油库设计加热器计算,管路保温及蒸汽锅炉计算

重庆科技学院

《油库设计与管理》

课程设计报告

设计地点（单位）_ K802 __ 设计题目:_油库设计加热器计算，管路保温及蒸汽锅炉计算

完成日期：2014年12月19日

指导教师评语: _______________________________________

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成绩（五级记分制）:______ __________

指导教师（签字）:________ ________

摘要

油库是用来接收、储存、发放原油或石油产品的企业或单位。它是协调原油生产、原油加工、成品油供应及运输的纽带，是国家石油储备和供应的基地对保障国防和促进国民经济高速发展具有重要意义。油库中最重要的组成部分就是储油区。储油区又称油罐区，是油库储存油品的区域，也是油库的核心部门，安全上需要特别注意。这个区的首要任务是保证储油安全，防止火灾和泄漏。本课程设计将根据任务书中的要求，对油罐加热器面积的计算，保温管路的计算以及蒸汽锅炉计算。在综合运用所学的专业知识的前提下，查阅了有关油库各部分设计和计算的规范及资料，首先根据任务书中的基础数据确定设计思路和要用到的计算公式、计算方法，经济、合理地确定储油区的各个工艺。

关键字：油库储油区油罐

目录

摘要 (1)

1 绪论 (3)

2 参数设计 (4)

库区气象资料 (4)

原油参数 (4)

油罐参数 (4)

3 储油区油罐的确定 (5)

所需油罐参数 (5)

4油品加热工艺 (6)

油品加热的目的 (6)

油品加热的方法 (6)

油罐加热器面积计算 (6)

油品的平均温度 (6)

罐壁传热系数 (7)

油罐的总传热系数K (10)

单位时间内加热油品所需的总传热量Q (10)

加热器面积F (11)

5 加热器的选择 (14)

油罐管式加热器结构 (14)

分段式加热器 (14)

蛇管式加热器 (14)

6 管路保温 (15)

概述保温结构作用 (15)

保温结构 (15)

管路保温厚度对减少热损失的作用分析 (15)

根据最优经济条件决定保温层厚度 (16)

蒸汽管路的热力计算 (17)

7 蒸汽锅炉的蒸汽消耗量 (18)

锅炉的用途 (18)

蒸汽锅炉的分类 (18)

蒸汽锅炉的蒸汽消耗量 (18)

蒸汽锅炉的蒸汽消耗量 (18)

8 总结 (21)

参考文献 (22)

1 绪论

油库是接收、储存、发放石油或石油产品的企业或单位。它是协调原油生产、原油加工、成品油供应及运输的纽带，是国家石油储备和供应的基地，它对于保障国防和促进国民经济高速发展具有相当重要的意义。此外，油库是我国现代化建设和军队后勤建设的重要组成部分，也是油料储存、供应的基础。从储油方式看，油库可分为地面油库、隐蔽油库、山洞油库、水封石洞油库和海上油库等。

随着石油工业的飞速发展，油库建设取得了长足的进步。现代油库已从传统意义上的单一储存石油的仓库向综合储存和输转石油、液化气、化工产品、物资等方向发展，并且在其他企业，如铁道、交通、电力、冶金等部门也建有各种类型的油库，以保证生产和运输的正常进行。

我国油库的发展是在较为薄弱的工业基础上起步的，它与石油工业和国民建设的发展息息相关。经过较短的时间，我国油库已有了较快发展。目前，我国原油库的单库容量已超过了百万吨级，油库中单个油罐的容量也超过了数万吨乃至数十万吨，而商业性油库也向着中型化方向发展。与之相应的油库中的各种设施也日益复杂化、现代化。随着石油工业的进步和石油战略地位的不断提高，油库的建设也越来越重要。

本设计将根据本设计任务书要求设计油罐加热器、油罐和管路保温以及蒸汽锅炉。为此，本设计将依据相关原始资料及设计标准规范，并针对相关主要工艺过程进行选型计算。

2 参数设计

库区气象资料

油库所在区域年平均气温℃，月最高温度37℃，月最低温度-27℃；年平均降雨量280mm，日最大降雨量640mm，年平均降雨天数37天；风向为西北。

原油参数

某油库由管道输进原油30万吨/年，全部由铁路外运；原油凝固点36℃，初馏点77℃，50℃粘度 。密度861kg/m3，粘温指数。

油罐参数

油罐相应参数见表

表油罐参数

3 储油区油罐的确定

所需油罐参数

油罐型式选择与数量确定

根据油罐的选择原则和每种油品的设计容积，该油库选择内浮顶罐和拱顶罐，其要选择的油罐参数根据《油库设计规范》和郭光臣主编的《油库设计与管理》P226中表5-2“石化公司北京设计院拱顶罐系列”，选择出以下参数的油罐：

