Нестационарные теплофизические процессы в резервуарах нефтебаз Тюменской области

Особенностью проектирования, строительства и эксплуатации сооружений на мерзлых и вечномерзлых грунтах является необходимость учета и регулирования теплообмена с окружающей средой. Резервуары нефтебаз Тюменской области эксплуатируются в широком диапазоне температур: от -50 °С (в районах Крайнего Севера) до +38 °С, подвергаются влиянию солнечной радиации и резким изменениям температуры окружающей среды. Существенное влияние на состояние жидкости в резервуаре оказывают температура воздуха, грунта, скорость и направление ветра. Значительные перепады суточных температур влияют на конструктивные элементы резервуара. В местах соединения стенки с днищем возникают напряжения, способствующие появлению трещин в сварных швах или в основном металле при пониженном сопротивлении металла хрупкому разрушению. Испарившаяся вода и пары сероводорода, конденсируясь на крыше и стенках резервуара, способствуют коррозии металла.

Тепловое взаимодействие жидкости с окружающей средой происходит через стенки, кровлю и днище резервуара. Теплопередача в зимнее время представляет собой сложный процесс теплообмена, состоящий из теплоотдачи от жидкости к холодной стенке резервуара, передачи тепла через стенку за счет теплопроводности материала резервуара (стали), теплоотдачи от ограждающей конструкции к холодной окружающей среде. Передача тепла в газовоздушном пространстве происходит за счет свободной конвекции, так как жидкость, испаряясь с поверхности продукта, нагревает холодное газовое пространство резервуара. Толщина стенок резервуара невелика (стенки — 13 мм, кровля — 4 мм, днище — 6 мм), сталь имеет довольно высокую температуропроводность, поэтому при температуре воздуха ниже температуры застывания на стенках и на свободной поверхности возникает замерзший слой нефтепродукта. В этом случае теплообмен надо рассматривать как сопряженный, состоящий из теплообмена при свободной конвекции в жидком нефтепродукте и теплопроводности в застывшем слое, так как слой замершего продукта является теплоизолятором. Температура замершего слоя определяется температурой окружающей среды, и при ее изменении меняется вслед за ней.

Грунт в основании резервуара представляет собой многофазную дисперсную среду, в которой вода может находиться в трех состояниях: газообразном (пар), жидком (растаявшая вода), твердом (лед), поэтому необходимо учитывать фазовые превращения в грунте и наличие мерзлой и талой зон. Характерной особенностью теплового взаимодействия резервуара с промерзающим грунтом является то, что заполненный маловязким нефтепродуктом резервуар, благодаря свободной конвекции, является хорошим проводником тепла.

В теплое время года на температуру стенок резервуара большое влияние оказывает солнечная радиация. Натурные исследования резервуаров показывают, что при температуре воздуха днем +33 °С температура стенки пустого резервуара на солнечной стороне может достигать +50 °С, а на теневой 35 °С. В заполненных резервуарах стенка по всему периметру имеет примерно одинаковую температуру около +25 °С. Температуру днища в первом приближении можно считать равной температуре жидкости, хранящейся в резервуаре. Температура днища и стенки на теневой стороне примерно одинакова. В резервуарах большой емкости изменение температуры происходит преимущественно в пограничном слое, равном 0,1-0,2 характерного размера резервуара, а остальная масса жидкости остается изотермичной.

Математическая модель теплового состояния резервуара представляет собой систему дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса для хранимой жидкости, газовоздушной смеси над ней, уравнений теплопередачи тепла через ограждающую конструкцию резервуара и уравнений тепломассообмена в окружающей среде. Решение этой задачи с учетом всех влияющих факторов представляет собой значительные трудности. Более простым, и в то же время достаточно точным, является анализ теплового баланса нефтепродуктов в резервуаре. Запишем уравнение теплового баланса для процесса заполнения резервуара теплоносителем, например, водой:

где G — скорость закачки воды, м3/с; G-t-р — масса закачанной воды к текущему моменту времени, кг; Vo — объем воды в резервуаре, находящийся в момент начала данного этапа закачки, м3; т0 — масса пустого резервуара, кг; с, Со — теплоемкость теплоносителя и материала резервуара (стали), Дж/(КГ'К), t Текущее время, С, S S^i/a "t" ^кровли ^боковой стены — полная поверхность охлаждения емкости (сумма площадей кровли, днища и стенки), м2; kj— коэффициент теплопередачи от резервуара в окружающую среду через стенки, днище и кровлю резервуара, Вт/(м2 • К); Тср — начальная температура закачиваемого теплоносителя, °С; Т— текущее значение температуры теплоносителя в резервуаре в данный момент времени, °С; 7о — температура окружающей среды, °С. Преобразуем уравнение (3.51) к удобному для интегриро-

