油罐热储改造前后的能耗研究

来源 :中小企业管理与科技·下旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:miocoo_daniel
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  摘要:为了响应国家节能减排的方针,企业实施了一系列节能改造措施,该项目投用后对油罐能耗使用情况进行跟踪分析,结合理论计算充分研究了能耗情况,并在改造前后进行了比较,证实了改造的必要性。
  关键词:工程技术方案 能耗计算
  1 工程项目概况
  本工程为某炼化企业油罐热储改造,项目分为检修和土建两部分,检修部分包括罐顶板、部分罐底板更换,罐顶增加巡检走桥、收储热油开口接管、罐壁抗风圈、以及更新加热器等。土建部分包括罐底基础施工,破除地坪,分段挖罐外土方,边挖边砌砖内模墙;M5砂浆砌环形砖内模墙,C30环形墙浇注,水泥砂浆粉环形墙;挖除罐底板下原沥青砂垫层,回填砂夯实,新做沥青砂绝缘层;罐底铺1:8水泥珍珠岩砂浆,带浆砌憎水型珍珠岩平板,1:2水泥砂浆抹面,每6m方格设2cm宽的分仓缝,内填珍珠岩,泄漏孔内铺设21根DN50钢管(沿罐基础每5m安1根),反滤层制作21处(用卵石铺设)。罐顶、罐壁保温施工,拆除罐壁、罐底旧保温层,除中锈刷防锈漆一道;焊接挡雨檐钢板;罐顶、壁焊支撑圈。罐顶安装δ=80超细玻璃棉结构保温,罐壁安装δ=120超细玻璃棉结构保温。保温安装后,扎铁丝网抹面;罐顶采用δ=0.8镀锌铁皮覆盖固定。罐壁采用瓦楞板覆盖固定;人孔、法兰及罐顶透光孔做可拆卸保温罩;罐根与底板接缝处用沥青砂封口。
  2 油罐改造前后能耗的理论计算以及油罐的实际能耗情况
  以5000m3的地上拱顶油罐为例,通过理论计算比较一下改造前后的能耗。
  假设油罐储存常减压蜡油(装满系数0.9),已知油罐平均直径为23.70m,罐壁高12.50m,拱顶曲率半径为28.30m,拱顶高为H′=2.60m。
  保温改造的油罐情况:油罐外壁铺120mm厚玻璃棉板保温层,罐顶铺80mm玻璃棉板保温层(它的导热系数λtw取0.045W/m·℃),表面瓦楞板,银灰色(它的黑度εtw取0.23)。罐底铺120mm厚高强度憎水珍珠岩平板(它的导热系数λtb2取0.041W/m·℃)。
  未改造保温的油罐情况:油罐外壁铺50mm厚玻璃棉板保温层(它的导热系数λtw取0.045W/m·℃),表面瓦楞板,银灰色(它的黑度εtw取0.23)。罐顶钢板直接与大气接触,罐底钢板直接与土壤接触。
  根据所储油品测定,已知密度γop20=0.8800t/m3;粘度ν100=5.14×10-6m2/s,粘度ν50=19.12×10-6m2/s。
  油罐所在地区(南京)历年一月份平均温度的平均值为2.4℃,地表平均温度为5.2℃,冬季平均风速为2.5 m/s。
  分两步计算油品从75℃加热上升至76℃消耗蒸汽量,再进行对比。
  2.1 计算改造保温油罐消耗蒸汽情况
  2.1.1 计算罐壁传热系数(Ktw):
  ①计算油品平均温度(tav)
  已知:tbe=75℃;ten=76℃,tai=2.4℃
  当(ten-tai)/(tbe-tai)=1.013<2
  tav=(ten+tbe)/2=75.5℃
  ②确定定性温度并计算定性温度下的有关参数
  先假设罐壁温度:twc=75℃
  定性温度:tqu=(tav+twc)/2=75.25℃
  已知:γop20=0.8800t/m3
  a=8.97×10-4-13.2×10-4×(γop20-0.7)=6.5940×10-4
  γop15=γop20+5a=0.8833t/m3
  λoptqu=0.101×(1-0.00054tqu)/γop15=0.109698W/(M·K)
  γoptqu=γop20- a(tqu-20)=0.8436t/m3
  △t=tav+twc=0.5℃
  β=(γop20-γoptqu)/{γoptqu×(tqu-20)}=8.5732×10-4
  已知:Hop=0.9H=11.25m
  νop100=5.14×10-6m2/s,
  νop50=19.12×10-6m2/s。
  μ=㏑(νop50/νop100)/(100-50) =0.026274
  νoptqu=νop50·е-u(tqu-50) =9.734150×10-6m2/s。
  Coptqu=4.1868×(0.403+0.00081tqu)/( dop15)0.5=2.066818
  KJ/(kg·℃)
  Gr=g·β·(Hop)3·△t/(νoptqu)2=6.3191×1010
  Pr=νoptqu·γoptqu·Coptqu×3.6×10-6/λoptqu=556.9813
  Gr·Pr=3.519621×1013>2×107
