烟气余热对油罐内渣油进行加热的自动监测及控制系统毕业设计.doc

东北石油大学本科生毕业生设计（论文）烟气余热对油罐内渣油进行加热的自动监测及控制系统毕业设计53第1章 绪 论1.1目的意义燃油锅炉在工作时，需要使燃油雾化燃烧，燃油雾化效果不好，不仅会造成燃烧损失增加，锅炉效率降低，而且燃烧产生的油烟等会粘附在锅炉的受热面上，腐蚀受热面，而且有可能发生二次燃烧，破坏受热面，甚至可能引起局部爆炸1。燃油的雾化受燃油温度的限制，一般情况下，燃油在180时雾化效果最好，利用效率最高，因此需要设置炉前燃油加热系统来使燃油预热升温。黑龙江省大庆市属于高寒地区，油罐里的燃油很容易发生凝结现象，使燃油输送受阻，甚至发生事故。为防止燃油凝结，保持燃油锅炉房油罐内燃油温度恒定且维持在一定范围内是很有必要的。大庆热力公司燃油锅炉房油罐加热方式主要有两种：蒸汽加热和高温水加热。这两种加热方式均需要在油罐内安装加热盘管，加热盘管在实际运行时会产生以下不利因素：由于加热盘管常年浸泡在燃油中，燃油一般采用渣油，而渣油属于重油，含有大量的腐蚀物质，油罐中油品因输送流动时经常发生水击现象，加上加热器在管材质量和施工质量上的影响，使加热器表面很易发生磨损腐蚀和氧化腐蚀。管道的腐蚀易导致加热器发生穿孔泄露现象，对于盘管内采用蒸汽或者热水作为介质加热油品的油罐，管道穿孔将会导致水或蒸汽泄露到油品中2-4，影响燃烧效果。一般情况下，普通加热器在使用一年后会容易出现穿孔泄露现象，34年后会出现穿孔失效的高峰期。同时由于采用蒸汽或热水加热，用于加热的热量由蒸汽或者热水提供，需要单独运行锅炉产生蒸汽或加热热水，造成了不必要的支出。目前大庆热力公司已经在改进加热系统方面做了大量工作。具体做法是：在单台炉、各支烟道上加装换热器，利用锅炉的烟气余热加热炉前燃油。这种方法在节能降耗方面取得了一定的效果，但是仍然存在一定的缺陷性：1、油罐加热仍然采用蒸汽、热水加热，存在前述缺陷。2、采用了普通的热管换热器，管壁材料为一般的钢材，由于要考虑烟道的低温腐蚀，要求换热器的壁面温度在烟气的低温腐蚀点之上，所以烟气余热不能得到充分回收利用。3、普通热管换热器的寿命比较短，一般为23年，并且换热器换热系数K较小，换热温差小，换热器面积大。4、当安装换热器的锅炉由于生产需要或者故障停产时，换热器无法工作，油罐的温度就不能得到保证。5、无法实现换热器出口温度和油罐内温度的精确控制。 为了解决上述问题，达到节能降耗、提高锅炉效率、提高设备使用寿命和系统安全性的目的，本文采用在总烟道上设置无机热管换热器的方法，利用烟气余热来加热油罐渣油。在分析油罐热负荷的基础上，设计加热系统、冷却系统及自动控制系统。相对于以往油罐加热系统，设计后的系统将具有以下优点：1、换热器回收烟气热量，基本上不用考虑烟道腐蚀，可以提高烟气的利用率。2、可以取消蒸汽或热水锅炉，节约燃油，降低成本，达到节能降耗的目的。3、设备的使用寿命将延长。4、换热器的传热系数将大幅度提高，所需要的换热器面积将大大减少。5、实现油罐内渣油温度的精确控制。1.2燃油锅炉房油罐加热系统国内外研究现状为了达到燃油高效燃烧，燃油锅炉房一般都要设置燃油的加热系统，了解国内外燃油锅炉房油罐加热系统的现状是设计节能、高效加热系统的前提。1.2.1现有油罐加热方式的优缺点在油库设计中，常用的加热方法有：蒸汽对管道的外伴随加热、油罐的水垫加热、热油循环加热、电阻加热、电热伴随管加热、红外线加热等几种方式5。其中油罐的水垫加热只适用于某些特定的情况，如有工业废热水可以利用或者油罐为储存原油或其他高粘度油的定水位水封油罐等。热油循环加热是将油罐中的一部分油抽出，经过换热器或者加热炉加热至较高的温度，再用泵送回油罐中与原来的冷油混合，直到整个油罐中的油的温度达到所要求的温度。当加热至较高温度的油被泵送回油罐中时，在泵压的作用下，经过专门的喷射器，热油以一定的速度喷入罐内的油层中，起到搅拌的作用，提高了传热效果。这种方法适于高含蜡的油罐加热。高含蜡油中的石蜡、砂和各种杂质在罐底的沉积很严重，沉积厚度有时甚至超过1m，这样就会把管式加热器埋住，使油品加热无法进行，而且清除这些沉积物非常困难，因此对于这种加热方式常设置专门的螺旋搅拌器或水力喷射器，使罐内原油得到搅拌，从而使罐内的沉积物悬浮起来均匀分布在原油中，避免在罐内沉积。电阻加热是利用电阻丝或者钢管本身通电后产生的热量对油品加热。电阻加热由于成本较高且容易发生事故，很少采用。电热伴随管加热是将电热伴随管与所要加热的油管用热绝缘层包在一起，伴随管的热量传给油管从而使管内油品得到加热。