單盤浮頂原油儲罐保溫節能分析

徐亞威

（中化興中石油轉運[舟山]有限公司，舟山，316000）

單盤浮頂原油儲罐保溫節能分析

徐亞威

（中化興中石油轉運[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行保溫是不夠的，罐頂單盤成為主要的散熱環節，對其進行保溫將大大減少油罐的熱損耗。然后通過傳熱學理論分析，推導出保溫油罐各環節的傳熱計算公式，進而得出油罐的總體傳熱系數。最后通過實例闡明單盤保溫后油罐保溫性能的顯著提升和帶來的經濟效益。

單盤浮頂保溫節能

0 引言

進入21世紀后，我國邁入世界經濟大國的行列，經濟的高速發展導致了石油需求量的猛增，我國已成為世界第二大石油消費國和第二大石油進口國。巨大的石油需求促使石油儲運業的飛速發展，全國各地，特別是沿海、沿江建立了眾多的石油倉儲企業，擁有大量用于儲備原油、成品油的油罐。儲備油品相當部分均為高凝點、高粘度油品，因此需要使用蒸汽加熱油罐內的油品以確保儲運安全和油品品質。油罐的保溫效果決定了石油倉儲企業消耗的蒸汽，因此降低油罐的散熱成為企業節能減排的重要環節。

1 背景

石油儲罐從油罐頂部結構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和優勢，在石油倉儲企業都有廣泛的運用。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在大型（5000m3以上）油罐中多被采用，單盤浮頂結構如圖1所示。

圖1 單盤浮頂油罐結構

在油罐保溫方面，這三類油罐的罐壁都安裝了保溫材料進行保溫，而罐底由于在埋在底下，散熱也很少。三類油罐罐頂的保溫效果因為結構不同而有差異，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，其傳熱系數與空氣在標準狀態下的導熱系數0.0244W/(㎡.℃)相當。單盤浮頂僅為一層鋼板，其導熱性能很好，因此存在很大的散熱，特別是在冬季和多風季節。

隨著油罐建設趨于大型化，單盤浮頂的面積占整個油罐表面積的比重也相當大。表1是10000m3以上儲罐的相關參數。可以看出單盤面積占總面積的比重基本上都在20%以上，而且上述數據是按照滿罐（罐內液位為安全液位）的情況下計算的，而實際上油罐大多數時候并非滿罐，這時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。下面將通過理論計算和實例來闡明。

圖1 單盤浮頂油罐結構

2 理論計算[1-4]

單盤浮頂保溫油罐的總傳熱系數K：

K——油罐總體換熱系數，W/m2·℃

Kwall、Kbottom、Ktop、Kfloat——罐壁、罐底、罐頂、浮艙的換熱系數，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Kwall

αw1——油品至油罐內壁的內部換熱系數，W/m2·℃

αw2——油罐罐壁材料的導熱系數，W/m2·℃

αw3——油罐外壁至周圍介質的外部換熱系數，W/m2·℃

αw4——油罐外壁至周圍介質的輻射換熱系數，W/m2·℃

δw1——罐壁保溫層平均厚度，m

λ1——罐壁鋼板的導熱系數，W/m·℃

λ2——罐壁保溫層的導熱系數，W/m·℃

λoil——油品在定性溫度的導熱系數，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，為5.67×10-8W/m2·℃λair——空氣在定性溫度的導熱系數，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=——油品的格拉曉夫準則數

Pr1=——油品的普郎特準則數

Re1=——罐壁的外界空氣雷諾準則數

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，℃-1

v——空氣的平均速度，m/s

voil——定性溫度下油品的運動粘度，m2/s

vair——定性溫度下空氣的運動粘度，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熱系數，W/m·℃

系數c1,n1,c2,n2,β由下表確定。

表2 c1,n1取值表

αw1、αw3、計算式中相關參數的定性溫度分別為（twall+toil）/2、（twall+tair）/2。

由于上面計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

αb1——油品至油罐底板的內部換熱系數，W/m2·℃ab1=c3×

λbc——罐底各層的平均導熱系數，取2.37W/m·℃

δbc——罐底各層的平均厚度，取0.8m

λearth——罐底土壤的導熱系數，W/m·℃

e——修正系數

Gr2=油品的格拉曉夫準則數

系數c3，n3由下表確定

表5 c3,n3取值表

αb1計算式中相關參數的定性溫度為(tair+toil)/2

2.3 罐頂浮艙換熱系數Kfloat

af1——油品至油罐浮艙內壁的內部換熱系數，W/m2·℃

af2——油罐浮艙內空氣的導熱系數，W/m·℃

af3——油罐外壁至周圍介質的外部換熱系數，W/m·℃

af1=1.3×c4×

af2=c5×

af3=0.023

Gr3=油品的格拉曉夫準則數

Gr4=——空氣的格拉曉夫準則數Re2=罐頂的外界空氣雷諾準則數

δfloat——浮艙平均厚度，m

系數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計算式中相關參數的定性溫度分別為：

2.4 罐頂單盤換熱系數Ktop

2.4.1 單盤未保溫時

at1——油品至油罐內頂板的內部換熱系數，W/m2·℃

at2——油罐單盤至周圍介質的外部換熱系數，W/m2·℃

at3——油罐單盤至周圍介質的輻射換熱系數，，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=油品的格拉曉夫準則數

系數c6,n6由下表確定at1、at2計算式中相關參數的定性溫度分別為：(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

δw3——罐頂單盤保溫材料平均厚度，m

λ3——灌頂單盤保溫層的導熱系數，W/m·℃

at1、at2計算式中相關參數的定性溫度、平衡方程式同2.4.1

3 計算實例

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，導熱系數λ1=0.033W/m·℃。油罐內存有原油，toil=55.69℃，ρoil=820kg/m3，voil=41.5mm2/s，大氣日平均溫度tair=19.61℃，平均風速v=4.4m/s，土壤平均導熱系數λearth=2.37W/m·℃。單盤浮頂保溫層厚度δw3=0.045m，導熱系數λ3=0.0255W/m·℃。計算結果如下：

表9 計算結果

單盤保溫后可節約的熱流量為

ΔK——單盤保溫時的總體傳熱系數與單盤未保溫時的差值，W/m·℃

按照燃油鍋爐燃燒180燃料油產生蒸汽，熱能價格為6.716×10-5元/KJ，則5萬立方米油罐每天節能的經濟價值為：3829元。如果5萬立方米油罐一年保溫時間分別為100天及200天，則年節約價值為：38.29萬及76.58萬元。同時由于減少對燃料油的消耗，也減少了二氧化碳的排放，具有較高的環保效益。

目前國內大型石油倉儲企業油罐容量大多數都在100萬立方米以上，其中保溫罐容也十分巨

大，因此對單盤浮頂進行保溫對成本的節約和環境的保護有著顯著的意義。

4 結論

通過定性分析和傳熱學理論推導，可以看出在單盤浮頂油罐罐壁保溫的基礎上，單盤成為油罐主要的熱損耗環節，將產生大量的熱損失。對單盤進行保溫后，單盤和油罐整體傳熱系數都大大降低，節能降耗效果明顯，將為企業降低大量的能耗成本。從項目實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生的經濟效益和環保的社會效益，因此單盤浮頂油罐用于保溫油品儲存時，對單盤進行保溫將是必須考慮的問題。

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