复合型绝热保温材料在华北油田的应用

朱健 金绍辉 李思 任亮

（1.华北油田公司生产运行处；2.中国石油天然气管道局设计院；3.塔里木油田公司天然气事业部）

复合型绝热保温材料在华北油田的应用

朱健1金绍辉2李思3任亮3

（1.华北油田公司生产运行处；2.中国石油天然气管道局设计院；3.塔里木油田公司天然气事业部）

华北油田第一采油厂500 m3储油罐及加热炉喷涂恩威尔特CC-100复合型绝热涂层前后的对比试验表明，使用CC-100涂层后油罐外表面平均温度降低了11.1℃，降幅26%；加热炉外表面平均温度降低了32.2℃，降幅45.1%。对水泵房的管道进行了纳米气凝胶保温毛毡包裹前后对比，试验结果表明使用纳米气凝胶保温毛毡后水泵房管道外表面平均温度降低了39.6℃，降幅49.3%。同时，应用有限元分析软件，计算了使用CC-100涂层后加热储油罐表面温度变化与使用纳米气凝胶包裹后水泵房管道热流密度变化，分析了其带来的可观经济效益。

复合型绝热保温涂层 恩威尔特CC-100 纳米气凝胶毛毡 有限元分析 节能

石油是现代经济社会不可缺少的重要能源和原材料，石油的稳定供应关系到经济社会的持续、健康发展和国家安全，而作为石油基地的采油厂则发挥着重大的作用[1]。

华北油田第一采油厂在使用新型保温绝热材料恩威尔特CC-100和纳米气凝胶后，在减少安全隐患和节能减排方面获得了显著效果，产生了较大的经济效益。

1 测量结果与讨论

试验分别以华北油田第一采油厂文118采油站500 m3的储油罐、加热炉和水泵房管道为研究对象，研究了恩威尔特CC-100复合型绝热涂层在储油罐表面、加热炉外表面以及纳米气凝胶在水泵管道表面的绝热、保温效果。其中，恩威尔特CC-100复合型绝热涂层25℃的导热系数为0.083 W/(m·K)，抗紫外辐射系数为99.6%，辐射率为88%以上，太阳光反射峰值为97%；纳米气凝胶在200℃以下的导热系数为0.016 W/(m·K)，包裹层外表面辐射率为80%；表面温度采用FLUKE52型表面温度计进行测量，其精度为0.1℃。

1.1 喷涂CC-100涂层前后油罐表面温度对比

储油罐表面喷涂CC-100绝热涂层前后罐体的表面温度变化情况见表1。

表1 储油罐外表面温度对比

由表1可知，喷涂CC-100复合型绝热涂层后可以显著地降低储油罐表面温度，在实测结果中，油罐外表面温度最高可降低19.3℃，表面温度降低平均值约为11.1℃。而引起油气损耗的一个重要因素就是油温的变化，由于恩威尔特CC-100复合型绝热涂层具有极小的导热系数［25℃的导热系数为0.083 W/(m·K)］，且其抗紫外辐射系数为99.6%，辐射率为88%以上，太阳光反射峰值为97%等性能，可有效地将太阳辐射的能量反射并发射出去，起到了较好的绝热效果，使得储油罐内油温上升相对较小，有效减少了油气的损耗，节约了能源[2-3]。

1.2 喷涂CC-100涂层前后加热炉表面温度对比

加热炉外表面喷涂CC-100绝热涂层前后外表面的温度变化情况见表2。

由表2可知，喷涂CC-100复合型绝热涂层后可以显著降低加热炉外表面温度，在实测结果中，加热炉外表面温度最高可降低38.2℃，表面温度降低平均值为32.2℃。减少了热能损失，起到了很好的节能保温作用，减少了安全隐患[4]。

表2 加热炉外表面温度对比

1.3 采用纳米气凝胶毛毡包裹前后水泵房管道表面温度对比

水泵房管道采用纳米气凝胶毛毡包裹前后外表面的温度变化情况见表3。

表3 水泵房管道外表面温度对比

由表3可知，采用纳米气凝胶毛毡进行包裹后可以显著降低保温层外表面温度，在实测结果中，保温层外表面温度最高可降低44.2℃，表面温度降低平均值约为39.6℃。由于纳米气凝胶毛毡具有极小的导热系数［200℃以下的导热系数为0.016 W/(m·K)］，有效降低了管道向周围环境的热量传导，管道的线流热密度得到显著的降低，一方面降低了管道外表面温度，改善了现场工作环境；另外减少了管道的散热损失，节约了能源，为企业带来较大的经济效益。

2 仿真分析

应用有限元分析软件[5]，通过建立模型、设置与实际情况相同的边界条件、划分网格，模拟计算使用CC-100涂层前后储油罐表面温度变化与使用纳米气凝胶毛毡包裹前后水泵房管道热流密度变化，从而对CC-100涂层和纳米气凝胶等复合型保温材料有更深入的认识。

