储罐维温的经济性分析

周志强, 韩 钢，刘德俊, 关 丽, 梅宏林

（1. 辽宁石油化工大学 天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 舟山实华原油码头有限公司，浙江 舟山 316000）

储罐维温的经济性分析

周志强1, 韩 钢2，刘德俊1, 关 丽1, 梅宏林3

（1. 辽宁石油化工大学 天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 舟山实华原油码头有限公司，浙江 舟山 316000）

原油储罐的维温方式有蒸汽维温和热水维温两种。针对两种维温方式的经济投入，采用C++编程对两种方法所需的运行费用进行对比分析，考虑储罐的传热系数、温降时间、原油性质等参数，通过控制热水的流量使两种维温方式所需相近的加热面积。结果表明，当年周转次数为6次时，维温范围在25～40 ℃内，采用热水加热比蒸汽加热节省运行费用约10.34万元。

储罐；蒸汽；热水；维温；数学模型；运行费用

我国所产原油大多是易凝高粘原油[1]。为防止原油储存期间发生凝罐事故，储罐需要常年加热[2]。储罐维温有两种方式，蒸汽加热和热水加热。

采用蒸汽维温时，蒸汽的来源是锅炉加热使水沸腾产生的蒸汽，这一过程造成能量的大量浪费[3]。热水维温是利用温度的降低，利用显然为原油提供热量。因此，减少了能量的浪费。

目前对储罐维温方法这方面的研究比较少，主要集中在采用蒸汽对储罐维温时总运行费用的优化分析[4]；采用精细化管理对储罐进行维温[5]。为解决能源浪费问题，将蒸汽维温改造成热水加热维温，不仅节约了费用还减少了污染。

1 蒸汽维温

蒸汽维温的运行费用：

式中：H—消耗的蒸汽费用，元；M—消耗的蒸汽质量，kg；S—蒸汽的价格，元/kg；Q—单位时间内散失到周围介质中的热量，W；τ—油品维温的总时间，s；iz—蒸汽的热焓，kJ/kg；in—冷凝水的热焓，kJ/kg。

1.1 单位时间散失的热量

式中：K—储罐的总传热系数，W/(m·)℃；F—储罐的总面积，m2（F=Aa+Ab+Ac，Aa=油罐顶的面积+(1-φ)Ab，Ab=π(D+2δb)Hφ，Ac=πR2，D为储罐直径，m；H为储罐罐壁高度，m；δ为保温层厚度，m；φ为储罐装满系数，φ=0.95；R为储罐半径，m）；ty—原油的温度，℃；tj—储罐周围空气温度，℃。

其中储罐总传热系数为：

式中：Fbi、Fding、Fdi—罐壁、罐顶、罐底的面积，m2；Kbi、Kding、Kdi—罐壁、罐顶、罐底的传热系数，W/(m·)℃。

（1）罐壁的传热系数

式中：λb—保温层的导热系数，W/(m·)℃；δb—保温层厚度，m。

（2）罐顶的传热系数

式中：δd—罐顶保温层的厚度，m；λd—罐顶保温层的导热系数，W/(m·)℃；λq—浮舱空气的当量导热系数，W/(m·)℃；δq—浮舱空气平均厚度，m；

（3）罐底的传热系数

罐底的传热系数可直接选用经验值代入进行计算(表1)[6,7]。

表1 传热系数Table 1 Thermal conductivity

1.2 维温总时间

式中：τ总—年操作时间，s；n—油品年周转次数。

式中：G—原油的总质量，kg；c—原油的比热容，kJ/(kg·)℃；K—原油到周围介质的总传热系数，W/(m2·)℃ ；F—储罐总面积，m2；ty—原油的温度，℃；ty1—原油开始冷却时的温度，℃；ty2—原油冷却终了的温度，℃；tj—储罐周围介质温度，℃；τ—温降时间，s；V—油品体积，m3；ρ—油品的密度，kg/m3；tyz—油品加热的终了温度，℃；tys—油品加热的起始温度，℃；G—储罐内油品的总质量，kg；K0—蒸汽经加热器内壁到油品的传热系数，W/(m2·)℃；F0—加热器的表面积，m2；t1—蒸汽温度，℃；d415—油品的相对密度，d415=0.9；α—油品相对密度的温度修正系数，1/℃。

