CN111797559B - 一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法 - Google Patents

一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法，其包括：一、结合储罐外部的太阳辐射、大气温度等动态边界条件，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况；二、从能量的层面，根据有效能量与总能量的比值得到储罐不同结构加热盘管下能量有效利用率；三、从能质的层面，有效㶲与输入㶲的比值为储罐不同结构加热盘管下的㶲有效利用率；四、将能量有效利用率和㶲有效利用率结合，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价指标。本发明兼具考虑了能“量”和“质”双重属性，科学全面的评价大型原油浮顶储罐盘管的用能情况。

Description

一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法
技术领域：
本发明涉及的是油气储运技术领域，具体涉及的是一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法。
背景技术：
石油作为一种重要的战略资源，对于各国的经济发展和国防建设都有着重要意义。中国作为全球第二大经济体，其石油消费量与国民经济发展速度息息相关。为了保障能源安全和国民经济平稳运行，我国势必要加强石油储备的建设，按照《国家石油储备中长期规划》，到2020年，中国将形成相当于100天石油净进口量的储备总规模。随着大型原油储备库的建立，油罐在生产运行中，当罐内原油温度低于析蜡点时，含蜡原油会因析蜡在储罐内沿形成一定厚度和强度的凝油层，为了保证储罐的安全运行，必须对罐内原油进行适时加热，目前最普遍的加热方式是在储油罐的内部安装加热盘管，具有结构简单、造价低、操作方便等优点，然而这种方式进行加热会产生巨大的能源浪费，甚至占了油库总能耗的85％以上，因此，对原油储罐加热过程中有效能利用的研究将越发重要。
在以往储罐加热过程用能分析中，都是以盘管释放的热量为总用能，忽略了太阳辐射热量、大气温度动态变化对罐内原油温度场、流场带来的影响，另一方面，目前的用能评价研究中，往往将能量有效利用率作为基本指标，但它只是反映关于能的“量”的利用程度，无法反映能的“质”的利用情况。倘若参与用能过程含有多种能量，并伴随着能质的差异以及变化时，就无法仅用能效率这种指标对用能情况作出全面合理的评价。特别是发生在储罐内部系统里热源蒸汽与油品之间温差引起的传热过程，遵守了能量守恒定律，不存在能量的损失，但却导致了内部系统里能质的下降，造成能质的损失，可以看出能效率指标在使用上还有一定的局限性。因此，在能效率之外还得建立一个新的用能评价指标来评价能质的利用情况，将两种指标结合起来才能科学完整的分析储罐加热过程的用能情况。
综上所述，目前针对原油浮顶储罐有效能利用的评价方法，均具有一定的局限性，不能科学全面的评价大型原油浮顶储罐盘管的用能情况。
发明内容：
本发明的目的是提供一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法，这种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法用于解决目前针对原油浮顶储罐有效能利用的评价方法，不能科学全面的评价大型原油浮顶储罐盘管的用能情况的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法包括如下步骤：
步骤一：结合大型原油浮顶储罐外部的动态边界条件，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况，所述动态边界条件包括太阳辐射、大气温度；
所述大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；
质量守恒方程为：
Figure BDA0002577972940000021
式中：x、r分别为储罐轴向、径向坐标，m；u、v分别为罐内油品的轴向、径向流速，m/s；tstea为加热时间，s；ρoil为油品密度，kg·m-3；
动量守恒方程为：
Figure BDA0002577972940000022
Figure BDA0002577972940000023
式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s2；μoil为油品动力黏度，Pa·s；
能量守恒方程为：
Figure BDA0002577972940000031
式中：Toil为油品温度，℃；λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；
步骤二：根据热力学第一定律，从能量的层面，将储罐原油散失到环境中的热量作为无效能量，用于油品升温的热量作为有效能量，吸收太阳辐射热量与蒸汽盘管释放的热量之和为总能量，根据有效能量与总能量的比值得到储罐不同结构加热盘管下能量有效利用率；
步骤三：根据热力学第二定律，从能质的层面，将储罐原油加热过程中，吸收太阳辐射与盘管释放的用能之和作为整个系统的输入
Figure BDA0002577972940000032
被加热油品所吸收的用能作为有效