这种方法的优点是加热基本均匀，不必做专门的电绝缘层，热效率高。缺点是技术比较复杂，投资大，成本高。红外线加热是利用红外线辐射器对槽车或者容器进行加热，是一种比较理想的加热方式。依靠辐射几乎可以把热量全部投向加热表面，减少散失于大气中的热损失，因此具有热损失少，加热方便，效率高的特点。一定温度的物体都发出红外线，其辐射功率与物体的绝对温度的四次方成正比。发热体的温度愈高，辐射的红外线功率愈大。我国由于目前电力供应紧张，尚未将红外线用于油品的加热。只要有充足的电力供应，红外线加热方法完全可以应用于油品加热。国内在油罐燃油加热方面常用的热源有水蒸汽、热水、热空气和电能。水蒸汽是目前最常用的热源，它具有热焓值高、易于制备和输送、使用比较安全等优点。在油库加热作业时常采用表压38大气压的水蒸汽。热水和热空气的热焓低，因此用量必须很大，制备和运输都相应要求比较庞大的设备，使用不甚方便，所以只在有方便的工业废水和废热气可供利用的或者某些特殊情况下才考虑使用。利用电能具有设备简单，操作方便，有利于环境保护等优点，但是由于我国的电力一直很紧张，并且电能的成本比较高，至今很少使用，电力加热在国外得到了推广使用。蒸汽直接加热是将饱和水蒸气直接通入被加热的油品中。这种方法虽然操作方便，热效率高，但是由于冷凝水留存在油品中而影响油品质量，因此一般不允许使用。只有燃料油和农用柴油等对含水量要求不严格的油品，在缺乏其他加热方式时才使用。蒸汽间接加热是将水蒸汽通过油罐中的管式加热器或者罐车的加热套，使加热器或加热套升温来间接加热油品，蒸汽与油品不直接接触。这种方法适用于一切油品的加热过程，在我国得到广泛的应用。目前我国大多数炼油厂，化肥厂等都采用蒸汽的间接加热，利用蒸汽的废热来加热。例如：北京燕山公司炼油厂丙烷脱沥青装置加热炉，大庆石油管理局东风热力公司的燃油油罐等，都大量采用蒸汽的间接加热。 热水垫加热在有工业废热水或其他热水来源时，可以对水垫层不断补充热水并且排走降温后的冷水来保持水垫层的温度。这种加热方式只有在具有方便的热水来源时才应用，而且不能应用于不容许存在水迹的油品加热。当地下水封油罐采用固定水位法储油时，常利用水垫层加热来供给油品一部分热量。这种加热方式在热电厂，化工厂采用的比较多。油罐加热系统流程主要包括炉前燃油加热、回油冷却、油罐升温和维持油温四个部分。国内外在设计油罐加热系统时大都采用热水加热或者蒸汽加热，这样的加热方式往往采用U型管或盘管加热器来实现加热，这就存在第一节中提到的采用蒸汽或热水加热的不利因素，此外加热时还需要单独设置一台热水锅炉或者蒸汽锅炉，造成成本升高、能源浪费。1.2.2新技术及其应用可能性现在国内外逐渐流行采用回收烟气余热的方式来进行预热，这种技术已经得到广泛的发展。燃油锅炉房的烟道温度一般在220左右，排放的烟气含有大量的热量，因此对烟气余热进行回收利用对于提高锅炉的效率具有重要的意义。国内外从60年代就开始了烟气余热回收利用的研究，经过几十年的发展，已经取得了可喜的成绩。对于锅炉热力系统来说，直接排放的锅炉烟气是锅炉热损失的主要因素。利用烟气余热来预热燃油有利于降低锅炉排烟热损失、机械未完全燃烧损失、及化学未完全燃烧损失，从而提高锅炉效率，6热水锅炉排烟温度一般在220240 之间，烟气带走的热量占总热量的30%40 %，有5070的余热利用空间6。回收后的锅炉烟气余热可以用于预热空气、预热燃油、预热给水等。烟气预热空气和燃油都不会削弱传热温差，在理论上是较为理想的传热方式，而烟气预热给水工艺简单，投资少见效快，只要参数控制得当，完全能达到提高锅炉效率的目的7。目前已经研制出冷凝式余热回收锅炉，它利用高效的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，从而达到提高锅炉热效率的目的。燃油锅炉，燃气锅炉采用的较多8。烟气的余热回收，主要是对锅炉燃烧后烟道内的烟气进行热处理，用烟气来加热其他物质，经常被加热的介质是空气或者水。通过对流动薄层热交换器的传热系数计算，薄层换热器具有较一般强制对流的传热系数高的优点。这些热交换装置的主要优点是：接触时间短，低压力损失，高热流密度，容易清洗，而主要的缺点则是高速的热流能导致薄层的破坏，从而减少热量的传递9。采用高效率的热管换热器来回收余热已经开始流行。应用热管换热技术每台6t 热水锅炉每个采暖期可节约电能约6104kWh。运行安全平稳，对环境的污染减小，提高了整个锅炉系统的热效率。