浮頂式原油儲(chǔ)罐罐頂涂料保溫效果分析*

中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司科技研發(fā)中心

對(duì)于我國(guó)目前已廣泛使用的單盤式浮頂儲(chǔ)罐，罐頂散熱是引起溫降的重要因素。如果罐頂保溫采用常見(jiàn)的保溫材料（如巖棉），由于浮盤水平放置，雨水容易進(jìn)入保溫材料內(nèi)部，導(dǎo)致保溫層失效[1]。保溫涂料作為一種防水性、抗氧化性能良好的保溫材料，在我國(guó)大型含蠟原油單盤式浮頂儲(chǔ)罐保溫中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

在罐頂使用保溫涂料對(duì)含蠟原油儲(chǔ)罐溫降規(guī)律影響的研究方面，祝玉松等[2]提出運(yùn)用納米隔熱保溫涂料節(jié)能技術(shù)，并通過(guò)5 000 m3儲(chǔ)罐測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)罐頂有保溫涂料時(shí)，散熱損失從120 kW下降到63 kW，減少至原來(lái)的42.3%。白洪波[3]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐實(shí)際油溫以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)，采用理論計(jì)算方法分析了某罐區(qū)儲(chǔ)罐涂刷保溫涂料后的經(jīng)濟(jì)效益。周松[4]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)比了大港油田官一聯(lián)儲(chǔ)罐有無(wú)保溫涂料時(shí)罐頂?shù)挠蜏兀⒔Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加熱爐工況對(duì)比了儲(chǔ)罐在有無(wú)保溫涂料前后的經(jīng)濟(jì)效益。這些研究成果對(duì)保溫涂料在單盤式浮頂儲(chǔ)罐的實(shí)際工程應(yīng)用中做出了一定貢獻(xiàn)，但對(duì)于大規(guī)模工程應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，急需開(kāi)展保溫涂料對(duì)大型單盤式浮頂儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)影響規(guī)律的進(jìn)一步研究工作。

由于實(shí)驗(yàn)研究方法條件嚴(yán)苛，無(wú)法合理控制影響油溫變化的因素，且成本較高，而數(shù)值模擬方法可克服實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)保溫涂料對(duì)含蠟原油單盤式浮頂儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)影響規(guī)律的充分探究。因此，本文基于湍流模型，充分考慮原油流變特性、含蠟原油在溫降過(guò)程中析蠟潛熱、外界環(huán)境變化以及太陽(yáng)輻射等眾多因素對(duì)儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的影響，建立了大型浮頂油罐傳熱數(shù)理模型。基于該模型開(kāi)展大型單盤式儲(chǔ)罐罐頂涂刷保溫涂料對(duì)儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)影響規(guī)律的研究，明確不同季節(jié)、不同保溫涂料厚度條件下罐內(nèi)油品溫度變化差異，并進(jìn)一步結(jié)合儲(chǔ)罐保溫涂料實(shí)際投資成本和維溫成本，對(duì)保溫涂料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

1 數(shù)理模型

1.1 浮頂儲(chǔ)罐物理模型

針對(duì)保溫涂料在單盤式浮頂油罐罐頂?shù)膽?yīng)用情況，構(gòu)建了單盤式浮頂油罐二維物理模型（圖1），圖1 中x為高度，r為半徑。從圖1 可以看出，該模型包括兩部分：油罐部分和罐底土壤部分。其中，油罐部分又由三部分組成：罐體不同區(qū)域鋼板層，罐壁保溫層以及罐內(nèi)原油。

圖1 浮頂油罐物理模型Fig.1 Physical model of floating roof tank

油罐主要傳熱過(guò)程包括罐內(nèi)油品耦合傳熱、罐底與土壤層之間的導(dǎo)熱、罐壁和罐頂與罐外大氣之間的強(qiáng)制對(duì)流以及太陽(yáng)輻射。其中，罐內(nèi)油品耦合傳熱又包括罐體不同區(qū)域鋼板結(jié)構(gòu)、保溫層與罐內(nèi)原油之間的固液耦合傳熱。

