基于Visual Basic的大型原油储罐维温程序设计

宋义伟 李 强 张 钊 崔慧山

(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062550)

在油田和原油储库中，当储罐储存的原油温度低于凝点时会发生凝固。为了保证储存油品在转输时有一定的流动性，通常要求原油储存的温度大于其凝点，因此除低凝点原油外，大型原油储库的储罐维温所需热量占储库总能耗的一半以上。李征西和徐思文提出原油储存时的温度应高于其凝点10～15℃[1]；文献[2]则认为油品最低储存温度应比凝点高3～5℃[2]，这主要是考虑油气储库以储存为主，适当降低储存温度，可大幅度减少能耗。

在进行储罐加热维温计算时，对于储罐中油品至周围介质的总传热系数K的计算是关键，K值的选取和油品的性质、环境温度、风速及保温层厚度等因素有关，环境温度越低、保温层厚度越薄、风速变化越大则油品温降越快，K值的变化也就相应地越大。目前国内对K值的确定主要有经验数据法和公式试算法两种，采用经验数据计算，相对简便但是误差较大；而采用公式试算法进行计算时计算精度较高，但是需要进行反复试算，验算工作量较大，造成大量的人力资源浪费。为解决采用参考值存在较大误差而手工试算工作量较大的问题，笔者提出运用Visual Basic编程计算储罐加热维温过程中的储罐传热系数K，进而计算储罐维温过程需要的热量。

1 计算K值的两种方法①

经验数据法。文献[3]认为无保温层的地上立式金属储罐的罐壁传热系数Ktw在4.5～8.2W/(m2·℃)，罐顶传热系数Ktr在1.2～2.4W/(m2·℃)，罐底传热系数Ktb为0.35W/(m2·℃)。而文献[1]则认为罐壁不设保温层时Ktw在4.65～8.14W/(m2·℃)，设聚氨酯保温层(40mm)时Ktw在0.93～1.05W/(m2·℃)，罐顶未设保温层且罐内油面温度小于40℃时Ktr取1.2W/(m2·℃)，罐底传热系数Ktb取0.23～0.47W/(m2·℃)。文献[4]则根据储罐的总容积确定其总传热系数K，即5 000m3以下地面的金属保温储罐K值取-1.5W/(m2·℃)。从上述数据可以看出，对于储罐总传热影响最大的是罐壁部分，其次是罐顶，罐底传热系数最小。

公式试算法。文献[1～6]均介绍了K值的计算方法，采用公式试算法的理论依据是，先假定一个罐壁温度twc，然后进行试算，计算出罐壁传热系数Ktw，通过热平衡方程式校核，校核公式为：

|twc+(tav-tai)Ktw/α1tw-tav|

(1)

式中tai——当地1月份平均温度，℃；

tav——油品平均温度，℃；

α1tw——油品至储罐罐壁的内部放热系数，W/(m2·℃)。

当式(1)能满足小于某一设定的较小数值时，确定此时的twc为罐壁温度tw，同时根据罐壁温度确定传热系数Ktw的值。

2 数学模型的提出

对于储罐保温、加热问题，需要根据油品的物性(凝点)和环境温度确定储罐所需维持的温度；根据储罐需要维持的温度，确定储罐是否需要保温、保温材料的选择和保温层经济厚度的计算；根据保温层的设定而确定传热系数、储罐加热方式和热负荷。

油品在冷却过程中不断向外散发热量，因此维温过程中补充给储罐的热量值等于罐壁散失于周围介质中的热量，即：

dQL=dQS

式中 dQL——需要给储罐补充的热量，kJ/h；

dQS——储罐散发出的热量，即热损失，kJ/h。

经储罐散失到周围介质的热量dQS可由下式求得：

dQS=86.4KF(t-tai)dτ

式中F——油罐的总表面积，m2；

K——从油品到周围介质的总传热系数，W/(m2·℃)；

t——油品的温度，℃；

tai——油罐周围介质的温度(一般取一月的平均温度)，℃。

2.1 油罐传热系数K的求取

立式油罐一般可分为罐顶、罐壁和罐底3部分，因此K值的计算包括两部分内容，即油罐各部分传热面积的计算和各部分传热系数的计算，储罐的总传热系数K的计算式如下：

2.2 传热系数的计算

一些参考资料对储罐罐壁、罐顶、罐底的传热系数计算方法进行了详细的说明，其中储罐罐底的传热系数较小(0.06～0.21W/(m2·℃))，罐顶的传热系数较大，而储罐罐壁的传热系数最大。各部分传热系数的计算式为：