тт тосо

вания виду. Для этого произведем замену: /0 =--ха-

G-p-c

у

рактерное время; Ц = — — время, в течение которого будет G

к S

производиться заполнение; к = —-— — безразмерный ко-

G-р-с

эффициент теплообмена (параметр Шухова); г = t /10 — текущее безразмерное время; г' = t' /10 — безразмерное время, необходимое для заполнения резервуара на очередной уровень.

В результате замены уравнение (3.51) принимает вид: Разделяя переменные в уравнении (3.52), получаем

Для удобства интегрирования введем переменные: Уравнение (3.38) принимает вид:

Интегрируя, получаем общее решение уравнения (3.53):

где С| — константа интегрирования, которая должна быть определена из начальных условий. Известно, что в начальный момент времени (t = 0, г = 0) при закачке температура теплоносителя равна температуре теплоносителя, находящегося в резервуаре Т = Тк. В начальный момент заполнения, когда резервуар пуст, температура в начальный момент будет равна температуре окружающей среды Т = То. Исходя из этого, переменные интегрирования будут равны:

Подставляя (3.56) в (3.55), определяем константу Сь

Закон изменения температуры во время заполнения резервуара в зависимости от производительности насоса и времени заполнения выглядит следующим образом:

Уравнение (3.57) позволяет определить температуру теплоносителя в любой момент времени в процессе закачки при проведении гидравлических испытаний или эксплуатации любого резервуара. Пользуясь этим уравнением, можно при заданной температуре определить время, в течение которого температура изменится от начальной до допустимой при различных скоростях закачки в зависимости от объема резервуара.

Рассмотрим случай, когда происходит наполнение пустого резервуара. Это значит, что в уравнении (3.51) т' = 0, при разделении переменных уравнение (3.51) принимает вид:

Вводя переменные у = т + 1, х = Тср- Т - к -Т + То'к и учитывая граничные условия Г = Го, получаем константу интегрирования, равную С, =---. Закон изменения темпера-

Тср ~

туры теплоносителя при заполнении пустого резервуара имеет вид:

Проведем проверку полученной формулы (3.58). При г = О конечная температура теплоносителя должна быть равна температуре окружающей среды:

Если текущее безразмерное время очень большое г -» °°,

Г + к ? Т0

то формула (3.58) будет иметь вид Г = —j—j-j—.

Если к = 1, то конечная температура закачиваемого теплоносителя равна средней температуре окружающей среды и

^ Тср0 г

начальной температуре теплоносителя Г =---. Если

к = 0, то Т= Тср. Если к -> оо , то

Изменение конечной температуры теплоносителя при закачке в резервуар во время эксплуатации в зависимости от безразмерного коэффициента теплообмена будет иметь вид:

Процесс охлаждения теплоносителя при этапе гидравлических испытаний и эксплуатации резервуара («выстаивание») может быть описан, исходя из уравнения теплового баланса (3.51), составленного для заполненного резервуара:

причем объем теплоносителя и площадь теплопередачи не изменяется. Закон изменения температуры в этом случае может быть записан в виде

I

где Т„ — температура теплоносителя после заполнения резервуара, К, вместо времени заполнения резервуара появляется время выстаивания /',

Уравнение (3.58’) представляет собой выражение, аналогичное известной формуле В. Г. Шухова для охлаждения резервуара. Однако в этой формуле имеются зависимые переменные: производительность насоса, высота налива, время закачки. Кроме того, в формуле В. Г. Шухова коэффициент теплопередачи кг определяется по достаточно сложным уравнениям, учитывающим теплообмен между отдельными частями резервуара (днищем, крышей, стенками) и жидкостью в резервуаре. Полученные выше формулы позволяют быстро рассчитать вероятное падение температуры при переменном расходе теплоносителя (закачка) и последующем охлаждении резервуара.

Если необходимо учитывать фазовые переходы, происходящие внутри резервуара во время испытаний или эксплуатации резервуара в зимнее время, то в уравнение теплового баланса (3.51) необходимо добавить дополнительный член, учитывающий замерзание воды, и оттаивание льда при последующей закачке более теплой воды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >