成慶林，孫 巍，邵 帥，李 哲，衣 犀

(東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

隨著我國原油儲備能力的增加，油庫生產(chǎn)規(guī)模大型化成為原油庫的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外常用的地上大型原油儲罐主要是浮頂罐，在儲存的過程中，當原油溫度較低時，含蠟原油容易在儲罐內(nèi)沿形成一定的凝油層，嚴重威脅儲罐的安全啟動［1］，因此在生產(chǎn)運行中需要對罐內(nèi)原油適時加熱［2～5］。計算加熱負荷時，傳熱系數(shù)的準確與否，直接影響到相關工藝參數(shù)的合理確定。而以往應用主要針對小體積油罐或是拱頂罐，對大型浮頂罐少有涉及。在分析浮頂儲罐內(nèi)原油溫降過程的特點基礎上［6－7］，綜合考慮大氣溫度、儲罐容積、油品物性等眾多因素，建立適合于描述大型浮頂油罐溫度場變化規(guī)律的理論傳熱模型，進而研究油罐傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，對于優(yōu)化大型浮頂罐的儲存工藝設計，保障油庫安全經(jīng)濟運行具有重要的現(xiàn)實意義。

1 浮頂儲油罐溫降計算公式

浮頂儲油罐傳熱主要包括罐頂、罐壁、罐底三個部分［8－9］，其總傳熱系數(shù)為

式中 Kding、Kbi、Kdi——分別是浮頂罐罐頂、罐壁、罐底的傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

Fding、Fbi、Fdi——分別是浮頂罐罐頂、罐壁、罐底的面積/m2。

(1)罐頂傳熱系數(shù)［10－11］

式中 α1ding——油品至罐頂?shù)膬?nèi)部放熱系數(shù)/W· m－2·℃－1;

δding——罐頂保溫層的厚度/m;

λding——罐頂保溫層材料的導熱系數(shù)/W· m－1·℃－1;

δfu——浮盤上、下盤之間的距離/m;

λfu——浮艙內(nèi)部的散熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

α2ding——罐頂至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)/ W·m－2·℃－1;

α3ding——罐頂至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)/ W·m－2·℃－1。

雙盤浮頂罐頂部傳熱包括油品至下浮盤的內(nèi)部傳熱、浮艙內(nèi)空氣的自然對流和支架的傳熱、頂部保溫層的傳熱以及透過保溫層向空氣中的傳熱，其中浮艙內(nèi)部的傳熱系數(shù)不易確定，所以參考文獻［12］λfu取6.98 W/m2·℃。

(2)罐壁傳熱系數(shù)

式中 α1bi——油品至罐內(nèi)壁的內(nèi)部放熱系數(shù)/W·

m－2·℃－1;

δbi——罐壁保溫層的厚度/m;

λbi——罐壁保溫層材料的導熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

α2bi——罐壁至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)/W ·m－2·℃－1;

α3bi——罐壁至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)/W ·m－2·℃－1。

(3)罐底傳熱系數(shù)

式中 α1di——油品至罐底的放熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

δdi——表示油泥沉積物、底板等各層的厚度/m;

λdi——表示相應各層的導熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

λu——土壤的導熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

D——罐底直徑/m。

2 浮頂罐傳熱系數(shù)求解過程

浮頂罐主要經(jīng)由罐壁、罐底、浮頂向外界散失熱量［7］。為了便于分析，做出以下簡化:假設罐內(nèi)原油溫度是均勻分布;忽略原油內(nèi)部物理化學因素產(chǎn)生的內(nèi)熱源以及罐壁厚度;外界環(huán)境溫度取計算日溫度的平均值;罐底土壤為同性均勻介質(zhì)。其中原油的粘度和密度等物性參數(shù)與其平均溫度一一對應，為避免由于平均溫度的不當選取，使得計算誤差不斷得到放大，本文采用分段計算的集總參數(shù)方法研究浮頂罐傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。

(1)從降溫的起始溫度到終止溫度，以溫度tb為一個溫降步長，使溫度每降低tb都會計算出罐頂、罐壁、罐底傳熱系數(shù)以及總傳熱系數(shù)。

(2)先假設一個罐壁的溫度tbi，其與油品溫度ty的平均值為罐壁的定性溫度，然后計算出油品在定性溫度下，油品至罐頂?shù)膬?nèi)部放熱系數(shù)a1bi，罐壁至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)a2bi以及罐壁至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)a3bi，如果罐壁有保溫層，還需再計算保溫層的傳熱，最終得出罐壁的傳熱系數(shù)Kbi，如果Kbi滿足精度要求則認為假設的罐壁溫度tbi成立，罐頂 Kding和罐底 Kdi的傳熱系數(shù)計算與罐壁相同。

