[发明专利]一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法

权利要求书

1.一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：开展加热盘管长度的优化，为了更好的模拟原油在储罐顶角区域的涡旋流动以及储罐边界上原油温度的依时变化规律，在一般质量、动量、能量守恒方程的基础上，引入RNG k-epsilon湍流模型，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，通过在储罐底部布置不同长度的加热盘管，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同盘管长度下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；

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：

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；t_stea为加热时间，s；ρ_oil为油品密度，kg·m^-3；

动量守恒方程为：

式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s²；μ_oil为油品动力黏度，Pa·s；

能量守恒方程为：

式中：T_oil为油品温度，℃；λ_oil为油品的导热系数，W/(m·℃)；c_oil为油品比热容，J·(kg·℃)^-1；

步骤二：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管长度对原油储罐加热效果的影响程度；

步骤三：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射能量和盘管释放的能量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管长度对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管长度；

得到加热盘管的有效利用率的方法，具体如下：

从能量的层面：

有效能量为被加热油品所吸收的热量：

E_nef＝G_oilc_oil(T_end-T_sta)

式中：E_nef为储罐盘管加热过程中的有效能量，J；G_oil为罐内油品质量，kg；T_end为加热终了温度，℃；T_sta为加热起始温度，℃；c_oil为油品比热容，J·(kg·℃)^-1；

总能量：

E_nto＝Q_stea×t_stea×3600+Q_sola×t_sola×3600

式中：Q_stea为盘管放出的热量，W；Q_sola为吸收太阳辐射的热量，W；t_stea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：

式中：q_sroof罐顶上所受的太阳辐射热量，W/m²，q_swall罐壁上所受的太阳辐射热量，W/m²；F_roof罐顶面积，m²,F_wall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，ε为储罐浮盘的黑度；t_sola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：

式中：η_en为能量有效利用率，％；

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被加热油品所吸收的用能视为有效有效与输入的比值为储罐不同结构加热盘管下的有效利用率；

有效为油品被加热吸收的按物流的公式计算：

式中：E_xef为油品加热过程的有效J；T_en为任意时刻的大气温度，℃；

输入由盘管释放的热和吸收太阳辐射的组成，其中，盘管释放的按热源计算，热源是由热源与环境之间温差引起的公式为：

式中：E_xst为热源J；T_stea为热源蒸汽温度，℃；

吸收太阳辐射的由罐顶吸收的热量和罐壁吸收的热量组成：

式中：E_xroof罐顶吸收太阳辐射热量E_xwall为罐壁吸收太阳辐射热量J；E_xso为吸收太阳辐射的总热量J；T_1roof为吸收辐射过程罐顶油品的最高温度，℃；T_2roof为吸收辐射过程罐顶油品的最低温度，℃；T_1wall为吸收辐射过程罐壁油品的最高温度，T_2wall为吸收辐射过程罐壁油品的最低温度，℃；

有效利用率为有效与输入的比值：

式中，η_ex为有效利用率，％；

步骤四：开展加热盘管直径的优化，通过在储罐底部布置不同直径的加热盘管，并采用有限单元法对大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型进行数值求解，得到不同盘管直径下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；

步骤五：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管直径对原油储罐加热效果的影响程度：

步骤六：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射的热量和盘管释放的热量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管直径对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管直径；

步骤七：根据确定的最优盘管长度和最优盘管直径，得到盘管的最优尺寸结构。