1.2 浮頂儲(chǔ)罐數(shù)學(xué)模型與求解方法

浮頂儲(chǔ)罐數(shù)學(xué)模型基于如下假設(shè)：①原油為不可壓縮流體；②原油的定壓熱容、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)恒定；③忽略黏性耗散；④含蠟原油自然對(duì)流過(guò)程采用波辛涅斯克假設(shè)[5]描述。油罐內(nèi)含蠟原油溫降過(guò)程的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流模型[6]。

大型浮頂油罐內(nèi)油品的流動(dòng)與傳熱過(guò)程涉及流固耦合。一般處理方法是利用自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式獲得固液之間的自然對(duì)流換熱系數(shù)，再分區(qū)域求解。然而，自然對(duì)流關(guān)聯(lián)式一般需采用實(shí)驗(yàn)獲取，適用范圍有限，且會(huì)引入計(jì)算誤差。因此，本文采用另外一種更加精確的求解思路，將鋼板、保溫層等固體考慮為黏度無(wú)窮大的流體，將整個(gè)儲(chǔ)罐區(qū)域看作一個(gè)整體進(jìn)行求解。這種處理方法可提高計(jì)算速度和精度。

1.3 模型正確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所構(gòu)建模型的可靠性，以A 油庫(kù)某儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，將實(shí)測(cè)平均油溫與模擬平均油溫進(jìn)行對(duì)比（圖2）。在外界環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射的影響下模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果均出現(xiàn)了震蕩，但兩者變化趨勢(shì)吻合較好。目標(biāo)儲(chǔ)罐罐內(nèi)油品在302 h 內(nèi)實(shí)際溫降為2.69 ℃，模擬溫降為2.82 ℃，兩者的相對(duì)誤差僅為4.83%。

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison between simulation result and experimental data

產(chǎn)生誤差的原因主要包括以下幾個(gè)方面：在模擬過(guò)程中對(duì)模型做了簡(jiǎn)化處理，并且未考慮量油孔、集水槽、浮盤環(huán)形空間等區(qū)域?qū)亟档挠绊懀粺o(wú)法準(zhǔn)確獲取風(fēng)速、氣溫等環(huán)境參數(shù)。盡管這些因素對(duì)儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的影響無(wú)法定量考慮，但本文所建立的大型儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過(guò)5%，說(shuō)明本文所建立大型儲(chǔ)罐傳熱過(guò)程數(shù)理模型是可靠的。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的變化規(guī)律

針對(duì)含蠟原油單盤式儲(chǔ)罐不同季節(jié)的一般性溫降規(guī)律開(kāi)展研究，為后文罐頂保溫涂料的應(yīng)用效果對(duì)比分析提供參考。其中，目標(biāo)儲(chǔ)罐為2×104m3的單盤儲(chǔ)罐，罐內(nèi)油品為高凝原油。

不同季節(jié)目標(biāo)含蠟原油單盤式浮頂儲(chǔ)罐溫降規(guī)律如圖3 所示。其中，橫軸表示模擬時(shí)間，縱軸表示罐內(nèi)油品平均油溫。從圖3 可以看出，在罐頂未涂刷保溫涂料之前，由于油品溫度（42 ℃）大于環(huán)境溫度，因此油溫隨儲(chǔ)存時(shí)間不斷降低。冬季環(huán)境溫度較低，在巨大的溫差作用下，溫降曲線幾乎為直線，油品儲(chǔ)存192 h 之后降至觸變溫度（34 ℃）；春、秋季環(huán)境溫度上升，但在南北風(fēng)的作用下環(huán)境溫度變化較大（最冷的時(shí)候?yàn)?～7 ℃，最熱的時(shí)候?yàn)?6～32 ℃），導(dǎo)致溫降曲線出現(xiàn)波動(dòng)，油品儲(chǔ)存217 h 之后降至觸變溫度；夏季環(huán)境溫度較高，溫降速率明顯減緩，在模擬350 h 后油溫僅降低2.5 ℃，并且在太陽(yáng)輻射的作用下，白天油溫出現(xiàn)了回升，使得油溫震蕩降低。