Figure BDA0002577972940000033
有效
Figure BDA0002577972940000034
与输入
Figure BDA0002577972940000035
的比值为储罐不同结构加热盘管下的
Figure BDA0002577972940000036
有效利用率；
步骤四：将能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000037
有效利用率结合，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价指标，对比分析在不同罐内原油液位、盘管加热温度、外界大气温度条件下盘管加热过程能量有效利用率、
Figure BDA0002577972940000038
有效利用率的变化规律，优选加热盘管结构。
上述方案中从能量的层面，将储罐原油散失到环境中的热量作为无效能量，用于油品升温的热量作为有效能量，吸收太阳辐射热量与蒸汽盘管释放的热量之和为总能量，根据有效能量与总能量的比值得到储罐不同结构加热盘管下能量有效利用率，具体如下：
有效能量为被加热油品所吸收的热量：
Enef＝Goilcoil(Tend-Tsta)
式中：Enef为储罐盘管加热过程中的有效能量，J；Goil为罐内油品质量，kg；Tend为加热终了温度，℃；Tsta为加热起始温度，℃；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；
总能量：
Ento＝Qstea×tstea×3600+Qsola×tsola×3600
式中：Qstea为盘管放出的热量，W；Qsola为吸收太阳辐射的热量，W；tstea为盘管加热时间，h；
其中，吸收太阳辐射的热量由罐顶吸收的热量和罐壁吸收的热量构成：
Figure BDA0002577972940000041
式中：qsroof罐顶上所受的太阳辐射热量，W/m2，qswall罐壁上所受的太阳辐射热量，W/m2；Froof罐顶面积，m2,Fwall罐壁的面积，m2；ω为圆频率，rad/h；I为太阳常数，由实际观测确定I＝1367W/m2；P为大气透明系数，其值为0.7～0.8；θ为太阳正午时的天顶角；σ为与昼长有关的系数，当昼长为8～16小时，其值应为0.346～0.391；m与大气质量有关的系数，
Figure BDA0002577972940000042
ε为储罐浮盘的黑度；tsola为罐顶、罐壁吸收太阳辐射的时间，h；t0为太阳日出的时刻，h；
储罐加热过程的有效能利用率为有效能量与总能量的比值：
Figure BDA0002577972940000043
式中：ηen为能量有效利用率，％。
上述方案中从能质的层面，将储罐原油加热过程中，吸收太阳辐射与盘管释放的用能之和作为整个系统的输入
Figure BDA0002577972940000056
被加热油品所吸收的用能视为有效
Figure BDA0002577972940000057
有效
Figure BDA00025779729400000515
与输入
Figure BDA00025779729400000516
的比值为储罐不同结构加热盘管下的
Figure BDA00025779729400000517
有效利用率，具体如下：
有效
Figure BDA00025779729400000518
为油品被加热吸收的
Figure BDA0002577972940000058
按物流
Figure BDA00025779729400000519
的公式计算：
Figure BDA0002577972940000051
式中：Exef为油品加热过程的有效
Figure BDA00025779729400000520
J；Ten为任意时刻的大气温度，℃，Exsta为油品在加热起始时的
Figure BDA0002577972940000059
J；Exend为油品在加热终了时的
Figure BDA00025779729400000510
J；
输入
Figure BDA00025779729400000521
由盘管释放的热
Figure BDA00025779729400000522
和吸收太阳辐射的
Figure BDA00025779729400000523
组成，其中，盘管释放的
Figure BDA00025779729400000524
按热源
Figure BDA00025779729400000525
计算，热源
Figure BDA00025779729400000526
是由热源与环境之间温差引起的
Figure BDA00025779729400000511
公式为：
Figure BDA0002577972940000052
式中：Exst为热源
Figure BDA00025779729400000531
J；Tstea为热源蒸汽温度，℃；
吸收太阳辐射的
Figure BDA00025779729400000527
由罐顶吸收的热量
Figure BDA00025779729400000528
和罐壁吸收的热量
Figure BDA00025779729400000529
组成：
Figure BDA0002577972940000053
Figure BDA0002577972940000054
吸收太阳辐射的总热量
Figure BDA00025779729400000530
为：
