基于Visual Basic的大型原油儲罐維溫程序設計

宋義偉 李 強 張 釗 崔慧山

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062550)

在油田和原油儲庫中，當儲罐儲存的原油溫度低于凝點時會發生凝固。為了保證儲存油品在轉輸時有一定的流動性，通常要求原油儲存的溫度大于其凝點，因此除低凝點原油外，大型原油儲庫的儲罐維溫所需熱量占儲庫總能耗的一半以上。李征西和徐思文提出原油儲存時的溫度應高于其凝點10～15℃[1]；文獻[2]則認為油品最低儲存溫度應比凝點高3～5℃[2]，這主要是考慮油氣儲庫以儲存為主，適當降低儲存溫度，可大幅度減少能耗。

在進行儲罐加熱維溫計算時，對于儲罐中油品至周圍介質的總傳熱系數K的計算是關鍵，K值的選取和油品的性質、環境溫度、風速及保溫層厚度等因素有關，環境溫度越低、保溫層厚度越薄、風速變化越大則油品溫降越快，K值的變化也就相應地越大。目前國內對K值的確定主要有經驗數據法和公式試算法兩種，采用經驗數據計算，相對簡便但是誤差較大；而采用公式試算法進行計算時計算精度較高，但是需要進行反復試算，驗算工作量較大，造成大量的人力資源浪費。為解決采用參考值存在較大誤差而手工試算工作量較大的問題，筆者提出運用Visual Basic編程計算儲罐加熱維溫過程中的儲罐傳熱系數K，進而計算儲罐維溫過程需要的熱量。

1 計算K值的兩種方法①

經驗數據法。文獻[3]認為無保溫層的地上立式金屬儲罐的罐壁傳熱系數Ktw在4.5～8.2W/(m2·℃)，罐頂傳熱系數Ktr在1.2～2.4W/(m2·℃)，罐底傳熱系數Ktb為0.35W/(m2·℃)。而文獻[1]則認為罐壁不設保溫層時Ktw在4.65～8.14W/(m2·℃)，設聚氨酯保溫層(40mm)時Ktw在0.93～1.05W/(m2·℃)，罐頂未設保溫層且罐內油面溫度小于40℃時Ktr取1.2W/(m2·℃)，罐底傳熱系數Ktb取0.23～0.47W/(m2·℃)。文獻[4]則根據儲罐的總容積確定其總傳熱系數K，即5 000m3以下地面的金屬保溫儲罐K值取-1.5W/(m2·℃)。從上述數據可以看出，對于儲罐總傳熱影響最大的是罐壁部分，其次是罐頂，罐底傳熱系數最小。

公式試算法。文獻[1～6]均介紹了K值的計算方法，采用公式試算法的理論依據是，先假定一個罐壁溫度twc，然后進行試算，計算出罐壁傳熱系數Ktw，通過熱平衡方程式校核，校核公式為：

|twc+(tav-tai)Ktw/α1tw-tav|

(1)

式中tai——當地1月份平均溫度，℃；

tav——油品平均溫度，℃；

α1tw——油品至儲罐罐壁的內部放熱系數，W/(m2·℃)。

當式(1)能滿足小于某一設定的較小數值時，確定此時的twc為罐壁溫度tw，同時根據罐壁溫度確定傳熱系數Ktw的值。

2 數學模型的提出

對于儲罐保溫、加熱問題，需要根據油品的物性(凝點)和環境溫度確定儲罐所需維持的溫度；根據儲罐需要維持的溫度，確定儲罐是否需要保溫、保溫材料的選擇和保溫層經濟厚度的計算；根據保溫層的設定而確定傳熱系數、儲罐加熱方式和熱負荷。

油品在冷卻過程中不斷向外散發熱量，因此維溫過程中補充給儲罐的熱量值等于罐壁散失于周圍介質中的熱量，即：

dQL=dQS

式中 dQL——需要給儲罐補充的熱量，kJ/h；

dQS——儲罐散發出的熱量，即熱損失，kJ/h。

經儲罐散失到周圍介質的熱量dQS可由下式求得：

dQS=86.4KF(t-tai)dτ

式中F——油罐的總表面積，m2；

K——從油品到周圍介質的總傳熱系數，W/(m2·℃)；

t——油品的溫度，℃；

tai——油罐周圍介質的溫度(一般取一月的平均溫度)，℃。

2.1 油罐傳熱系數K的求取

立式油罐一般可分為罐頂、罐壁和罐底3部分，因此K值的計算包括兩部分內容，即油罐各部分傳熱面積的計算和各部分傳熱系數的計算，儲罐的總傳熱系數K的計算式如下：

2.2 傳熱系數的計算

一些參考資料對儲罐罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數計算方法進行了詳細的說明，其中儲罐罐底的傳熱系數較小(0.06～0.21W/(m2·℃))，罐頂的傳熱系數較大，而儲罐罐壁的傳熱系數最大。各部分傳熱系數的計算式為：

