单盘浮顶原油储罐保温节能分析

徐亚威

（中化兴中石油转运[舟山]有限公司，舟山，316000）

单盘浮顶原油储罐保温节能分析

徐亚威

（中化兴中石油转运[舟山]有限公司，舟山，316000）

本文首先定性分析得出，单盘浮顶保温油罐只限于对罐壁进行保温是不够的，罐顶单盘成为主要的散热环节，对其进行保温将大大减少油罐的热损耗。然后通过传热学理论分析，推导出保温油罐各环节的传热计算公式，进而得出油罐的总体传热系数。最后通过实例阐明单盘保温后油罐保温性能的显著提升和带来的经济效益。

单盘浮顶保温节能

0 引言

进入21世纪后，我国迈入世界经济大国的行列，经济的高速发展导致了石油需求量的猛增，我国已成为世界第二大石油消费国和第二大石油进口国。巨大的石油需求促使石油储运业的飞速发展，全国各地，特别是沿海、沿江建立了众多的石油仓储企业，拥有大量用于储备原油、成品油的油罐。储备油品相当部分均为高凝点、高粘度油品，因此需要使用蒸汽加热油罐内的油品以确保储运安全和油品品质。油罐的保温效果决定了石油仓储企业消耗的蒸汽，因此降低油罐的散热成为企业节能减排的重要环节。

1 背景

石油储罐从油罐顶部结构来看可以分为拱顶油罐和浮顶油罐，浮顶油罐又分为单盘浮顶和双盘浮顶。拱顶罐由于这几类油罐各有特点和优势，在石油仓储企业都有广泛的运用。单盘浮顶罐由于浮顶重量轻，耗材少，减少油气排放和安全性高等特点在大型（5000m3以上）油罐中多被采用，单盘浮顶结构如图1所示。

图1 单盘浮顶油罐结构

在油罐保温方面，这三类油罐的罐壁都安装了保温材料进行保温，而罐底由于在埋在底下，散热也很少。三类油罐罐顶的保温效果因为结构不同而有差异，拱顶罐由于拱顶下面的空气层能起到一定的保温作用，其传热系数在1.16～2.33 W/(㎡.℃)之间，因此一般无需采用保温措施。双盘浮顶由于采用双层钢板，钢板中间充满静止的空气层，其传热系数与空气在标准状态下的导热系数0.0244W/(㎡.℃)相当。单盘浮顶仅为一层钢板，其导热性能很好，因此存在很大的散热，特别是在冬季和多风季节。

随着油罐建设趋于大型化，单盘浮顶的面积占整个油罐表面积的比重也相当大。表1是10000m3以上储罐的相关参数。可以看出单盘面积占总面积的比重基本上都在20%以上，而且上述数据是按照满罐（罐内液位为安全液位）的情况下计算的，而实际上油罐大多数时候并非满罐，这时单盘面积占总面积的比重还会增大。

因此单盘浮顶油罐罐顶保温对于油罐减少散热损失有着举足轻重的作用。下面将通过理论计算和实例来阐明。

图1 单盘浮顶油罐结构

2 理论计算[1-4]

