恩威爾特CC-100復合型絕熱涂層在吐哈油田原油儲罐上的應用研究

劉風章（吐哈油田安全環保處）

恩威爾特CC-100復合型絕熱涂層在吐哈油田原油儲罐上的應用研究

劉風章（吐哈油田安全環保處）

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，導致油氣損耗量較大的問題，使用恩威爾特CC-100復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，增強實驗數據的可靠性。實測結果表明：使用該涂層后，罐內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復合型絕熱涂層 表面平均溫度 有限元分析

隨著經濟的高速發展，我國對石油能源的依存度也越來越高，連續出臺的節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。該地區炎熱期較長，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復合型絕熱涂層在夏季對吐哈油田事業部油庫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復合型絕熱涂層25℃時的導熱系數為0.083 W/(m·K)，抗紫外輻射系數為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，此時間段內的環境條件見表1。分別對兩個儲油罐的罐體、罐頂的表面溫度進行對比測量，測量用儀器儀見表2。

表1 實驗環境條件

表2 測量用儀器儀表

2 測量結果及討論

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，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、左側面、右側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復合型絕熱涂層對罐體外壁面的絕熱效果越明顯。

對測量數據進行測算的結果如表3所示。使用恩威爾特CC-100復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，在獲得實測數據的基礎上，我們用軟件對儲油罐外表面及罐內油氣溫度場進行模擬，增強實驗數據的可靠性[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，故進行相應簡化，采用2D軸對稱模型。幾何模型如圖3所示。

（2）條件設置：實測得環境溫度為38.0℃；設模型初始溫度為30.0℃；涂層導熱系數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置

（3）求解域傳熱方程：

邊界計算方程：

（4）計算結果：采用瞬態模擬，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 經濟效益分析

從實測和仿真分析所得數據可以發現：使用CC-100復合型絕熱涂層后，在很大程度上降低了油罐外表面及罐內油氣呼吸溫度，從而減少油氣呼吸損耗，給企業帶來顯著的經濟效益。

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為根據仿真分析結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復合型絕熱涂層后，平均每天可節省資金約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復合型絕熱涂層后將給企業帶來顯著的經濟效益。

5 結論

在夏季將處于同一環境、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，結果表明：

（1）CC-100復合型絕熱涂層可有效降低儲油罐外表面和罐內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%，罐內呼吸氣體平均溫度可降低27.4%。

（2）根據已有測試結果，CC-100復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外表面溫度，從而降低油氣呼吸損耗，達到減少能耗、降低經濟損失的目的。

[1]艾利兵.儲油罐頂部保溫的節能理論研究[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.數值傳熱學[M].2版.西安:西安交通大學出版社,2001.

[4]張天孫.傳熱學[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：中國建材工業出版社,2005.

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

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.002

2011-02-23)

劉風章，吐哈油田公司質量安全環保處處長，長期從事油田安全環保和節能節水管理工作，E-mail:Liufzh@petrochina.com.cn。