油罐节能问题的探讨

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油罐节能问题的探讨
李凤奇


编者：本文通过对油罐局部加热器工艺计算方法的探讨，科学地选用或设计油罐局部加热器，达到节约热能的目的。
在炼厂油品储运系统中，普遍采用排管加热器和盘管加热器，但随着炼厂对节能要求的逐步提高，油罐局部加热器正越来越多的被采用。
油罐局部加热器通常安装在油罐罐壁出油口处，通过对罐内重质油品（储存温度高于油品凝点3～5℃）的局部加热，降低管内局部油品的粘度，减小泵吸入管道的阻力降，以满足泵的吸入要求，实现油品的转输。
油罐局部加热器主要由管程和壳程组成，加热介质走管程，通常为低压蒸汽和热水，罐内介质走壳程。管程安装在罐外；壳程进口（加热器壳程端部去掉封头后作为进口）布置在罐内，出口接转输泵的入口管道，布置在罐外。
采用油罐局部加热器对罐内油品进行局部升温后输送工艺比传统的罐内加热维温后输送工艺节约了大量热能，是炼厂油品储运系统节能降耗的重要手段之一。
正确进行罐内油品局部加热的工艺计算是合理设置油品转输设施的关键。下文详细介绍了罐内油品局部加热的工艺计算方法，并举例说明。


    1、局部加热器校核计算：

根据已有局部加热器的传热面积A，冷、热流体热容量流率Ch、Cc，冷热流体的进口温度thi、tci计算其出口温度tho、tco。
1.1计算步骤：
1.1.1计算总传热系数K；
1.1.2假设热流体出口温度tho、tco；
1.1.3计算对数平均温差Δtlm的第一次估算值；
1.1.4由传热速率方程确定Q的第一次近似值，Q=KAΔt1m
1.1.5由Q=Ch(thi
-tho)及Q=Cc(tco
-tci)计算出流体出口温度tho、tco与第二部假设的tho及tco值进行比较，重复步骤3，直至假设的出口温度与计算值一致为止。
1.2计算过程
1.2.1根据假设的冷流体的出口温度计算冷流体的物性参数：
1.2.1.1计算冷流体的定性温度：
tc=(tci+tco)/2
式中：tc —— 冷流体的定性温度(℃)；
tci
—— 冷流体的入口温度(℃)；
tco
—— 冷流体的出口温度(℃)；
1.2.1.2计算冷流体的粘度：
ut=uoe-u(tc-to)
式中：ut——定性温度下的粘度（m2/s）
u0
——已知温度为t0下的粘度（m2/s）;
t0 ——已知温度(℃);
1.2.1.3计算冷流体的热容：
我国主要油田生产的原油，计算公式如下：
油品温度在75℃～T1之间cwc=c0
油品温度在T1～T2之间cwc=4.1868-Aent
油品温度在T2～0℃之间cwc=4.1868-Bemt
式中：cwc——冷流体热容(KJ/(kg.℃));

c0——常数(KJ/(kg.℃));
T1——原油热容特性按温度分区的分区温度（℃);
T2——原油热容特性按温度分区的分区温度（℃);
A、B——常数(KJ/(kg.℃));
m、n——常数(1/℃);
式中参数按
一般油品
cwc=(1.6873+0.00339tc
)/(ρ15)0.5

式中：tc——冷流体的定性温度;
ρ15——15℃时冷流体的相对密度;
1.2.1.4计算冷流体的密度：
ρc=ρ20-γ(t-20)
式中:ρc——t℃冷流体的相对密度
ρ20—— 20℃冷流体的相对密度
γ——温度修正系数, γ取值可由相关资料查得。
1.2.1.5计算冷流体的导热系数：
λc
= 0.137(1-0.00054t) /(ρ15)0.5
式中：λc——冷流体的导热系数(W/(m·℃);
t —— 冷流体的定性温度(℃);
ρ15——15℃时冷流体的相对密度；
1.2.2冷流体(壳程)的吸热量：
QC=cwC·ρc·QVc·(tc0-tci)/3.6
式中：QC——冷流体的吸热量(kW)；
QVc——冷流体的流量(m3/h)
1.2.3冷流体(壳程)的流通面积：
FC=B·(DI- ncd0)
式中：FC——壳程流通面积(m2);

B——折流板间距(m);

Di——加热器壳内径(m);

nc——最接近壳体中心线管排的加热管根数;

d0——加热管外径(m);
1.2.4壳程流速：
uC
= QVc/3600/ FC
式中：uC——壳程流速(m/s)
1.2.5壳程当量直径：
dCe
=(DI2-nd02)/(DI+nd0)
式中：dCe——壳程当量直径(m);
n ——加热管根数;
1.2.6壳程雷诺数：
reC=uC·dCe/μt
式中：reC——壳程雷诺数
μt——冷流体运动粘度(m2/S);
1.2.7壳程普朗特数：
prc=cwc·dCe·μt/λc

