基于Visual Basic 的原油儲罐維溫計算程序設(shè)計

郭慧軍，宋義偉，朱杰，崔慧山，秦玉潔

(中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

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基于Visual Basic 的原油儲罐維溫計算程序設(shè)計

郭慧軍，宋義偉，朱杰，崔慧山，秦玉潔

(中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

摘要：原油儲罐維溫所需要的熱量占儲庫總能耗的50%以上,維溫熱量計算是儲庫計算的關(guān)鍵。通過對儲罐傳熱數(shù)學(xué)模型的分析，采用Visual Basic語言編制了大型原油儲罐加熱維溫計算程序。該程序可以應(yīng)用于儲罐傳熱系數(shù)、維溫熱量的計算，可大量減少手工計算，提高計算效率。

關(guān)鍵詞：儲罐傳熱系數(shù)維溫程序設(shè)計

1概述

在油田、原油儲庫中，當儲罐儲存的原油溫度低于凝點時，會發(fā)生凝固，同時，為保證儲存的油品在轉(zhuǎn)輸時保持一定的流動性，通常要求原油的儲存溫度大于其凝點，文獻提出原油儲存時溫度應(yīng)高于其凝點10～15℃。因此，除低凝點原油外，在大型原油儲庫中，儲罐維溫需要的熱量大多占儲庫總能耗的50%以上。

在進行儲罐加熱維溫計算時，對于儲罐傳熱系數(shù)K總的計算是整個計算的關(guān)鍵，目前，國內(nèi)對K總的確定主要采用兩種方式。一是采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)法，文獻認為無保溫層的地上立式金屬儲罐，罐壁傳熱系數(shù)Kb=4.5～8.2 W/(m2·℃)，罐頂傳熱系數(shù)Ka=1.2～2.4 W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)Kc=0.35 W/(m2·℃)，其中罐壁傳熱系數(shù)最大，罐底傳熱系數(shù)最小。文獻認為罐壁不設(shè)保溫層時Kb=4.65～8.14 W/(m2·℃)，設(shè)聚氨酯保溫層(40mm)可采用0.93～1.05 W/(m2·℃)，罐頂未設(shè)保溫層且油面溫度小于40℃時，可取1.2 W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)取0.23～0.47 W/(m2·℃)。文獻則根據(jù)儲罐的總?cè)莘e確定其總傳熱系數(shù)： 5 000 m3以下地面金屬保溫儲罐取K=1.5 W/(m2·℃)。文獻認為罐頂傳熱系數(shù)Ka=1.16～2.33 W/(m2·℃)。二是采用試算法計算K總值，文獻[1-6]均介紹了K總值的試算方法。以上采用試算法的主要理論依據(jù)： 先假定一個罐壁溫度，然后進行試算，計算出K總值，當罐壁溫度滿足一定的誤差條件時，確定為罐壁溫度，同時根據(jù)罐壁溫度確定K總值。

K值的選取和油品的性質(zhì)、環(huán)境溫度、風速、保溫層厚度等因素有關(guān)，環(huán)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值變化越大。采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算，雖然相對簡便，但由于環(huán)境及油品性質(zhì)等不同可能會產(chǎn)生較大的誤差；而采用試算法進行計算，計算精度較高，但驗算工作量較大，會浪費大量的人力。文獻提到一種簡化算法,將Sivaraman-Hess公式引入試算法,克服其不能確定罐壁溫度的缺陷,簡化計算步驟，但該方法與試算法結(jié)果有一定的出入。

采用計算機程序?qū)?yīng)用試算法原理進行儲罐維溫計算，既可以解決采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)參考值計算誤差較大的問題，又可以節(jié)省大量的計算時間，提高計算精度。本文研究了通過Visual Basic程序進行原油儲罐維溫計算的方法。

2數(shù)學(xué)模型的提出

2.1能量平衡方程

油品在儲罐內(nèi)會不斷向外散發(fā)熱量，為保證油品不會凝固，需要不斷地補充熱量，需要的加熱量即為油品儲罐內(nèi)向外散失的熱量(熱損失)，即：

dQL=dQs

(1)

式中： dQL——需要給儲罐補充的熱量；dQS——儲罐散發(fā)出的熱量，即熱損失。

經(jīng)儲罐散失到周圍介質(zhì)的熱量dQS可由下式求得：

dQs=86.4KF(T-Tai)dτ

(2)

式中：T——油品的溫度,℃；Tai——油罐周圍介質(zhì)的溫度,℃；K——從油品到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)；F——油罐的總表面積，m2。

2.2油罐總傳熱系數(shù)K的計算

從式(2)可知，在油品維溫溫度和周邊環(huán)境一定的前提下，要想確定儲罐維溫所需要的熱量，需要求得油罐的總傳熱系數(shù)K總：

(3)

式中： 下標tw，tr，tb——罐壁、罐頂、罐底。

因此，K總值的計算包括兩部分計算內(nèi)容： 油罐各部分傳熱面積的計算；各部分傳熱系數(shù)的計算。傳熱面積即油品儲罐與原油接觸部分的外表面積，可以簡單地計算出，而儲罐各部分的傳熱系數(shù)計算則相對復(fù)雜，是儲罐維溫計算的關(guān)鍵。

