氣凝膠高效保溫材料在站場地上管道應用的經濟性分析

穆承廣 王殿學 許彥博 郭旭 劉少柱 程磊 周建偉 張軒 杜鵑 翟星月

（1.中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油管道公司；3.中國石油北京油氣調控中心）

氣凝膠高效保溫材料在站場地上管道應用的經濟性分析

穆承廣1王殿學2許彥博3郭旭1劉少柱2程磊1周建偉1張軒1杜鵑1翟星月1

（1.中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油管道公司；3.中國石油北京油氣調控中心）

研究了氣凝膠高效節能保溫材料在輸油站場應用的經濟性。通過計算和對比氣凝膠材料與傳統保溫材料的保溫性能、初始投資費用、以及運行維護成本，發現在管道上使用氣凝膠材料較傳統保溫材料具有較大綜合優勢。使用氣凝膠材料所節約的能源和運行維護費用（主要指更換傳統保溫層的材料和人工費用)，可在2～4年內超過初期多花費的投資。在隨后的服役過程中，可持續因能源節約和減少保溫層更換次數為管道運營商節省開支。此外，當管道內外溫差較大、年加熱時長較長、加熱燃料或電能漲價時，使用氣凝膠材料的效果更好?？傊?，在管道上使用氣凝膠材料將以節能降本的方式為管道運營商增加效益。

氣凝膠；保溫材料；節能增效；站場管道；經濟性分析

引言

為保證輸送的油品或天然氣達到一定溫度，防止凝管或冰堵事故的發生，站場上通常使用加熱爐、電(水、蒸汽)伴熱或水套爐對輸送介質進行加熱，尤其在我國的冬季和氣候寒冷的高緯度地區，站場加熱設施更需全天候運行，消耗大量的電能或加熱燃料，才能保障安全生產。管道運營公司的燃料費、電費開銷也因此居高不下，整個公司的經濟效益備受影響。事實上，通過一定的節能保溫措施，或對現用保溫設施升級，可大幅提高加熱效果，從而使單個站場乃至整個管道運營公司在站場加熱設備運行方面的費用大幅縮減。

目前，應用于包覆站場內地上管道的保溫材料主要有巖棉、玻璃泡沫、珍珠巖、硅酸鋁棉等[1-5]。這些傳統的保溫材料最為普遍的缺點就是導熱系數高、保溫效果差，在很多對保溫有較高要求的場合，甚至不能滿足保溫設計要求。其次，由于較差的保溫性能，導致需要較大的包裹厚度，這也不利于節能保溫施工作業的開展，提高了施工作業的成本。此外，在實際應用中，傳統保溫材料還存在以下問題：

1）保溫性能衰減很快，基本上每3～4年就要更換一次，導致維護成本高、重復投資高；

2）保溫性能的衰減導致設備和管道的熱損失逐年升高，運營成本逐年升高；

3）材料結構不穩定，在使用一段時間后會由于重力作用出現上下不均勻的現象，下部厚度有時為上部的2倍，導致保溫性能不均勻、增加熱損失；

4）很多材料的疏水性較低，導致保溫層潮濕，嚴重時甚至引起保溫層下腐蝕，導致壁厚變薄，讓管道或者設備存在安全隱患。

因此，站場的節能保溫工作，需要一種保溫性能優異、結構穩定、疏水性高的材料，來滿足當代油氣儲運行業對保溫技術的需求，而基于氣凝膠的節能保溫絕熱材料可以滿足上述生產需求。

氣凝膠（Aerogel）通常是指以納米量級超微顆粒相互聚集構成納米多孔網絡結構，并在網絡孔隙中充滿氣態分散介質的輕質納米固態材料。氣凝膠的孔隙率高達80%～99.8%，密度可低至0.003 g/cm3。由于其納米級孔徑可顯著降低氣體分子熱傳導和熱對流，纖細的納米級骨架顆?？娠@著降低固態熱傳導，因此，它具有極低的熱導率（可達到0.013～0.019 W/(m·K)，適用溫度為-200～200℃，常溫熱導率低于空氣），是目前世界上導熱系數最低的固體保溫材料[6-10]。

除此之外，氣凝膠保溫材料還具有以下突出性能：

◇由于材料的固相通常為SiO2等，所以氣凝膠耐火性能好，是A級不燃材料；

◇具有超疏水特性，防水性能卓越，不會受潮、吸水腐蝕管道，無保溫層下腐蝕；

◇氣凝膠彈性氈狀材料的抗壓、施工厚度小，加工安裝非常簡單快捷且不怕野蠻施工，節省運輸費用；

◇防老化性能好，在正常環境下使用15年后產品性能幾乎沒有改變；

◇尺寸穩定性好，長時間服役過程中不會因重力沉降或變得不均勻；

◇具有優異的隔音吸聲性能，可改善站場噪音污染。

以我國西北地區某輸油熱泵站為例，分析并計算在站場地上管道使用氣凝膠材料的經濟性，計算出整個管道運營商使用氣凝膠材料的經濟性。

1 西北某輸油熱泵站使用氣凝膠材料的經濟性分析

以我國西北地區某輸油熱泵站為例，在站場管道保溫層厚度相同的情況下，根據傳統保溫材料與氣凝膠保溫材料在20～70℃下的導熱系數（表1），以及站場環境溫度、風速、管徑管長、加熱時長等影響因素，按照GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》和熱流密度計算公式[11]，可計算出使用氣凝膠材料之后該站場所能節省的熱能和費用。