1.3 数学模型

式中：Tn—油品的凝点，℃；Tc—油品储存温度，℃；Tf—发油温度，℃。

2 热水维温

2.1 热量计算

在维温的过程中，热水显热给原油所提供的热量等于原油吸收的热量，据能量守恒得：

式中：Q—油品维温所需的热量，W；Fi—罐壁、罐顶、罐底的面积，m2；Ki—罐壁、罐顶、罐底的传热系数，W/(m·)℃。

2.2 数学模型

式中：qr—燃料油热值，取qr=41 870 J/kg；ηr—加热炉的综合效率，无量纲；P—运行时数，h。

3 加热面积的计算

其中：

式中：R—加热器的附加热阻，m2·/W℃ ；λoptqu1—油品在定性温度下tqu1时的导热系数，W/（m·℃）；dos—加热器外径，m；n=0.3；di—加热器的管内径，m；λstqu2—热水在定性温度下tqu2下的的导热系数，W/（m·℃）；u—热水在加热器管内的流速，m/s；tbi—加热器外管壁平均温度，℃；tbi2—加热器内管壁平均温度，℃；ts—热水的平均温度，℃；t1—热水进口温度，℃；t2—热水出口温度，℃；c—热水比热容，c=4.18 kJ/(kg·)℃；K0—加热器对油品的总传热系数[3]。

4 实例计算分析

已知某大型原油储罐容量为10万m3的，储罐的平均直径为79 m，储油高度为18 m；罐壁采用岩棉作为保温材料，保温层厚度分别为 30 mm和60 mm。年开工时间为8 000 h，周转次数为6次。罐内有3组加热盘管，采用表压为0.2 MPa的蒸汽热源，单价为200元。进油温度为40 ℃，维温温度为25～40 ℃，年平均气温为4 ℃，地表温度为0 ℃，平均风速为1.5 m/s。燃料油的低位热值为41 870 J/kg，每吨燃料油按1 340元计算。

计算过程见程序框图1。

图1 程序框图Fig.1 Computation flow-sheets

图2 维温温度为25～40 ℃时蒸汽维温和热水维温年总费用对比Fig.2 Comparison of annual costs of temperature-holding by steam and hot water between 25～40℃

计算结果见图2。从图中可以看出，维温不同，所需的蒸汽量和所需的燃油费用也不同；随着维温温度的升高，年总费用也逐渐增加。当年周转次数为6次时，采用热水维温比蒸汽维温节省约10.34万元；加热面积增加约9.5 m2左右（图3），若不更换加热器，可根据热平衡计算出热水的流量（公式17），即加热面积相同的情况下，控制热水流量，可使加热面积等于或稍小于原有加热器的实际面积。

图3 不同温度的加热面积Fig.3 Heat area against different temperature

5 结 论

原油的密度、粘度以及比热容随储存温度的变化而变化，根据相关公式，年周转次数相同的情况下，分别计算出采用蒸汽维温和热水维温所需要总费用。维温范围相同，采用热水维温比传统的蒸汽维温更节省能源，利于储罐的运行；加热器的加热面积可通过热水的流速进行调整，使得两种维温方式的加热面积相近。综合考虑了储罐各运行参数和两种维温方式对运行费用的影响，对实际生产中的节能降耗具有一定的参考价值。

［1］王英，韩冬云，李丹东，等.高效脱钙剂在辽河原油中的应用[J].辽宁石油化工大学学报，2008, 28(3): 12-15.

［2］范景彩.炼油厂油品罐区降低消耗的探讨[J].应用能源技术，2007 (9): 14-16.

［3］陈永坤.储罐的热水维温计算与经济性分析[J].广东化工，2012, 39(4): 255-256.

［4］王芙，刘德俊，李小月，等.大型储油罐运行费用计算分析[J].辽宁石油化工大学学报，2014, 34(1): 52-55.

［5］宫超.采用精细化节能措施取消原油罐区维温蒸汽[J].石油炼制与化工，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, 董文兰, 张志廉.油库设计与管理[M].东营: 中国石油大学出版社,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

周志强（1988-），男，硕士研究生，从事原油脱水温度优化研究。E-mail：443436880@qq.com。

刘德俊（1967-），男，硕士，副教授，从事油气集输系统工艺技术及污水处理研究。E-mail：ldj8448@163.com。