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——储罐中混合气体空间的放热系数，W/(m2·℃)；

α1tb——储罐罐底内部的放热系数，W/(m2·℃)；

α1tr——储罐罐顶内部的放热系数，W/(m2·℃)；

α2tr——储罐罐顶外部的放热系数，W/(m2·℃)；

α3tr——储罐罐顶外部的辐射放热系数，W/(m2·℃)；

α2tw——储罐罐壁至大气外部的放热系数，W/(m2·℃)；

α3tw——储罐罐壁至大气辐射的放热系数，W/(m2·℃)；

δtb——罐底污垢厚度，m；

δtr——罐顶保温层厚度，m；

δtw——罐壁保温层厚度，m；

λtb——罐底污垢导热系数，W/(m·℃)；

λtr——罐顶保温层导热系数，W/(m·℃)；

λso——罐底污垢导热系数，W/(m·℃)；

λtw——罐壁保温层导热系数，W/(m·℃)。

3 计算程序的编制

按照上述思路，储罐加热温度的计算采用Visual Basic语言进行维温程序的编写。在计算过程中分别对储罐罐顶、罐壁和罐底的传热系数进行计算，确定各部分的散热量，求取储罐的总散热，即储罐维温所需热量。

3.1 计算程序

储罐维温计算程序流程如图1所示。

图1 储罐维温计算程序流程

3.2 设计界面

在设计过程中，考虑采用面向对象的设计界面，程序分为两个界面，界面一用于输入基础数据，此部分基础数据是进行程序计算的必要条件，需要设计人员进行输入，包括项目建设地区气象资料、储罐基础数据(如罐直径、罐高、保温层厚度及导热系数等)和油品物理性质(包括粘度、温度、加热的始温及终温等数据)。

数据输入后，程序进行计算。计算结果显示于界面二，主要包括储罐罐壁传热系数和散热量、罐顶传热系数和散热量、罐底传热系数和散热量，以及所需的总热量。

4 计算实例

某油库处于河北东部地区，建设地上10万m3立式储罐10座储存原油，原油凝点较高，需要进行加热维温储存。采用本软件对储罐维温所需热量进行计算，计算结果与人工计算结果吻合。计算结果在现场进行实验，能够满足储罐维温的需要。

操作流程：启动软件，输入已知参数，包括当地气象资料、储罐的基本数据及油品的相关物性等，如图2所示的参数输入界面；在已知参数输入后，单击计算按钮，即可显示散热系数及散热量等相关计算结果，如图3所示的结果显示界面。

图2 参数输入界面

图3 储罐散热计算结果显示界面

5 结束语

Visual Basic作为基于Windows的一种简单易用的开发环境，具有良好的交互界面。笔者所建立的程序模型及其基于VB环境的实现具有较好的通用性，所提供的利用软件计算储罐维温的方法在多个原油储库已经投入实际应用，结果证实该方法能够较好地确定储罐散热情况和加热维温需要热量的计算，提高了计算效率和准确性，提

高了设计效率，减轻了设计人员繁琐的计算工作量。

[1] 李征西,徐思文.油品储运设计手册[M].北京:石油工业出版社,1997.

[2] 《石油和化工工程设计工作手册》编委会.石油和化工工程设计工作手册(第六册)油气储库工程设计[M].青岛:中国石油大学出版社,2010.

[3] 《油气田油气集输设计技术手册》编写组.油气田油气集输设计技术手册(上册)[M].北京:石油工业出版社,2009.

[4] 大庆油田科学研究设计院编写组.油气集输贮运设计手册[M].大庆:大庆油田科学研究设计院,1975.

[5] 马秀让.油库设计实用手册[M].北京:中国石化出版社,2009.

[6] 郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理[M].北京:中国石油大学出版社,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