浮顶储油罐传热系数的变化规律及影响因素研究

成庆林，孙 巍，邵 帅，李 哲，衣 犀

(东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

随着我国原油储备能力的增加，油库生产规模大型化成为原油库的发展趋势。目前国内外常用的地上大型原油储罐主要是浮顶罐，在储存的过程中，当原油温度较低时，含蜡原油容易在储罐内沿形成一定的凝油层，严重威胁储罐的安全启动［1］，因此在生产运行中需要对罐内原油适时加热［2～5］。计算加热负荷时，传热系数的准确与否，直接影响到相关工艺参数的合理确定。而以往应用主要针对小体积油罐或是拱顶罐，对大型浮顶罐少有涉及。在分析浮顶储罐内原油温降过程的特点基础上［6－7］，综合考虑大气温度、储罐容积、油品物性等众多因素，建立适合于描述大型浮顶油罐温度场变化规律的理论传热模型，进而研究油罐传热系数的变化规律，对于优化大型浮顶罐的储存工艺设计，保障油库安全经济运行具有重要的现实意义。

1 浮顶储油罐温降计算公式

浮顶储油罐传热主要包括罐顶、罐壁、罐底三个部分［8－9］，其总传热系数为

式中 Kding、Kbi、Kdi——分别是浮顶罐罐顶、罐壁、罐底的传热系数/W·m－2·℃－1;

Fding、Fbi、Fdi——分别是浮顶罐罐顶、罐壁、罐底的面积/m2。

(1)罐顶传热系数［10－11］

式中 α1ding——油品至罐顶的内部放热系数/W· m－2·℃－1;

δding——罐顶保温层的厚度/m;

λding——罐顶保温层材料的导热系数/W· m－1·℃－1;

δfu——浮盘上、下盘之间的距离/m;

λfu——浮舱内部的散热系数/W·m－2·℃－1;

α2ding——罐顶至周围介质的外部放热系数/ W·m－2·℃－1;

α3ding——罐顶至周围介质的辐射放热系数/ W·m－2·℃－1。

双盘浮顶罐顶部传热包括油品至下浮盘的内部传热、浮舱内空气的自然对流和支架的传热、顶部保温层的传热以及透过保温层向空气中的传热，其中浮舱内部的传热系数不易确定，所以参考文献［12］λfu取6.98 W/m2·℃。

(2)罐壁传热系数

式中 α1bi——油品至罐内壁的内部放热系数/W·

m－2·℃－1;

δbi——罐壁保温层的厚度/m;

λbi——罐壁保温层材料的导热系数/W·m－1·℃－1;

α2bi——罐壁至周围介质的外部放热系数/W ·m－2·℃－1;

α3bi——罐壁至周围介质的辐射放热系数/W ·m－2·℃－1。

(3)罐底传热系数

式中 α1di——油品至罐底的放热系数/W·m－2·℃－1;

δdi——表示油泥沉积物、底板等各层的厚度/m;

λdi——表示相应各层的导热系数/W·m－1·℃－1;

λu——土壤的导热系数/W·m－1·℃－1;

D——罐底直径/m。

2 浮顶罐传热系数求解过程

浮顶罐主要经由罐壁、罐底、浮顶向外界散失热量［7］。为了便于分析，做出以下简化:假设罐内原油温度是均匀分布;忽略原油内部物理化学因素产生的内热源以及罐壁厚度;外界环境温度取计算日温度的平均值;罐底土壤为同性均匀介质。其中原油的粘度和密度等物性参数与其平均温度一一对应，为避免由于平均温度的不当选取，使得计算误差不断得到放大，本文采用分段计算的集总参数方法研究浮顶罐传热系数的变化规律。

(1)从降温的起始温度到终止温度，以温度tb为一个温降步长，使温度每降低tb都会计算出罐顶、罐壁、罐底传热系数以及总传热系数。

(2)先假设一个罐壁的温度tbi，其与油品温度ty的平均值为罐壁的定性温度，然后计算出油品在定性温度下，油品至罐顶的内部放热系数a1bi，罐壁至周围介质的外部放热系数a2bi以及罐壁至周围介质的辐射放热系数a3bi，如果罐壁有保温层，还需再计算保温层的传热，最终得出罐壁的传热系数Kbi，如果Kbi满足精度要求则认为假设的罐壁温度tbi成立，罐顶 Kding和罐底 Kdi的传热系数计算与罐壁相同。

(3)通过计算罐壁Kbi、罐顶Kding和罐底Kdi的传热系数得出浮顶罐总的传热系数Kzong，最后改变相关参数，绘制传热系数曲线，分析其影响因素。

3 应用实例分析

以一座100 000 m3的地上浮顶罐为例。已知油罐平均直径为80 m，罐壁高21 m，储罐内液位为95%，罐壁涂层黑度为0.96，罐底土壤导热系数为1.745 W/m·℃，环境温度为－20℃，平均风速为2.5 m/s，油品在20℃时的相对密度为0.91，在15℃时油品的粘度为10.53×10－6m2/s，罐内油温从47℃降到30℃，取油品温降间隔为1℃，计算结果如图1所示，计算结果与文献［12］一致。