各种油品油罐型式选择与数量已由本组其他同学算得：原油选用浮顶油罐.根据各种油品的设计容量计算结果可知，原油用 5 个 20000m3和 1 个 3000m3浮顶罐。

4油品加热工艺

油品加热的目的

许多油品，如高粘和高凝固点原油、燃料油、重柴油、农用柴油、润滑油等，在低温时具有很大的粘度，而且某些含蜡油品在低温时由于蜡结晶，会发生凝固。为了降低这些油品的粘度，提高其流动性，就必须进行加热。油库中对油品进行加热常出于用于降低油品在管道内输送的水里摩阻、加快油罐车和油船的装卸速度、促进原油破乳、使油品脱水和沉降杂质、加速油品的调合和进行润滑的净化再生等。

油品加热的方法

在油库中对油罐、油罐车和其它容器中的油品进行加热所采用的加热方法有：蒸汽直接加热法；蒸汽间接加热法；热水垫层加热法；热油循环加热法和电加热法等。油品加热常用的热源有水蒸气、热水、热空气和电能等。

油罐加热器面积计算

根据任务书所提供的参数，由于最低温度为-27℃，油罐选用保温层，选择油罐管式加热器对燃料油储罐进行加热，下面为加热器面积的计算过程。

油品的平均温度

当

tz t 2j ys j

t t t -≤-时，y t 用算术平均法求得，即公式

2

yz ys

y t t t +=

当

tz t 2j ys j

t t t ->-时，y t 用算术平均法求得，即公式

ln

yz ys

y j yz j ys j

t t t t t t t t -=+

--

已知平均温度有℃，起始温度为36℃，终了温度77℃，因117715.4

2.423715.4

tz ys t t t t --==--＞

代入数据得；

7715.4

3740.2ln 2.4y t -=+

=℃

罐壁传热系数

1231

11bi bi bi bi bi bi K a a a δλ=

++

+

式中 1bi a ——油品至油罐内壁的内部放热系数，W/m 2·℃；

bi λ——罐壁的导热系数，W/m 2·℃；

bi δ——罐壁的高度，m ；

2bi a ——罐壁至周围介质的外部放热系数，W/m 2·℃；

3bi a ——罐壁至周围介质的辐射放热系数，W/m 2·℃。

其中内部放热系数1bi a 应按无限空间自然对流放热公式计算，将定性尺寸d 改用h ，h 表示油罐内油层高度，单位取米，公式

1(Pr)y

n

bi a Gr h

λε

=?

式中系数ε和h 从表中查得。h=,ρ=861

3

/kg m β=查表4-1 计算出Gr=32()y bi h t t g βυ-=33615.580.782109.81

8.410????=11

1.510?

Pr=c υρλ=68.410 1.7338611000

0.1279????=130

137Pr 1.9510210Gr ?=??＞，查得=0.135ε，n=1/3

得出

131/310.1279

0.135(1.9510)38.9215.85bi a =?

?=W/m 2·℃

自罐壁至周围大气的外部放热系数2bi a 按空气横向掠过圆管的强制对流换热公式计算，应表示为Nu=(Pr*Re)的形式但考虑到空气Pr 值随温度的变化不大，常温时近似等于，因而将2bi a 的计算公式简化为Nu=f(Re),整理后得：

2Re qi

n

bi a C

D λ=

式中qi

λ——空气导热系数（可从表查得），/W m ?℃;

D ——油罐直径，m;

Re ——雷诺数

'Re vD v

qi =

； qi

ν——风速，按最冷月平均风速计算，（从各地气象资料查得）。m/s;

qi

υ——空气的粘度，（见表），2/m s ；

C,n ——系数，按Re 值从表查得

已知最冷月温度为-27℃从表中查得空气的导热系数为2

2.19810?，粘度为

610.8010?，油罐直径为，可求得

64

62.540.5Re 5.9510510

10.8010?=

=???＞查表得C=，n=

则得出

2

2 2.41910Re 0.02

3 4.686/40.5qi

n

bi

a C W m D λ?===?℃

罐壁至周围介质的辐射放热系数3bi a 按下式计算

4

4

30

273(273)(

)100

qi bi bi bi qi

t t a C t t ε++-=-

式中0C ——黑体的辐射系数，0C =24

/W m K ?

