恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在吐哈油田原油儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)吐哈油田原油儲(chǔ)罐表面及罐頂在夏季平均溫度過(guò)高，導(dǎo)致油氣損耗量較大的問(wèn)題，使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層進(jìn)行了原油儲(chǔ)罐絕熱的實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行仿真模擬，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)測(cè)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(chǔ)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(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)對(duì)石油能源的依存度也越來(lái)越高，連續(xù)出臺(tái)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(chǔ)油罐作為目前最為普遍的一種儲(chǔ)備和運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)其實(shí)行有效的保溫、絕熱措施，從而達(dá)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(zhǎng)，最高氣溫可達(dá)47.7℃。太陽(yáng)輻射強(qiáng)，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(chǔ)油罐表面溫度可超過(guò)60℃，高溫與強(qiáng)輻射氣候條件將大幅度增加儲(chǔ)油罐油氣呼吸損耗，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失與安全隱患。如何在高溫與強(qiáng)輻射氣候條件下有效地控制儲(chǔ)油罐溫度以降低油氣呼吸損耗，將成為工作研究的重點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文使用恩威爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂層在夏季對(duì)吐哈油田事業(yè)部油庫(kù)1號(hào)、5號(hào)儲(chǔ)油罐的表面溫度和大罐頂部表面溫度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以評(píng)價(jià)絕熱涂層在儲(chǔ)油罐上的絕熱效果[2]。

1 測(cè)量條件及方法

實(shí)驗(yàn)中1號(hào)儲(chǔ)油罐容積5 000 m3，表面無(wú)涂層；5號(hào)儲(chǔ)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(shí)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(yáng)光反射峰值為97%。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2008年8月23日17：30至17：55，此時(shí)間段內(nèi)的環(huán)境條件見(jiàn)表1。分別對(duì)兩個(gè)儲(chǔ)油罐的罐體、罐頂?shù)谋砻鏈囟冗M(jìn)行對(duì)比測(cè)量，測(cè)量用儀器儀見(jiàn)表2。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件

表2 測(cè)量用儀器儀表

2 測(cè)量結(jié)果及討論

使用FLUKE52型表面溫度計(jì)對(duì)罐體、罐頂表面溫度進(jìn)行測(cè)量，得到罐體、罐頂表面平均溫度。使用Testo450型風(fēng)速測(cè)試儀對(duì)大罐呼吸氣體的溫度進(jìn)行測(cè)量。圖1、圖2表明，涂有CC-100復(fù)合型絕熱涂層的5號(hào)儲(chǔ)油罐平均表面溫度均低于無(wú)涂層的1號(hào)儲(chǔ)油罐。在罐體的正陽(yáng)面，由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大，故正陽(yáng)面的溫度差值最大，可達(dá)到25.1℃；罐頂各外表面平均溫度差值均較大，約20℃，這是因?yàn)樵?7：30～17：55時(shí)間段內(nèi)，罐頂各面所受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均較大。

圖1中溫度差值波動(dòng)較大，罐體正陽(yáng)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(chǔ)油罐體表面平均溫度的峰值出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，CC-100復(fù)合型絕熱涂層對(duì)罐體外壁面的絕熱效果越明顯。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)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(shuō)明該材料在夏季可有效降低儲(chǔ)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(cè)算結(jié)果

3 仿真分析

受測(cè)試條件限制，測(cè)試的兩個(gè)儲(chǔ)油罐容積不同，會(huì)對(duì)測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)一定的影響，故通過(guò)有限元分析軟件建立容積相同的模型進(jìn)行分析。為此，在獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們用軟件對(duì)儲(chǔ)油罐外表面及罐內(nèi)油氣溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)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(duì)象，由于其幾何尺寸較大，故進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，采用2D軸對(duì)稱模型。幾何模型如圖3所示。

（2）條件設(shè)置：實(shí)測(cè)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(yáng)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(jì)算方程：

（4）計(jì)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(chǎng)及等溫線的分布情況：罐體正陽(yáng)面外表面平均溫度為42℃；罐頂正陽(yáng)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(hào)罐）溫度分布情況

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

對(duì)1號(hào)、5號(hào)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(jìn)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(kāi)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(hào)罐）溫度分布情況

圖6 罐頂溫度分布情況

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

從實(shí)測(cè)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(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)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(jì)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(jì)算得出的進(jìn)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(duì)應(yīng)的原油體積為0.489 m3。原油價(jià)格按照4.6元/升計(jì)，則5 000 m3儲(chǔ)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(jì)算，則僅針對(duì)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(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)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(gè)儲(chǔ)油罐進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：

（1）CC-100復(fù)合型絕熱涂層可有效降低儲(chǔ)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(cè)試結(jié)果，CC-100復(fù)合型絕熱涂層的絕熱效果隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(dá)到減少能耗、降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。

[1]艾利兵.儲(chǔ)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(chǔ)油罐的涂層防護(hù)[J],2008,23(6):59-61.

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

[6]陸昕,張智亮.ANSYS在大型儲(chǔ)油罐上的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)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(zhǎng)，長(zhǎng)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。