表1 氣凝膠材料與傳統保溫材料的導熱系數

1.1 每年加熱時長為6個月時的經濟性

經調查研究，該熱站的站內地上管道里同時流動著溫度約為20℃的冷油，和溫度約為50℃的熱油（還有溫度大于50℃的熱油管道，按油溫50℃保守計算），冷熱油管道的長度約各占站場內管道總長度的50%。該站地上保溫管道的長度為100 m（管道平均外徑D0=0.60 m），由此，可假定冷油管道與熱油管道的長度各為50 m。此外，由于熱站地處西北地區，氣候較為寒冷，每年對油品加熱的時間有6～8個月。若保守地取加熱時長為6個月，其中最冷2個月的平均氣溫為-10℃，次冷2個月的平均氣溫為0℃，稍暖2個月的平均氣溫為10℃，則保溫層內外的溫差在這6個月當中就有60、50、40、30、20、10℃6個檔次。例如，油溫為50℃的熱油管道在最冷的2個月（平均氣溫-10℃）保溫層內外的溫差為60℃。由此，根據公式（1）計算出保溫層的單位長度熱散失功率（即熱流密度）q傳統材料和q氣凝膠也有6個檔次（表2）。在計算中，取保溫層厚度為2 cm，則保溫層外徑D1=0.64 m，氣凝膠材料與傳統保溫材料的導熱系數分別取λ氣凝膠=0.018 W/(m·K)，λ傳統材料=0.04 W/(m·K)，T0-Ta為保溫層內外溫差（T0為管道外表面溫度，Ta為環境溫度），表面換熱系數αs按公式（2）和（3）聯立后通過電子表格軟件計算近似解。風速取我國西北和東北地區冬季平均風速W=1.5 m/s，黑度ε取已氧化的鍍鋅薄鋼板黑度0.3。由于αs隨T0、Ta和Ts（保溫層外表面溫度）變化，所以αs在不同的溫度條件下也有6個數值且受材料導熱系數λ的影響（表2）。經計算，使用氣凝膠材料后該站全年可節約熱能費用8264元。

式中：q——熱流密度，W/m；

T0——管道外表面溫度，℃；

Ta——環境溫度，℃；

λ——材料導熱系數，W/(m·K)；

D0——管道外徑，m；

D1——保溫層外徑，m；

αs——表面換熱系數，W/(m2·K)。

式中：αs——表面換熱系數，W/(m2·K)；

αr——表面輻射換熱系數，W/(m2·K)；

αc——表面對流換熱系數，W/(m2·K)；

ε——保溫層外表面黑度；

Ts——保溫層外表面溫度，℃；

Ta——環境溫度，℃；

W——環境風速，m/s；

D1——保溫層外徑，m。

式中：Ts——保溫層外表面溫度，℃；

q——熱流密度，W/m；

D1——保溫層外徑，m；

αs——表面換熱系數，W/(m2·K)；

Ta——環境溫度，℃；

T0——管道外表面溫度，℃；

λ——材料導熱系數，W/(m·K)；

D0——管道外徑，m。

表2 使用氣凝膠材料可節約的能源及費用（加熱運行6個月）

氣凝膠保溫材料的劣勢在于價格較高，初始投資較大。但由于氣凝膠材料優異的耐老化性、尺寸穩定性、疏水性等，其在服役一定的時間后，就會體現出綜合優勢。氣凝膠材料與傳統保溫材料在投資、維護成本上的對比見表3。如果按照表2的計算結果，僅靠使用氣凝膠材料后節約的熱能費用，4.6年后可收回初期多出的投資。加之氣凝膠材料的使用年限遠遠大于傳統保溫材料，可在10～15年的時間內免去站場因保溫層失效而需重新更換的材料費、人工費，這也節約了相當可觀的一筆開支。取氣凝膠材料和傳統保溫材料的使用年限分別為12.5年和3.5年，則12.5年間，氣凝膠材料和傳統保溫材料的部署次數分別是1次和3.57次，可節約2.57次部署傳統保溫材料的投資，共29 472元，平均每年節約2358元。若將這部分節省的投資算作節省的運行維護費用，則使用氣凝膠材料后每年所能節約的熱能和運行維護費用之和為10 622元，3.6年就可收回初期多出的投資。

