儲罐維溫的經(jīng)濟性分析

周志強, 韓 鋼，劉德俊, 關(guān) 麗, 梅宏林

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

儲罐維溫的經(jīng)濟性分析

周志強1, 韓 鋼2，劉德俊1, 關(guān) 麗1, 梅宏林3

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

原油儲罐的維溫方式有蒸汽維溫和熱水維溫兩種。針對兩種維溫方式的經(jīng)濟投入，采用C++編程對兩種方法所需的運行費用進行對比分析，考慮儲罐的傳熱系數(shù)、溫降時間、原油性質(zhì)等參數(shù)，通過控制熱水的流量使兩種維溫方式所需相近的加熱面積。結(jié)果表明，當年周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次時，維溫范圍在25～40 ℃內(nèi)，采用熱水加熱比蒸汽加熱節(jié)省運行費用約10.34萬元。

儲罐；蒸汽；熱水；維溫；數(shù)學(xué)模型；運行費用

我國所產(chǎn)原油大多是易凝高粘原油[1]。為防止原油儲存期間發(fā)生凝罐事故，儲罐需要常年加熱[2]。儲罐維溫有兩種方式，蒸汽加熱和熱水加熱。

采用蒸汽維溫時，蒸汽的來源是鍋爐加熱使水沸騰產(chǎn)生的蒸汽，這一過程造成能量的大量浪費[3]。熱水維溫是利用溫度的降低，利用顯然為原油提供熱量。因此，減少了能量的浪費。

目前對儲罐維溫方法這方面的研究比較少，主要集中在采用蒸汽對儲罐維溫時總運行費用的優(yōu)化分析[4]；采用精細化管理對儲罐進行維溫[5]。為解決能源浪費問題，將蒸汽維溫改造成熱水加熱維溫，不僅節(jié)約了費用還減少了污染。

1 蒸汽維溫

蒸汽維溫的運行費用：

式中：H—消耗的蒸汽費用，元；M—消耗的蒸汽質(zhì)量，kg；S—蒸汽的價格，元/kg；Q—單位時間內(nèi)散失到周圍介質(zhì)中的熱量，W；τ—油品維溫的總時間，s；iz—蒸汽的熱焓，kJ/kg；in—冷凝水的熱焓，kJ/kg。

1.1 單位時間散失的熱量

式中：K—儲罐的總傳熱系數(shù)，W/(m·)℃；F—儲罐的總面積，m2（F=Aa+Ab+Ac，Aa=油罐頂?shù)拿娣e+(1-φ)Ab，Ab=π(D+2δb)Hφ，Ac=πR2，D為儲罐直徑，m；H為儲罐罐壁高度，m；δ為保溫層厚度，m；φ為儲罐裝滿系數(shù)，φ=0.95；R為儲罐半徑，m）；ty—原油的溫度，℃；tj—儲罐周圍空氣溫度，℃。

其中儲罐總傳熱系數(shù)為：

式中：Fbi、Fding、Fdi—罐壁、罐頂、罐底的面積，m2；Kbi、Kding、Kdi—罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)，W/(m·)℃。

（1）罐壁的傳熱系數(shù)

式中：λb—保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)℃；δb—保溫層厚度，m。

（2）罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)

式中：δd—罐頂保溫層的厚度，m；λd—罐頂保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)℃；λq—浮艙空氣的當量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)℃；δq—浮艙空氣平均厚度，m；

（3）罐底的傳熱系數(shù)

罐底的傳熱系數(shù)可直接選用經(jīng)驗值代入進行計算(表1)[6,7]。

表1 傳熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity

1.2 維溫總時間

式中：τ總—年操作時間，s；n—油品年周轉(zhuǎn)次數(shù)。

式中：G—原油的總質(zhì)量，kg；c—原油的比熱容，kJ/(kg·)℃；K—原油到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·)℃ ；F—儲罐總面積，m2；ty—原油的溫度，℃；ty1—原油開始冷卻時的溫度，℃；ty2—原油冷卻終了的溫度，℃；tj—儲罐周圍介質(zhì)溫度，℃；τ—溫降時間，s；V—油品體積，m3；ρ—油品的密度，kg/m3；tyz—油品加熱的終了溫度，℃；tys—油品加熱的起始溫度，℃；G—儲罐內(nèi)油品的總質(zhì)量，kg；K0—蒸汽經(jīng)加熱器內(nèi)壁到油品的傳熱系數(shù)，W/(m2·)℃；F0—加熱器的表面積，m2；t1—蒸汽溫度，℃；d415—油品的相對密度，d415=0.9；α—油品相對密度的溫度修正系數(shù)，1/℃。

1.3 數(shù)學(xué)模型

式中：Tn—油品的凝點，℃；Tc—油品儲存溫度，℃；Tf—發(fā)油溫度，℃。

2 熱水維溫

2.1 熱量計算

在維溫的過程中，熱水顯熱給原油所提供的熱量等于原油吸收的熱量，據(jù)能量守恒得：

式中：Q—油品維溫所需的熱量，W；Fi—罐壁、罐頂、罐底的面積，m2；Ki—罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)，W/(m·)℃。

