孫莉娜

（洛陽瑞澤石化工程有限公司，河南洛陽 471000）

在石油煉制及化工行業(yè)，加工及儲(chǔ)存的介質(zhì)多為火災(zāi)危險(xiǎn)性大的液體、氣體。隨著工藝裝置及存儲(chǔ)設(shè)備（特別是液態(tài)烴球罐）的大型化，消防用水量進(jìn)一步加大。此外，《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB 50160—2008（2018年版）規(guī)定，大中型石化企業(yè)的消防用水量應(yīng)在規(guī)定的基礎(chǔ)上，額外增加不小于 1萬m3的儲(chǔ)存量。因此，石化企業(yè)消防儲(chǔ)水量一般都比較大，甚至可達(dá)2～3萬m3。為節(jié)約占地，石油煉制及化工行業(yè)的消防水儲(chǔ)存設(shè)施一般均設(shè)置成消防水罐。因?yàn)橄浪抟话銥槁短煸O(shè)置，儲(chǔ)存水長期處于非流動(dòng)狀態(tài)。因此，在冬季溫度低于5℃的地區(qū)，行業(yè)內(nèi)多采取為消防水罐提供伴熱來保證消防儲(chǔ)水的安全性。

但是，在現(xiàn)行的國家及行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有關(guān)于水罐的冬季伴熱計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容。本文參照油罐的伴熱規(guī)定闡述消防水罐等的冬季伴熱計(jì)算。

根據(jù)熱量的來源，伴熱保溫通常分為蒸汽伴熱、熱水伴熱、導(dǎo)熱油伴熱和電熱帶伴熱等[1]，其中消防水罐的伴熱多采用蒸汽伴熱和熱水伴熱。根據(jù)伴熱管道布置的位置，通常又分為罐內(nèi)伴熱、罐外伴熱。

本文重點(diǎn)介紹蒸汽外伴熱的計(jì)算，并介紹蒸汽內(nèi)伴熱、熱水外伴熱、熱水內(nèi)伴熱與蒸汽外伴熱的不同點(diǎn)。

1 蒸汽外伴熱計(jì)算

儲(chǔ)罐的總散熱由三部分組成，分別為罐壁散熱、罐頂散熱和罐底散熱。在理論上，只要保證冬季時(shí)供熱量滿足儲(chǔ)罐的總散熱量，維持罐內(nèi)溫度即可，一般不考慮儲(chǔ)罐介質(zhì)的溫升過程。

1.1 儲(chǔ)罐總散熱量Q計(jì)算

1.1.1 罐壁散熱量QtW計(jì)算

（1）儲(chǔ)罐罐壁傳熱系數(shù)Ktw計(jì)算：

其中，Ktw為儲(chǔ)罐罐壁傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。α0為保溫隔熱層表面至周圍空氣給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。α0=11.62+6.97×W，W為當(dāng)?shù)囟酒骄L(fēng)速，m/s。W值可以參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè) 第01冊(cè) 常用資料》7.3章節(jié)數(shù)據(jù)。

α1為設(shè)備外壁至保溫隔熱層內(nèi)側(cè)空隙間空氣的給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。一般取11.62～13.95W/（m2·℃）[1]。

δ2為保溫隔熱層厚度，m。

λ2為保溫隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。在材料導(dǎo)熱系數(shù)未知時(shí)，λ2取值可以參照《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3010—2013）表6.1.4。

（2）儲(chǔ)罐最高液位的罐壁面積計(jì)算：

其中，Atw為儲(chǔ)罐罐壁面積，m2。

D為儲(chǔ)罐直徑，m。

H1為最高液位高度，m。

（3）罐壁傳熱溫差計(jì)算：

其中，Δttw為罐壁傳熱溫差，℃。

tw為儲(chǔ)罐的外壁溫度，近似等于儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)最低維持溫度tav，℃。一般取5℃或10℃。

tai為周圍環(huán)境溫度，℃，一般取當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁亍ai值可以參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè) 第01冊(cè) 常用資料》7.3章節(jié)數(shù)據(jù)。

（4）罐壁散熱量Qtw=Ktw×Atw×Δttw。

其中，Qtw為罐壁散熱量，W。

1.1.2 罐頂散熱量Qtr計(jì)算

（1）儲(chǔ)罐罐頂傳熱系數(shù)Ktr計(jì)算：

儲(chǔ)罐罐頂傳熱系數(shù)Ktr計(jì)算可以取經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)《油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（石油工業(yè)出版社）表5-5-6，當(dāng)介質(zhì)表面溫度小于40℃，Ktr為1.2W/（m2·℃）[2]。故在工程計(jì)算中，可以粗略取值為1.2W/（m2·℃）。