单盘浮顶保温油罐的总传热系数K：

K——油罐总体换热系数，W/m2·℃

Kwall、Kbottom、Ktop、Kfloat——罐壁、罐底、罐顶、浮舱的换热系数，W/m2·℃

Fbottom、Fwall、Ftop、Ffloat——罐壁、罐底、罐顶、浮舱的换热面积，m2

Fbottom=πR2bottom

Fwall=2πRbottomH

Ftop=πR2top

Ffloat=π（R2float-R2top）

Rbottom——油罐底部半径，m

Rfloat——油罐罐顶单盘半径，m

Rtop——油罐罐顶单盘半径，m

H——油罐油品液位高度，m

2.1 罐壁换热系数Kwall

αw1——油品至油罐内壁的内部换热系数，W/m2·℃

αw2——油罐罐壁材料的导热系数，W/m2·℃

αw3——油罐外壁至周围介质的外部换热系数，W/m2·℃

αw4——油罐外壁至周围介质的辐射换热系数，W/m2·℃

δw1——罐壁保温层平均厚度，m

λ1——罐壁钢板的导热系数，W/m·℃

λ2——罐壁保温层的导热系数，W/m·℃

λoil——油品在定性温度的导热系数，W/m·℃twall——油罐壁面平均温度，℃

tair——空气平均温度，℃

toild——油品的定性温度，℃

ε——油罐外壁的黑度，取0.9

C0——黑体的辐射系数，为5.67×10-8W/m2·℃λair——空气在定性温度的导热系数，W/m·℃coil——定性温度下油品的比热容，J/kg·℃

ρoil——油品在定性温度下的密度，kg/m3

Gr1=——油品的格拉晓夫准则数

Pr1=——油品的普郎特准则数

Re1=——罐壁的外界空气雷诺准则数

g——重力加速器，为9.81m/s2

βoil——定性温度下流体的体积膨胀系数，℃-1

v——空气的平均速度，m/s

voil——定性温度下油品的运动粘度，m2/s

vair——定性温度下空气的运动粘度，m2/s

ρoil——定性温度下油品的密度，kg/m3

λoil——定性温度下油品的导热系数，W/m·℃

系数c1,n1,c2,n2,β由下表确定。

表2 c1,n1取值表

αw1、αw3、计算式中相关参数的定性温度分别为（twall+toil）/2、（twall+tair）/2。

由于上面计算中均用到中间温度，可通过以下平衡方程用试算法求得

2.2 罐底换热系数

αb1——油品至油罐底板的内部换热系数，W/m2·℃ab1=c3×

λbc——罐底各层的平均导热系数，取2.37W/m·℃

δbc——罐底各层的平均厚度，取0.8m

λearth——罐底土壤的导热系数，W/m·℃

e——修正系数

Gr2=油品的格拉晓夫准则数

系数c3，n3由下表确定

表5 c3,n3取值表

αb1计算式中相关参数的定性温度为(tair+toil)/2

2.3 罐顶浮舱换热系数Kfloat

af1——油品至油罐浮舱内壁的内部换热系数，W/m2·℃

af2——油罐浮舱内空气的导热系数，W/m·℃

af3——油罐外壁至周围介质的外部换热系数，W/m·℃

af1=1.3×c4×

af2=c5×

af3=0.023

Gr3=油品的格拉晓夫准则数

Gr4=——空气的格拉晓夫准则数Re2=罐顶的外界空气雷诺准则数

δfloat——浮舱平均厚度，m

系数c4，n4，c5，n5由下表确定

表6 c4,n4取值表

表7 c5,n5取值表

at1、at2计算式中相关参数的定性温度分别为：

2.4 罐顶单盘换热系数Ktop

2.4.1 单盘未保温时

at1——油品至油罐内顶板的内部换热系数，W/m2·℃

at2——油罐单盘至周围介质的外部换热系数，W/m2·℃

at3——油罐单盘至周围介质的辐射换热系数，，W/m2·℃

at1=1.3×c6×at2=0.023af3=εC0

δw2——罐顶单盘钢板平均厚度，m ttop——灌顶单盘平均温度，℃

Gr5=油品的格拉晓夫准则数

系数c6,n6由下表确定at1、at2计算式中相关参数的定性温度分别为：(ttop+toil)/2、(tair+ttop)/2。

表8 c6,n6取值表

由于上面计算中均用到中间温度ttop，可通过以下平衡方程用试算法求得

2.4.2 单盘保温时

δw3——罐顶单盘保温材料平均厚度，m

λ3——灌顶单盘保温层的导热系数，W/m·℃

at1、at2计算式中相关参数的定性温度、平衡方程式同2.4.1

3 计算实例

5万m3单盘浮顶油罐为例：Rbottom=30.075m，Rfloat=30m，Rtop=25.75m，H=15.55m，δfloat=0.65m，罐壁保温层厚度[5]δw1=0.06m，导热系数λ1=0.033W/m·℃。油罐内存有原油，toil=55.69℃，ρoil=820kg/m3，voil=41.5mm2/s，大气日平均温度tair=19.61℃，平均风速v=4.4m/s，土壤平均导热系数λearth=2.37W/m·℃。单盘浮顶保温层厚度δw3=0.045m，导热系数λ3=0.0255W/m·℃。计算结果如下：

表9 计算结果

单盘保温后可节约的热流量为

ΔK——单盘保温时的总体传热系数与单盘未保温时的差值，W/m·℃

按照燃油锅炉燃烧180燃料油产生蒸汽，热能价格为6.716×10-5元/KJ，则5万立方米油罐每天节能的经济价值为：3829元。如果5万立方米油罐一年保温时间分别为100天及200天，则年节约价值为：38.29万及76.58万元。同时由于减少对燃料油的消耗，也减少了二氧化碳的排放，具有较高的环保效益。

目前国内大型石油仓储企业油罐容量大多数都在100万立方米以上，其中保温罐容也十分巨

大，因此对单盘浮顶进行保温对成本的节约和环境的保护有着显著的意义。

4 结论

通过定性分析和传热学理论推导，可以看出在单盘浮顶油罐罐壁保温的基础上，单盘成为油罐主要的热损耗环节，将产生大量的热损失。对单盘进行保温后，单盘和油罐整体传热系数都大大降低，节能降耗效果明显，将为企业降低大量的能耗成本。从项目实例中可以定量的看出单盘保温前后油罐保温效能的提升以及产生的经济效益和环保的社会效益，因此单盘浮顶油罐用于保温油品储存时，对单盘进行保温将是必须考虑的问题。

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【2】梁文杰.石油化学[M].东营：石油大学出版社,1995:88-123

【3】李德海.原油库加热节能研究,41-52

【4】候威.原油大浮顶储罐罐顶保温设计经济分析.石油商技.1998.5：30-33.

【5】沈维道,蒋智敏,童钧耕.北京：工程热力学（第三版）[M].高等教育出版社.2001,391-432