2.3罐壁、罐頂、罐底傳熱系數(shù)的計算

一些參考資料對儲罐罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)計算方法進行了詳細的說明，其中儲罐罐底的傳熱系數(shù)較小，在0.06～0.21 W/(m2·℃)、罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)較大，而儲罐罐壁的傳熱系數(shù)最大。各部分傳熱系數(shù)計算公式見下式：

Ktw=1/[1/]a1tw+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw)]

(4)

Ktr=1/[1/]a1tr+1/agas+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr)]

(5)

Ktb=1/(1/α1tb+δtb/λtb+πDav/8λso)

(6)

式中：α1tw——油品至罐壁的內(nèi)部放熱系數(shù)，W/(m2·℃);δtw——罐壁保溫層厚度，m;λtw——罐壁保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);α2tw——罐壁至大氣外部放熱系數(shù)，W/(m2·℃);α3tw——罐壁至大氣輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃);α1tr——罐頂內(nèi)部放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；αgas——混合氣體空間放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δtr——罐頂保溫層厚度，m；λtr——罐頂保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);α2tr——罐頂外部放熱系數(shù)， W/(m2·℃);α3tr——罐頂外部輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃);α1tb——罐底內(nèi)部放熱系數(shù)，W/(m2·℃);δtb——罐底污垢厚度，m；λtb——罐底污垢導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

上述參數(shù)的求取參見文獻，在此不再進行說明。

3儲罐維溫計算程序的編制

對于儲罐維溫計算，按照上述思路，采用Visual Basic語言進行維溫加熱程序的計算。該計算程序首先對儲罐的罐壁、罐頂、罐底等部分的傳熱系數(shù)進行計算，根據(jù)計算結(jié)果分別求取儲罐各部分的散熱情況，再根據(jù)各部分散熱量計算確定儲罐的總散熱，從而確定儲罐維溫需要的熱量。

3.1計算程序

維溫程序計算流程如圖1所示。

圖1　維溫程序計算流程示意

3.2設(shè)計界面

在設(shè)計過程中，考慮采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計界面，程序分為兩個界面，界面一用于輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括： 項目建設(shè)地區(qū)的氣象資料、儲罐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如罐直徑、罐高、保溫層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等)，油品的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)(包括黏度、溫度、加熱的始溫、終溫等)。數(shù)據(jù)輸入后，程序計算,計算結(jié)果顯示于界面二，主要包括： 儲罐罐壁、罐頂、罐底傳熱系數(shù)以及維溫所需要的總熱量。

以罐壁傳熱系數(shù)為例，輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，分別計算油品平均溫度、空氣導(dǎo)熱系數(shù)、油品黏度、空氣黏度、定性溫度時油品密度、膨脹系數(shù)、格拉曉夫準數(shù)、普朗特準數(shù)等。

在計算出儲罐各部位的傳熱系數(shù)后根據(jù)式(3)可求出儲罐總的傳熱系數(shù)K，進而求出總散熱量，即儲罐維溫所需要的總熱量。最終計算結(jié)果顯示儲罐罐壁、罐頂、罐底傳熱系數(shù)和散熱量以及儲罐維溫所需要的總熱量。

4結(jié)果與討論

1) 該程序通過多個大型原油儲庫的使用，能較好確定儲罐散熱情況和加熱維溫需要的熱量，減少了繁瑣的計算過程。

2) 由于相關(guān)文獻認為儲罐罐頂?shù)纳嵯禂?shù)較小，而罐壁的散熱系數(shù)較大，因而目前原油儲罐大多只進行罐壁保溫設(shè)計，不進行罐頂保溫設(shè)計；但根據(jù)計算結(jié)果，外浮頂罐罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)較經(jīng)過保溫后的罐壁傳熱系數(shù)大。當當?shù)仫L速增加時，罐頂散熱量更大。因此，下一步需研究在儲罐罐頂進行保溫設(shè)計的經(jīng)濟性。

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Design of Temperature Maintaining Procedure for Crude Oil Storage Tank Based on Visual Basic

Song Yiwei, Zhu Jie, Cui Huishan, Qin Yujie

(North China Company, China Petroleum Engineering Co.Ltd., CNPC, Renqiu, 062552, China)

Abstract：The heat for oil tank temperature maintaining is more than half of the total tanks’ consumption. Temperature maintaining calculation is the key of whole calculation. Large scale temperature maintaining calculation program for crude oil storage tank is designed with Visual Basic， through analysis of tank heat transmission mathematical model. The software can be applied in heat transmission and temperature maintaining calculation. It can largely reduce the manual work and improve calculation efficiency.

Key words：storage tank; heat transfer co-efficient; temperature maintaining; program design

中圖分類號：TP311.1

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0041-03

作者簡介：郭慧軍(1972—)，男，1993年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油煉制工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司華北分公司，主要從事石油地面工程的設(shè)計工作，任高級工程師。

稿件收到日期： 2014-11-06，修改稿收到日期： 2015-02-05。