大庆油田储运销售分公司有54台锅炉，如果全部应用此技术，估算每年将节约电能3.24105kWh6。热管烟气余热回收最近几年应用的比较普遍，由于燃料油中的硫质量分数高达0. 5 %2 %，燃烧后的烟气中含有大量的SO2，部分SO2继续氧化成SO3，SO3遇水凝结成硫酸，引起露点腐蚀。热管容易发生严重的露点腐蚀,造成翅片脱落、热管蚀穿,还会粘附大量烟灰10。最近几年，高效的无机热传导技术越来越受到人们的青睐。无机热传导技术，在世界各国的工业领域中已得到较为广泛的应用。近年来，无机热传导元件在我国石油、化工、化肥、电力工业等领域的20多家不同企业中的换热设备或热能回收装置中得到了成功的应用。实践证明，无机热传导技术应用前景良好，是一项颇具生命力和竞争力的高效传热新技术。文献11-13都对无机传热元件做了应用分析，无机热管换热器具有良好的经济效益。1.2.3自动控制现状燃油锅炉房油罐加热系统是一个多输入，多输出，多回路的非线性控制系统。随着计算机控制技术的飞速发展，油罐加热系统的控制系统越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高，任何一种加热系统如果没有相应的控制装置来实现，则很难完全体现加热系统的优点。现在国内外在处理高度耦合的多变量输入输出非线性热工系统时，由于系统动态特征随着运行工况的变化而大范围变化，且各个环节的动态差异性很大，而且还有时滞、干扰等，因此要建立精确的数学模型很难，只能用一系列的分布参数建立粗略的模型。于是陆续出现了模糊控制、自适应控制、网络神经控制等优点突出的控制方法，而模糊PID控制由于其本身的显著优点，已经逐渐得到广泛的应用并在现实中得到成功的推广14。1.3本文的研究内容1、分析国内外油罐加热系统现状，设计适宜的油罐加热方式。2、设计储油罐保温层，计算油罐内渣油在加热升温和维温（维持油罐渣油在一定温度）过程中的热负荷。3、通过比较分析无机传热元件与传统热管优缺点，按照换热器的设计要求，设计复合式无机热管换热器。4、根据油罐在加热和维温时的热负荷，计算出油罐加热升温的时间。5、设计换热器冷却系统，并计算系统的水力损失。5、在分析传统PID控制和模糊PID控制的基础上，设计循环水自动控制系统，并实现多座油罐的在线监测。第2章 燃油锅炉房油罐加热系统流程设计燃油锅炉房油罐加热系统是关系锅炉房能否高效运行的关键部分，因此设计一套能节能降耗的油罐加热系统对于提高整个锅炉房的效率，降低生产成本有很重要的现实意义。本章在分析了现有燃油锅炉房油罐加热系统存在的缺点以后，设计了利用燃油锅炉烟气余热对油罐内渣油加热并进行温度自动监测控制的系统流程。2.1目前油罐加热系统存在的缺点大庆热力公司现有的油罐加热系统主要存在以下缺点：1、油罐加热介质普遍采用蒸汽或热水，加热装置大多采用U型管或者盘管。由于渣油中含有大量易腐蚀金属的物质，并且输送过程中不停的流动，很容易造成加热装置的磨损腐蚀和氧化腐蚀。2、加热装置被腐蚀后，很容易产生穿孔，造成加热器中的蒸汽或者热水泄露到渣油中，使油品中含水过多，严重影响渣油的雾化和燃烧；另一方面也会造成油罐脱水次数增加，浪费燃料油。穿孔也会增加维修和更换加热盘管的成本及劳动强度，同时增加了运行的危险程度，不利于锅炉房的正常生产。3、有些锅炉房采用普通的热管换热器，管壁材料为一般钢材，考虑烟道的低温腐蚀，要求换热器的壁面温度必须在烟气的低温腐蚀点之上，致使烟气余热不能得到充分回收利用。普通热管换热器的寿命比较短，一般为23年，并且换热器换热系数K较小，换热温差小，换热器面积大。4、当安装换热器的锅炉由于生产需要或者故障停产时，换热器停止工作，油罐的温度无法得到保证。5、无法实现换热器出口温度和油罐温度的精确控制，造成能源浪费。2.2新型油罐加热系统流程由于传统油罐加热系统存在上述缺点，本文设计了一套利用燃油锅炉烟气余热来加热油罐的新型油罐加热系统。整个系统分成三个子系统：即加热系统，冷却系统和自动监测、控制系统。流程如图2.1所示。2.2.1加热系统加热系统的用途是利用自动调节方式，把锅炉排放的高温烟气用于加热油罐内渣油，保证燃油系统的正常运行，停运蒸汽炉或热水炉；同时在烟气热量还有剩余的情况下，又可以加热锅炉房补水，提高补水温度，降低锅炉房的运行负荷，提高锅炉的效率。1、高温烟气热量的回收锅炉产生的烟气经各支烟道汇集到总烟道，再经烟囱被排放出去，此时的烟气携带大量热量，因此可以在锅炉房总烟道上加装换热器回收烟气余热，利用烟气余热加热渣油。