Figure BDA0002577972940000055
式中：Exroof罐顶吸收太阳辐射热量
Figure BDA00025779729400000512
Exwall为罐壁吸收太阳辐射热量
Figure BDA00025779729400000513
J；Exso为吸收太阳辐射的总热量
Figure BDA00025779729400000514
J；T1roof为吸收辐射过程罐顶油品的最高温度，℃；T2roof为吸收辐射过程罐顶油品的最低温度，℃；T1wall为吸收辐射过程罐壁油品的最高温度，T2wall为吸收辐射过程罐壁油品的最低温度，℃；
Figure BDA0002577972940000062
有效利用率为有效
Figure BDA0002577972940000063
与输入
Figure BDA0002577972940000064
的比值：
Figure BDA0002577972940000061
式中，ηex为
Figure BDA0002577972940000065
有效利用率，％。
本发明具有以下有益效果：
本发明综合考虑太阳辐射、大气温度等因素，建立了大型浮顶原油储罐盘管加热过程理论模型，并以热力学第一、第二定律为理论基础，提出的大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法，突破了目前储罐加热过程用能研究中只针对能“量”层面的利用情况，兼具考虑了能“量”和“质”双重属性，为原油储罐节能降耗与经济运行提供了科学的理论依据与技术支持。
附图说明：
图1大型原油浮顶储罐外界环境条件。
图2大型原油浮顶储罐加热盘管有效用能与储油液位的关系。
图3大型原油浮顶储罐加热盘管有效用能与盘管热流量的关系。
图4大型原油浮顶储罐加热盘管有效用能与外界大气温度的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法，包括如下内容：
步骤一：以大型原油浮顶储罐为研究对象，结合储罐外部的太阳辐射、大气温度等动态边界条件，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，可得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况。
储罐外部的动态边界条件包括太阳辐射和大气温度。
考虑到罐顶吸收辐射的能力，与阳光照射方向垂直的单位面积罐顶吸收的太阳辐射量q0可按下式计算：
Figure BDA0002577972940000071
式中：q0为垂直于阳光照射方向的罐顶单位面积吸收的太阳辐射量，W/m2；I为太阳常数，由实际观测确定I＝1367W/m2；P为大气透明系数，其值为0.7～0.8；θ为太阳正午时的天顶角；σ为与昼长有关的系数，当昼长为8～16小时，其值应为0.346～0.391；m与大气质量有关的系数，
Figure BDA0002577972940000072
ε为储罐浮盘的黑度。
一天之内，阳光不可能总是垂直照射在罐顶或罐壁的全部面积上，根据兰贝特定律，单位面积罐顶、罐壁所受的太阳辐射量为：
Figure BDA0002577972940000073
Figure BDA0002577972940000074
式中：qsroof，qswall分别为罐顶、罐壁上所受的太阳辐射热量，W/m2；F′roof，F′wall分别为阳光照射罐顶、罐壁平面上的投影面积，m2；Froof,Fwall分别为罐顶、罐壁的面积，m2；ω为圆频率，rad/h；tsola为罐顶、罐壁吸收太阳辐射的时间，h；t0为太阳日出的时刻，h。
大气温度的动态变化规律可近似以余弦函数表示为：
Figure BDA0002577972940000075
式中：Ten为任意时刻的大气温度，℃；
Figure BDA0002577972940000076
为大气的昼夜平均温度，℃；ΔTen为大气的昼夜最大温差，℃；tday为一天时刻，h。
建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量、动量、能量守恒方程；
质量守恒方程：
Figure BDA0002577972940000081
式中：x、r分别为储罐轴向、径向坐标，m；u、v分别为罐内油品的轴向、径向流速，m/s；tstea为加热时间，s；ρoil为油品密度，kg·m-3。
动量守恒方程：
Figure BDA0002577972940000082
Figure BDA0002577972940000083
式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s2；μoil为油品动力黏度，Pa·s。
能量守恒方程：
Figure BDA0002577972940000084
式中：Toil为油品温度，℃；λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1。
基于压力求解的模式采用有限单元法对模型进行求解，可得到不同结构盘管加热过程中罐内原油温度场的分布规律。
步骤二：在得到温度场结果的基础上，根据热力学第一定律，从能“量”的层面，将储罐原油散失到环境中的热量为无效能量，用于油品升温的热量为有效能量，吸收太阳辐射热量与蒸汽盘管释放的热量之和为总能量，根据有效能量与总能量的比值得到储罐不同结构加热盘管下能量有效利用率。
有效能量即被加热油品所吸收的热量：
