氣凝膠高效保溫材料在輸油站場的應(yīng)用

氣凝膠高效保溫材料在輸油站場的應(yīng)用

氣凝膠材料的節(jié)能技術(shù)為了保證供應(yīng)的石油和天然氣達(dá)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(yùn)營公司的燃料費(fèi)、電費(fèi)開銷也因此居高不下,整個(gè)公司的經(jīng)濟(jì)效益?zhèn)涫苡绊憽Ｊ聦?shí)上,通過一定的節(jié)能保溫措施,或?qū)ΜF(xiàn)用保溫設(shè)施升級,可大幅提高加熱效果,從而使單個(gè)站場乃至整個(gè)管道運(yùn)營公司在站場加熱設(shè)備運(yùn)行方面的費(fèi)用大幅縮減。目前,應(yīng)用于包覆站場內(nèi)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(dǎo)致維護(hù)成本高、重復(fù)投資高;2)保溫性能的衰減導(dǎo)致設(shè)備和管道的熱損失逐年升高,運(yùn)營成本逐年升高;3)材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在使用一段時(shí)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(shí)為上部的2倍,導(dǎo)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(dǎo)致保溫層潮濕,嚴(yán)重時(shí)甚至引起保溫層下腐蝕,導(dǎo)致壁厚變薄,讓管道或者設(shè)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定、疏水性高的材料,來滿足當(dāng)代油氣儲運(yùn)行業(yè)對保溫技術(shù)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(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料。氣凝膠的孔隙率高達(dá)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(yùn)輸費(fèi)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(shí)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(jì)算在站場地上管道使用氣凝膠材料的經(jīng)濟(jì)性,計(jì)算出整個(gè)管道運(yùn)營商使用氣凝膠材料的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)熱系數(shù)(表1),以及站場環(huán)境溫度、風(fēng)速、管徑管長、加熱時(shí)長等影響因素,按照GB50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和熱流密度計(jì)算公式1.1防熱費(fèi)、運(yùn)維成本的對比經(jīng)調(diào)查研究,該熱站的站內(nèi)地上管道里同時(shí)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(jì)算),冷熱油管道的長度約各占站場內(nèi)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(jià)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(shí)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(hù)成本上的對比見表3。如果按照表2的計(jì)算結(jié)果,僅靠使用氣凝膠材料后節(jié)約的熱能費(fèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)保溫材料,可在10~15年的時(shí)間內(nèi)免去站場因保溫層失效而需重新更換的材料費(fèi)、人工費(fèi),這也節(jié)約了相當(dāng)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,則使用氣凝膠材料后每年所能節(jié)約的熱能和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jià)格為2500元/t;鍋爐工況系數(shù)為1.3;E1.2節(jié)約的能耗費(fèi)用在西北一些更為寒冷的地區(qū),1年需要對管道加熱運(yùn)行的時(shí)間甚至達(dá)到7個(gè)月,期間有1個(gè)月的平均溫度可能更低,達(dá)到-15℃。若按此條件計(jì)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(fèi)用為10219元(表4)。在投資3.7年后,僅靠節(jié)約的熱能費(fèi)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,則使用氣凝膠材料后每年所能節(jié)約的熱能和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(fèi)用及初期投資從以上計(jì)算可以看出:氣凝膠材料在保溫層內(nèi)外溫差較大時(shí)的性價(jià)比更高;每年加熱時(shí)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(shè),相應(yīng)的可節(jié)約能源費(fèi)用和初期投資見表5、表6。由計(jì)算結(jié)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(jì),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(fèi)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jià)分析和計(jì)算上述計(jì)算雖然僅針對一個(gè)特定站場,但具有一定代表性。一個(gè)運(yùn)營5×10如果僅對站場熱油管道使用,則每年節(jié)約能耗費(fèi)用約295萬元,節(jié)約更換保溫層費(fèi)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(jì)算中的熱價(jià)是按照目前國際原油價(jià)格50美元/桶計(jì)算,若原油價(jià)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(shí)間將更短。此外,使用天然氣加熱的站場或公司,其熱價(jià)為0.532元(工業(yè)天然氣價(jià)格取3元/m3氣凝膠保溫經(jīng)濟(jì)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(jì)性,研究結(jié)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(nèi),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(yùn)營商節(jié)約可觀的能源和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(shí)間越短,節(jié)能降本效應(yīng)更為顯著。當(dāng)管道內(nèi)外溫差較大、所需年加熱時(shí)