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，我國邁入世界經(jīng)濟(jì)大國的行列，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致了石油需求量的猛增，我國已成為世界第二大石油消費(fèi)國和第二大石油進(jìn)口國。巨大的石油需求促使石油儲運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，全國各地，特別是沿海、沿江建立了眾多的石油倉儲企業(yè)，擁有大量用于儲備原油、成品油的油罐。儲備油品相當(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)的油品以確保儲運(yùn)安全和油品品質(zhì)。油罐的保溫效果決定了石油倉儲企業(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，在石油倉儲企業(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增大。

因此單盤浮頂油罐罐頂保溫對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。

目前國內(nèi)大型石油倉儲企業(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，因此對單盤浮頂進(jìn)行保溫對成本的節(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)保的社會效益，因此單盤浮頂油罐用于保溫油品儲存時(shí)，對單盤進(jìn)行保溫將是必須考慮的問題。

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

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

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