氣凝膠高效保溫材料在輸油站場的應用

氣凝膠高效保溫材料在輸油站場的應用

氣凝膠材料的節(jié)能技術為了保證供應的石油和天然氣達到一定溫度，并防止冷敏液和冰塞事故的發(fā)生，通常使用帶有加熱爐、電（水、蒸汽）和水的加熱裝置。特別是在中國冬季和寒冷的高溫氣候地區(qū)，現(xiàn)場的加熱裝置必須安裝在完整的過程中，以消耗大量的能源和加熱燃料，確保安全生產(chǎn)。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(jīng)濟效益?zhèn)涫苡绊?。事實?通過一定的節(jié)能保溫措施,或對現(xiàn)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)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(wěn)定,在使用一段時間后會由于重力作用出現(xiàn)上下不均勻的現(xiàn)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(jié)能保溫工作,需要一種保溫性能優(yōu)異、結構穩(wěn)定、疏水性高的材料,來滿足當代油氣儲運行業(yè)對保溫技術的需求,而基于氣凝膠的節(jié)能保溫絕熱材料可以滿足上述生產(chǎn)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(wǎng)絡結構,并在網(wǎng)絡孔隙中充滿氣態(tài)分散介質的輕質納米固態(tài)材料。氣凝膠的孔隙率高達80%~99.8%,密度可低至0.003g/cm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SiO

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(jié)省運輸費用;

防老化性能好,在正常環(huán)境下使用15年后產(chǎn)品性能幾乎沒有改變;

尺寸穩(wěn)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(yōu)異的隔音吸聲性能,可改善站場噪音污染。以我國西北地區(qū)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(jīng)濟性,計算出整個管道運營商使用氣凝膠材料的經(jīng)濟性。1保溫、熱流密度的選取以我國西北地區(qū)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(jù)傳統(tǒng)保溫材料與氣凝膠保溫材料在20~70℃下的導熱系數(shù)(表1),以及站場環(huán)境溫度、風速、管徑管長、加熱時長等影響因素,按照GB50264—2013《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》和熱流密度計算公式1.1防熱費、運維成本的對比經(jīng)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100m(管道平均外徑D式中:q——熱流密度,W/m;Dα式中:α式中:Tq——熱流密度,W/m;DT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(yōu)異的耐老化性、尺寸穩(wěn)定性、疏水性等,其在服役一定的時間后,就會體現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。氣凝膠材料與傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(jié)約了相當可觀的一筆開支。取氣凝膠材料和傳統(tǒng)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(tǒng)保溫材料的部署次數(shù)分別是1次和3.57次,可節(jié)約2.57次部署傳統(tǒng)保溫材料的投資,共29472元,平均每年節(jié)約2358元。若將這部分節(jié)省的投資算作節(jié)省的運行維護費用,則使用氣凝膠材料后每年所能節(jié)約的熱能和運行維護費用之和為10622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(shù)為1.3;E1.2節(jié)約的能耗費用在西北一些更為寒冷的地區(qū),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(jié)約的熱能,則1年可節(jié)約的費用為10219元(表4)。在投資3.7年后,僅靠節(jié)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(shù)所節(jié)約的2358元運行維護費用,則使用氣凝膠材料后每年所能節(jié)約的熱能和運行維護費用之和為12577元,3年可收回初期多出的投資。1.3可節(jié)約能源費用及初期投資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(jié)約的熱能越多。因此,若要節(jié)約初期投資,可先在油溫≥50℃的管道上敷設,相應的可節(jié)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(jié)能降耗而收回,以后每年節(jié)約能源費5907元。此外,因減少更換保溫層次數(shù)可每年節(jié)約1179元的運行維護費用;所以,通過節(jié)約熱能和更換保溫層次數(shù),2.7年可收回初期多出的投資。2熱價分析和計算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5×10如果僅對站場熱油管道使用,則每年節(jié)約能耗費用約295萬元,節(jié)約更換保溫層費用59萬元。初始投資1239萬元,3.2年因節(jié)能降耗收回多出的初始投資,2.7年因節(jié)能降耗和減少更換保溫層收回多出的初始投資。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(jié)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(yè)天然氣價格取3元/m3氣凝膠保溫經(jīng)濟性通過研究在站場地上管道使用氣凝膠保溫材料的經(jīng)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(tǒng)保溫材料多投資的部分),此后每年將為管道運營商節(jié)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(jié)能降本效應更為顯著。當管道內外溫差較大、所需年加熱時