ε——罐壁黑度，随罐壁涂料不同而有不同取值，见表 bi t ——罐壁的平均温度，℃

qi

t ——最冷月空气平均温度，℃

将数据带入公式

44

23(10273)(2273)0.96 5.67 4.63/102bi

a W m +--+=?=?+℃

21

7.52/11

38.92 4.686 4.63bi K W m =

=?+

+℃

罐顶和罐底的传热系数比较小，相对于罐壁它们对总传热系数影响较小，则取20.7/ding K W m =?℃

，

20,21/di K W m =?℃

表 原油和油品的体积膨胀系数

表系数和值

表系数C和n

油罐的总传热系数K

bi bi ding ding di di

bi ding di

K F K F K F K F F F ++=

++

式中K 表示传热系数，F 表示面积，角码符号bi 、ding 、di 分别指罐壁、罐顶和罐底。按油罐装满系数为0.9计算，bi F 应取为罐壁总面积的90%，ding F 应取罐顶面积和

10%罐壁面积之和。

罐壁面积：

2

3.1440.515.851170bi F Dh m π==??=

罐顶面积：

2

2()237.26 3.434 3.43440.5(14.0711.94)1012ding F Rf D H h m ππππ=+-=???+?-=

此处H 指罐壁总高，h 指罐壁装油高度，R 指拱顶的曲率半径，f 指拱顶矢高。将不装油的罐壁面积计入罐顶面积。

罐底面积：

222

40.57654

4

di F D m π

π

=

?-

?=

罐壁传热系数2

7.52/bi K W m =?℃

罐顶传热系数

2

0.7/ding K W m =?℃

罐底传热系数20.21/di K W m =?℃

油罐总传热系数K 计算得：

27.521170+0.71012+0.21765==3.82/1170+1012+765K W m ????℃

单位时间内加热油品所需的总传热量Q

123

1

+)Q Q Q Q =+（τ

式中 Q ——单位时间内加热油品所需的总热量，W ； 1Q ——用于油品升温的热量，J 。

1()yz ys Q Gc t t =-

2Q ——融化已凝固的那部分油品所需的热量，J ；

2100

N Q G =τ

3Q ——在加热工程中单位时间内散失于周围介质中的热量，W ；

3()y j Q KF t t =-

油品升温所需的热量：

2271=()()40.515.85861 1.733(284)34.71044z ys z ys Q Gc t t D h t t KJ

ππ

ρ-=-=????-=?

上式中，平均油温，计算方法同前。 融化蜡所需的热量2Q

6726217.7

8.351010.910100100N Q G KJ α?=

=??=?

上式中N=6，认为6％的蜡含量在长期冷却过程中已全部凝结。燃料油的凝固点不高于25℃，从表查得，蜡的融解潜热应不高于kg 。油品总质量

22640.515.588618.35104

4

G D h kg

π

π

ρ=

=

???=?

加热过程中散失于大气中的热量3Q

2

117010127652847bi ding di F F F F m =++=++= ()53 3.282847(132) 1.410y j Q KF t t W

=-=?+=?

表 石蜡融解潜热

单位时间内加热油品所需的总热量：

()773

561231(34.71010.910)10 1.410 1.89210723600Q Q Q Q W

τ?+??=++=+?=??

加热器面积F

01()

y Q

F K t t =

+

加热器采用ф60×无缝钢管制作，d=。加热器管组的传热系数0K 、外部放热系数2

a 按下式计算，附加电阻R 取为 m 2·℃/W 。取表压力为的蒸汽温度为℃，已知罐内油品平

均温度为13℃，先假设加热器管壁温度为100℃。对于各准则的计算，定性温度取为12

（100+13）=℃。

0.266(61.520)66261.58.410 2.810/e m s υ-=??=?

61.540.9130.00054(61.515)0.888

d =--=

此处温度为℃时у=，则：

表 油品比热容

值

由表得3

=0.72210β?，361.5888/kg m ρ=， 1.892/c kJ kg =?℃,

61.53117.5

=10.0005461.5)0.124/0.91310W m λ-?=??（℃

3

337

2

69.810.722100.06 1.910

(2.810)g td Gr λυ???=

==??