(3)通過計算罐壁Kbi、罐頂Kding和罐底Kdi的傳熱系數(shù)得出浮頂罐總的傳熱系數(shù)Kzong，最后改變相關參數(shù)，繪制傳熱系數(shù)曲線，分析其影響因素。

3 應用實例分析

以一座100 000 m3的地上浮頂罐為例。已知油罐平均直徑為80 m，罐壁高21 m，儲罐內(nèi)液位為95%，罐壁涂層黑度為0.96，罐底土壤導熱系數(shù)為1.745 W/m·℃，環(huán)境溫度為－20℃，平均風速為2.5 m/s，油品在20℃時的相對密度為0.91，在15℃時油品的粘度為10.53×10－6m2/s，罐內(nèi)油溫從47℃降到30℃，取油品溫降間隔為1℃，計算結果如圖1所示，計算結果與文獻［12］一致。

圖1 原油溫度與傳熱系數(shù)的關系

受浮頂罐內(nèi)原油溫度的影響，罐頂傳熱系數(shù)，罐壁傳熱系數(shù)以及總傳熱系數(shù)都在減小，其中罐頂傳熱系數(shù)下降最為明顯。另外，浮頂?shù)念愋?、儲罐液位、儲罐體積、外界環(huán)境溫度、風速等因素都會影響傳熱系數(shù)的大小，具體分析如下:

(1)浮頂類型

浮頂類型只對罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)有影響，所以可以不考慮罐壁傳熱系數(shù)和罐底傳熱系數(shù)的變化，如圖2所示。初始時單盤浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)比雙盤大4 W/m2·℃，隨著溫度的逐漸降低差距將會將小到2.7 W/m2·℃，罐頂傳熱系數(shù)的差距會導致總傳熱系數(shù)的變化，即單盤的總傳熱系數(shù)比雙盤大1～1.3 W/m2·℃。

(2)儲罐液位

圖2 浮頂類型對傳熱系數(shù)的影響

油品溫度在40℃時，傳熱系數(shù)與油罐儲存系數(shù)的關系如圖3所示。油罐儲存系數(shù)對罐底、罐壁傳熱系數(shù)的影響不大，對罐頂傳熱系數(shù)的影響較大，特別是在油罐儲存系數(shù)為20%～60%時，罐頂傳熱系數(shù)處在一個明顯的上升趨勢，當儲罐內(nèi)液位變化時，罐頂傳熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的變化起到了主導作用。

圖3 油罐儲存系數(shù)對傳熱系數(shù)的影響

(3)儲罐容積

改變儲罐尺寸時，傳熱系數(shù)與儲罐體積的關系如圖4所示。當體積逐漸增大時，其罐頂、罐底、罐壁以及總傳熱系數(shù)的數(shù)值都在逐漸減小，其中20 000 m3與30 000 m3的浮頂儲罐各項傳熱系數(shù)相近，從50 000 m3到150 000 m3的浮頂罐總傳熱系數(shù)出現(xiàn)了明顯下降的趨勢。

圖4 儲罐容積對傳熱系數(shù)的影響

(4)外界環(huán)境溫度

傳熱系數(shù)與環(huán)境溫度的關系如圖5所示。在－20～5℃的溫度變化區(qū)間內(nèi)罐頂傳熱系數(shù)逐漸增加，在5～20℃溫度區(qū)間內(nèi)變化的程度較小，罐壁傳熱系數(shù)隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增加，罐底傳熱系數(shù)的數(shù)值基本保持不變，總傳熱系數(shù)受罐壁傳熱系數(shù)的影響較大呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖5 環(huán)境溫度對傳熱系數(shù)的影響

(5)風速

風速與傳熱系數(shù)的變化如圖6所示。風速的升高會導致罐頂傳熱系數(shù)和罐壁傳熱系數(shù)的升高，其中罐壁傳熱系數(shù)的變化最為明顯，最終導致總傳熱系數(shù)的升高。

圖6 風速對傳熱系數(shù)的影響

4 結論

(1)罐頂傳熱系數(shù)、罐壁傳熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的變化起到了主導作用，但是隨著浮頂罐的大型化，罐底面積的逐漸增加，罐底傳熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的影響也將會日趨重要，因此在計算浮頂罐總傳熱系數(shù)時需對罐頂、罐壁以及罐底傳熱系數(shù)進行綜合精確計算。

(2)在浮頂罐靜止儲油過程中，罐頂傳熱系數(shù)隨著儲罐液位、環(huán)境溫度的升高，風速的增加而增大，隨著儲罐體積增大而減小。單盤浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)約是雙盤浮頂罐的1.5倍，采用雙盤浮頂罐更有利于罐頂?shù)谋亍?/p>

(3)罐壁傳熱系數(shù)主要受儲罐容積、外界環(huán)境溫度以及風速的影響，隨著儲罐體積的增大而減小，隨著環(huán)境溫度的升高和風速的增大而增大，其中風速對罐壁傳熱系數(shù)的影響最為明顯。

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