Enef＝Goilcoil(Tend-Tsta)
式中：Enef为储罐盘管加热过程中的有效能量，J；Goil为罐内油品质量，kg；Tend为加热终了温度，℃；Tsta为加热起始温度，℃。
总能量由两部分组成，蒸汽通过盘管放出的热量以及吸收太阳辐射的热量：
Ento＝Qstea×tstea×3600+Qsola×tsola×3600
式中：Qstea为盘管放出的热量，W；Qsola为吸收太阳辐射的热量，W；tstea为盘管加热时间，h。
其中，吸收太阳辐射的热量为两部分，分别是罐顶吸收的热量和罐壁吸收的热量：
Figure BDA0002577972940000091
储罐加热过程的有效能利用率即为有效能量与总能量的比值：
Figure BDA0002577972940000092
式中：ηen为能量有效利用率，％。
步骤三：根据热力学第二定律，从能“质”的层面，将储罐原油加热过程中，吸收太阳辐射与盘管释放的用能之和作为整个系统的输入
Figure BDA0002577972940000097
被加热油品所吸收的用能视为有效
Figure BDA0002577972940000096
有效
Figure BDA0002577972940000094
与输入
Figure BDA0002577972940000095
的比值为储罐不同结构加热盘管下的
Figure BDA0002577972940000106
有效利用率。
有效
Figure BDA0002577972940000107
即油品被加热吸收的
Figure BDA00025779729400001022
可按物流
Figure BDA0002577972940000108
的公式计算。物流
Figure BDA0002577972940000109
是由不同物流状态之间势场引起的
Figure BDA00025779729400001023
在一般情况下，这种势场包括了温度场、速度场、重力场以及压力场等，但在在储罐中原油位差较小，流速较低的情况下，则物流的动
Figure BDA00025779729400001010
和位
Figure BDA00025779729400001011
可以忽略，可将物流
Figure BDA00025779729400001012
的公式简化为：
Figure BDA0002577972940000101
Figure BDA0002577972940000102
式中：Exsta为油品在加热起始时的
Figure BDA00025779729400001024
J；Exend为油品在加热终了时的
Figure BDA00025779729400001025
J。加热过程的有效
Figure BDA00025779729400001013
为终了状态与起始状态的差值：
Figure BDA0002577972940000103
式中：Exef为油品加热过程的有效
Figure BDA00025779729400001026
J。
输入
Figure BDA00025779729400001014
由两部分组成，分别为盘管释放的热
Figure BDA00025779729400001015
和吸收太阳辐射的
Figure BDA00025779729400001027
其中，盘管释放的
Figure BDA00025779729400001016
按热源
Figure BDA00025779729400001017
计算，热源
Figure BDA00025779729400001018
是由热源与环境之间温差引起的
Figure BDA00025779729400001028
相应的公式为：
Figure BDA0002577972940000104
式中：Exst为热源
Figure BDA00025779729400001029
J；Tstea为热源蒸汽温度，℃。
吸收太阳辐射的
Figure BDA00025779729400001019
由罐顶吸收的热量
Figure BDA00025779729400001020
和罐壁吸收的热量
Figure BDA00025779729400001021
组成：
Figure BDA0002577972940000105
Figure BDA0002577972940000111
吸收太阳辐射的总热量
Figure BDA0002577972940000114
为：
Figure BDA0002577972940000112
式中：Exroof，Exwall分别为罐顶、罐壁吸收太阳辐射热量
Figure BDA00025779729400001110
J；Exso为吸收太阳辐射的总热量
Figure BDA00025779729400001111
J；T1roof,T2roof分别为吸收辐射过程罐顶油品的最高温度、最低温度，℃；T1wall,T2wall分别为吸收辐射过程罐壁油品的最高温度、最低温度，℃。
Figure BDA0002577972940000115
有效利用率为有效
Figure BDA0002577972940000116
与输入
Figure BDA0002577972940000117
的比值：
Figure BDA0002577972940000113
式中：ηex为
Figure BDA0002577972940000118
有效利用率，％。
步骤四：结合能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000119
