取的主要方式是對(duì)罐內(nèi)原油進(jìn)行適當(dāng)加熱，以維持原油的溫度在凝點(diǎn)之上。大型拱頂罐內(nèi)儲(chǔ)存的原油存放時(shí)間一般較長(zhǎng)，罐內(nèi)原油數(shù)量較多，這就給其加熱維溫設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)更大困難[3]。因此，準(zhǔn)確掌握拱頂式油罐總傳熱系數(shù)的計(jì)算，對(duì)分析原油在儲(chǔ)存過(guò)程中的溫度變化規(guī)律、合理計(jì)算維溫過(guò)程的換熱負(fù)荷具有決定性作用，對(duì)保障油庫(kù)安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 拱頂式油罐總傳熱系數(shù)K的計(jì)算

拱頂式油罐的罐頂為球缺形，當(dāng)外部環(huán)境溫度低于罐內(nèi)原油的溫度時(shí)，罐體會(huì)向外部散發(fā)一定的熱量，儲(chǔ)罐罐壁之間、罐底與大地之間都會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)；拱頂罐罐體與外部大氣環(huán)境會(huì)發(fā)生對(duì)流傳熱[4]。

2.1 罐壁傳熱系數(shù)[Kb]的計(jì)算

罐壁傳熱包括油品到油罐內(nèi)壁的傳熱、罐壁之間的傳熱、罐壁到周圍介質(zhì)的傳熱和罐壁到周圍介質(zhì)的輻射傳熱等過(guò)程[5]。可根據(jù)式（1）計(jì)算罐壁的傳熱系數(shù)。

[Kb=11a1b+δbλb+1a2b+a3b] （1）

式中，[a1b]表示油品至油罐內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[λb]表示罐壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[δb]表示罐壁的厚度，m；[a2b]表示罐壁至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[a3b]表示罐壁至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

2.2 罐頂傳熱系數(shù)[Kd]的計(jì)算

拱頂罐的傳熱過(guò)程包括油品與油氣空間層的傳熱、油氣空間層的導(dǎo)熱、罐頂內(nèi)壁污垢層和罐頂壁的導(dǎo)熱、罐頂與周圍大氣的外部放熱和輻射傳熱[6]。可根據(jù)式（1）計(jì)算罐頂傳熱系數(shù)：

[Kd=11a1d+δcλcδiλi+1a2d+a3d] （2）

式中，[a1d]表示從油面至氣體空間的內(nèi)部放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[δc]表示罐內(nèi)油面上氣體空間層的厚度，m；[λc]表示罐內(nèi)氣體空間中的油氣與空氣混合物的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·℃）；[δiλi]表示頂蓋、污垢等的熱阻綜合，[δi]表示各層的厚度，m；[λi]表示各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[a2d]表示從罐頂至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[a3d]表示從罐頂至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

2.3 罐底傳熱系數(shù)[Kdi]的計(jì)算

[Kdi=11a1di+δjλj+πD8λt] （3）

式中，[a1di]表示油品至油罐底的放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[δjλj]表示罐底熱阻之和；[δj]表示油泥沉積物、底板等各層的厚度，m；[λj]表示相應(yīng)各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[λt]表示土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；D表示罐底直徑，m。

2.4 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算

[K=KbiFbi+KdingFding+KdiFdiFbi+Fding+Fdi] （4）

式中，[Fbi]表示罐壁傳熱面積，m2；[Fding]表示罐頂傳熱面積，m2；[Fdi]表示罐底傳熱面積，m2。

3 油罐總傳熱系數(shù)K的影響因素分析

3.1 裝滿系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)K的影響

由式（1）和式（2）可知，油罐液位變化將會(huì)影響罐壁和罐頂傳熱系數(shù)變化。以一座10 000m3的拱頂罐為例，已知油罐平均直徑為31.2m，罐壁高為14.07m，拱頂高為3.434m，儲(chǔ)罐內(nèi)液位為85%，即裝油高度為11.94m，罐壁涂層的黑度為0.97，罐底土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.75W/（m2·℃），環(huán)境最低溫度為﹣30℃，平均風(fēng)速為2.6m/s，油品在15℃時(shí)的相對(duì)密度為0.918，加熱開(kāi)始時(shí)的溫度為4℃，加熱終止溫度為28℃[7]。利用Visual Basic（以下簡(jiǎn)稱VB）編程計(jì)算并繪制裝滿系數(shù)與總傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖1所示。

3.2 容積變化對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

討論拱頂罐容積變化對(duì)總傳熱系數(shù)的影響時(shí)，其他假設(shè)條件不變，只改變拱頂罐的容積，即改變拱頂罐直徑，利用VB編程計(jì)算并繪制拱頂罐直徑與總傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線[8]（見(jiàn)圖2）。

3.3 環(huán)境溫度的變化對(duì)總傳熱系數(shù)K的影響

環(huán)境溫度的變化主要引起罐壁傳熱系數(shù)的變化，對(duì)罐頂傳熱系數(shù)影響較小，對(duì)罐底幾乎無(wú)影響，所以得到罐壁傳熱系數(shù)與外界環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系，就可以得出整個(gè)拱頂罐的傳熱系數(shù)與外界環(huán)境溫度變化的關(guān)系[9-12]。利用VB編程計(jì)算并繪制罐壁的傳熱系數(shù)與外界溫度的函數(shù)關(guān)系圖，如圖3所示。

3.4 風(fēng)速的變化對(duì)總傳熱系數(shù)K的影響

風(fēng)速主要影響罐壁的傳熱系數(shù)[13]。利用VB編程計(jì)算并繪制風(fēng)速與總傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。

4 結(jié)論

①利用VB編程實(shí)現(xiàn)拱頂儲(chǔ)油罐總傳熱系數(shù)的快速計(jì)算。工程上估算罐壁溫度進(jìn)行計(jì)算罐壁傳熱系數(shù)的方法無(wú)法精確得到罐壁的傳熱系數(shù)，本編程采用了迭代計(jì)算方法，得到了較為精確的罐壁傳熱系數(shù)。

②通過(guò)分析拱頂罐總傳熱系數(shù)的影響因素，得到一系列結(jié)論：當(dāng)拱頂罐裝滿系數(shù)增大時(shí)，總傳熱系數(shù)也增大；當(dāng)拱頂罐容積增大時(shí)，總傳熱系數(shù)不斷減小，所以采用相應(yīng)的大容積油罐比較有利；當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，總傳熱系數(shù)是不斷減小的，因此，在春季、秋季、夏季、冬季這幾個(gè)時(shí)段可以根據(jù)具體的總傳熱系數(shù)選擇合適的加熱器加熱功率，有利于節(jié)約能耗；當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，總傳熱系數(shù)增大，且變化范圍較大，實(shí)際計(jì)算中不能忽略風(fēng)速的影響。

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