式中：prc
—— 普朗特数;
1.2.8努赛尔特数：
1.2.8.1层流换热:
Nuc=1.86rec1/3prc1/3(d/L)1/3(μt/μw)0.14
式中：Nuc——努赛尔特数；
d —— 管内径(m);
L—— 管长(m);
μw——油品在壁温下的粘度(m2/s)；
适用范围:
recprc(d/L)>10
13<REc<2200
0.0044<μt/μw<9.75
1.2.8.2过渡流换热:
Nuc=0.116(rec2/3-125) prc1/3(1+(d/L)2/3(μt/μw)0.14
适用范围:
2200<REc<10000
prc>0.6
1.2.8.3紊流换热:
壁面和流体间的温差不大时(气体Δt<50℃, 水Δt<20～30℃,油类<10℃),采用下面公式:
Nuc=0.023rec0.28prcn
流体被加热时,n=0.4;流体被冷却时,n=0.3,n值不同是考虑温度对物性的影响。
适用范围:
0.7≤prc
≤160
rec≥10000
L/d ≥50
当温差较大时，流体粘度变化较大，可采用下式计算：
Nuc=0.027rec0.8prc1/3(μt/μw)0.14
适用范围:
0.7≤prc
≤16700
rec≥10000
L/d ≥50
1.2.9计算壳程对流换热系数：
αc=λcNuc/dec
式中：αc——壳程对流换热系数；
1.2.10加热管外表面积：
Fh=πnd0l
式中：Fh——加热管外表面积（m2）；

l——加热管长度（m）；
1.2.11加热管壁温：
tw=QC/(Fhαc)+t
式中：tw——加热管壁温（℃）
由壁温可求得壁温下油品的粘度，经过迭代便可求得壳程受壁温影响下的对流换热系数
热流体通常为热水和蒸汽，其物性参数可由相关资料查得。
1.2.12热流体(管程)的放热量：
Qh=CWh·ρh·QVh·(th0-thi)/3.6
式中：Qh——热流体的放热量(kW)；
QVh——热流体的流量(m3/h)
ρh——热流体的密度(Kg/m3)
如果加热介质为热水,可根据能量平衡(冷流体的吸热量等于热流体的放热量),利用迭代求出热流体的出口温度(tho), 如果加热介质为蒸气,可求出蒸气的干度(x)。
1.2.13计算对数平均温度：
Δtm=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)
Δt2=tho-tco

Δt1=thi-tci
1.2.14热流体(管程)的流通面积：
Fh
=0.25πnd02
式中：Fh
—— 管程流通面积(m2);
1.2.15管程流速：
uh=QVh/3600/Fh
式中：uh——管程流速(m/s);
1.2.16计算管程雷诺数：
reh=uh·di/uth
式中：reh——壳程雷诺数;
di——加热管内径（m）;
uth——热流体的粘度（m2/s）;
1.2.17计算管程对流换热系数：
αh=λh·Nuh/di
式中：αh——管程对流换热系数；
Nuh——管程努赛尔特数；
λh——管程流体的导热系数；
Nuh——管程努赛尔特数；
λh——管程流体的导热系数；
管程努赛尔特数计算方法见1.2.8。
1.2.18计算总传热系数：
K=1/(d0/(αhdi)+rh+rc+d0/(2λ)ln(d0/dI)+1/αc)
式中：K——系统总传热系数（W/(m2·℃）；
rh——管程结垢热阻（m2·℃/W）；
rC——壳程结垢热阻（m2·℃/W）；
λ——加热管导热系数（W/(m·℃）；
1.2.19计算总传热量：
Q=K·F·Δtm
式中：Q——总传热量（kW）

F——换热面积（m2）
可根据能量平衡(冷流体的吸热量等于系统总传热量QC= Q),利用迭代求出冷、热流体的出口的准确温度。
1.2.20壳程阻力降的计算：
ΔPC=(G02/(2gρc))·(Di(ns+1)/dec) ·(f0/1.05) ·g/1000
G0=ρcQvc/(3600Fc)
式中：ΔPC——壳程阻力降（kPa）；
G0——壳程流体的重力流速（Kg/m2·s）；
ns——折流板个数；
f0——摩擦因数，查阅《冷换设备工艺计算》（ 石油化学工业出版社）相关资料；


    2、局部加热器的设计计算：


根据冷、热流体的流量Qmc、Qmh，冷、热流体的入口温度thi、tci，针对冷流体要求达到的温度tco，根据能量平衡方程求得热流体的出口温度 tho及总传热量Q并由冷、热流体的进、出口温度求得对数平均温差，求出总传热系数后，再由总传热量Q、总传热系数、对数平均温差最终求出总传热面积。
设计计算的计算步骤与校核计算基本一致，已知冷流体的进出口温度和流量，可以求得冷流体的物性参数（计算方法与校核计算相同）和冷流体的吸热量，进而可以求得冷流体的对流换热系数。已知热流体的进口温度和流量，可以根据能量平衡方程求得热流体的出口温度（热水）或干度（蒸气），从而可以求出热流体的对流换热系数和平均对数温差，由冷热流体的对流换热系数求出总传热系数，再由总传热量、平均对数温差、总传热系数最终求出总传热面积（计算公式见校准计算相应的公式）。


    3、计算举例

胜利混合原油通过管输至某炼油厂储存至10000m3储罐内，来油温度为32oC，为满足泵的吸入要求，油品需升温至40oC，已知油品20oC的比重为0.9807t/ m3；50oC油品粘度为83.36cts；80oC油品粘度为40cts;油品凝点为28oC;加热或维温介质为1.0Mpa的蒸汽，加热时间为2h;泵的吸入量为250 m3/h;自然条件及油罐结构尺寸见下表：
计算结果：采用油罐加热升温后维温输送方案，单位时间内蒸汽耗量为32.16t, 采用油罐维温后局部加热输送方案，单位时间内蒸汽耗量为2.66t。


    4、结果与讨论

以上计算结果表明，采用油罐维温后局部加热输送方案比采用油罐加热升温后输送方案节约蒸汽相当明显，因此在实际的工程设计中，在满足泵吸入要求的前提下，应优先选用油罐维温后局部加热输送方案。

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