有效利用率，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价指标，对比分析在不同罐内原油液位、盘管加热温度、外界大气温度等条件下盘管加热过程有效利用率的变化规律，根据相关结果，优选加热盘管结构。
实施例：
为使本发明的上述内容能更明显易懂，下面以大庆油田某储罐作为研究对象，对其盘管加热过程有效用能进行评价，作详细说明如下：
大庆油田某油库10万立方米浮顶储罐，罐底直径为80m，罐壁高21m，罐内油品液位高13m，外界大气温度为-18～-30℃，油品在20℃时的密度860kg/m3，导热系数为0.246W/(m·℃)，黏度为4.94Pa·s，比热容为2986J·(kg·℃)-1，罐壁保温材料厚度0.06m，导热系数0.035W/m·℃，罐内油品加热的起始温度为39℃，加热时间为10天，加热盘管直径为0.06m，释放热量为20000W/m2，目前工程上常有的加热盘管有三种：竖排结构加热盘管布置在罐壁附近，可有效减少罐壁附近油品凝固从而产生卡盘等安全事故；立体结构加热盘管由储罐底部以及浮顶下的水平盘管组成，这种结构可缓解原油解凝产生的热膨胀作用，从而避免油罐内憋压；蛇形结构加热盘管是一种用很长的钢管弯曲而成的加热器，通过均匀布置在储罐底部，可降低罐内油品温度分布的不均匀程度。
本发明将对这三种常用储罐盘管加热过程的有效用能进行评价，对比分析在不同罐内原油液位、盘管加热温度、外界大气温度等条件下盘管加热过程有效用能(能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000122
有效利用率)的变化规律，根据相关结果，优选加热盘管结构，具体方法步骤如下：
步骤一：储罐外部大气温度以及罐顶、罐壁的辐射热量，如图1所示，根据罐内原油在加热过程的质量、动量、能量守恒方程，基于压力求解的模式采用有限单元法进行求解，可得到竖排结构、立体结构、蛇形结构盘管加热过程中罐内原油的温度场：
Figure BDA0002577972940000121
Figure BDA0002577972940000131
步骤二：根据热力学第一定律，从能“量”的层面，用于油品升温的热量为有效能量，吸收太阳辐射热量与蒸汽盘管释放的热量之和为总能量，根据有效能量与总能量的比值得到竖排结构、立体结构、蛇形结构盘管能量有效利用率：
Figure BDA0002577972940000132
步骤三：根据热力学第二定律，从能“质”的层面，将储罐原油加热过程中，吸收太阳辐射与盘管释放的用能之和作为整个系统的输入
Figure BDA0002577972940000137
被加热油品所吸收的用能视为有效
Figure BDA0002577972940000138
有效
Figure BDA0002577972940000134
与输入
Figure BDA0002577972940000135
的比值为竖排结构、立体结构、蛇形结构盘管的
Figure BDA0002577972940000136
有效利用率：
Figure BDA0002577972940000133
Figure BDA0002577972940000141
总体而言，能量有效率变化较为平缓，
Figure BDA0002577972940000142
有效利用率受动态环境的影响呈现波动式的变化规律，并且储罐内部系统里热源盘管与油品之间温差引起的传热过程，遵守了能量守恒定律，不存在能量的损失，但却导致了内部系统里能质的下降，造成能质的损失，使得
Figure BDA0002577972940000143
有效利用率要远小于能量有效利用率。
随之加热时间的增长，竖排盘管加热过程形成了以靠近罐壁位置为主要动力的大涡漩结构，致使由罐壁→罐顶→储罐中心的自然对流大涡漩结构由强到弱，导致局部用能有效利用率升高，整体用能有效利用率逐渐降低的趋势。立体盘管加热过程形成的是以每根盘管为起点的独立大涡漩结构，用能有效利用率开始逐渐升高，但是随着涡旋强度的增加，涡旋结构互相影响，油品吸收的热量稍有减弱。蛇形的盘管形成的是以底部盘管为动力的整体大涡结构，热流经过每一轮的盘管都会使油品吸收热量逐渐增加，使得油品用能有效利用率基本保持平稳。
步骤四：结合能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000144
有效利用率，对比分析在不同罐内原油液位、盘管加热温度、外界大气温度等条件下盘管加热过程有效利用率的变化规律。
从图2可以看出，不同结构盘管加热过程中，储油液位的高低会严重的影响有效能的利用程度。主要原因是因为随着液位的升高，罐内油品更易形成尺度更大的涡旋结构，大尺度涡漩结构可通过湍动剪切从时均流动中获得能量，促进了自然对流换热过程，提升能量有效利用程度，因此，竖排结构盘管会随着液位从7m升高到19m时，能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000151
有效利用率分别从45.33～66.38％、27.61～39.68％，蛇形结构盘管能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000152
有效利用率提升为77.47～80.20％、46.87～49.69％。而立体结构线圈在13m液位时的能量效率和
Figure BDA0002577972940000153
