基于傳熱計(jì)算的低溫儲(chǔ)罐吸閥冬季可靠性分析

劉 罡

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)

乙烯低溫儲(chǔ)罐是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種大容量液態(tài)乙烯存儲(chǔ)設(shè)備，其典型操作條件為常壓、低溫-103 ℃。由于其乙烯低溫儲(chǔ)罐系統(tǒng)操作工況多變，且操作壓力基本為常壓，因此乙烯低溫儲(chǔ)罐通常設(shè)置有通往內(nèi)罐的吸氣閥，以避免罐內(nèi)出現(xiàn)真空，導(dǎo)致罐體損壞【1-2】。

在中國(guó)北方某低溫乙烯儲(chǔ)罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員曾擔(dān)心：在冬季工況下，由于低溫儲(chǔ)罐操作溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，由內(nèi)罐通往外部的吸氣閥管道在熱傳導(dǎo)的作用下，可能出現(xiàn)管道溫度顯著低于外界環(huán)境溫度，進(jìn)而使得空氣中的水分在管道表面凝出，乃至結(jié)冰，從而影響吸氣閥可靠性。

乙烯低溫儲(chǔ)罐系統(tǒng)的傳熱計(jì)算是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。隨著低溫儲(chǔ)罐項(xiàng)目工程實(shí)踐的日漸增多，對(duì)于罐主體的傳熱計(jì)算已經(jīng)日漸成熟，多家技術(shù)提供商均有可靠的計(jì)算方法。而對(duì)于上述局部管道在極端天氣下的操作情況問題，則未見相關(guān)研究報(bào)道。

本研究的目的,是基于傳熱基本原理，對(duì)于乙烯儲(chǔ)罐頂部吸閥伸出管道在冬季條件下的溫度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)卮髿馇闆r對(duì)在極端情況下吸閥管道是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰問題而影響工作可靠性這一問題進(jìn)行分析，以對(duì)具體工程實(shí)踐形成指導(dǎo)性意見。

1 管道傳熱模型

1.1 吸閥管道基本結(jié)構(gòu)

吸閥管道的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，在低溫罐出現(xiàn)壓力持續(xù)降低的情況時(shí)，吸閥將啟動(dòng)，防止低溫罐系統(tǒng)出現(xiàn)真空導(dǎo)致破裂。

圖1 低溫罐吸閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 吸閥管道傳熱情況

由吸閥管道結(jié)構(gòu)與工作情況可知，在正常操作工況下，吸閥管道實(shí)際是一個(gè)從低溫罐體伸出至外界空氣中的盲端管。由此結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)于吸閥管道系統(tǒng)的傳熱作如下假設(shè)：

1) 吸閥管道任一截面上溫度認(rèn)為是相等的。

2) 在一定時(shí)間內(nèi)，外界溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，即吸閥管道系統(tǒng)的傳熱在一定時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。

3) 由于實(shí)際的管道長(zhǎng)度(1.5～4 m)相對(duì)于管徑(0.16 m)來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，管頂端界面處的傳熱可忽略。

4) 管道的彎曲對(duì)傳熱過程的影響可忽略。

由上述假設(shè)出發(fā)，建立吸閥傳熱模型如下：

由假設(shè)1)出發(fā)，可將吸閥管道等效為截面積為πdδ的等截面直肋，其中：d為管道直徑，m；δ為管道壁厚，m。

結(jié)合假設(shè)2)，則此處的傳熱問題等效為等截面直肋穩(wěn)態(tài)傳熱問題。吸閥管道參數(shù)示意見圖2。

圖2 吸閥管道參數(shù)示意

由傳熱學(xué)基本原理出發(fā)，可知吸閥管道端頭處的溫度與底部溫度之差θH可表述為【3】：

(1)

則：

(2)

式中：θH——吸閥管道端頭處的溫度與底部溫度之差，℃；

tf——吸閥管道端頭處的大氣溫度，℃；

t0——吸閥管道底部溫度(視為等于罐內(nèi)溫度)，℃；

tH——吸閥管道端頭處金屬溫度，℃；

H——管道伸出長(zhǎng)度，m；

ch——雙曲余弦函數(shù)。

對(duì)于本研究，吸閥管道所等效的直肋換熱周長(zhǎng)為P=πd，截面積AC=πdδ，則有：

(3)

在上述計(jì)算式中，隱含的假設(shè)是，忽略了吸閥管道與低溫罐罐壁之間的熱傳導(dǎo)以及日照輻射產(chǎn)生的傳熱。在本研究中，由于罐壁的溫度更高，罐壁熱傳導(dǎo)和日照輻射對(duì)于系統(tǒng)均為熱量輸入，會(huì)使管道端部溫度更高，因此這種忽略是保守的，不影響本研究結(jié)論。

