基于传热计算的低温储罐吸阀冬季可靠性分析

刘 罡

(中国石化工程建设有限公司，北京100101)

乙烯低温储罐是近年来发展迅速的一种大容量液态乙烯存储设备，其典型操作条件为常压、低温-103 ℃。由于其乙烯低温储罐系统操作工况多变，且操作压力基本为常压，因此乙烯低温储罐通常设置有通往内罐的吸气阀，以避免罐内出现真空，导致罐体损坏【1-2】。

在中国北方某低温乙烯储罐系统设计过程中，技术人员曾担心：在冬季工况下，由于低温储罐操作温度远低于环境温度，由内罐通往外部的吸气阀管道在热传导的作用下，可能出现管道温度显著低于外界环境温度，进而使得空气中的水分在管道表面凝出，乃至结冰，从而影响吸气阀可靠性。

乙烯低温储罐系统的传热计算是该系统设计的重点与难点之一。随着低温储罐项目工程实践的日渐增多，对于罐主体的传热计算已经日渐成熟，多家技术提供商均有可靠的计算方法。而对于上述局部管道在极端天气下的操作情况问题，则未见相关研究报道。

本研究的目的,是基于传热基本原理，对于乙烯储罐顶部吸阀伸出管道在冬季条件下的温度进行计算，同时结合当地大气情况对在极端情况下吸阀管道是否会出现结冰问题而影响工作可靠性这一问题进行分析，以对具体工程实践形成指导性意见。

1 管道传热模型

1.1 吸阀管道基本结构

吸阀管道的基本结构如图1所示，在低温罐出现压力持续降低的情况时，吸阀将启动，防止低温罐系统出现真空导致破裂。

图1 低温罐吸阀结构示意

1.2 吸阀管道传热情况

由吸阀管道结构与工作情况可知，在正常操作工况下，吸阀管道实际是一个从低温罐体伸出至外界空气中的盲端管。由此结构出发，对于吸阀管道系统的传热作如下假设：

1) 吸阀管道任一截面上温度认为是相等的。

2) 在一定时间内，外界温度保持相对稳定，即吸阀管道系统的传热在一定时间内可认为是一个稳态过程。

3) 由于实际的管道长度(1.5～4 m)相对于管径(0.16 m)来说很长，管顶端界面处的传热可忽略。

4) 管道的弯曲对传热过程的影响可忽略。

由上述假设出发，建立吸阀传热模型如下：

由假设1)出发，可将吸阀管道等效为截面积为πdδ的等截面直肋，其中：d为管道直径，m；δ为管道壁厚，m。

结合假设2)，则此处的传热问题等效为等截面直肋稳态传热问题。吸阀管道参数示意见图2。

图2 吸阀管道参数示意

由传热学基本原理出发，可知吸阀管道端头处的温度与底部温度之差θH可表述为【3】：

(1)

则：

(2)

式中：θH——吸阀管道端头处的温度与底部温度之差，℃；

tf——吸阀管道端头处的大气温度，℃；

t0——吸阀管道底部温度(视为等于罐内温度)，℃；

tH——吸阀管道端头处金属温度，℃；

H——管道伸出长度，m；

ch——双曲余弦函数。

对于本研究，吸阀管道所等效的直肋换热周长为P=πd，截面积AC=πdδ，则有：

(3)

在上述计算式中，隐含的假设是，忽略了吸阀管道与低温罐罐壁之间的热传导以及日照辐射产生的传热。在本研究中，由于罐壁的温度更高，罐壁热传导和日照辐射对于系统均为热量输入，会使管道端部温度更高，因此这种忽略是保守的，不影响本研究结论。

2 吸阀可靠性计算分析

2.1 吸阀管道端头温度计算

吸阀管道端头温度计算所需要输入的基础参数如表1所示。

表1 吸阀管道端头温度计算基础参数

基于式(2)，计算得知，吸阀管道端头处的金属温度为：

tH=-20.8 ℃

进一步计算不同大气气温、不同吸阀管道长度条件下的吸阀管道端头处的金属温度曲线如图3所示。

图3 不同气温、管道长度下的吸阀管道端头处的金属温度曲线

由图3可得到在本研究中吸阀管道端头处金属温度的变化规律如下：

1) 吸阀管道端头处金属温度随大气温度下降而下降，随伸出长度增加而上升；

2) 伸出长度越短，则管道端头处金属温度与外界气温温差越大；

3) 随着伸出长度的增加，吸阀管道端头处温度迅速接近大气温度，在本研究中，管道长度超过1.2 m后，吸阀管道端头处金属温度与外界大气温度的温差基本小于1 ℃。

2.2 冬季空气水汽凝出条件计算

冬季空气水汽凝出的条件实际是不同温度、空气湿度下水在空气中的饱和温度的计算。在本研究中，项目所在地基本气象条件如表2所示。

分别计算不同温度下，当地年最冷月份平均相对湿度、冬季设计相对湿度以及80%相对湿度(极端天气)下空气中水汽的饱和温度如图4所示。

表2 项目所在地基本气象条件

图4 不同湿度条件下水汽饱和温度

在上述湿度下，当管道端部金属温度低于水汽饱和温度时，则水汽会凝出，当温度低于冰点时，会进一步结冰。反之当管道端部金属温度高于水汽饱和温度时，则水汽不会凝出，亦不会结冰。

2.3 吸阀可靠性计算分析

由上述计算结果综合考虑，在管道长度1.5 m 条件下，分别计算不同温度下，当地年最冷月份平均相对湿度、冬季设计相对湿度以及80%相对湿度(极端天气)下吸阀管道端头金属温度与水汽凝出温度的对比如图5(a)～图5(c)所示。

由图5(a)～图5(c)可知，无论在年最冷月份平均相对湿度下，还是在冬季设计相对湿度下，在当地冬季的气温范围内，管道端头的金属温度均高于水汽凝出温度，因此不会有水汽凝结在吸阀管道上，更不会出现因结冰而导致吸阀无法正常工作的情况，吸阀系统的可靠性可以得到保证。

事实上，如果考虑到本研究计算中忽略了罐壁传热及日照辐射传热的影响，这种可靠性会进一步提升。后续实际生产现场反馈也同样证实，在冬季时吸阀管道上仍保持干燥，证实了现有设计的可靠性。

3 结论

由上述分析，本研究得出以下结论：

1) 本研究初步建立了一个低温乙烯储罐顶部吸阀伸出管道的传热数学模型。

(a) 当地年最冷月份平均相对湿度

(b) 冬季设计相对湿度

(c) 80%相对湿度(极端天气)

2) 基于上述模型，结合现场工艺条件、管道布置情况及现场气象条件，定量地展示了不同情况下吸阀管道端部的金属温度。

3) 结合现场气象条件，分析了不同气象条件下现场空气中水汽凝结的温度要求。将不同情况下吸阀管道端部的金属温度与空气中水汽的凝结温度进行对比发现，在合适的伸出长度设计下，即使完全忽略日照、罐壁热传导等加热因素，吸阀管道仍可以保证不结冰，可靠性可以得到保证。