油罐熱儲改造前后的能耗研究

摘要：為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的方針，企業(yè)實施了一系列節(jié)能改造措施，該項目投用后對油罐能耗使用情況進行跟蹤分析，結(jié)合理論計算充分研究了能耗情況，并在改造前后進行了比較，證實了改造的必要性。

關(guān)鍵詞：工程技術(shù)方案 能耗計算

1 工程項目概況

本工程為某煉化企業(yè)油罐熱儲改造，項目分為檢修和土建兩部分，檢修部分包括罐頂板、部分罐底板更換，罐頂增加巡檢走橋、收儲熱油開口接管、罐壁抗風(fēng)圈、以及更新加熱器等。土建部分包括罐底基礎(chǔ)施工，破除地坪，分段挖罐外土方，邊挖邊砌磚內(nèi)模墻；M5砂漿砌環(huán)形磚內(nèi)模墻，C30環(huán)形墻澆注，水泥砂漿粉環(huán)形墻；挖除罐底板下原瀝青砂墊層，回填砂夯實，新做瀝青砂絕緣層；罐底鋪1：8水泥珍珠巖砂漿，帶漿砌憎水型珍珠巖平板，1：2水泥砂漿抹面，每6m方格設(shè)2cm寬的分倉縫，內(nèi)填珍珠巖，泄漏孔內(nèi)鋪設(shè)21根DN50鋼管（沿罐基礎(chǔ)每5m安1根），反濾層制作21處（用卵石鋪設(shè)）。罐頂、罐壁保溫施工，拆除罐壁、罐底舊保溫層，除中銹刷防銹漆一道；焊接擋雨檐鋼板；罐頂、壁焊支撐圈。罐頂安裝δ=80超細玻璃棉結(jié)構(gòu)保溫，罐壁安裝δ=120超細玻璃棉結(jié)構(gòu)保溫。保溫安裝后，扎鐵絲網(wǎng)抹面；罐頂采用δ=0.8鍍鋅鐵皮覆蓋固定。罐壁采用瓦楞板覆蓋固定；人孔、法蘭及罐頂透光孔做可拆卸保溫罩；罐根與底板接縫處用瀝青砂封口。

2 油罐改造前后能耗的理論計算以及油罐的實際能耗情況

以5000m3的地上拱頂油罐為例，通過理論計算比較一下改造前后的能耗。

假設(shè)油罐儲存常減壓蠟油（裝滿系數(shù)0.9），已知油罐平均直徑為23.70m，罐壁高12.50m，拱頂曲率半徑為28.30m，拱頂高為H′=2.60m。

保溫改造的油罐情況：油罐外壁鋪120mm厚玻璃棉板保溫層，罐頂鋪80mm玻璃棉板保溫層（它的導(dǎo)熱系數(shù)λtw取0.045W/m·℃），表面瓦楞板，銀灰色（它的黑度εtw取0.23）。罐底鋪120mm厚高強度憎水珍珠巖平板（它的導(dǎo)熱系數(shù)λtb2取0.041W/m·℃）。

未改造保溫的油罐情況：油罐外壁鋪50mm厚玻璃棉板保溫層（它的導(dǎo)熱系數(shù)λtw取0.045W/m·℃），表面瓦楞板，銀灰色（它的黑度εtw取0.23）。罐頂鋼板直接與大氣接觸，罐底鋼板直接與土壤接觸。

根據(jù)所儲油品測定，已知密度γop20=0.8800t/m3；粘度ν100=5.14×10-6m2/s，粘度ν50=19.12×10-6m2/s。

油罐所在地區(qū)（南京）歷年一月份平均溫度的平均值為2.4℃，地表平均溫度為5.2℃，冬季平均風(fēng)速為2.5 m/s。

分兩步計算油品從75℃加熱上升至76℃消耗蒸汽量，再進行對比。

2.1 計算改造保溫油罐消耗蒸汽情況

2.1.1 計算罐壁傳熱系數(shù)（Ktw）：

①計算油品平均溫度（tav）

已知：tbe=75℃；ten=76℃，tai=2.4℃

當（ten-tai）/（tbe-tai）=1.013＜2

tav=（ten+tbe）/2=75.5℃

②確定定性溫度并計算定性溫度下的有關(guān)參數(shù)

先假設(shè)罐壁溫度：twc=75℃

定性溫度：tqu=（tav+twc）/2=75.25℃

已知：γop20=0.8800t/m3

a=8.97×10-4-13.2×10-4×（γop20-0.7）=6.5940×10-4

γop15=γop20+5a=0.8833t/m3

λoptqu=0.101×(1-0.00054tqu)/γop15=0.109698W/(M·K)