2 吸閥可靠性計(jì)算分析

2.1 吸閥管道端頭溫度計(jì)算

吸閥管道端頭溫度計(jì)算所需要輸入的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 吸閥管道端頭溫度計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

基于式(2)，計(jì)算得知，吸閥管道端頭處的金屬溫度為：

tH=-20.8 ℃

進(jìn)一步計(jì)算不同大氣氣溫、不同吸閥管道長(zhǎng)度條件下的吸閥管道端頭處的金屬溫度曲線如圖3所示。

圖3 不同氣溫、管道長(zhǎng)度下的吸閥管道端頭處的金屬溫度曲線

由圖3可得到在本研究中吸閥管道端頭處金屬溫度的變化規(guī)律如下：

1) 吸閥管道端頭處金屬溫度隨大氣溫度下降而下降，隨伸出長(zhǎng)度增加而上升；

2) 伸出長(zhǎng)度越短，則管道端頭處金屬溫度與外界氣溫溫差越大；

3) 隨著伸出長(zhǎng)度的增加，吸閥管道端頭處溫度迅速接近大氣溫度，在本研究中，管道長(zhǎng)度超過1.2 m后，吸閥管道端頭處金屬溫度與外界大氣溫度的溫差基本小于1 ℃。

2.2 冬季空氣水汽凝出條件計(jì)算

冬季空氣水汽凝出的條件實(shí)際是不同溫度、空氣濕度下水在空氣中的飽和溫度的計(jì)算。在本研究中，項(xiàng)目所在地基本氣象條件如表2所示。

分別計(jì)算不同溫度下，當(dāng)?shù)啬曜罾湓路萜骄鄬?duì)濕度、冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度以及80%相對(duì)濕度(極端天氣)下空氣中水汽的飽和溫度如圖4所示。

表2 項(xiàng)目所在地基本氣象條件

圖4 不同濕度條件下水汽飽和溫度

在上述濕度下，當(dāng)管道端部金屬溫度低于水汽飽和溫度時(shí)，則水汽會(huì)凝出，當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，會(huì)進(jìn)一步結(jié)冰。反之當(dāng)管道端部金屬溫度高于水汽飽和溫度時(shí)，則水汽不會(huì)凝出，亦不會(huì)結(jié)冰。

2.3 吸閥可靠性計(jì)算分析

由上述計(jì)算結(jié)果綜合考慮，在管道長(zhǎng)度1.5 m 條件下，分別計(jì)算不同溫度下，當(dāng)?shù)啬曜罾湓路萜骄鄬?duì)濕度、冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度以及80%相對(duì)濕度(極端天氣)下吸閥管道端頭金屬溫度與水汽凝出溫度的對(duì)比如圖5(a)～圖5(c)所示。

由圖5(a)～圖5(c)可知，無(wú)論在年最冷月份平均相對(duì)濕度下，還是在冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下，在當(dāng)?shù)囟镜臍鉁胤秶鷥?nèi)，管道端頭的金屬溫度均高于水汽凝出溫度，因此不會(huì)有水汽凝結(jié)在吸閥管道上，更不會(huì)出現(xiàn)因結(jié)冰而導(dǎo)致吸閥無(wú)法正常工作的情況，吸閥系統(tǒng)的可靠性可以得到保證。

事實(shí)上，如果考慮到本研究計(jì)算中忽略了罐壁傳熱及日照輻射傳熱的影響，這種可靠性會(huì)進(jìn)一步提升。后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋也同樣證實(shí)，在冬季時(shí)吸閥管道上仍保持干燥，證實(shí)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)的可靠性。

3 結(jié)論

由上述分析，本研究得出以下結(jié)論：

1) 本研究初步建立了一個(gè)低溫乙烯儲(chǔ)罐頂部吸閥伸出管道的傳熱數(shù)學(xué)模型。

(a) 當(dāng)?shù)啬曜罾湓路萜骄鄬?duì)濕度

(b) 冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度

(c) 80%相對(duì)濕度(極端天氣)

2) 基于上述模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝條件、管道布置情況及現(xiàn)場(chǎng)氣象條件，定量地展示了不同情況下吸閥管道端部的金屬溫度。

3) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氣象條件，分析了不同氣象條件下現(xiàn)場(chǎng)空氣中水汽凝結(jié)的溫度要求。將不同情況下吸閥管道端部的金屬溫度與空氣中水汽的凝結(jié)溫度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在合適的伸出長(zhǎng)度設(shè)計(jì)下，即使完全忽略日照、罐壁熱傳導(dǎo)等加熱因素，吸閥管道仍可以保證不結(jié)冰，可靠性可以得到保證。