恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在吐哈油田原油儲罐上的應(yīng)用研究

劉風(fēng)章（吐哈油田安全環(huán)保處）

恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在吐哈油田原油儲罐上的應(yīng)用研究

劉風(fēng)章（吐哈油田安全環(huán)保處）

文中針對吐哈油田原油儲罐表面及罐頂在夏季平均溫度過高，導(dǎo)致油氣損耗量較大的問題，使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層進行了原油儲罐絕熱的實驗研究，并通過有限元分析軟件進行仿真模擬，增強實驗數(shù)據(jù)的可靠性。實測結(jié)果表明：使用該涂層后，罐內(nèi)呼吸氣體溫度可降低27.4%，罐體外表面平均溫度可降低21.1%，罐頂外表面平均溫度可降低37.1%。

儲油罐 恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層 表面平均溫度 有限元分析

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國對石油能源的依存度也越來越高，連續(xù)出臺的節(jié)能方面的具體措施都力在降低能耗在GDP中的比重[1]。而儲油罐作為目前最為普遍的一種儲備和運輸設(shè)備，對其實行有效的保溫、絕熱措施，從而達到降低油氣損耗的目的，將具有非常重要的意義。

吐哈油田位于新疆吐魯番、哈密盆地境內(nèi)。該地區(qū)炎熱期較長，最高氣溫可達47.7℃。太陽輻射強，年中最大值出現(xiàn)在7月，為680～800 MJ/m2，年平均總輻射量5938 MJ/m2。夏季儲油罐表面溫度可超過60℃，高溫與強輻射氣候條件將大幅度增加儲油罐油氣呼吸損耗，帶來較大的經(jīng)濟損失與安全隱患。如何在高溫與強輻射氣候條件下有效地控制儲油罐溫度以降低油氣呼吸損耗，將成為工作研究的重點。

針對上述問題，本文使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在夏季對吐哈油田事業(yè)部油庫1號、5號儲油罐的表面溫度和大罐頂部表面溫度進行對比測試，以評價絕熱涂層在儲油罐上的絕熱效果[2]。

1 測量條件及方法

實驗中1號儲油罐容積5 000 m3，表面無涂層；5號儲油罐容積10 000 m3，外表面噴涂厚度為0.6 mm的CC-100復(fù)合型絕熱涂層。兩罐中油品相同，原油密度為793 kg/m3。恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層25℃時的導(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%。

實驗時間為2008年8月23日17：30至17：55，此時間段內(nèi)的環(huán)境條件見表1。分別對兩個儲油罐的罐體、罐頂?shù)谋砻鏈囟冗M行對比測量，測量用儀器儀見表2。

表1 實驗環(huán)境條件

表2 測量用儀器儀表

2 測量結(jié)果及討論

使用FLUKE52型表面溫度計對罐體、罐頂表面溫度進行測量，得到罐體、罐頂表面平均溫度。使用Testo450型風(fēng)速測試儀對大罐呼吸氣體的溫度進行測量。圖1、圖2表明，涂有CC-100復(fù)合型絕熱涂層的5號儲油罐平均表面溫度均低于無涂層的1號儲油罐。在罐體的正陽面，由于太陽輻射強度最大，故正陽面的溫度差值最大，可達到25.1℃；罐頂各外表面平均溫度差值均較大，約20℃，這是因為在17：30～17：55時間段內(nèi)，罐頂各面所受到的太陽輻射強度均較大。

圖1中溫度差值波動較大，罐體正陽面、陰面、左側(cè)面、右側(cè)面的溫度差值分別為25.1、2.8、4.9、5.6℃。即儲油罐體表面平均溫度的峰值出現(xiàn)在實驗條件下太陽輻射強度最大時，說明太陽輻射強度越大，CC-100復(fù)合型絕熱涂層對罐體外壁面的絕熱效果越明顯。

對測量數(shù)據(jù)進行測算的結(jié)果如表3所示。使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層后大罐呼吸氣體溫度可降低27.4%，從而油氣損耗率也可降低，說明該材料在夏季可有效降低儲油罐表面溫度，降低油氣損耗。