效率最高，主要原因在于当液位升至19m时，立体盘管加热过程形成的多个独立大涡漩结构之间相互碰撞，形成了局部的小尺度湍涡结构，而小尺度湍涡结构则启到黏性扩散和耗散的作用，增加了内部的能量消耗，减少了有效用能的利用程度。
由图3可知，随着盘管热流量的增大，罐内油品单位时间内吸收的热量增多，能量有效利用率随着增大，但蒸汽温度与罐内油品之间的温差同样增大，内部
Figure BDA0002577972940000154
损失升高，导致
Figure BDA0002577972940000155
有效利用率变化较小。竖排结构盘管的能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000156
有效利用率最低，分别为43.54～47.87％、27.60～28.31％，蛇形结构盘管的能量有效利用率和
Figure BDA0002577972940000157
有效利用率最高，分别为72.86～80.34％、48.97～50.43％。
由图4可知，随着外界环境温度的升高，罐内油品与外界环境之间的温差将会逐渐减小，单位时间内散失的热量减少，能量有效利用率随着升高，在内部
Figure BDA0002577972940000158
损失一定的情况下，外部
Figure BDA0002577972940000159
损失减小，
Figure BDA00025779729400001510
有效利用率同样有所升高。立体结构盘管受外界环境影响较大能量有效利用率和
Figure BDA00025779729400001511
有效利用率，分别为55.06～58.72％、34.05～37.52％，蛇形结构受影响最小，分别为77.03～77.47％、49.69～50.78％。
综合来看，竖排结构和立体结构盘管加热过程的能量有效利用率和
Figure BDA00025779729400001512
有效利用率较低且受储油液位、盘管热流量、外界环境温度的影响较大，蛇形结构盘管的能量有效利用率和
Figure BDA00025779729400001513
有效利用率较高且稳定，相关结果可为加热盘管设计提供指导性意见。

Claims (1)

1.一种大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：结合大型原油浮顶储罐外部的动态边界条件，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况，所述动态边界条件包括太阳辐射、大气温度；
所述大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；
质量守恒方程为：
Figure FDA0002778097710000011
式中：x、r分别为储罐轴向、径向坐标，m；u、v分别为罐内油品的轴向、径向流速，m/s；tstea为加热时间，s；ρoil为油品密度，kg·m-3；
动量守恒方程为：
Figure FDA0002778097710000012
Figure FDA0002778097710000013
式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s2；μoil为油品动力黏度，Pa·s；
能量守恒方程为：
Figure FDA0002778097710000014
式中：Toil为油品温度，℃；λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；
步骤二：根据热力学第一定律，从能量的层面，将储罐原油散失到环境中的热量作为无效能量，用于油品升温的热量作为有效能量，吸收太阳辐射热量与蒸汽盘管释放的热量之和为总能量，根据有效能量与总能量的比值得到储罐不同结构加热盘管下能量有效利用率，具体如下：
有效能量为被加热油品所吸收的热量：
Enef＝Goilcoil(Tend-Tsta)
式中：Enef为储罐盘管加热过程中的有效能量，J；Goil为罐内油品质量，kg；Tend为加热终了温度，℃；Tsta为加热起始温度，℃；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；
总能量：
Ento＝Qstea×tstea×3600+Qsola×tsola×3600
式中：Qstea为盘管放出的热量，W；Qsola为吸收太阳辐射的热量，W；tstea为盘管加热时间，h；
其中，吸收太阳辐射的热量由罐顶吸收的热量和罐壁吸收的热量构成：
Figure FDA0002778097710000021
式中：qsroof罐顶上所受的太阳辐射热量，W/m2，qswall罐壁上所受的太阳辐射热量，W/m2；Froof罐顶面积，m2,Fwall罐壁的面积，m2；ω为圆频率，rad/h；I为太阳常数，由实际观测确定I＝1367W/m2；P为大气透明系数，其值为0.7～0.8；θ为太阳正午时的天顶角；σ为与昼长有关的系数，当昼长为8～16小时，其值应为0.346～0.391；m与大气质量有关的系数，
Figure FDA0002778097710000031
ε为储罐浮盘的黑度；tsola为罐顶、罐壁吸收太阳辐射的时间，h；t0为太阳日出的时刻，h；
储罐加热过程的有效能利用率为有效能量与总能量的比值：
Figure FDA0002778097710000032
式中：ηen为能量有效利用率，％；