γoptqu=γop20- a（tqu-20）=0.8436t/m3

△t=tav+twc=0.5℃

β=（γop20-γoptqu）/｛γoptqu×（tqu-20）｝=8.5732×10-4

已知：Hop=0.9H=11.25m

νop100=5.14×10-6m2/s，

νop50=19.12×10-6m2/s。

μ=㏑(νop50/νop100)/(100-50) =0.026274

νoptqu=νop50·е-u(tqu-50) =9.734150×10-6m2/s。

Coptqu=4.1868×(0.403+0.00081tqu)/( dop15)0.5=2.066818

KJ/（kg·℃）

Gr=g·β·(Hop)3·△t/(νoptqu)2=6.3191×1010

Pr=νoptqu·γoptqu·Coptqu×3.6×10-6/λoptqu=556.9813

Gr·Pr=3.519621×1013＞2×107

③計算油罐內(nèi)壁放熱系數(shù)（α1tw）

α1tw=m·λoptqu·(Gr·Pr)n/Hop

按照Gr·Pr值查表得：m=0.135，n=1/3

α1tw=43.139846W/(m2·℃)

④計算罐壁保溫層熱阻（δtw/λtw）

已知：δtw=0.12m，λtw=0.045W/（m·℃）

δtw/λtw=2.666700m2·℃/ W

⑤計算油罐外壁放熱系數(shù)（α2tw）

α2tw=mex·λai·(Re)nex/(Dav）

已知：vai=2.5m/s，Dav=23.70m

根據(jù)tai=2.4℃的資料計算下列參數(shù)：

γtai=1.252×273/T=1.263104Kg/m3

λai=λ0·(273+C′)/(T+C′)·(T/273)3/2=0.027104W/（m·℃）

λai=λ0·(273+C′)/(T+ C′)·(T/273)3/2=0.027104 W/（m·℃）

νai=μ0·(273+C)/(T+C)·(T/273)3/2·(g/γgas)=1.353281×10-5m2/s

其中：γgas=1.252×273/T=1.263104

Re=νai·Dav/νai=4.378247×10-6＞5×104

按照Re值查表得mex=0.023，nex=0.8

α2tw=5.408197W/(m2·℃)

⑥計算罐壁輻射放熱系數(shù)（α3tw）

已知：εtw=0.23，Cs=5.7W/(m2·℃)

α3tw=εtw·Cs{[(twc+273)/100]4-[(tai+273)/100]4}/(twc -tai)=1.609621W/(m2·℃)

⑦計算罐壁傳熱系數(shù)（Ktw）:

Ktw=1/[1/α1tw）+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw）]=0.353066 W/(m2·℃)

|twc+（tav-tai)·Ktw/α1tw-tav|=|0.097447|<1℃

假設(shè)的罐壁溫度twc值滿足精度要求，可以采用該定性溫度下的

Ktw=0.353066W/(m2·℃)

2.1.2 計算罐頂傳熱系數(shù)（Ktr）

①計算油面至混合氣體空間的內(nèi)部放熱系數(shù)（α1tr）

tof=ten=76℃，tai=2.4℃

tgas=12+0.4tof=42.4℃

trc=(tgas+tai)/2=22.4℃

△t=tof-trc=53.6℃

βgas=1/(273+tgas)=3.170580×10-3

γgas=1.252×273/T=1.083691

Hgas=0.1H+ H′=3.85m

Cgas=4.1868×0.241+(tgas-10) ×0.001÷30=1.010099KJ/（kg·℃）

νgas=μ0·(273+C)/( T+C)·(T/273)3/2·(g/γgas)=1.782460×10-5m2/s

λgas=λ0·(273+C′)/(T+C′)·(T/273)3/2=0.026597W/（m·℃）

Gr=g·βgas·(Hgas)3·△t/(νgas)2=3.022695×109

Pr=νgas·γgas·Cgas×3.6×10-6/λgas=2.640943×103

Gr·Pr=7.982765×1011×＞2×107

α1tr=1.14(tof-tgas)1/3=3.678617W/（m2·℃）

②計算混合氣體空間放熱系數(shù)（αgas）

αgas=1.31(tof-trc)1/4=3.555380W/（m2·℃）

③計算罐頂保溫層熱阻（δtr/λtr）

已知：δtr=0.08m，λtr=0.045W/（m·℃）

δtr/λtr=1.777778m2·℃/W

④計算油罐頂外壁放熱系數(shù)（α2tw）

α2tr=α2tw=5.408197W/（m2·℃）

⑤計算罐頂輻射放熱系數(shù)（α3tr）

已知：εtw=0.23，Cs=5.7W/(m2·℃)

α3tr=εtw·Cs{[(trc+273)/100]4-[(tai+273)/100]4}/(trc-tai)=1.220555W/(m2·℃)

⑥計算罐頂傳熱系數(shù)（Ktr）:

Ktr=1/[1/α1tr）+1/αgas）+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr）]=0.402943W/(m2·℃)

2.1.3 計算罐底傳熱系數(shù)（Ktb）

①計算從油品至罐底的內(nèi)部放熱系數(shù)（α1tb）

已知Dtb=Dav=23.70m

Gr=g·β·(Dtb)3·△t/(νoptqu)2=5.907870×1011

Gr·Pr=3.29057×1014＞2×107

按照Gr·Pr值查表得：m=0.135，n=1/3

α1tb=0.7m·λoptqu·(Gr·Pr)n/Dtb=30.197608W/( m2·℃)