（2）儲(chǔ)罐最高液位以上的罐壁面積與拱頂面積之和Atr計(jì)算：

其中，Atr為儲(chǔ)罐罐頂面積，m2。

H為罐壁高度，m。

R為拱頂曲率半徑，m。

f為拱頂高度，m。

（3）罐頂傳熱溫差Δttr計(jì)算：

其中，Δttr為罐頂傳熱溫差，℃。

（4）罐頂散熱量Qtr=Ktr×Atr×Δttr。

其中，Qtr為罐頂散熱量，W。

1.1.3 罐底散熱量Qtb計(jì)算

（1）儲(chǔ)罐罐底傳熱系數(shù)Ktb計(jì)算：

儲(chǔ)罐罐底傳熱系數(shù)Ktb計(jì)算可以取經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)《油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（石油工業(yè)出版社）Ktb推薦數(shù)值，Ktb一般可采用0.23～0.47W/（m2·℃）。

（2）儲(chǔ)罐罐底面積Atb計(jì)算：

其中，Atb為儲(chǔ)罐罐底面積，m2。

（3）罐底傳熱溫差Δttb計(jì)算：

其中，Δttb為罐底傳熱溫差，℃。

tgr為項(xiàng)目所在地區(qū)最冷月份的地表溫度，℃，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)時(shí)，可以取(tai-3)。

（4）罐底散熱量Qtb=Ktb×Atb×Δttb。

其中，Qtb為罐底散熱量，W。

1.1.4 水罐總散熱量Qs計(jì)算

其中，Qs為水罐計(jì)算總散熱量，W。

1.1.5 伴熱系統(tǒng)最小供熱量Qg計(jì)算

工程設(shè)計(jì)中，一般考慮20%的余量，故實(shí)際需熱量按照冬季總散熱量的1.2倍計(jì)。同時(shí)應(yīng)考慮伴熱管熱量傳遞給被伴熱介質(zhì)的效率，一般情況下，外伴熱時(shí)傳熱效率可取40%～60%，內(nèi)伴熱時(shí)傳熱效率可取85%～95%。

其中，Qg為伴熱系統(tǒng)最小供熱量，W。

η為伴熱系統(tǒng)的傳熱效率，%。

1.2 蒸汽質(zhì)量流量Qm、體積流量Qv計(jì)算

考慮到廠內(nèi)蒸汽產(chǎn)生單元到用戶的管道的熱量損失，工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)適當(dāng)調(diào)低飽和蒸氣壓的壓力值，比如蒸汽伴熱系統(tǒng)采用的是公稱壓力為1.0MPa的蒸汽，實(shí)際計(jì)算時(shí)按照用戶裝置邊界飽和蒸汽壓力值為0.8MPa計(jì)。

蒸汽經(jīng)過換熱后，在管道末端設(shè)置疏水閥組，疏水閥后凝結(jié)水的壓力應(yīng)盡可能低，但同時(shí)應(yīng)能滿足返回凝結(jié)水站的壓力要求，一般公稱壓力1.0MPa的蒸汽換熱后凝結(jié)水壓力可取0.4～0.5MPa。

根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè) 第01冊(cè) 常用資料》5.12章節(jié)可以查到不同飽和蒸氣壓下蒸汽和水的飽和溫度、含熱量和蒸汽密度。

（1）蒸汽質(zhì)量流量Qm計(jì)算：

其中，Qm為伴熱蒸汽的質(zhì)量流量，kg/h。

Ha為伴熱管進(jìn)口蒸汽焓值，kJ/kg。

Hb為伴熱管出口凝結(jié)水焓值，kJ/kg。

（2）蒸汽體積流量Qv計(jì)算：

其中，Qv為伴熱蒸汽體積流量，m3/h。

ρ為伴熱管進(jìn)口蒸汽密度，kg/m3。

1.3 伴熱管傳熱系數(shù)K、伴熱管傳熱溫差Δt計(jì)算

儲(chǔ)罐伴熱管材質(zhì)一般為碳鋼，導(dǎo)熱系數(shù)可取45W/（m·℃）。

（1）伴熱管傳熱系數(shù)K計(jì)算：

其中，K為伴熱管傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

α2為伴熱管內(nèi)蒸汽冷凝給熱系數(shù)，一般取11622 W/（m2·℃）。

δ1為伴熱管厚度，m。

λ1為伴熱管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

α3為伴熱管至保溫隔熱層內(nèi)空氣的給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。根據(jù)《油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（石油工業(yè)出版社）表3.0.1-1數(shù)據(jù)，伴熱介質(zhì)溫度在120～180℃，管徑在DN25～DN50時(shí)，α3為18.36～21.85W/（m2·℃）。α3可以在該范圍內(nèi)取值。