2.2 數(shù)學(xué)模型

式中：qr—燃料油熱值，取qr=41 870 J/kg；ηr—加熱爐的綜合效率，無量綱；P—運行時數(shù)，h。

3 加熱面積的計算

其中：

式中：R—加熱器的附加熱阻，m2·/W℃ ；λoptqu1—油品在定性溫度下tqu1時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；dos—加熱器外徑，m；n=0.3；di—加熱器的管內(nèi)徑，m；λstqu2—熱水在定性溫度下tqu2下的的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；u—熱水在加熱器管內(nèi)的流速，m/s；tbi—加熱器外管壁平均溫度，℃；tbi2—加熱器內(nèi)管壁平均溫度，℃；ts—熱水的平均溫度，℃；t1—熱水進口溫度，℃；t2—熱水出口溫度，℃；c—熱水比熱容，c=4.18 kJ/(kg·)℃；K0—加熱器對油品的總傳熱系數(shù)[3]。

4 實例計算分析

已知某大型原油儲罐容量為10萬m3的，儲罐的平均直徑為79 m，儲油高度為18 m；罐壁采用巖棉作為保溫材料，保溫層厚度分別為 30 mm和60 mm。年開工時間為8 000 h，周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次。罐內(nèi)有3組加熱盤管，采用表壓為0.2 MPa的蒸汽熱源，單價為200元。進油溫度為40 ℃，維溫溫度為25～40 ℃，年平均氣溫為4 ℃，地表溫度為0 ℃，平均風(fēng)速為1.5 m/s。燃料油的低位熱值為41 870 J/kg，每噸燃料油按1 340元計算。

計算過程見程序框圖1。

圖1 程序框圖Fig.1 Computation flow-sheets

圖2 維溫溫度為25～40 ℃時蒸汽維溫和熱水維溫年總費用對比Fig.2 Comparison of annual costs of temperature-holding by steam and hot water between 25～40℃

計算結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，維溫不同，所需的蒸汽量和所需的燃油費用也不同；隨著維溫溫度的升高，年總費用也逐漸增加。當年周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次時，采用熱水維溫比蒸汽維溫節(jié)省約10.34萬元；加熱面積增加約9.5 m2左右（圖3），若不更換加熱器，可根據(jù)熱平衡計算出熱水的流量（公式17），即加熱面積相同的情況下，控制熱水流量，可使加熱面積等于或稍小于原有加熱器的實際面積。

圖3 不同溫度的加熱面積Fig.3 Heat area against different temperature

5 結(jié) 論

原油的密度、粘度以及比熱容隨儲存溫度的變化而變化，根據(jù)相關(guān)公式，年周轉(zhuǎn)次數(shù)相同的情況下，分別計算出采用蒸汽維溫和熱水維溫所需要總費用。維溫范圍相同，采用熱水維溫比傳統(tǒng)的蒸汽維溫更節(jié)省能源，利于儲罐的運行；加熱器的加熱面積可通過熱水的流速進行調(diào)整，使得兩種維溫方式的加熱面積相近。綜合考慮了儲罐各運行參數(shù)和兩種維溫方式對運行費用的影響，對實際生產(chǎn)中的節(jié)能降耗具有一定的參考價值。

［1］王英，韓冬云，李丹東，等.高效脫鈣劑在遼河原油中的應(yīng)用[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2008, 28(3): 12-15.

［2］范景彩.煉油廠油品罐區(qū)降低消耗的探討[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2007 (9): 14-16.

［3］陳永坤.儲罐的熱水維溫計算與經(jīng)濟性分析[J].廣東化工，2012, 39(4): 255-256.

［4］王芙，劉德俊，李小月，等.大型儲油罐運行費用計算分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2014, 34(1): 52-55.

［5］宮超.采用精細化節(jié)能措施取消原油罐區(qū)維溫蒸汽[J].石油煉制與化工，2008, 39(11): 62-65.

［6］Rodríguez I, Csdyto J, Pérez-Segarra C D, et al. Unsteady numerical simulation of the cooling process of vertical storage tanks under laminar natural convection[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2009, 48(4): 708-721.

［7］郭光辰, 董文蘭, 張志廉.油庫設(shè)計與管理[M].東營: 中國石油大學(xué)出版社,2006.

Economic Analysis of the Tank Temperature-holding

ZHOU Zhi-qiang1,HAN Gang2,LIU De-jun1,GUAN Li1,MEI Hong-lin3

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001，China; 2. Zhoushan Shihua Crude Oil Dock Co., Ltd.，Zhejiang Zhoushan 316000, China)

Crude oil storage tank temperature-holding has two kinds of ways: steam and hot water. In this paper, in view of economic input of the two ways, operation cost of the two methods were analyzed by using C + + programming. Considering the heat transfer coefficient of storage tank, temperature drop time, crude oil property parameters, etc., two temperature-holding methods had close heating area by controlling the flow of hot water. The results show that, when the turns are 6 times, the temperature range is 25 ℃ ～ 40℃,compared with steam heating ,operation cost of hot water heating can be saved about 103 400 Yuan.

Oil storage tank; Steam;temperature-holding; Hot water; Mathematical model; Running cost

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）03-0598-03

2014-10-21

周志強（1988-），男，碩士研究生，從事原油脫水溫度優(yōu)化研究。E-mail：443436880@qq.com。

劉德俊（1967-），男，碩士，副教授，從事油氣集輸系統(tǒng)工藝技術(shù)及污水處理研究。E-mail：ldj8448@163.com。