[发明专利]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

权利要求书

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：

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：

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，％；

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被加热油品所吸收的用能作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，具体如下：

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，℃，E_xsta为油品在加热起始时的J；E_xend为油品在加热终了时的J；

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：

吸收太阳辐射的总热量为：

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：将能量有效利用率和有效利用率结合，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、有效利用率的变化规律，优选加热盘管结构。