  ③计算油罐内壁放热系数(α1tw)
  α1tw=m·λoptqu·(Gr·Pr)n/Hop
  按照Gr·Pr值查表得:m=0.135,n=1/3
  α1tw=43.139846W/(m2·℃)
  ④计算罐壁保温层热阻(δtw/λtw)
  已知:δtw=0.12m,λtw=0.045W/(m·℃)
  δtw/λtw=2.666700m2·℃/ W
  ⑤计算油罐外壁放热系数(α2tw)
  α2tw=mex·λai·(Re)nex/(Dav)
  已知:vai=2.5m/s,Dav=23.70m
  根据tai=2.4℃的资料计算下列参数:
  γtai=1.252×273/T=1.263104Kg/m3
  λai=λ0·(273+C′)/(T+C′)·(T/273)3/2=0.027104W/(m·℃)
  λai=λ0·(273+C′)/(T+ C′)·(T/273)3/2=0.027104 W/(m·℃)   νai=μ0·(273+C)/(T+C)·(T/273)3/2·(g/γgas)=1.353281×10-5m2/s
  其中:γgas=1.252×273/T=1.263104
  Re=νai·Dav/νai=4.378247×10-6>5×104
  按照Re值查表得mex=0.023,nex=0.8
  α2tw=5.408197W/(m2·℃)
  ⑥计算罐壁辐射放热系数(α3tw)
  已知:εtw=0.23,Cs=5.7W/(m2·℃)
  α3tw=εtw·Cs{[(twc+273)/100]4-[(tai+273)/100]4}/(twc -tai)=1.609621W/(m2·℃)
  ⑦计算罐壁传热系数(Ktw):
  Ktw=1/[1/α1tw)+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw)]=0.353066 W/(m2·℃)
  |twc+(tav-tai)·Ktw/α1tw-tav|=|0.097447|<1℃
  假设的罐壁温度twc值满足精度要求,可以采用该定性温度下的
  Ktw=0.353066W/(m2·℃)
  2.1.2 计算罐顶传热系数(Ktr)
  ①计算油面至混合气体空间的内部放热系数(α1tr)
  tof=ten=76℃,tai=2.4℃
  tgas=12+0.4tof=42.4℃
  trc=(tgas+tai)/2=22.4℃
  △t=tof-trc=53.6℃
  βgas=1/(273+tgas)=3.170580×10-3
  γgas=1.252×273/T=1.083691
  Hgas=0.1H+ H′=3.85m
  Cgas=4.1868×0.241+(tgas-10) ×0.001÷30=1.010099KJ/(kg·℃)
  νgas=μ0·(273+C)/( T+C)·(T/273)3/2·(g/γgas)=1.782460×10-5m2/s
  λgas=λ0·(273+C′)/(T+C′)·(T/273)3/2=0.026597W/(m·℃)
  Gr=g·βgas·(Hgas)3·△t/(νgas)2=3.022695×109
  Pr=νgas·γgas·Cgas×3.6×10-6/λgas=2.640943×103
  Gr·Pr=7.982765×1011×>2×107
  α1tr=1.14(tof-tgas)1/3=3.678617W/(m2·℃)
  ②计算混合气体空间放热系数(αgas)
  αgas=1.31(tof-trc)1/4=3.555380W/(m2·℃)
  ③计算罐顶保温层热阻(δtr/λtr)
  已知:δtr=0.08m,λtr=0.045W/(m·℃)
  δtr/λtr=1.777778m2·℃/W
  ④计算油罐顶外壁放热系数(α2tw)
  α2tr=α2tw=5.408197W/(m2·℃)
  ⑤计算罐顶辐射放热系数(α3tr)
  已知:εtw=0.23,Cs=5.7W/(m2·℃)
  α3tr=εtw·Cs{[(trc+273)/100]4-[(tai+273)/100]4}/(trc-tai)=1.220555W/(m2·℃)
  ⑥计算罐顶传热系数(Ktr):
  Ktr=1/[1/α1tr)+1/αgas)+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr)]=0.402943W/(m2·℃)
  2.1.3 计算罐底传热系数(Ktb)
  ①计算从油品至罐底的内部放热系数(α1tb)
  已知Dtb=Dav=23.70m
  Gr=g·β·(Dtb)3·△t/(νoptqu)2=5.907870×1011
  Gr·Pr=3.29057×1014>2×107
  按照Gr·Pr值查表得:m=0.135,n=1/3