为了充分回收烟气的热量，提高烟气余热利用率，本文设计了复合式无机热管换热器，换热器采用传热系数较高的无机传热元件作为热交换装置。换热器分三段，加热段介质为烟气，冷却段介质分别为软化水和渣油。图2.1加热系统流程图由于单台烟道烟气流量小，为避免发生由于某台锅炉停运而不能保证渣油温度满足热量需求的情况，在锅炉房总烟道上安装换热器。2、油罐内渣油流程油罐在加热升温时的起始温度为46。油罐内渣油需要加热时，启动油泵，将渣油泵送到换热器，渣油在换热器的冷却段吸收烟气热量升温后再被泵送回油罐中。2.2.2冷却系统油罐中渣油温度大于85时，渣油很容易发生冒顶现象，从而引发生产事故，严重时则易发生火灾。为了安全生产，现场把油罐中渣油温度控制在80左右。当油罐中渣油温度大于80时，自动控制系统将启动冷却补水泵。软化水箱中的软化水被补水泵送到换热器，水在换热器冷却段吸收烟气热量被加热后，直接送到锅炉，做为锅炉房补水之用。2.2.3自动监测、控制系统为了将油罐中渣油温度控制在80左右，避免发生渣油冒顶现象，需要有一套设备实现油温的在线监测和精确控制。由于油罐渣油温度控制系统具有非线性、多输入、多输出的特点，因此需要综合考虑多种因素才能达到精确控制、安全生产的目的。本文设计的油罐恒温监测控制系统在油罐口及换热器出口设置温度传感器，采集温度信号发送至变频控制系统，根据联合信号发布控制命令，达到对油罐温度的实时控制。2.3本章小结本章在分析现有燃油锅炉房油罐加热系统存在的缺点后，设计了新型油罐加热系统。整个系统分成三个子系统：即加热系统，冷却系统和自动监测、控制系统，简要介绍了新型油罐加热系统的工作流程。该系统能提高烟气余热回收率及锅炉效率、降低生产运行成本、保障安全生产。第3章 油罐加热系统设计及计算建立正确的模型能够保证计算的准确性，而准确的计算能够保证系统的能量消耗最小、油罐温度控制更精确。因此，建立正确的模型并进行准确的计算对整个加热系统的设计有至关重要的意义。油罐加热系统部分的计算主要包括油罐热负荷计算，油罐内渣油升温及维持恒温过程时的散热损失计算，以及根据油罐的热负荷进行复合式换热器的设计。根据传热学原理，加热系统设计的主要工作包括三个部分：油罐保温部分的计算；油罐传热系数计算；换热器的设计。3.1油罐保温设计3.1.1 油罐保温介绍油品在储存过程中，由于油品与环境之间存在温差，两者之间不断的发生热量传递，造成油品温度不断下降，粘度不断升高，油品的流动性越来越差，给储存及运输造成不便。为了提高油品的粘度，增强油品的流动性，需要对油罐中的油品进行保温并根据需要进行一定程度的升温，以避免冷凝结蜡。为了减少能量的散失，油罐本身也需要加设保温层15。大庆石油管理局热力公司和部分三产企业所管辖的锅炉房有170余座，现在运行的大约有137座，锅炉641台，总容量5600t/h，燃油锅炉房燃料油大多为重油，采暖年耗渣油量57.1104t16，大庆油田地处高寒地带，每年供暖时间为183天，民用采暖消耗的能量在油田消耗总能量中所占的比例很大，锅炉油罐散热所消耗的能量是采暖能耗的主要部分，由此可见，在设计燃油锅炉房油罐加热系统时，应尽量减少油罐热量的散失，采取一定的保温措施，以达到节能降耗的目的。目前对常规保温材料的研究以提高材料空隙率、提高材料热阻、降低材料传热性能为主17。目前常规保温材料普遍存在的缺点主要有以下几个方面：1、硬质保温材料多属型材，在施工过程中由于接缝多，施工不方便，以及施工质量的影响，容易造成空气渗透，严重影响隔热效果；2、有些保温材料吸水率高，防潮效果差，使用寿命短；3、在使用温度下，纤维材料的对流换热及其辐射换热急剧升高，造成保温层设计厚度增加。国内外在保温材料的研究上正在向高效薄层隔热防水外护一体化方向发展。3.1.2 油罐保温设计计算3.1.2.1 设计参数选择本文以2座室外立式圆柱形油罐为例进行分析。冬季大庆的室外平均气温较低，风速较大，油罐本身向外界的散热量很大，为减少热量损失，节省能源，对油罐进行一定的保温非常必要。根据所确定的油罐保温层厚度可以计算油罐在加热和维温阶段所需的热量，从而设计复合式换热器各冷却段长度，完成换热器的设计及计算。所采用的设计参数为：油罐2座；容量：200 m3/座，装满系数=85%；壁厚为=6mm；底外直径6628mm；油罐壁高=6470mm；拱顶高度723mm；拱顶半径7860mm；拱顶面积35.60 m2；壁面面积135.50 m2；罐底面积34.4 m2。