圖3 不同季節(jié)目標(biāo)含蠟原油單盤式浮頂儲(chǔ)罐溫降規(guī)律Fig.3 Temperature drop trends of waxy crude oil in single place floation roof tank in different seasons

對(duì)比不同季節(jié)含蠟原油溫降規(guī)律可以看出，單盤式儲(chǔ)罐在春、秋、冬季溫降速率非常快，42 ℃的含蠟原油放置約200 h 之后基本降至觸變溫度，原油流動(dòng)性大大減小，將造成凝罐事故。考慮到外輸要求，目前目標(biāo)儲(chǔ)罐所存油品的日常維溫溫度為38 ℃，來(lái)油溫度下降至維溫溫度不到100 h，日常維溫大大提高了運(yùn)行成本。對(duì)于單盤式浮頂儲(chǔ)罐，罐頂區(qū)域與外界僅隔一層鋼板，且鋼板導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)46 W/(m·℃)，罐頂成為了罐內(nèi)含蠟原油與外界換熱的主要位置。因此，需采取一定的保溫措施，減少罐頂散熱，提高含蠟原油單盤式儲(chǔ)罐運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 不同厚度的罐頂保溫涂料保溫效果

涂料選取A 公司的特種涂料（表1），該涂料為目前現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃使用的涂料類型，具有防水和隔熱效果好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，保溫涂料厚度選取1.5～2.9 mm（每隔0.2 mm 選取一個(gè)點(diǎn)）。圖4 為不同季節(jié)、不同保溫涂料厚度條件下目標(biāo)儲(chǔ)罐溫降規(guī)律。從圖4 可以看出，在罐頂涂刷保溫涂料后，罐內(nèi)油品溫降速率明顯減緩，產(chǎn)生這種變化的主要原因在于保溫涂料增大了罐頂區(qū)域油品與外界環(huán)境之間的熱阻，導(dǎo)致環(huán)境中的冷量更難進(jìn)入罐內(nèi)。圖5 為無(wú)保溫涂料和保溫涂料厚度為1.5 mm 條件下冬季模擬50 h 后的速度矢量場(chǎng)對(duì)比。對(duì)于單盤浮頂儲(chǔ)罐而言，其上層儲(chǔ)存的油品與外界環(huán)境僅有一層鋼板之隔，罐頂區(qū)域的油品在外界環(huán)境的作用下快速降溫，溫度降低導(dǎo)致其密度增大，冷油下沉，罐內(nèi)油品形成對(duì)流。而罐頂保溫涂料有較好的隔熱保溫作用，減少了外界冷量進(jìn)入罐頂油品區(qū)域，上層油品相對(duì)于罐頂無(wú)保溫涂料儲(chǔ)罐的上層油品密度變化較小，罐內(nèi)油品形成的對(duì)流強(qiáng)度較弱。因此，當(dāng)罐頂無(wú)保溫涂料時(shí)，罐內(nèi)油品的速度矢量明顯大于罐頂涂刷1.5 mm 保溫涂料的儲(chǔ)罐內(nèi)油品的速度矢量，外界環(huán)境傳遞進(jìn)來(lái)的冷量快速傳遞給下層油品，從而導(dǎo)致總體溫降速率較快。同時(shí)，內(nèi)部油品流動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流換熱導(dǎo)致油品溫度場(chǎng)分布較為均勻。

表1 特種保溫涂料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters for special thermal insulation coating

圖4 不同季節(jié)、不同保溫涂料厚度條件下目標(biāo)儲(chǔ)罐溫降規(guī)律Fig.4 Temperature drop trends of waxy crude oil in target tank under different seasons and thicknesses of thermal insulation coating

圖5 無(wú)保溫涂料和保溫涂料厚度為1.5 mm條件下的儲(chǔ)罐速度矢量場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Velocity vector field comparison for waxy crude oil in the tanks without insulation coating and with insulation coating thickness of 1.5 mm