步骤三：根据热力学第二定律，从能质的层面，将储罐原油加热过程中，吸收太阳辐射与盘管释放的用能之和作为整个系统的输入
Figure FDA0002778097710000033
被加热油品所吸收的用能作为有效
Figure FDA0002778097710000034
有效
Figure FDA0002778097710000035
与输入
Figure FDA0002778097710000036
的比值为储罐不同结构加热盘管下的
Figure FDA0002778097710000037
有效利用率，具体如下：
有效
Figure FDA0002778097710000038
为油品被加热吸收的
Figure FDA0002778097710000039
按物流
Figure FDA00027780977100000310
的公式计算：
Figure FDA00027780977100000311
式中：Exef为油品加热过程的有效
Figure FDA00027780977100000312
J；Ten为任意时刻的大气温度，℃，Exsta为油品在加热起始时的
Figure FDA00027780977100000313
J；Exend为油品在加热终了时的
Figure FDA00027780977100000314
J；
输入
Figure FDA00027780977100000315
由盘管释放的热
Figure FDA00027780977100000316
和吸收太阳辐射的
Figure FDA00027780977100000317
组成，其中，盘管释放的
Figure FDA00027780977100000318
按热源
Figure FDA00027780977100000319
计算，热源
Figure FDA00027780977100000320
是由热源与环境之间温差引起的
Figure FDA00027780977100000321
公式为：
Figure FDA0002778097710000041
式中：Exst为热源
Figure FDA0002778097710000042
J；Tstea为热源蒸汽温度，℃；
吸收太阳辐射的
Figure FDA0002778097710000043
由罐顶吸收的热量
Figure FDA0002778097710000044
和罐壁吸收的热量
Figure FDA0002778097710000045
组成：
Figure FDA0002778097710000046
Figure FDA0002778097710000047
吸收太阳辐射的总热量
Figure FDA0002778097710000048
为：
Figure FDA0002778097710000049
式中：Exroof罐顶吸收太阳辐射热量
Figure FDA00027780977100000410
Exwall为罐壁吸收太阳辐射热量
Figure FDA00027780977100000411
J；Exso为吸收太阳辐射的总热量
Figure FDA00027780977100000412
J；T1roof为吸收辐射过程罐顶油品的最高温度，℃；T2roof为吸收辐射过程罐顶油品的最低温度，℃；T1wall为吸收辐射过程罐壁油品的最高温度，T2wall为吸收辐射过程罐壁油品的最低温度，℃；
Figure FDA00027780977100000413
有效利用率为有效
Figure FDA00027780977100000414
与输入
Figure FDA00027780977100000415
的比值：
Figure FDA0002778097710000051
式中，ηex为
Figure FDA0002778097710000052
有效利用率，％；
步骤四：将能量有效利用率和
Figure FDA0002778097710000053
有效利用率结合，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程有效用能的评价指标，对比分析在不同罐内原油液位、盘管加热温度、外界大气温度条件下盘管加热过程能量有效利用率、
Figure FDA0002778097710000054
有效利用率的变化规律，优选加热盘管结构。
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Assignee: Daqing xinhaoda Petroleum Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: NORTHEAST PETROLEUM University

Contract record no.: X2023980033311

Denomination of invention: An Evaluation Method for Effective Energy Use in Coil Heating Process of Large Crude Oil Floating Roof Tank

Granted publication date: 20201222

License type: Common License

Record date: 20230307

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