3.1.2.2 设计计算公式根据限定的温降值和限定的温降时间来确定油罐的保温层厚度18： （3-1）式中：渣油开始降温时的温度，； 渣油降温结束时的温度，； 油罐周围空气的温度，； 传热系数，、分别是罐壁、罐顶、罐底传热系数，W /（m2K）； 油罐中的渣油质量，kg； 渣油的定压比热，kJ/ (kgK)； 油罐限定的降温时间，s； 油罐罐壁面积，m2； 油罐罐顶面积，m2；油罐罐底面积，m2。其中，罐壁的传热系数近似为： （3-2）式中：保温层厚度，W /（mK）； 保温层厚度，m。 其中，油罐的罐壁面积为： （3-3）式中：油罐罐高，m； 装满系数，%； 油罐外径，m。将（3-2）、（3-3）代入（3-1）可以求得： （3-4）其中，保温材料选择厚酚醛岩棉毡，其导热系数为=0.0348 W /（mK）。在工程实际中，通过油罐罐壁散失的热量占油罐本身热量散失的很大一部分，从油罐的顶部和底部散失的热量也占有相当一部分。从罐的总传热系数公式可以看出对于总传热系数影响最大的是罐壁部分，其次是罐顶，而罐底影响最小。由于油罐罐顶面积比罐壁面积小很多，通过罐顶散失的热量相对很小，国内外在设计油罐保温层时一般不设置罐顶的保温，在设计计算时一般选取经验数值0.3-0.7W/（mK）。油罐的散热主要是通过罐壁散失的，在油面上部的油气空间通过罐顶散失的热量很少。一般在实际计算中，油罐罐底和罐顶的换热系数都是取 经验值。由于本文讨论的油罐位于寒冷地带，所以为减少热量损失，在顶部和底部分别设计保温层。罐顶采用10mm厚的塑泡材料（其导热系数为 0.0384W/(mK)），外涂3mm厚的隔热保温涂料。罐底采用25mm厚酚醛岩棉毡，导热系数=0.0348W/（mK），外包5mm厚的镀锌铁皮。地上立式金属油罐罐顶有保温层时，=0.35W/（m2K）；V500m3时，罐底传热系数=0.06 W/（m2K）5。在这里取近似值，不具体计算。由于罐底和罐顶采用了较好的隔热保温层，可以选取油罐顶的传热系数=0.35W/(m2K)，油罐底的传热系数Kdi =0.06 W/(m2K)。根据所选参数，限定油罐从温度80降到60需要11个小时，计算得出=0.025m，即设计的保温层材料为厚酚醛岩棉毡，其厚度为25mm。3.2油罐传热系数K的确定油罐总传热系数包括三部分：罐壁传热系数、罐顶传热系数、罐底传热系数。式（3-5）（3-24）可以从文献5中查到。本章表格见文献5。 （3-5）式中： 油罐总传热系数，W/（m2K）。基础参数：渣油的相关物性参数：密度0.9027g/cm3(15)，运动粘度2110-6m2/s (80)，12.210-6m2/s (100)，凝点35。大庆冬季室外平均温度为-26，空气在此温度下的热物性参数：导热系数=2.2310-2W/（mK），粘度=11.310-6 m2/s（相关温度下的热物性数值可以通过插值得到）。油罐罐壁材料：20号钢，油罐尺寸及保温设计见上节。3.2.1渣油在加热过程中的传热系数计算 1、油罐的罐壁传热系数依据传热学原理，可以推到出罐壁传热系数计算公式为 ： （3-6）式中：油品至油罐内壁的对流传热系数 ，W /（m2K）；罐壁至周围介质的对流传热系数 ，W/（m2K）；罐壁至周围介质的辐射换热系数 ，W/（m2K）；各层厚度，包括壁厚，保温层，m；保温层或罐壁导热系数 ，W/（mK）。2、相关参数计算渣油的平均温度及定性温度当渣油从46加热到80时：加热起始温度=46， =80，周围介质温度是=-26。因为： A、渣油平均温度通过下式计算： （3-7）假设罐壁的温度是：=59。B、渣油在此时的定性温度是：C、计算渣油在61时的物性参数是： （3-8）g/cm3式中：渣油相对密度的平均温度修正系数，0.00062；渣油15时的密度值，g/cm3；渣油的温度，。D、导热系数： （3-9）计算得出：=0.1259W/（mK）。E、渣油粘度： （3-10）式中：时刻渣油的粘度，m2/s； 渣油的定性温度，。m2/s (3-11)kJ/（kgK）当按=85%时，实际装油高度是=mm。校核油罐罐壁温度式子（3-12）、（3-13）见文献19。 （3-12）式中：罐外风速，m/s； 动力粘度，Pas。 计算得到： =0.035 （3-13） =59.8由于误差= -=59.8-59=0.821070.1351/3空间自然对流的无量纲数： （3-15）式中：格拉晓夫准则数，反映流体在自然对流时粘滞力与浮升力的比值关系，反映自然对流的强度；定性温度下流体的体积膨胀系数，K-1；重力加速度，g=9.8m2/s；定性尺寸，在这里是油罐中渣油的高度，m。