632.810 1.89210888

Pr 38

0.124c υρλ????===

查表，ε=0.135,n=1/3

81/3320.124

(Pr)0.135(0.72210)250/0.06y

a Gr W m d

λε

=?=?

??=?℃

K 0值可由公式得：

2021

1

=

175/11

0.0172250

K W m R a =

=?++℃

校核原假设的加热器管壁温度：

17513+

151.1-130.3231250=（）-110＜℃

显然原假设的加热器管壁温度100℃是合适的。 加热器的面积F ：

6

3

01)

1.89210=78.3175(151.1113)y Q F m K t t ?==+-（

考虑到结垢、结污对传热效果的影响，增加10％左右的加热面积作为富裕量，取加

热面积2

88F m =

所需加热管的总长度

88

4683.140.06F L m D π=

==?，即要用468m 长无缝钢管来制成

加热器，才能满足本题的加热作业要求。

5 加热器的选择

油罐管式加热器结构

油罐中常用的管式加热器按布置形式可分为全面加热器和局部加热器，按结构形式可分为分段式加热器和蛇管式加热器。

分段式加热器

分段式加热器由若干个分段构件组成，每一分段构件由2~4根平行的管子与两会管连接而成。整个分段构件可从人孔近出，便于安装和检修。几个分段构件以并联或串联的形式联成一组，组的总数取偶数，每组有单独的蒸汽进口和冷凝水出口。优点：当某一组发生故障时，可单独关闭该组阀门，而用其他完好的各组继续进行加热作业。此外，分组还可以调节加热过程，根据加热过程实际需要来关开闭组数。缺点：但分段加热器的加热效果不如蛇管式好，管子连接头多，伸缩不便，容易造成管子接头处焊口损坏而发生蒸汽泄漏，对于不严格要求含水量的油品，对于进行间歇作业并需经常调节加热面积的油罐，适宜采用分段式加热器，如图

图分段式加热器结构

蛇管式加热器

蛇管式加热器是用一根很长的管子弯曲成的管式加热器，为了安装和维修方便才设置少量的法兰连接。蛇管在油罐下部均匀分布。为了使管子在温度变化是自由收缩，用导向卡箍将蛇管安装在金属支架上。常把蛇管分成几节彼此对称地分布在进出油管的两侧，各节均有单独的蒸汽输入管和冷凝水排出管，各节可单独调节以调整加热面积。其优点：蛇管在罐内均匀分布，可提高油品加热效果。缺点：安装和维修均不如分段式加热器方便，每节蛇管的长度比分段式加热器要长得多，因而蛇管加热器需要采用较高的蒸汽压

6 管路保温

概述保温结构作用

石油库中为了减少油罐、蒸汽管路、热油管路的损失，有时加做保温层是合算的。它能起到节省热能、减少加热器面积和降低加热设备容量的作用。根据经验，蒸汽管道都做保温层。 不能保证输油后迅速排空的输油管道，如果所输油品的凝固点又低于周围介质的月平均温度，应对管道做保温层。用蒸汽管道热伴随或者电加热的热油管道应做保温层。对于储存粘油和易凝油的油罐，在我国华北、东北和西北地区都应做保温层。

保温结构

管路保温厚度对减少热损失的作用分析

保温管路与不保温管路热损失比值 地面保温管路：

()

b b b j b D a D D d D d a t t q 211

ln 21ln 211+++-=

λλπ

()

D

a d D d a t t q j 211

ln 211++-=

λπ

由于1a 和λ相对于2a 和b λ要大得多，在式和式中d

a 11

和

d D ln 21λ可忽略不计，因而得：

b

b b b D D D D D a q q a δδλ22ln 21

2

+++=

=

式中 a —保温管路与不保温管路热损失比值；

b q —管路有保温层时，单位管长上的热损失；

q —管路无保温层时，单位管长上的热损失；

t 、j t —管内流体的温度、管外介质的温度；

d 、D 、b D —管路内经、外径、保温层外径；

λ、b λ—钢管导热系数、保温材料导热系数；

1a 、2a —管路的内部放热系数、外部放热系数；

b δ—保温层厚度，b b D D δ2+=。

管路外部放热系数：

n qi

D

C

a Re 2λ=

已知管路外径为159mm ，保温材料热导率为)/(16.106.0K m W ??，m D 159.0=

43105Re 105?<

从参考文献[1]的表4-13查得

()

?=????=-26

.04

2

2/6.10102.3219

.01032.2197.0m W a ℃

=

a 4

.05.02159.0159

.0159.05.02159.0ln 16.106.02159.06.101

=?++

?+???

