浮頂式原油儲罐罐頂涂料保溫效果分析*

中國石化管道儲運(yùn)有限公司科技研發(fā)中心

對于我國目前已廣泛使用的單盤式浮頂儲罐，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，在我國大型含蠟原油單盤式浮頂儲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含蠟原油儲罐溫降規(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5 000 m3儲罐測試對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)罐頂有保溫涂料時，散熱損失從120 kW下降到63 kW，減少至原來的42.3%。白洪波[3]結(jié)合現(xiàn)場儲罐實(shí)際油溫以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)，采用理論計算方法分析了某罐區(qū)儲罐涂刷保溫涂料后的經(jīng)濟(jì)效益。周松[4]采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法對比了大港油田官一聯(lián)儲罐有無保溫涂料時罐頂?shù)挠蜏?，并結(jié)合現(xiàn)場加熱爐工況對比了儲罐在有無保溫涂料前后的經(jīng)濟(jì)效益。這些研究成果對保溫涂料在單盤式浮頂儲罐的實(shí)際工程應(yīng)用中做出了一定貢獻(xiàn)，但對于大規(guī)模工程應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，急需開展保溫涂料對大型單盤式浮頂儲罐溫度場影響規(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)保溫涂料對含蠟原油單盤式浮頂儲罐溫度場影響規(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、含蠟原油在溫降過程中析蠟潛熱、外界環(huán)境變化以及太陽輻射等眾多因素對儲罐溫度場的影響，建立了大型浮頂油罐傳熱數(shù)理模型?；谠撃Ｐ烷_展大型單盤式儲罐罐頂涂刷保溫涂料對儲罐溫度場影響規(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)合儲罐保溫涂料實(shí)際投資成本和維溫成本，對保溫涂料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估。

1 數(shù)理模型

1.1 浮頂儲罐物理模型

針對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)制對流以及太陽輻射。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 浮頂儲罐數(shù)學(xué)模型與求解方法

浮頂儲罐數(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含蠟原油自然對流過程采用波辛涅斯克假設(shè)[5]描述。油罐內(nèi)含蠟原油溫降過程的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和湍流模型[6]。

大型浮頂油罐內(nèi)油品的流動與傳熱過程涉及流固耦合。一般處理方法是利用自然對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式獲得固液之間的自然對流換熱系數(shù)，再分區(qū)域求解。然而，自然對流關(guān)聯(lián)式一般需采用實(shí)驗(yàn)獲取，適用范圍有限，且會引入計算誤差。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窮大的流體，將整個儲罐區(qū)域看作一個整體進(jìn)行求解。這種處理方法可提高計算速度和精度。

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 油庫某儲罐為研究對象，將實(shí)測平均油溫與模擬平均油溫進(jìn)行對比（圖2）。在外界環(huán)境溫度和太陽輻射的影響下模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果均出現(xiàn)了震蕩，但兩者變化趨勢吻合較好。目標(biāo)儲罐罐內(nèi)油品在302 h 內(nèi)實(shí)際溫降為2.69 ℃，模擬溫降為2.82 ℃，兩者的相對誤差僅為4.83%。

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比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方面：在模擬過程中對模型做了簡化處理，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?；無法準(zhǔn)確獲取風(fēng)速、氣溫等環(huán)境參數(shù)。盡管這些因素對儲罐溫度場的影響無法定量考慮，但本文所建立的大型儲罐溫度場模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過5%，說明本文所建立大型儲罐傳熱過程數(shù)理模型是可靠的。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 儲罐溫度場的變化規(guī)律

針對含蠟原油單盤式儲罐不同季節(jié)的一般性溫降規(guī)律開展研究，為后文罐頂保溫涂料的應(yīng)用效果對比分析提供參考。其中，目標(biāo)儲罐為2×104m3的單盤儲罐，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罐溫降規(guī)律如圖3 所示。其中，橫軸表示模擬時間，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，因此油溫隨儲存時間不斷降低。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（最冷的時候?yàn)?～7 ℃，最熱的時候?yàn)?6～32 ℃），導(dǎo)致溫降曲線出現(xiàn)波動，油品儲存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

對比不同季節(jié)含蠟原油溫降規(guī)律可以看出，單盤式儲罐在春、秋、冬季溫降速率非?？?，42 ℃的含蠟原油放置約200 h 之后基本降至觸變溫度，原油流動性大大減小，將造成凝罐事故?？紤]到外輸要求，目前目標(biāo)儲罐所存油品的日常維溫溫度為38 ℃，來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。對于單盤式浮頂儲罐，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)場計劃使用的涂料類型，具有防水和隔熱效果好、使用壽命長等特點(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 后的速度矢量場對比。對于單盤浮頂儲罐而言，其上層儲存的油品與外界環(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，上層油品相對于罐頂無保溫涂料儲罐的上層油品密度變化較小，罐內(nèi)油品形成的對流強(qiáng)度較弱。因此，當(dāng)罐頂無保溫涂料時，罐內(nèi)油品的速度矢量明顯大于罐頂涂刷1.5 mm 保溫涂料的儲罐內(nèi)油品的速度矢量，外界環(huán)境傳遞進(jìn)來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，內(nèi)部油品流動產(chǎn)生的對流換熱導(dǎo)致油品溫度場分布較為均勻。

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 無保溫涂料和保溫涂料厚度為1.5 mm條件下的儲罐速度矢量場對比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)模擬時間達(dá)到350 h 時，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，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，對于大型單盤式浮頂儲罐而言，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。因此需通過開展保溫涂料經(jīng)濟(jì)性評價，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，其價格按某平臺每年招標(biāo)價格計算，現(xiàn)保溫涂料價格為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?？紤]涂料在施工過程中受環(huán)境和人為因素影響難免會出現(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)計每遍噴涂厚度約150 μm。

本文研究對象為2×104m3的單盤式浮頂儲罐，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 儲罐維溫成本

目前，目標(biāo)儲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，通過蒸汽盤管對油品進(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（其他時間點(diǎn)溫度值采用插值方式獲得），以此環(huán)境溫度計算獲得的溫降結(jié)果可代表整個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)儲罐的維溫溫度為38 ℃，取從38 ℃開始溫降后的前24 h 內(nèi)溫降大小作為該溫度下的平均溫降速率。當(dāng)罐頂無保溫涂料時，前24 h 內(nèi)的平均溫降速率為1.236 ℃/d。以此為例，計算目標(biāo)儲罐維溫所需成本。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)計算可得罐內(nèi)油品質(zhì)量m=1.6×107kg，儲罐平均每天散失的熱量Q=4×107kJ，目標(biāo)儲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r2.5 元計算，根據(jù)能量守恒可得目標(biāo)儲罐在罐頂無保溫涂料的條件下，冬季單日所需維溫成本為3 248 元，即整個冬季（90 d）所需維溫成本為29.2 萬元。

同理可得目標(biāo)儲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 萬元。因此，針對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，在單盤儲罐罐頂涂刷可大幅度減低儲罐與外界的換熱。對于本文所采用的2×104m3的單盤浮頂儲罐，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 萬元。