此外，隨著罐頂涂刷保溫涂料厚度的增加，溫降速率進(jìn)一步減緩。當(dāng)模擬時(shí)間達(dá)到350 h 時(shí)，涂料最小厚度與最大厚度在不同季節(jié)的油溫差異分別為：1.8 ℃（春、秋季）、0.5 ℃（夏季）、2.2 ℃（冬季）。原因顯而易見(jiàn)，保溫涂料產(chǎn)生的熱阻與涂料厚度成正比，厚度越大，保溫效果越好。

將圖4 中的溫降曲線進(jìn)一步整理可得不同季節(jié)、不同罐頂涂料厚度下的溫降速率（圖6）。從圖6 可以看出，在不同季節(jié)，隨著罐頂保溫涂料厚度增大，溫降速率略有降低，且明顯低于罐頂無(wú)保溫涂料的情況。春秋季、夏季和冬季不同罐頂保溫涂料厚度下的平均溫降速率減小至無(wú)保溫涂料情況下的35.3%，43.8%和42.9%。

圖6 不同季節(jié)、不同涂料厚度下的溫降速率Fig.6 Temperature drop rates of waxy crude oil in tank under different seasons and coating thicknesses

綜上所述，對(duì)于大型單盤式浮頂儲(chǔ)罐而言，罐頂涂刷保溫涂料可大幅度降低罐內(nèi)油品的溫降速率，起到很好地保溫作用，且隨著保溫涂料厚度增加保溫效果進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3 保溫涂料適宜厚度的確定

在單盤儲(chǔ)罐罐頂進(jìn)行保溫涂料涂刷之后，油品溫降速率明顯降低，并且隨著涂料厚度增大，溫降速率進(jìn)一步降低。但隨著涂料厚度的增大，涂料成本則進(jìn)一步上升。因此需通過(guò)開(kāi)展保溫涂料經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，確定較優(yōu)的涂料厚度。

2.3.1 保溫涂料成本

保溫涂料選用A 公司特種涂料，其價(jià)格按某平臺(tái)每年招標(biāo)價(jià)格計(jì)算，現(xiàn)保溫涂料價(jià)格為119.77 元/kg。該涂料涂刷厚度1 mm，每平方米理論用量大約為1.1 kg。考慮涂料在施工過(guò)程中受環(huán)境和人為因素影響難免會(huì)出現(xiàn)損耗，所以實(shí)際用量為：平面約1.2 kg/m2，曲面約1.3 kg/m2，立面約1.4 kg/m2。涂料涂刷位置為罐頂，因此涂刷厚度為1 mm 時(shí)單位面積涂料成本為143.7 元/m2。

刷1 遍涂料施工費(fèi)為2 元/m2，含施工管理費(fèi)、噴涂設(shè)備備件損耗、人工費(fèi)等。每遍噴涂厚度根據(jù)環(huán)境溫度的不同而發(fā)生變化，環(huán)境溫度越高，濕度越小，每遍噴涂厚度越大。25 ℃情況下，通常設(shè)計(jì)每遍噴涂厚度約150 μm。

本文研究對(duì)象為2×104m3的單盤式浮頂儲(chǔ)罐，罐頂涂刷面積為1 287.6 m2，涂料涂刷厚度為1.5～2.9 mm（每隔0.2 mm 選取一個(gè)點(diǎn)），不同厚度下投資成本如表2 所示。值得注意的是，由于每次涂刷厚度無(wú)法準(zhǔn)確控制，涂刷次數(shù)向上取整，但總厚度不變，即人工成本隨涂刷次數(shù)有微小差異，涂料成本只與目標(biāo)厚度相關(guān)。

表2 罐頂涂刷不同厚度保溫涂料下的投資成本Tab.2 Investment costs for different thicknesses of thermal insulation coating on tank top