根据最优经济条件决定保温层厚度

在确定保温层厚度时，应综合考虑保温层投资费用和每年管路的热能消耗费用，使

总的费用最少，单位管长每年费用等于每年的保温层投资抵偿金额和每年热能消耗费用之和。

22()4b b F D D aN hq b

π

=-+

式中 N ——抵偿率，

(1)(1)1n

n

i i N i +=+- a ——保温层投资，3

元/m

b ——热能价格，元/J b q ——单位管长热量损失，/W m h ——每年运行时间，s

对于地面保温管路，忽略

1

1da π和1

ln

2D

d

d π，这时

211ln 2i b b b b t t q D D D a πλπ-=

+

则

222()()114

ln 2i b b b b t t hb

F D D aN D D D a π

πλπ-=-+

+

为了求得每年费用F 为最小时的保温层，令0b

dF

dD =，则求得保温层厚度

2b b D D

δ-=

代入数据得，378b mm δ=

蒸汽管路的热力计算

对于地面敷设的蒸汽管路，周围介质温度j t 就是大气温度。 总热阻为：

2

1

a D R R

b b π+

=∑ 式中 b R ——蒸汽管保温层的热阻，D

D R b

b

b ln

21πλ=，?m W /℃； b D ——保温层外径，mm ；

2a ——保温层外壁至周围大气的对流放热系数，可近似取3

212.3/a W m =。

蒸汽管路单位长度上的热损失)/(m W q 为：

R t t q j

z ∑-=

式中 q ——蒸汽管路单位长度上的热损失，m W /； z t ——蒸汽温度，℃； j t ——周围介质温度，℃；

R ∑——总热阻，?m W /℃。

管上为L 的蒸汽管路的的总热损失Q 为：

1.18Q qL =

系数考虑到支架、法兰、阀件等处的附加热量损失。以蒸汽管路沿线单位长度上的热损失都相等为前提的。实际上蒸气在管路内流动的过程中间因压降而产生温度改变，沿线单位管长上的热损失并不相等。因此计算蒸汽管路的总热损失是近似的。

求得管路终点蒸汽的压力值和热焓值，就可从水蒸气图表上查得在管路终点的蒸汽温度。蒸汽管路的长度L 均取为400m 。

蒸汽管路的总热损失：

管路外径为D=168mm ，保温材料热导率为0.05 1.23/()b W m K λ=??，保温层的外径

3

212.3/a W m =

0.187c = 0.55n =

1

0.060.18/0.322912.3R W m π=+

=???∑℃

40.511.5159.4/0.18q W m

-==

蒸汽管路的总热损失

6

1.18 1.181864400 1.02510Q qL W ==??=?。

7 蒸汽锅炉的蒸汽消耗量

锅炉的用途

锅炉的主要用途为采暖、洗浴和供应优质蒸汽等。采暖、洗浴用的锅炉主要是热水锅炉，工业上用的锅炉主要是蒸汽锅炉。

蒸汽锅炉的分类

蒸汽锅炉按照燃料可以分为电蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉等；按照构造可以分为立式蒸汽锅炉、卧式蒸汽锅炉，小型蒸汽锅炉多为单、双回程的立式结构，大型蒸汽锅炉多为三回程的卧式结构。

蒸汽锅炉的蒸汽消耗量

当采用饱和蒸汽作为热源，不考虑冷凝水过冷时，认为进入加热器的是干饱和蒸汽，从加热器排出的是饱和冷凝水，则加热器所需要的蒸汽量z G 为：

z z n Q G i i =

-

式中 z G ——加热器所用的蒸汽量，kg s ；

Q ——单位时间内加热油品所需的总热量，kW ；

z i ——干饱和蒸汽的热焓，kJ kg ； n i ——饱和冷凝水的热焓，kJ kg ；

表油库常用的燃煤型锅炉的主要技术数据

蒸汽锅炉的蒸汽消耗量

1）20000m 3的油罐的蒸气锅炉的消耗量

蒸汽表压力0.3P MPa =，6

1.02510Q W =?

由热工基础附表4饱和水与饱和蒸汽表查得：

28274/z i KJ kg =，593.6/n i KJ kg = 则：

3

5.1210 2.36/8.2/28274593.6z G kg J t h

?===-

2）3

3000m 的油罐的蒸气锅炉的消耗量