式中：燃料價格為2500元/t；鍋爐工況系數為1.3；Ex為火用值系數，1.0；燃油發熱量為42 000 kJ/kg；鍋爐熱效率為0.8。

1.2 每年加熱時長為7個月時的經濟性

在西北一些更為寒冷的地區，1年需要對管道加熱運行的時間甚至達到7個月，期間有1個月的平均溫度可能更低，達到-15℃。若按此條件計算使用氣凝膠材料所能節約的熱能，則1年可節約的費用為10 219元（表4）。在投資3.7年后，僅靠節約的熱能費用即可收回初期多出的投資。若加上因減少更換保溫層次數所節約的2358元運行維護費用，則使用氣凝膠材料后每年所能節約的熱能和運行維護費用之和為12 577元，3年可收回初期多出的投資。

表3 使用氣凝膠材料與傳統保溫材料的投資維護成本

1.3 熱油管道使用氣凝膠材料加熱時長為6個月的經濟性

從以上計算可以看出：氣凝膠材料在保溫層內外溫差較大時的性價比更高；每年加熱時間越長，所能節約的熱能越多。因此，若要節約初期投資，可先在油溫≥50℃的管道上敷設，相應的可節約能源費用和初期投資見表5、表6。由計算結果可知，若僅將熱油管道的保溫層換用氣凝膠材料，以1年加熱180天計，則因使用氣凝膠材料而增加的初始投資，在3.2年后即可因節能降耗而收回，以后每年節約能源費5907元。此外，因減少更換保溫層次數可每年節約1179元的運行維護費用；所以，通過節約熱能和更換保溫層次數，2.7年可收回初期多出的投資。

表4 在更為寒冷的地區使用氣凝膠材料可節約的能源及費用（加熱運行7個月）

表5 熱油管道使用氣凝膠材料可節約的能源及費用（加熱運行6個月）

表6 熱油管道使用氣凝膠材料的投資成本

2 某管道運營商使用氣凝膠材料的經濟性分析

上述計算雖然僅針對一個特定站場，但具有一定代表性。一個運營5×104m站場上保溫管道的公司，假設其每年加熱油品的時間以及環境溫度條件與上述單一站場的計算條件保持不變（加熱時間為6個月，其中最冷2個月的平均氣溫為-10℃，次冷2個月的平均氣溫為0℃，稍暖2個月的平均氣溫為10℃，平均管外徑0.6 m），則可計算出用氣凝膠保溫材料代替傳統保溫材料后，該管道運營公司每年可節約的能源消耗費用約413萬元（表7）。如表8所示，初始投資約2479萬元（相對于使用傳統保溫材料多投資1903萬元），仍是4.6年可因熱能節約收回多出的初始投資。此外，若取兩種材料的使用年限不變（仍分別為12.5年和3.5年），則每年又可節約118萬元的保溫層更換費用。加上這一部分節約的費用，則每年可節約能源費和更換保溫層費用（材料費、人工費）共計531萬元，仍是3.6年即可收回初期多出的投資。

表7 管道運營商使用氣凝膠材料可節約的能源及費用（加熱運行6個月）

如果僅對站場熱油管道使用，則每年節約能耗費用約295萬元，節約更換保溫層費用59萬元。初始投資1239萬元，3.2年因節能降耗收回多出的初始投資，2.7年因節能降耗和減少更換保溫層收回多出的初始投資。

表8 管道運營商使用氣凝膠材料的投資維護成本

上述計算中的熱價是按照目前國際原油價格50美元/桶計算，若原油價格上漲，則使用氣凝膠材料能夠節約的能耗成本將更大，收回初始投資的時間將更短。此外，使用天然氣加熱的站場或公司，其熱價為0.532元(工業天然氣價格取3元/m3，發熱量取33 MJ/m3)，使用氣凝膠材料的節能降本效果更加顯著?？傊瑲夂蛟胶洹⒐茌斀橘|溫度越高、加熱時間越長、熱價（能源費用）越高，則使用氣凝膠材料保溫的經濟性越好。

3 結論

通過研究在站場地上管道使用氣凝膠保溫材料的經濟性，研究結果表明由于氣凝膠材料具有高效的保溫性能，站場地上管道在使用氣凝膠材料2～4年內，即可收回初期增多的投資（相較于使用傳統保溫材料多投資的部分），此后每年將為管道運營商節約可觀的能源和運行維護費用。此外，若僅對熱油管道使用氣凝膠材料，則收回初期增多的投資的時間越短，節能降本效應更為顯著。當管道內外溫差較大、所需年加熱時間較長、加熱燃料或電能漲價時，使用氣凝膠材料的效果也更好。相應地，管道內外溫差、加熱時長和熱價是影響氣凝膠保溫經濟性的主要因素。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.002

2017-01-03

（編輯 王艷）

穆承廣，工程師，2013年畢業于西北工業大學（材料學專業），從事管道節能與環保監測、油品天然氣物理性質分析測試的研究工作，E-mail：4057570@qq.com，地址：河北省廊坊市金光道51號，065000。