可以从表3-2查得。表3-2 渣油和渣油的体积膨胀系数相对密度d4t10-3，K-1相对密度10-3，K-10.850.8030.900.6900.860.7820.910.6740.870.7600.920.6530.880.7390.930.6320.890.7180.940.592 （3-16） 式中：渣油在定性温度下的比热容，kJ/（kgK）； 渣油在定性温度下的导热系数，W/（mK）；普朗特准则，反映流体的物理性质。 所以： =1.82510122107根据表2-2查得=0.135， =1/3所以，W/（m2K）。计算油罐外部的对流换热系数自罐壁至周围大气的外部对流换热系数按照空气横掠圆管的强制对流换热公式计算，应该表示成的形式。但是考虑到空气的Pr值随空气本身温度变化不大，常温下近似等于0.77，因而可以将上述计算公式简化得到： (3-17)式中：空气的导热系数，W/（mK）；油罐的外部直径，m；雷诺数； 风速，按照最冷月平均风速计算，m/s；空气的粘度，m2/s。 已知大庆地区冬季最冷月的室外温度是-26，室外风速为3.8m/s。根据相关资料查取空气的热物理参数如表3-3所示：表3-3 大气压力为760mmHg的干空气物理常数温度t, -40-30-20-10010导热系数102,W/（mK）2.1172.1982.2792.3612.4422.512粘度106,m2/s10.0410.8011.7912.4313.2814.16=11.310-6m2/s ,=2.2310-2W/（mK）定性尺寸为：式中：壁的厚度，m； 层酚醛岩棉毡的厚度，m； 层镀锌铁皮的厚度，m。计算得出：=6680mm。 （3-18）式中：罐外的风速，m/s。=2.25106表3-4 系数与Re580805103510351045104C0.810.6250.1970.023N0.400.460.600.80根据Re=2.251065.0104，查表3-4得到=0.023， =0.80，所以： W/（m2K）计算油罐的辐射换热系数A、首先要确定油罐的外壁温度： ( 3-19)其中油罐罐壁的导热系数=50.2 W/（mK），酚醛岩棉毡的导热系数近似为=0.0348W/（mK），镀锌铁皮的导热系数为=58.2W/（mK），计算得到：=-14.3。B、油罐罐壁至周围介质的辐射换热系数可以按照下式计算： (3-20) 式中：黑体辐射常数，=5.67 W/（m2K）；壁黑度，在此为镀锌铁皮的黑度，0.82。 W/（m2K）3、计算油罐的罐壁传热系数W/（m2K）4、油罐的罐顶，罐底传热系数=0.35W/（m2K）；=0.06 W/（m2K）5、总传热系数的计算m2m2=34.4 m2因此，可以计算出总传热系数为： W/（m2K）所以在加热阶段，油罐本身向外界散失的热量可以按下式计算：W3.2.2维持渣油在80时的传热系数计算1、渣油的定性温度根据现场经验，为防止油罐渣油冒顶，应控制渣油温度在803。在维温时，设渣油的平均温度是80。假设罐壁的温度是76，则渣油的定性温度是，利用公式计算渣油在此定性温度下的热物性参数：渣油在78时的物性参数：A、密度：g/cm3B、导热系数： W（mK）C、粘度：m2/sD、比热容：kJ/（kgK）E、当按=85%时，实际装油高度是=mm。2、校核油罐罐壁温度=0.0451由于误差2107。根据表3-1得=0.135，=1/3。所以：W/（m2K）4、油罐外部的对流换热系数m2/s ，W（mK）=6680mm。=2.251065.0104所以根据表3-4得到：=0.023，=0.80，所以： W/（m2K）5、油罐的辐射换热系数首先要确定油罐的壁外温度： 其中油罐罐壁的导热系数=50.2 W/（mK），酚醛岩棉毡的导热系数近似为=0.0348 W/（mK），镀锌铁皮的导热系数为=58.2W/（mK）。代入相关数据得到：=-3.5。油罐罐壁至周围介质的辐射换热系数3bi可以按照下式计算： W/（m2K）6、油罐的罐壁传热系数=1.40W/（m2K）7、罐顶，罐底传热系数的确定同油罐在加热状态一样，取油罐的传热系数=0.35W/（m2K）, 油罐的传热系数=0.06 W/（m2K）。8、总传热系数的计算 其中m2 m2 =34.4 m2 总传热系数： W/（m2K） 所以在维温阶段，油罐本身向外界散失的热量可以按下式计算：W 3.3管道保温层的设计在油库管道设计中，为了减少蒸汽管路、热油管道的热损失，应设计保温层，敷设保温层可以减小渣油由油罐输送到换热器时的温降，减少热损失。