α4為保溫隔熱層內(nèi)空氣至儲(chǔ)罐的給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。根據(jù)《油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（石油工業(yè)出版社）表3.0.1-2數(shù)據(jù)，伴熱介質(zhì)溫度在138～164℃時(shí)，α4為13.37～14.53W/（m2·℃）。α4可以在該范圍內(nèi)取值。

R為伴熱蒸汽的污垢熱阻，m2·℃/kW。在沒有設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，可以參考《化工原理（第二版）》表4-5數(shù)據(jù)。

（2）伴熱管傳熱溫差Δt計(jì)算：

其中，Δt為伴熱管傳熱溫差，℃。

ta為伴熱蒸汽平均溫度，℃，取蒸汽進(jìn)口溫度和出口溫度的平均值。

1.4 伴熱面積S、伴管長度L、伴熱管內(nèi)蒸汽流速v 計(jì)算

（1）伴熱面積S計(jì)算：

（2）伴熱熱水的質(zhì)量流量Qm計(jì)算公式為：

其中，S為伴熱面積，m2。

其他各參數(shù)意義均參照上述。

（2）伴熱管長度L計(jì)算：

其中，L為伴熱管長度，m。

d1為伴熱管外徑，m。

（3）伴熱管內(nèi)蒸汽流速v計(jì)算：

其中，Qm為伴熱熱水的質(zhì)量流量，kg/h。

t為伴熱管內(nèi)熱水的平均溫度，即為熱水進(jìn)水溫度和出水溫度之和的一半，℃。

c為伴熱管內(nèi)熱水的平均溫度的比熱容，J/（kg· ℃）。

（3）伴熱熱水的體積流量Qv計(jì)算時(shí)，ρ為伴熱熱水密度。

（4）熱水外伴熱，伴熱管傳熱系數(shù)K時(shí)，計(jì)算公式為：

其中，v為伴熱管內(nèi)蒸汽流速，m/s。

d2為伴熱管內(nèi)徑，m。

根據(jù)以上計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為設(shè)定參數(shù)下的計(jì)算最小值，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般會(huì)考慮適當(dāng)增大伴熱供 給量。

2 不同伴熱型式與蒸汽外伴熱的比較

2.1 蒸汽內(nèi)伴熱與蒸汽外伴熱相比的不同處

（1）一般情況下，內(nèi)伴熱時(shí)傳熱效率可取85～ 95%。

（2）伴熱管傳熱系數(shù)K時(shí)，計(jì)算公式為：

其中，α5為水與伴熱管的強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。根據(jù)《化工原理（第二版）》4-13節(jié)數(shù)據(jù)，水的自強(qiáng)制對(duì)流換熱給熱系數(shù)為1000～8000W/（m2·℃）。K值計(jì)算結(jié)果主要影響因素在R值，α5的取值對(duì)K值計(jì)算結(jié)果影響不大。

R為伴熱熱水的污垢熱阻，m2·℃/kW。在沒有設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，可以參考《化工原理（第二版）》表4-5數(shù)據(jù)。

（5）熱水內(nèi)伴熱，伴熱管傳熱系數(shù)K時(shí)，計(jì)算公式為：

其中，α6為水與伴熱管的自然對(duì)流給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。根據(jù)《化工原理（第二版）》4-13節(jié)數(shù)據(jù)，水的自然對(duì)流換熱給熱系數(shù)為200～1000W/（m2·℃）。K值計(jì)算結(jié)果主要影響因素在R值，α6的取值對(duì)K值計(jì)算結(jié)果影響不大。

2.2 熱水伴熱與蒸汽外伴熱相比的不同處

（1）一般情況下，內(nèi)伴熱時(shí)傳熱效率可取85%～ 95%。

3 結(jié)論

當(dāng)采用不同的伴熱型式時(shí)，計(jì)算方法略有差異。通過計(jì)算，可得到合理的伴熱熱源供給量，進(jìn)而選用合理的伴熱管徑和伴管長度。