图1 原油温度与传热系数的关系

受浮顶罐内原油温度的影响，罐顶传热系数，罐壁传热系数以及总传热系数都在减小，其中罐顶传热系数下降最为明显。另外，浮顶的类型、储罐液位、储罐体积、外界环境温度、风速等因素都会影响传热系数的大小，具体分析如下:

(1)浮顶类型

浮顶类型只对罐顶的传热系数和总传热系数有影响，所以可以不考虑罐壁传热系数和罐底传热系数的变化，如图2所示。初始时单盘浮顶罐的罐顶传热系数比双盘大4 W/m2·℃，随着温度的逐渐降低差距将会将小到2.7 W/m2·℃，罐顶传热系数的差距会导致总传热系数的变化，即单盘的总传热系数比双盘大1～1.3 W/m2·℃。

(2)储罐液位

图2 浮顶类型对传热系数的影响

油品温度在40℃时，传热系数与油罐储存系数的关系如图3所示。油罐储存系数对罐底、罐壁传热系数的影响不大，对罐顶传热系数的影响较大，特别是在油罐储存系数为20%～60%时，罐顶传热系数处在一个明显的上升趋势，当储罐内液位变化时，罐顶传热系数对总传热系数的变化起到了主导作用。

图3 油罐储存系数对传热系数的影响

(3)储罐容积

改变储罐尺寸时，传热系数与储罐体积的关系如图4所示。当体积逐渐增大时，其罐顶、罐底、罐壁以及总传热系数的数值都在逐渐减小，其中20 000 m3与30 000 m3的浮顶储罐各项传热系数相近，从50 000 m3到150 000 m3的浮顶罐总传热系数出现了明显下降的趋势。

图4 储罐容积对传热系数的影响

(4)外界环境温度

传热系数与环境温度的关系如图5所示。在－20～5℃的温度变化区间内罐顶传热系数逐渐增加，在5～20℃温度区间内变化的程度较小，罐壁传热系数随着环境温度的升高而逐渐增加，罐底传热系数的数值基本保持不变，总传热系数受罐壁传热系数的影响较大呈现出上升的趋势。

图5 环境温度对传热系数的影响

(5)风速

风速与传热系数的变化如图6所示。风速的升高会导致罐顶传热系数和罐壁传热系数的升高，其中罐壁传热系数的变化最为明显，最终导致总传热系数的升高。

图6 风速对传热系数的影响

4 结论

(1)罐顶传热系数、罐壁传热系数对总传热系数的变化起到了主导作用，但是随着浮顶罐的大型化，罐底面积的逐渐增加，罐底传热系数对总传热系数的影响也将会日趋重要，因此在计算浮顶罐总传热系数时需对罐顶、罐壁以及罐底传热系数进行综合精确计算。

(2)在浮顶罐静止储油过程中，罐顶传热系数随着储罐液位、环境温度的升高，风速的增加而增大，随着储罐体积增大而减小。单盘浮顶罐的罐顶传热系数约是双盘浮顶罐的1.5倍，采用双盘浮顶罐更有利于罐顶的保温。

(3)罐壁传热系数主要受储罐容积、外界环境温度以及风速的影响，随着储罐体积的增大而减小，随着环境温度的升高和风速的增大而增大，其中风速对罐壁传热系数的影响最为明显。

［1］国家计委综合司研究小组.国家石油储备问题研究［J］.经济研究参考，2002(3):1579.

［2］侯磊，贾玲玲.关于原油储库若干问题的技术思考［J］.节能技术，2011，29(1):66－67.

［3］侯磊，党鹏飞.含蜡原油固态储存及加热技术［J］.节能技术，2010，28(5):454－457.

［4］王红菊，王晓梅，石蕾.浮顶油罐降温储存高凝原油［J］.油气储运，2007，26(12):12－15.

［5］彭国庆.原油储罐的热能消耗分析及控制措施［J］.油气储运，2001，20(5):49－52.

［6］王明吉，张勇，曹文.原油储罐温降规律的实验研究［J］.油气田地面工程，2003，22(11):58.

［7］王明吉，张勇，曹文.立式浮顶原油储罐温降规律［J］.油气田地面工程，2005，24(12):11－12.

［8］蒋季洪，王睿，石俊峰，等.原油库温降规律研究［J］.管道技术与设备，2009(5):11－14.

［9］侯磊，白宇恒，黄维秋.浮顶罐内原油温降计算方法研究［J］.科技通报，2010，26(1):159－164.

［10］龙明主，秦宝祥，陈世一.拱顶油罐顶部传热系数的计算及影响因素分析［J］.石油化工高等学校学报，1999，12(2):73－76.

［11］龙明主.拱顶油罐罐顶传热系数计算公式的修正［J］.管道技术与设备，1999，8－9.

［12］郭光臣，董文兰，张志廉.油库设计与管理［M］.东营:山东东营出版社，1991.