虽然敷设保温层增加了初期投资，但是却能起到降低热损失，减少加热器面积及加热设备容量、降低运行费用的作用。因此，要综合考虑加热和保温两方面的关系，合理确定加热和保温的方案，正确处理高粘度和易凝油品的储存和运输问题。在我国华北，东北和西北，对于储存粘油和易凝油的油罐或者输送粘油的管道都应该设置保温层。 对于保温材料的要求是20：1、在平均温度等于或小于623K（350）时导热系数值不得大于0.12W/（mK）。2、密度不大于350kg/m3。3、耐高温，耐振动。4、除软质、半硬质、散状材料外，硬质无机成型制品的抗压强度不应小于0.3MPa，有机成型制品的抗压强度不应小于0.2MPa。5、可燃物和水分较少，吸水性低。6、对金属无腐蚀作用，化学稳定性好。在保温层外部还要设置维护结构，它的作用是保护保温层。对于吸水率高的保温材料还能起到防水防潮的作用，油罐保温层外部常用镀锌铁皮作保护层。保温层的厚度要根据计算和经济分析来确定。对于保温层厚度的设计有三种： 根据最优经济条件决定保温层厚度； 按照限定的保温层表面温度决定保温层厚度； 根据限定的温降值决定保温层厚度。本文采用第三种方法，根据管道进口、出口的限定温降值来设计保温层厚度。已知流体在管道的起点温度，被加热油品是混合物，所以油品从液态变为固态是在一个温度变化范围内完成的，在油罐加热计算中，油品能流动的最低温度称为倾点，一般来讲，倾点要比凝点高2321，为防止在换热器入口渣油凝结，限定渣油的终点温度是40。基础数据：管道长20m，外部包矿渣棉毡，其导热系数为0.041 W/（mK），管道尺寸 763mm。保温层厚度的计算可以按照下式计算5： (3-21)式中：，保温层外径和钢管外径，m；油品在管路中的起点温度，；油品在管路中的终点温度，管路长度，m；油品在管路中的质量流量，kg/s；油品的比热容，kJ/(kgK)；保温材料的导热系数，W/（mK）；保温管路的外部传热系数，W/（m2K）。其中，保温管道外部的传热系数由下列式子计算： （3-22） （3-23） 式中：无风时保温层表面至周围大气的放热系数，W/（m2K）；保温管路周围平均风速，m/s。大庆平均风速为3.8 m/s，油库中的热油管道和蒸汽管道可近似的取11.6 W/（m2K）。所以保温层表面温度为16： (3-24) W/（m2K）根据现场调研，渣油出口温度为46，限定渣油从油罐到换热器之间管道的终点温度是40，则渣油在管道中的定性温度为44。假设管道中的渣油质量流量是10 kg/s，管道长度是20m，根据式（3-21）计算保温层的厚度。计算得出：保温层厚度是45mm。用同样的公式计算渣油在维持恒温阶段时，离开油罐时温度是80，则到达换热器时的温度是75。3.4换热器的设计及计算换热器设计是新型燃油锅炉房油罐加热系统设计的主要组成部分，换热器的设计研制在传热学领域中属于研究比较广泛且比较成熟的技术，各种新式换热器的出现和工业应用也使这项技术得到飞速的发展。各种传热元件的研究是换热器研制过程中的核心技术，如何使传热元件的传热效率更高、使用寿命更长是换热器研制过程中的主要工作和方向。无机热传导元件是由美国SUNNLT公司于80年代末研究、开发的一项新型传热技术，无机热传导技术在世界各国的工业领域已经得到广泛的应用。近年来无机热传导元件在我国石油、化工、化肥、电力工业等领域得到了成功的应用。实践证明，无机热传导技术应用前景良好，是一项颇具有生命力和竞争力的节能降耗，高效传热的高新技术。3.4.1无机热管换热技术简介22无机热传导技术是指以灌注在密闭、真空腔体内的无机元素为导热介质（又称为工质），将吸热端的热量传递至散热端的一种传热方式，它是一种新型、快速、高效和节能的传热技术。这种传热方式属于二次间接传热，传热过程中腔体中的导热介质无相变现象，它与常见的一次间接传热的换热管和常规的“热管”传热方式不同。在一定温度条件下，无机热传导元件内的无机导热介质受热后，利用分子的震荡、摩擦，将热能快速激发，热量由元件的一端向另一端快速传递。在整个传热过程中，元件的表面呈现出无热阻、快速、波状导热的特性。无机传热管内表面是经过特殊处理的，这种处理相似于又不同于常规热管所采用的酸洗钝化处理，经过特殊处理的无机热管内表面形成以下三种基本层：第一层（最内层）：为金属和重铬酸根的各项组合，为防腐蚀层，使其能有效抑制腔内材料的腐蚀，防止腔体表面形成氧化物。第二层（中间层）：附着在第一层上，是钴、锰、铍、和重铬酸根的各项组合；为活性层，能防止腔体材料形成氢、氧元素的产生。