  α1tb=0.7m·λoptqu·(Gr·Pr)n/Dtb=30.197608W/( m2·℃)
  ②计算罐底污垢热阻(δtb1/λtb1)
  δtb1(罐底污垢厚度)取0.01m,
  λtb1(罐底污垢导热系数)取0.41W/(m·℃)
  δtb1/λtb1=0.024390m2·℃/W
  ③计算罐底隔热层热阻(δtb2/λtb2)
  δtb2(罐底隔热层厚度)取0.12m,
  λtb2(罐底隔热层导热系数)取0.041W/m·℃
  δtb2/λtb2=2.926829m2·℃/W
  ④计算罐底土壤热阻(ЛDtb/8λso)
  λso(干燥粘土导热系数)取1.16W/m·℃
  ЛDtb/8λso=8.019181m2·℃/W
  ⑤计算罐底传热系数(Ktb)
  Ktb=1/(1/α1tb+δtb1/λtb1+δtb2/λtb2+ЛDtb/8λso)=0.09
  0880W/(m2·℃)
  2.1.4 计算满罐油品温度从75℃升至76℃耗热总量(Qal)
  ①计算油品升温所需热量(Qrt)
  G=Л/4·Dav2·Hop·γop75
  γop75=γop20-a(75-20)=0.843733t/m3
  G=Л/4·Dav2·Hop·γop75=4.185274×106Kg
  Qrt=G·Coptav·(ten-tbe)
  其中Coptav=4.1868×(0.403+0.00081tav)/(dop15)0.5=2.0
  67717KJ/(kg·℃)
  Qrt=8.653963×106KJ   ②计算罐壁热损失(Qtw)
  Qtw=Ktw·Ftw·(tav-tai)
  Ktw= 0.353066W/(m2·℃)
  Ftw·=Л·Dav·Hop=837.2025m2
  tav-tai=73.1℃
  Qtw=21607.46KJ
  ③计算罐顶热损失(Qtr)
  Qtr=Ktr·Ftr·(tav-tai)
  Ktr=0.402943W/(m2·℃)
  Ftr·=2ЛRf+ЛDav(H-Hop)=555.10m2
  tav-tai=73.1℃
  Qtw=16350.53KJ
  ④计算罐底热损失(Qtb)
  Qtb=Ktb·Ftb·(tav-tgr)
  Ktb=0.090880W/(m2·℃)
  Ftb·=Л·Dav2/4=440.93m2
  tav-tgr=70.3℃
  Qtw=2817.04KJ
  ⑤满罐油品温度从75℃升至76℃耗热总量(Qal)
  Qal=Qrt+Qtw+Qtr+Qtb=8694737.50KJ
  ⑥计算消耗蒸汽总量(Gst)
  蒸汽为0.8MPa饱和蒸汽,冷凝水为饱和冷凝水
  饱和蒸汽热焓ist=2768.3kJ/kg,饱和冷凝水热焓iwa=717.6kJ/kg
  Gst=Qal/(ist-iwa)=4239.89kg
  2.2 计算未改造保温油罐消耗蒸汽情况
  未改造油罐能耗计算与前面计算方法相同,最后得出结论:满罐油品温度从75℃升至76℃耗热总量(Qal)
  Qal=Qrt+Qtw+Qtr+Qtb=8763375.29KJ
  进一步计算未改造油罐消耗蒸汽总量(Gst)
  蒸汽为0.8MPa饱和蒸汽,冷凝水为饱和冷凝水
  饱和蒸汽热焓ist=2768.3kJ/kg,饱和冷凝水热焓iwa=717.6kJ/kg
  Gst=Qal/(ist-iwa)=4273.36kg
  结论:保温改造后与改造前满罐油品从75℃升至76℃节约蒸汽量为:△Gst=4273.36-4239.89=33.47kg
  为了验证以上理论计算是否正确,从2009年11月10日到2009年12月18日对改造前后的两台5000m3的地上拱顶油罐进行了实际能耗标定,在两台油罐的加热器入口分别安装两台相同型号的蒸汽流量计,两台油罐工况基本相同,蒸汽流量计初始读数为11.50t、10.59t,加热器开一组且出口阀门开4扣控制流量,在这一个月内气温最高21℃,最低0℃,每天分上午(10:00)、中午(12:00)、下午(14:00)抄表三次,两台油罐最高罐温为86℃,最低罐温为73℃终止读数为390.42t、347.69t,通过简单计算可知在这段时间内未改造油罐耗汽378.9t,而改造后油罐耗汽337.1t,实际节汽41.8t。也符合理论计算。
  3 结论
  节能减排,构建节约型社会是国家近几年提出的一项政策,因此石油化工行业近期的项目多是节能改造项目,在此项目完成后通过理论计算和实际用汽标定的结果看,改造后节汽效果明显。由于在实际生产过程中的工况较为复杂,本文只是从较理想状态对油罐的用能情况进行了分析研究,这也为油罐节能改造提供了扎实依据,进一步发挥企业节能减排的潜力。
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