2.3.2 儲(chǔ)罐維溫成本

目前，目標(biāo)儲(chǔ)罐所存油品的日常維溫溫度為38 ℃，僅在冬季采取維溫措施，采用天然氣加熱水蒸氣，通過(guò)蒸汽盤管對(duì)油品進(jìn)行加熱維溫。由于不同年份、冬季不同月份的氣溫不同，因此采用當(dāng)?shù)囟嗄甓酒骄畹蜏囟群妥罡邷囟茸鳛槟M所需的最低和最高環(huán)境溫度（其他時(shí)間點(diǎn)溫度值采用插值方式獲得），以此環(huán)境溫度計(jì)算獲得的溫降結(jié)果可代表整個(gè)冬季的平均溫降水平。液位高度選取最高安全液位高度14.0 m，模擬罐頂不同保溫涂料厚度條件下罐內(nèi)油品溫降過(guò)程，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 冬季不同罐頂保溫涂料厚度條件下罐內(nèi)油品溫降規(guī)律Fig.7 Temperature drop trends of waxy crude oil in tank under different thicknesses of insulation coating on tank top in winter

目標(biāo)儲(chǔ)罐的維溫溫度為38 ℃，取從38 ℃開(kāi)始溫降后的前24 h 內(nèi)溫降大小作為該溫度下的平均溫降速率。當(dāng)罐頂無(wú)保溫涂料時(shí)，前24 h 內(nèi)的平均溫降速率為1.236 ℃/d。以此為例，計(jì)算目標(biāo)儲(chǔ)罐維溫所需成本。忽略蒸汽沿程熱損失（蒸汽管線表面敷設(shè)較厚的保溫層），根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算可得罐內(nèi)油品質(zhì)量m=1.6×107kg，儲(chǔ)罐平均每天散失的熱量Q=4×107kJ，目標(biāo)儲(chǔ)罐在冬季每天維溫所需天然氣量為1 299.2 m3（標(biāo)況）。1 m3天然氣按當(dāng)?shù)貧鈨r(jià)2.5 元計(jì)算，根據(jù)能量守恒可得目標(biāo)儲(chǔ)罐在罐頂無(wú)保溫涂料的條件下，冬季單日所需維溫成本為3 248 元，即整個(gè)冬季（90 d）所需維溫成本為29.2 萬(wàn)元。

同理可得目標(biāo)儲(chǔ)罐罐頂涂刷不同厚度保溫涂料后冬季維溫所需成本（表3）。

從表3 可以看出，目標(biāo)儲(chǔ)罐冬季維溫成本隨罐頂保溫涂料厚度增加而減小，罐頂涂刷保溫涂料后每年可減少維溫成本約16～20 萬(wàn)元。本文所研究的保溫涂料使用壽命在10 年左右，因此可得不同罐頂涂料厚度條件下10 年可節(jié)約的維溫成本，并與涂料和施工成本進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8 所示。隨著罐頂保溫涂料厚度增加，節(jié)約的維溫成本與涂料投資成本隨之增加，兩者相減即為目標(biāo)儲(chǔ)罐10 年內(nèi)總體經(jīng)濟(jì)效益。不同罐頂涂料厚度條件下10 年總體經(jīng)濟(jì)效益差異不大，當(dāng)保溫涂料為2.3 mm，10年總體經(jīng)濟(jì)效益最高，約為138.3 萬(wàn)元。因此，針對(duì)本文所研究的涂料類型，推薦罐頂保溫涂料涂刷厚度為2.3 mm。

表3 儲(chǔ)罐維溫成本Tab.3 Costs of temperature maintenance for the waxy crude oil in tank

圖8 保溫涂料經(jīng)濟(jì)效益分析Fig.8 Economic benefit analysis of thermal insulation coating

3 結(jié)論

新型保溫涂料由于其防水效果好、保溫性能好等優(yōu)勢(shì)，在單盤儲(chǔ)罐罐頂涂刷可大幅度減低儲(chǔ)罐與外界的換熱。對(duì)于本文所采用的2×104m3的單盤浮頂儲(chǔ)罐，罐頂涂刷1.5 mm 保溫涂料后溫降速率可減少50%以上，但隨著涂刷厚度的增加儲(chǔ)罐溫降速率變化較小，建議涂刷2.3 mm 厚度保溫涂料，10 年內(nèi)總體經(jīng)濟(jì)效益最高，可節(jié)約維溫成本約138.3 萬(wàn)元。