第三层（最外层）：是金属氧化物、重铬酸根、单晶硅、铬酸锶的组合。导热层，其基本形状为黑色粉末，具有良好的吸热、传热特性。3.4.2无机热管与常规热管的比较23-25无机热管的传热能力是以单位时间内传送的热能来表示的，其单位是W。1942年Caugler博士成功地发明了在密闭、真空腔体内、以液体为导热介质，进行热能传递的“热管”元件，这就是常规热管。6mm无机传热元件单管传热能力达30W，而相同工况和条件下，以水为工质的常规热管传热元件的传热能力仅能达到23W。由此可见，无机热管的热流密度或传热系数是在相同工况和条件下都要比常规热管的热流密度或传热系数大30%。无机传热管与常规热管之间的主要区别见表3-5：表3-5 无机热管与常规“热管”比较比较项目无机热管常规热管管内导热介质无机元素有机元素传热方式无相变传热有相变传热表面处理特殊处理一般酸洗钝化脱气处理有无导热性能更好好无机热管的纵向和径向导热速率明显高于常规热管，特别是纵向导热速率的差别更加明显。金属中导热系数最高的纯银的导热系数为415W/（mK）。实验表明：无机传热管的导热系数比纯银高得多。华南理工大学热管测试中心的报告称，无机热管的导热系数为纯银的7200倍。无机热传导元件的理论使用寿命一般为11万小时，比一般热管的使用寿命长得多。所谓理论使用寿命是建立在金属材料的“速蚀率”计算和工质三层膜的老化反应以及腔体气密“泄露率”计算而获得的。当然在实际中影响热管寿命的因素是很多的，如施工质量，管材，外部流体性质等。此外，无机热管相比常规热管，还具有以下优点：1、结构紧凑，重量减轻。 增加扩展换热面的传热元件在一定的空间内，可以布置较多的换热面积，扩展换热面较薄，换热设备结构紧凑，重量减轻，特别适用于有限技术改造的项目。2、换热设备安全可靠。 常规换热设备一般是一次壁面换热，冷、热流体分别在管壁（或板壁）的两侧流过，如果壁面穿孔泄露，将导致停产损失。由无机热传导元件制成的换热设备是二次壁面换热，冷、热流体分别在无机热传导元件的冷侧和热侧流过，一般不可能冷、热侧同时损坏，而一侧损坏仅损失少量换热能力，不影响设备正常使用，增强了设备运行的安全性和可靠性。3、流动阻力小。 冷、热流体在无机热传导元件外部流动传热，无需多程往返，流程短且介质流动方向可与散热片方向一致，降低了流动阻力。4、多种介质传热。可适用于气气（汽），气液和液液多种介质换热。对于气气（汽），气液换热，由于可以增加扩展换热面，弥补气态流体对流换热系数低的缺陷，从换热角度来看具有很大的优势，且可以防止漏风漏气。5、适用于一种流体与多种冷流体，一种冷流体与多种热流体的换热。6、具有良好的可拆卸性，维修费用低。 对于整体式换热元件制造的换热设备，可以与设备壳体采用滑套或法兰连接，一旦部分元件受损，仅需要换损坏的元件，不需要更换整台设备。根据传热元件腔体内导热介质的特性和适用范围，将无机传热元件的使用区域具体划分如下：低温范围：-6030； 中温范围：30450；高温范围：4501100。3.4.3复合式无机热管换热器的设计原始数据：排烟流量：每台锅炉9800m3/h。进口烟气温度：240，出口烟气温度120。渣油流量：10kg/h。加热阶段：进口温度：40（油罐出口46）。维持恒温度阶段：进口温度：72（油罐出口80）。冷却水流量：待定。换热器布置：卧式布置。烟气中含有水蒸气和SO2，在加热段利用烟气余热回收时，当热管换热器的管壁面温度下降到水蒸气露点温度（约70）时，水蒸气大量凝结，烟气中的SO2直接溶于水膜中形成亚硫酸，此时硫酸蒸汽就会在管壁面凝结产生硫酸液，腐蚀热管。因此对低温腐蚀点的控制对于整个换热设备的寿命有着较大的影响，选取适当的管壁材料能够尽量避免或减小烟气对管材的腐蚀。因此把烟气的出口温度控制在120左右，同时采用能抗腐蚀的新型钢材ND钢作为无机热管的管壁材料，它具有抵抗渣油腐蚀的特性。ND钢作为换热器的管材，具有较强的耐磨性和耐腐蚀性，可以在低于露点温度110下正常工作，能把设备的使用寿命提高一倍左右，而且普通钢材常积灰、易于开裂等现象将得到明显改善26。（1）结构计算27 热管元件的基本选择28为了尽量减少整个换热器的换热面积，增加单管换热量，本文设置了翅片。对于翅片的选择应该注意所选材料具有良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击性能及耐腐蚀性能。本文所选的无机热管，管壁材料为ND钢，中温热管；尺寸：外径