双盘式浮顶储罐罐顶传热系数的计算分析

成庆林，衣 犀，孙 巍，范家伟

(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)

浮顶罐是目前国内外常用的大型原油储罐类型，一般分为单盘浮顶罐和双盘浮顶罐两种。由于浮顶罐罐顶面积大，通过罐顶散失的热量往往占据储罐散热的最大份额，以往浮顶罐浮顶传热系数计算的研究中主要以单盘为主，对于双盘浮顶传热系数往往使用经验数据进行估算［1－7］。双盘浮顶罐浮顶结构中顶板与底板间的空气隔层能够起到较好的隔热作用，具有良好的保温效果，结构稳定，近年发展迅速，在大型储罐中逐渐得到了广泛应用。因此研究双盘浮顶罐罐顶的传热规律，完善其传热系数的计算，对于优化双盘浮顶罐的工艺设计，保障储罐安全经济运行具有重要意义。

1 传热过程

双盘浮顶罐浮顶的传热过程(图1)包括①油品至浮顶的无限空间自然对流换热;②浮顶钢板的导热;③浮顶内部有限空间的自然对流换热;④浮顶向周围介质无限空间自然对流换热和空气外掠平板的强制对流换热。

图1 双盘浮顶罐浮顶的传热过程

(1)浮顶类型

从图2 中可以看出，降温过程中单、双盘浮顶传热系数差异显著，降温过程开始时相差约3．1 W/m2·℃左右，随着降温过程进行差异略微减小，至降温过程终了，相差约2．4 W/m2·℃左右。相比于单盘浮顶双盘浮顶的传热系数更小，具有更好的保温效果。

图2 单双盘浮顶罐罐顶传热系数对比

2 传热系数

实际应用中还应考虑到保温层和浮顶上沉积物的影响，由于相比于其他各项，钢板热阻过小，钢板的传热忽略不计。由此双盘浮顶罐浮顶传热系数的计算式［8］如下

自罐顶至周围大气的外部放热系数a2ding应按照空气外掠平板的强制对流换热公式计算

对于浮船内传热系数的计算，按照有限空间自然对流［9］传热计算［10］

3 求解过程

在上述计算中，用到罐顶平均温度tding，可根据热平衡方程用试算法求解

先假定一个tding进行试算，求出a1ding和Kding，再将tding、a1ding和Kding代入上式进行计算，如果两边相等，或者满足

则可以认为假定的tding是合适的。如不能满足上述条件，则要重新设定tding，再进行上述赋值计算，直到满足条件为止，以此确定Kding值。

4 实例计算

以北方地区一座容积10 万m3的地上双盘浮顶罐罐内油品从49℃降温至25℃的过程为例，计算参数取自文献［11］。

图3 环境温度对双盘浮顶罐罐顶传热系数的影响

(2)环境温度

由图3 可见，其他条件不变，环境温度20℃时罐 顶 传 热 系 数 由 1． 619 W/m2·℃ 降 至1．319 W/m2·℃，环境温度0℃时罐顶传热系数由1．802 W/m2·℃降至1．566 W/m2·℃，环境温度－20℃时，罐顶传热系数由1． 91 W/m2·℃降至1．693 W/m2·℃。可以看出，环境温度越高，浮顶传热系数越小，并且随着储罐降温过程的进行，环境温度越高，浮顶传热系数降低的趋势越大。

(3)风速

由图4 可见，其他条件不变，环境平均风速2．5 m/s时罐顶传热系数由1． 91 W/m2·℃降至1．693 W/m2·℃，环境平均风速4 m/s 时罐顶传热系数由1．929 W/m2·℃降至1．709 W/m2·℃，环境平均风速5.5 m/s时，罐顶传热系数由1．944 W/m2·℃降至1．724 W/m2·℃。可以看出，外界环境中风速越大，双盘浮顶传热系数越大，变化趋势基本一致。

(4)储罐容积

图4 环境风速对罐顶传热系数的影响

图5 储罐容积对罐顶传热系数的影响

其他条件不变，从图5 可以看出，5 万m3的储罐罐顶传热系数由1．935 W/m2·℃降至1．726 W/m2·℃，10 万m2的储罐罐顶传热系数由1．91 W/m2·℃降至1．693 W/m2·℃，15 万m3的储罐罐顶传热系数由1．879 W/m2·℃降至1．641 W/m2·℃。可以看出，容积越大的储罐其浮顶传热系数越小，并且随着温降过程的进行，浮顶传热系数下降趋势越大。

5 结论

(1)双盘浮顶罐相比单盘浮顶罐具有更好的保温效果，在我国油罐大型化的趋势下，双盘浮顶储罐具有更广阔的发展前景。

(2)双盘浮顶传热系数随风速增大而增加，随环境温度增加而减小，其中环境温度对于浮顶传热系数的影响尤为明显。

(3)双盘浮顶罐罐顶传热系数随容积的增加而减小，因此发展大型及超大型储罐对于减小储罐散热，降低经济损耗具有积极意义。

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