朱健 金紹輝 李思 任亮

（1.華北油田公司生產(chǎn)運行處；2.中國石油天然氣管道局設(shè)計院；3.塔里木油田公司天然氣事業(yè)部）

復(fù)合型絕熱保溫材料在華北油田的應(yīng)用

朱健1金紹輝2李思3任亮3

（1.華北油田公司生產(chǎn)運行處；2.中國石油天然氣管道局設(shè)計院；3.塔里木油田公司天然氣事業(yè)部）

華北油田第一采油廠500 m3儲油罐及加熱爐噴涂恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層前后的對比試驗表明，使用CC-100涂層后油罐外表面平均溫度降低了11.1℃，降幅26%；加熱爐外表面平均溫度降低了32.2℃，降幅45.1%。對水泵房的管道進行了納米氣凝膠保溫毛氈包裹前后對比，試驗結(jié)果表明使用納米氣凝膠保溫毛氈后水泵房管道外表面平均溫度降低了39.6℃，降幅49.3%。同時，應(yīng)用有限元分析軟件，計算了使用CC-100涂層后加熱儲油罐表面溫度變化與使用納米氣凝膠包裹后水泵房管道熱流密度變化，分析了其帶來的可觀經(jīng)濟效益。

復(fù)合型絕熱保溫涂層 恩威爾特CC-100 納米氣凝膠毛氈 有限元分析 節(jié)能

石油是現(xiàn)代經(jīng)濟社會不可缺少的重要能源和原材料，石油的穩(wěn)定供應(yīng)關(guān)系到經(jīng)濟社會的持續(xù)、健康發(fā)展和國家安全，而作為石油基地的采油廠則發(fā)揮著重大的作用[1]。

華北油田第一采油廠在使用新型保溫絕熱材料恩威爾特CC-100和納米氣凝膠后，在減少安全隱患和節(jié)能減排方面獲得了顯著效果，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。

1 測量結(jié)果與討論

試驗分別以華北油田第一采油廠文118采油站500 m3的儲油罐、加熱爐和水泵房管道為研究對象，研究了恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在儲油罐表面、加熱爐外表面以及納米氣凝膠在水泵管道表面的絕熱、保溫效果。其中，恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層25℃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/(m·K)，抗紫外輻射系數(shù)為99.6%，輻射率為88%以上，太陽光反射峰值為97%；納米氣凝膠在200℃以下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.016 W/(m·K)，包裹層外表面輻射率為80%；表面溫度采用FLUKE52型表面溫度計進行測量，其精度為0.1℃。

1.1 噴涂CC-100涂層前后油罐表面溫度對比

儲油罐表面噴涂CC-100絕熱涂層前后罐體的表面溫度變化情況見表1。

表1 儲油罐外表面溫度對比

由表1可知，噴涂CC-100復(fù)合型絕熱涂層后可以顯著地降低儲油罐表面溫度，在實測結(jié)果中，油罐外表面溫度最高可降低19.3℃，表面溫度降低平均值約為11.1℃。而引起油氣損耗的一個重要因素就是油溫的變化，由于恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層具有極小的導(dǎo)熱系數(shù)［25℃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/(m·K)］，且其抗紫外輻射系數(shù)為99.6%，輻射率為88%以上，太陽光反射峰值為97%等性能，可有效地將太陽輻射的能量反射并發(fā)射出去，起到了較好的絕熱效果，使得儲油罐內(nèi)油溫上升相對較小，有效減少了油氣的損耗，節(jié)約了能源[2-3]。

1.2 噴涂CC-100涂層前后加熱爐表面溫度對比

加熱爐外表面噴涂CC-100絕熱涂層前后外表面的溫度變化情況見表2。

由表2可知，噴涂CC-100復(fù)合型絕熱涂層后可以顯著降低加熱爐外表面溫度，在實測結(jié)果中，加熱爐外表面溫度最高可降低38.2℃，表面溫度降低平均值為32.2℃。減少了熱能損失，起到了很好的節(jié)能保溫作用，減少了安全隱患[4]。

表2 加熱爐外表面溫度對比

1.3 采用納米氣凝膠毛氈包裹前后水泵房管道表面溫度對比

水泵房管道采用納米氣凝膠毛氈包裹前后外表面的溫度變化情況見表3。

表3 水泵房管道外表面溫度對比

由表3可知，采用納米氣凝膠毛氈進行包裹后可以顯著降低保溫層外表面溫度，在實測結(jié)果中，保溫層外表面溫度最高可降低44.2℃，表面溫度降低平均值約為39.6℃。由于納米氣凝膠毛氈具有極小的導(dǎo)熱系數(shù)［200℃以下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.016 W/(m·K)］，有效降低了管道向周圍環(huán)境的熱量傳導(dǎo)，管道的線流熱密度得到顯著的降低，一方面降低了管道外表面溫度，改善了現(xiàn)場工作環(huán)境；另外減少了管道的散熱損失，節(jié)約了能源，為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。

2 仿真分析

應(yīng)用有限元分析軟件[5]，通過建立模型、設(shè)置與實際情況相同的邊界條件、劃分網(wǎng)格，模擬計算使用CC-100涂層前后儲油罐表面溫度變化與使用納米氣凝膠毛氈包裹前后水泵房管道熱流密度變化，從而對CC-100涂層和納米氣凝膠等復(fù)合型保溫材料有更深入的認識。

2.1 使用CC-100涂層前后儲油罐有限元分析對比

1）建立幾何模型：以500 m3油罐為研究對象，由于其具有對稱性，故進行相應(yīng)簡化，采用2D軸對稱模型。幾何模型見圖1。

2）條件設(shè)置：設(shè)模型初始溫度為25.0℃，環(huán)境溫度為28℃；涂層導(dǎo)熱系數(shù)：λ=0.11 W/(m·K)；太陽光直接反射比：R=0.86；涂層輻射率：ε=0.88。