圖1 罐體外表面平均溫度

圖2 罐頂外表面平均溫度

表3 平均測算結(jié)果

3 仿真分析

受測試條件限制，測試的兩個儲油罐容積不同，會對測試評價結(jié)果帶來一定的影響，故通過有限元分析軟件建立容積相同的模型進行分析。為此，在獲得實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們用軟件對儲油罐外表面及罐內(nèi)油氣溫度場進行模擬，增強實驗數(shù)據(jù)的可靠性[3-4]。

（1）幾何模型建立[5-6]：以5 000 m3油罐為研究對象，由于其幾何尺寸較大，故進行相應(yīng)簡化，采用2D軸對稱模型。幾何模型如圖3所示。

（2）條件設(shè)置：實測得環(huán)境溫度為38.0℃；設(shè)模型初始溫度為30.0℃；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。

圖3 幾何模型及邊界條件設(shè)置

（3）求解域傳熱方程：

邊界計算方程：

（4）計算結(jié)果：采用瞬態(tài)模擬，且未考慮原油的損耗。

噴涂有CC-100的原油罐12 h后，溫度場及等溫線的分布情況：罐體正陽面外表面平均溫度為42℃；罐頂正陽面平均溫度為37.2℃。云圖（圖4）中分布的曲線為等溫線。

圖4 噴涂CC-100原油罐（5號罐）溫度分布情況

未噴涂的原油罐12 h后溫度場及等溫線分布情況：罐體正陽面外表面平均溫度為68.8℃；罐頂正陽面平均溫度為56.5℃。云圖（圖5）中分布的曲線為等溫線。

對1號、5號罐罐頂外表面、罐體外表面以及幾何模型中斜線處的溫度分布進行了比較。由圖6、圖7可知：罐頂溫度差約19℃；罐體溫度差值約為26℃。由圖8可知罐體內(nèi)貼近壁面的原油溫度有明顯上升，從油罐半徑7.5 m處開始直到壁面約占油罐半徑的1/4，且使用CC-100后這一部分原油平均溫度下降約7℃。

圖5 未噴涂CC-100原油罐（1號罐）溫度分布情況

圖6 罐頂溫度分布情況

4 經(jīng)濟效益分析

從實測和仿真分析所得數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：使用CC-100復(fù)合型絕熱涂層后，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。

對于5 000 m3油罐，若原油體積膨脹率為0.875%/℃，罐體溫度上升7℃，保守估計油氣損耗約為：2 300×{(1+0.875%)7-1}=144.6 m3（2 300 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的體積）。

圖7 罐體溫度分布情況

圖8 幾何模型中斜線處溫度分布情況

若油氣密度為2.68 kg/m3，將其換算為對應(yīng)的原油體積為0.489 m3。原油價格按照4.6元/升計，則5 000 m3儲罐采用CC-100復(fù)合型絕熱涂層后，平均每天可節(jié)省資金約0.489×1 000×4.6=2 249元。一年按照120 d的高溫天氣計算，則僅針對夏季而言一年可節(jié)約資金約為2.69×105元。

由以分析可以看出，使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層后將給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

在夏季將處于同一環(huán)境、油品相同、液位相近而容積不同的兩個儲油罐進行對比測試，結(jié)果表明：

（1）CC-100復(fù)合型絕熱涂層可有效降低儲油罐外表面和罐內(nèi)呼吸氣體的平均溫度，罐體全天外表面平均溫度可降低21.1%，罐頂外表面平均溫度可降低37.1%，罐內(nèi)呼吸氣體平均溫度可降低27.4%。

（2）根據(jù)已有測試結(jié)果，CC-100復(fù)合型絕熱涂層的絕熱效果隨太陽輻射強度的增加而增大。

（3）采用CC-100后可以在很大程度上降低油罐內(nèi)外表面溫度，從而降低油氣呼吸損耗，達到減少能耗、降低經(jīng)濟損失的目的。

[1]艾利兵.儲油罐頂部保溫的節(jié)能理論研究[J].青海石油,2008,26(3):75-79.

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

[3]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[4]張?zhí)鞂O.傳熱學(xué)[M].2版.北京：中國電力出版社,2006.

[5]薛守義.有限單元法[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2005.

[6]陸昕,張智亮.ANSYS在大型儲油罐上的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用技術(shù),2009,36(10):42-44.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.002

2011-02-23)

劉風(fēng)章，吐哈油田公司質(zhì)量安全環(huán)保處處長，長期從事油田安全環(huán)保和節(jié)能節(jié)水管理工作，E-mail:Liufzh@petrochina.com.cn。