②計算罐底污垢熱阻（δtb1/λtb1）

δtb1(罐底污垢厚度)取0.01m，

λtb1（罐底污垢導(dǎo)熱系數(shù)）取0.41W/（m·℃）

δtb1/λtb1=0.024390m2·℃/W

③計算罐底隔熱層熱阻（δtb2/λtb2）

δtb2(罐底隔熱層厚度)取0.12m，

λtb2（罐底隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)）取0.041W/m·℃

δtb2/λtb2=2.926829m2·℃/W

④計算罐底土壤熱阻（ЛDtb/8λso）

λso(干燥粘土導(dǎo)熱系數(shù))取1.16W/m·℃

ЛDtb/8λso=8.019181m2·℃/W

⑤計算罐底傳熱系數(shù)（Ktb）

Ktb=1/（1/α1tb+δtb1/λtb1+δtb2/λtb2+ЛDtb/8λso）=0.09

0880W/(m2·℃)

2.1.4 計算滿罐油品溫度從75℃升至76℃耗熱總量（Qal）

①計算油品升溫所需熱量（Qrt）

G=Л/4·Dav2·Hop·γop75

γop75=γop20-a(75-20)=0.843733t/m3

G=Л/4·Dav2·Hop·γop75=4.185274×106Kg

Qrt=G·Coptav·（ten-tbe）

其中Coptav=4.1868×(0.403+0.00081tav)/(dop15)0.5=2.0

67717KJ/（kg·℃）

Qrt=8.653963×106KJ

②計算罐壁熱損失（Qtw）

Qtw=Ktw·Ftw·（tav-tai）

Ktw= 0.353066W/(m2·℃)

Ftw·=Л·Dav·Hop=837.2025m2

tav-tai=73.1℃

Qtw=21607.46KJ

③計算罐頂熱損失（Qtr）

Qtr=Ktr·Ftr·（tav-tai）

Ktr=0.402943W/(m2·℃)

Ftr·=2ЛRf+ЛDav(H-Hop)=555.10m2

tav-tai=73.1℃

Qtw=16350.53KJ

④計算罐底熱損失（Qtb）

Qtb=Ktb·Ftb·（tav-tgr）

Ktb=0.090880W/(m2·℃)

Ftb·=Л·Dav2/4=440.93m2

tav-tgr=70.3℃

Qtw=2817.04KJ

⑤滿罐油品溫度從75℃升至76℃耗熱總量（Qal）

Qal=Qrt+Qtw+Qtr+Qtb=8694737.50KJ

⑥計算消耗蒸汽總量（Gst）

蒸汽為0.8MPa飽和蒸汽，冷凝水為飽和冷凝水

飽和蒸汽熱焓ist=2768.3kJ/kg，飽和冷凝水熱焓iwa=717.6kJ/kg

Gst=Qal/（ist-iwa）=4239.89kg

2.2 計算未改造保溫油罐消耗蒸汽情況

未改造油罐能耗計算與前面計算方法相同，最后得出結(jié)論：滿罐油品溫度從75℃升至76℃耗熱總量（Qal）

Qal=Qrt+Qtw+Qtr+Qtb=8763375.29KJ

進一步計算未改造油罐消耗蒸汽總量（Gst）

蒸汽為0.8MPa飽和蒸汽，冷凝水為飽和冷凝水

飽和蒸汽熱焓ist=2768.3kJ/kg，飽和冷凝水熱焓iwa=717.6kJ/kg

Gst=Qal/（ist-iwa）=4273.36kg

結(jié)論：保溫改造后與改造前滿罐油品從75℃升至76℃節(jié)約蒸汽量為：△Gst=4273.36-4239.89=33.47kg

為了驗證以上理論計算是否正確，從2009年11月10日到2009年12月18日對改造前后的兩臺5000m3的地上拱頂油罐進行了實際能耗標定，在兩臺油罐的加熱器入口分別安裝兩臺相同型號的蒸汽流量計，兩臺油罐工況基本相同，蒸汽流量計初始讀數(shù)為11.50t、10.59t，加熱器開一組且出口閥門開4扣控制流量，在這一個月內(nèi)氣溫最高21℃，最低0℃，每天分上午（10:00）、中午（12:00）、下午(14:00)抄表三次，兩臺油罐最高罐溫為86℃，最低罐溫為73℃終止讀數(shù)為390.42t、347.69t，通過簡單計算可知在這段時間內(nèi)未改造油罐耗汽378.9t，而改造后油罐耗汽337.1t，實際節(jié)汽41.8t。也符合理論計算。

3 結(jié)論

節(jié)能減排，構(gòu)建節(jié)約型社會是國家近幾年提出的一項政策，因此石油化工行業(yè)近期的項目多是節(jié)能改造項目，在此項目完成后通過理論計算和實際用汽標定的結(jié)果看，改造后節(jié)汽效果明顯。由于在實際生產(chǎn)過程中的工況較為復(fù)雜，本文只是從較理想狀態(tài)對油罐的用能情況進行了分析研究，這也為油罐節(jié)能改造提供了扎實依據(jù)，進一步發(fā)揮企業(yè)節(jié)能減排的潛力。