3）求解域傳熱方程[6]：

式中，ρ、Cp、k、T、t分別為材料密度、比熱、傳熱系數(shù)、溫度和時間。

邊界方程：

式中， qo、h、Tint、σ、Tamb分別為熱流密度、對流換熱系數(shù)、外界溫度、波爾茲曼常數(shù)和空間環(huán)境溫度。

4）計算結(jié)果：采用瞬態(tài)模擬，計算12 h后溫度分布情況，且未考慮原油的損耗。

噴涂CC-100涂層前后原油罐溫度場及等溫線分布情況：噴涂CC-100涂層的儲油罐最高溫度為34.2℃，未噴涂CC-100表面最高溫度為50.6℃。模擬計算及實測數(shù)據(jù)表明，使用CC-100涂層后可顯著降低儲油罐表面及罐體內(nèi)溫度，進一步降低油罐里原油溫度，減少油氣損耗。

2.2 使用納米氣凝膠前后水泵房管道有限元分析對比

1）建立幾何模型：以6 in（1 in=25.4 mm）管道為研究對象，取其長度為1 m，由于其幾何結(jié)構(gòu)及傳熱特性具有軸對稱性，故對模型進行簡化，建立2D軸對稱模型，見圖2。

2）條件設(shè)置：設(shè)模型初始溫度為25.0℃，管道里蒸汽溫度為300℃；納米氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)：λ=0.016 W/(m·K)；保溫層外表面輻射率：ε=0.8；管道外表面自然對流換熱系數(shù)：h=3.5 W/(m2·K)。

3）求解域傳熱方程和邊界方程同上。

4）計算結(jié)果：采用穩(wěn)態(tài)模擬，計算結(jié)果見圖2。包裹納米氣凝膠毛氈后管道溫度場及等溫線分布情況是：包裹納米氣凝膠后管道外表面溫度約為39℃，包裹納米氣凝膠前管道外表面溫度約為71℃。模擬計算及實測數(shù)據(jù)表明，包裹納米氣凝膠毛氈后可顯著降低管道外表面溫度，從而有效減少熱量在傳輸中的散熱損失。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 500 m3儲油罐經(jīng)濟效益分析

對500 m3的儲油罐而言，從實測和仿真分析所得數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：CC-100復(fù)合型絕熱涂層在很大程度上降低了油罐外表面及罐內(nèi)油氣呼吸溫度，從而減少油氣呼吸損耗，給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益的同時減少了安全隱患。

若原油體積膨脹率為0.875%/℃，由計算結(jié)果可知罐體溫度上升約8℃，保守估計油氣損耗每天約為：375×［(1+0.875%)8-1］=27.07 m3（375 m3為根據(jù)仿真分析結(jié)果計算得出的進行呼吸作用的原油體積）。

若油氣密度為2.68 kg/m3，將其換算為對應(yīng)的原油體積為0.092 m3。原油價格按照4.60元/L計，則500 m3儲罐采用CC-100復(fù)合型絕熱涂層后，平均每天節(jié)省資金約422元。1年按照200天計算，則一年可節(jié)約資金約8.44×104元。

3.2 水泵房管道經(jīng)濟效益分析

在管道外表面包裹納米氣凝膠保溫毛氈后可顯著降低保溫層外表面溫度，有效減少管道的散熱?？紤]管道外表面自然對流換熱系數(shù)h=3.5 W/(m2·K)，且保溫層外表面輻射率ε=0.8，環(huán)境溫度為35℃。

在未包裹納米氣凝膠保溫毛氈時，單位長度管道因輻射換熱和對流換熱，散熱量為220 W/m；在使用納米氣凝膠保溫毛氈包裹后，管道單位長度上因輻射和對流換熱的散熱量為98 W/m。包裹納米氣凝膠毛氈后每千米管道每天可節(jié)約能源1.05×107kJ，若工業(yè)用電為0.60元/（kWh），則每千米管道每天可節(jié)約資金1756元，每年可節(jié)約63.216×104元。

4 結(jié)論

通過一系列對比試驗及有限元模擬計算分析，評價了恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層及納米氣凝膠保溫毛氈在華北油田第一采油廠的實際使用情況。試驗分析發(fā)現(xiàn)：在使用CC-100涂層后儲油罐外表面平均溫度降低11.1℃；加熱爐外表面平均溫度降低32.2℃；水泵房的管道外表面平均溫度降低了39.6℃。通過使用這些絕熱保溫材料，不僅降低了華北油田高溫設(shè)備在使用過程中存在的安全隱患，而且通過極好的保溫和絕熱，有效地節(jié)約了能源，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

[1]白世貞.石油儲運與安全管理[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[2]嚴大凡,張勁軍.石油儲運工程[M].北京:中國石化出版社,2003.

[3]朱松濤,于杰.儲油罐的涂層防護[J].2008,23(6):59-61.

[4]華鑾恩,袁鎮(zhèn)福.電站鍋爐原理[M].北京:北京電力出版社,1997.

[5]孔祥廉.有限元單元法在傳熱學中的應(yīng)用[M].3版.北京:科學出版社,1986.

[6]曹玉璋.傳熱學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.011

朱健，1983年畢業(yè)于東北石油大學，高級工程師，從事質(zhì)量管理、水/電/通信運行和節(jié)能管理工作，E-mail:scc_zhujian@petrochina.com.cn，地址：河北任丘華北油田公司生產(chǎn)運行處，062552。