2.1 使用CC-100涂层前后储油罐有限元分析对比

1）建立几何模型：以500 m3油罐为研究对象，由于其具有对称性，故进行相应简化，采用2D轴对称模型。几何模型见图1。

2）条件设置：设模型初始温度为25.0℃，环境温度为28℃；涂层导热系数：λ=0.11 W/(m·K)；太阳光直接反射比：R=0.86；涂层辐射率：ε=0.88。

3）求解域传热方程[6]：

式中，ρ、Cp、k、T、t分别为材料密度、比热、传热系数、温度和时间。

边界方程：

式中， qo、h、Tint、σ、Tamb分别为热流密度、对流换热系数、外界温度、波尔兹曼常数和空间环境温度。

4）计算结果：采用瞬态模拟，计算12 h后温度分布情况，且未考虑原油的损耗。

喷涂CC-100涂层前后原油罐温度场及等温线分布情况：喷涂CC-100涂层的储油罐最高温度为34.2℃，未喷涂CC-100表面最高温度为50.6℃。模拟计算及实测数据表明，使用CC-100涂层后可显著降低储油罐表面及罐体内温度，进一步降低油罐里原油温度，减少油气损耗。

2.2 使用纳米气凝胶前后水泵房管道有限元分析对比

1）建立几何模型：以6 in（1 in=25.4 mm）管道为研究对象，取其长度为1 m，由于其几何结构及传热特性具有轴对称性，故对模型进行简化，建立2D轴对称模型，见图2。

2）条件设置：设模型初始温度为25.0℃，管道里蒸汽温度为300℃；纳米气凝胶导热系数：λ=0.016 W/(m·K)；保温层外表面辐射率：ε=0.8；管道外表面自然对流换热系数：h=3.5 W/(m2·K)。

3）求解域传热方程和边界方程同上。

4）计算结果：采用稳态模拟，计算结果见图2。包裹纳米气凝胶毛毡后管道温度场及等温线分布情况是：包裹纳米气凝胶后管道外表面温度约为39℃，包裹纳米气凝胶前管道外表面温度约为71℃。模拟计算及实测数据表明，包裹纳米气凝胶毛毡后可显著降低管道外表面温度，从而有效减少热量在传输中的散热损失。

3 经济效益分析

3.1 500 m3储油罐经济效益分析

对500 m3的储油罐而言，从实测和仿真分析所得数据可以发现：CC-100复合型绝热涂层在很大程度上降低了油罐外表面及罐内油气呼吸温度，从而减少油气呼吸损耗，给企业带来显著的经济效益的同时减少了安全隐患。

若原油体积膨胀率为0.875%/℃，由计算结果可知罐体温度上升约8℃，保守估计油气损耗每天约为：375×［(1+0.875%)8-1］=27.07 m3（375 m3为根据仿真分析结果计算得出的进行呼吸作用的原油体积）。

若油气密度为2.68 kg/m3，将其换算为对应的原油体积为0.092 m3。原油价格按照4.60元/L计，则500 m3储罐采用CC-100复合型绝热涂层后，平均每天节省资金约422元。1年按照200天计算，则一年可节约资金约8.44×104元。

3.2 水泵房管道经济效益分析

在管道外表面包裹纳米气凝胶保温毛毡后可显著降低保温层外表面温度，有效减少管道的散热。考虑管道外表面自然对流换热系数h=3.5 W/(m2·K)，且保温层外表面辐射率ε=0.8，环境温度为35℃。

在未包裹纳米气凝胶保温毛毡时，单位长度管道因辐射换热和对流换热，散热量为220 W/m；在使用纳米气凝胶保温毛毡包裹后，管道单位长度上因辐射和对流换热的散热量为98 W/m。包裹纳米气凝胶毛毡后每千米管道每天可节约能源1.05×107kJ，若工业用电为0.60元/（kWh），则每千米管道每天可节约资金1756元，每年可节约63.216×104元。

4 结论

通过一系列对比试验及有限元模拟计算分析，评价了恩威尔特CC-100复合型绝热涂层及纳米气凝胶保温毛毡在华北油田第一采油厂的实际使用情况。试验分析发现：在使用CC-100涂层后储油罐外表面平均温度降低11.1℃；加热炉外表面平均温度降低32.2℃；水泵房的管道外表面平均温度降低了39.6℃。通过使用这些绝热保温材料，不仅降低了华北油田高温设备在使用过程中存在的安全隐患，而且通过极好的保温和绝热，有效地节约了能源，为企业带来了显著的经济效益。

[1]白世贞.石油储运与安全管理[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]严大凡,张劲军.石油储运工程[M].北京:中国石化出版社,2003.

[3]朱松涛,于杰.储油罐的涂层防护[J].2008,23(6):59-61.

[4]华銮恩,袁镇福.电站锅炉原理[M].北京:北京电力出版社,1997.

[5]孔祥廉.有限元单元法在传热学中的应用[M].3版.北京:科学出版社,1986.

[6]曹玉璋.传热学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.011

朱健，1983年毕业于东北石油大学，高级工程师，从事质量管理、水/电/通信运行和节能管理工作，E-mail:scc_zhujian@petrochina.com.cn，地址：河北任丘华北油田公司生产运行处，062552。