Ktw=1/[1/α1tw+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw)]

Ktr=1/[1/α1tr+1/αgas+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr)]

Ktb=1/(1/α1tb+δtb/λtb+πDav/8λso)

式中αgas——儲罐中混合氣體空間的放熱系數，W/(m2·℃)；

α1tb——儲罐罐底內部的放熱系數，W/(m2·℃)；

α1tr——儲罐罐頂內部的放熱系數，W/(m2·℃)；

α2tr——儲罐罐頂外部的放熱系數，W/(m2·℃)；

α3tr——儲罐罐頂外部的輻射放熱系數，W/(m2·℃)；

α2tw——儲罐罐壁至大氣外部的放熱系數，W/(m2·℃)；

α3tw——儲罐罐壁至大氣輻射的放熱系數，W/(m2·℃)；

δtb——罐底污垢厚度，m；

δtr——罐頂保溫層厚度，m；

δtw——罐壁保溫層厚度，m；

λtb——罐底污垢導熱系數，W/(m·℃)；

λtr——罐頂保溫層導熱系數，W/(m·℃)；

λso——罐底污垢導熱系數，W/(m·℃)；

λtw——罐壁保溫層導熱系數，W/(m·℃)。

3 計算程序的編制

按照上述思路，儲罐加熱溫度的計算采用Visual Basic語言進行維溫程序的編寫。在計算過程中分別對儲罐罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數進行計算，確定各部分的散熱量，求取儲罐的總散熱，即儲罐維溫所需熱量。

3.1 計算程序

儲罐維溫計算程序流程如圖1所示。

圖1 儲罐維溫計算程序流程

3.2 設計界面

在設計過程中，考慮采用面向對象的設計界面，程序分為兩個界面，界面一用于輸入基礎數據，此部分基礎數據是進行程序計算的必要條件，需要設計人員進行輸入，包括項目建設地區氣象資料、儲罐基礎數據(如罐直徑、罐高、保溫層厚度及導熱系數等)和油品物理性質(包括粘度、溫度、加熱的始溫及終溫等數據)。

數據輸入后，程序進行計算。計算結果顯示于界面二，主要包括儲罐罐壁傳熱系數和散熱量、罐頂傳熱系數和散熱量、罐底傳熱系數和散熱量，以及所需的總熱量。

4 計算實例

某油庫處于河北東部地區，建設地上10萬m3立式儲罐10座儲存原油，原油凝點較高，需要進行加熱維溫儲存。采用本軟件對儲罐維溫所需熱量進行計算，計算結果與人工計算結果吻合。計算結果在現場進行實驗，能夠滿足儲罐維溫的需要。

操作流程：啟動軟件，輸入已知參數，包括當地氣象資料、儲罐的基本數據及油品的相關物性等，如圖2所示的參數輸入界面；在已知參數輸入后，單擊計算按鈕，即可顯示散熱系數及散熱量等相關計算結果，如圖3所示的結果顯示界面。

圖2 參數輸入界面

圖3 儲罐散熱計算結果顯示界面

5 結束語

Visual Basic作為基于Windows的一種簡單易用的開發環境，具有良好的交互界面。筆者所建立的程序模型及其基于VB環境的實現具有較好的通用性，所提供的利用軟件計算儲罐維溫的方法在多個原油儲庫已經投入實際應用，結果證實該方法能夠較好地確定儲罐散熱情況和加熱維溫需要熱量的計算，提高了計算效率和準確性，提

高了設計效率，減輕了設計人員繁瑣的計算工作量。

[1] 李征西,徐思文.油品儲運設計手冊[M].北京:石油工業出版社,1997.

[2] 《石油和化工工程設計工作手冊》編委會.石油和化工工程設計工作手冊(第六冊)油氣儲庫工程設計[M].青島:中國石油大學出版社,2010.

[3] 《油氣田油氣集輸設計技術手冊》編寫組.油氣田油氣集輸設計技術手冊(上冊)[M].北京:石油工業出版社,2009.

[4] 大慶油田科學研究設計院編寫組.油氣集輸貯運設計手冊[M].大慶:大慶油田科學研究設計院,1975.

[5] 馬秀讓.油庫設計實用手冊[M].北京:中國石化出版社,2009.

[6] 郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設計與管理[M].北京:中國石油大學出版社,1994.

DesignofTemperature-keepingProgramforLargeStorageTanksBasedonVisualBasic

SONG Yi-wei, LI Qiang, ZHANG Zhao, CUI Hui-shan

(CNPCCPENorthChinaCompany,Renqiu062550,China)

The mathematical model for storage tank’s heat transfer coefficientKwas established in the process of calculating the tank’s ideal temperature, including the quantity of heat required by keeping the tank’s ideal