浮顶式原油储罐罐顶涂料保温效果分析*

中国石化管道储运有限公司科技研发中心

对于我国目前已广泛使用的单盘式浮顶储罐，罐顶散热是引起温降的重要因素。如果罐顶保温采用常见的保温材料（如岩棉），由于浮盘水平放置，雨水容易进入保温材料内部，导致保温层失效[1]。保温涂料作为一种防水性、抗氧化性能良好的保温材料，在我国大型含蜡原油单盘式浮顶储罐保温中有着非常广阔的应用前景。

在罐顶使用保温涂料对含蜡原油储罐温降规律影响的研究方面，祝玉松等[2]提出运用纳米隔热保温涂料节能技术，并通过5 000 m3储罐测试对比发现：当罐顶有保温涂料时，散热损失从120 kW下降到63 kW，减少至原来的42.3%。白洪波[3]结合现场储罐实际油温以及当地环境参数，采用理论计算方法分析了某罐区储罐涂刷保温涂料后的经济效益。周松[4]采用现场试验方法对比了大港油田官一联储罐有无保温涂料时罐顶的油温，并结合现场加热炉工况对比了储罐在有无保温涂料前后的经济效益。这些研究成果对保温涂料在单盘式浮顶储罐的实际工程应用中做出了一定贡献，但对于大规模工程应用还远远不够，急需开展保温涂料对大型单盘式浮顶储罐温度场影响规律的进一步研究工作。

由于实验研究方法条件严苛，无法合理控制影响油温变化的因素，且成本较高，而数值模拟方法可克服实验方法的缺点，实现保温涂料对含蜡原油单盘式浮顶储罐温度场影响规律的充分探究。因此，本文基于湍流模型，充分考虑原油流变特性、含蜡原油在温降过程中析蜡潜热、外界环境变化以及太阳辐射等众多因素对储罐温度场的影响，建立了大型浮顶油罐传热数理模型。基于该模型开展大型单盘式储罐罐顶涂刷保温涂料对储罐温度场影响规律的研究，明确不同季节、不同保温涂料厚度条件下罐内油品温度变化差异，并进一步结合储罐保温涂料实际投资成本和维温成本，对保温涂料进行经济性评估。

1 数理模型

1.1 浮顶储罐物理模型

针对保温涂料在单盘式浮顶油罐罐顶的应用情况，构建了单盘式浮顶油罐二维物理模型（图1），图1 中x为高度，r为半径。从图1 可以看出，该模型包括两部分：油罐部分和罐底土壤部分。其中，油罐部分又由三部分组成：罐体不同区域钢板层，罐壁保温层以及罐内原油。

图1 浮顶油罐物理模型Fig.1 Physical model of floating roof tank

油罐主要传热过程包括罐内油品耦合传热、罐底与土壤层之间的导热、罐壁和罐顶与罐外大气之间的强制对流以及太阳辐射。其中，罐内油品耦合传热又包括罐体不同区域钢板结构、保温层与罐内原油之间的固液耦合传热。

1.2 浮顶储罐数学模型与求解方法

浮顶储罐数学模型基于如下假设：①原油为不可压缩流体；②原油的定压热容、热膨胀系数和导热系数恒定；③忽略黏性耗散；④含蜡原油自然对流过程采用波辛涅斯克假设[5]描述。油罐内含蜡原油温降过程的数学模型包括连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型[6]。

大型浮顶油罐内油品的流动与传热过程涉及流固耦合。一般处理方法是利用自然对流换热准则关联式获得固液之间的自然对流换热系数，再分区域求解。然而，自然对流关联式一般需采用实验获取，适用范围有限，且会引入计算误差。因此，本文采用另外一种更加精确的求解思路，将钢板、保温层等固体考虑为黏度无穷大的流体，将整个储罐区域看作一个整体进行求解。这种处理方法可提高计算速度和精度。

1.3 模型正确性验证

为验证所构建模型的可靠性，以A 油库某储罐为研究对象，将实测平均油温与模拟平均油温进行对比（图2）。在外界环境温度和太阳辐射的影响下模拟结果和实测结果均出现了震荡，但两者变化趋势吻合较好。目标储罐罐内油品在302 h 内实际温降为2.69 ℃，模拟温降为2.82 ℃，两者的相对误差仅为4.83%。

图2 模拟结果与实验数据对比Fig.2 Comparison between simulation result and experimental data

产生误差的原因主要包括以下几个方面：在模拟过程中对模型做了简化处理，并且未考虑量油孔、集水槽、浮盘环形空间等区域对温降的影响；无法准确获取风速、气温等环境参数。尽管这些因素对储罐温度场的影响无法定量考虑，但本文所建立的大型储罐温度场模型的计算结果与现场试验结果误差不超过5%，说明本文所建立大型储罐传热过程数理模型是可靠的。

2 模拟结果与分析

2.1 储罐温度场的变化规律

针对含蜡原油单盘式储罐不同季节的一般性温降规律开展研究，为后文罐顶保温涂料的应用效果对比分析提供参考。其中，目标储罐为2×104m3的单盘储罐，罐内油品为高凝原油。

不同季节目标含蜡原油单盘式浮顶储罐温降规律如图3 所示。其中，横轴表示模拟时间，纵轴表示罐内油品平均油温。从图3 可以看出，在罐顶未涂刷保温涂料之前，由于油品温度（42 ℃）大于环境温度，因此油温随储存时间不断降低。冬季环境温度较低，在巨大的温差作用下，温降曲线几乎为直线，油品储存192 h 之后降至触变温度（34 ℃）；春、秋季环境温度上升，但在南北风的作用下环境温度变化较大（最冷的时候为2～7 ℃，最热的时候为16～32 ℃），导致温降曲线出现波动，油品储存217 h 之后降至触变温度；夏季环境温度较高，温降速率明显减缓，在模拟350 h 后油温仅降低2.5 ℃，并且在太阳辐射的作用下，白天油温出现了回升，使得油温震荡降低。

图3 不同季节目标含蜡原油单盘式浮顶储罐温降规律Fig.3 Temperature drop trends of waxy crude oil in single place floation roof tank in different seasons

对比不同季节含蜡原油温降规律可以看出，单盘式储罐在春、秋、冬季温降速率非常快，42 ℃的含蜡原油放置约200 h 之后基本降至触变温度，原油流动性大大减小，将造成凝罐事故。考虑到外输要求，目前目标储罐所存油品的日常维温温度为38 ℃，来油温度下降至维温温度不到100 h，日常维温大大提高了运行成本。对于单盘式浮顶储罐，罐顶区域与外界仅隔一层钢板，且钢板导热系数高达46 W/(m·℃)，罐顶成为了罐内含蜡原油与外界换热的主要位置。因此，需采取一定的保温措施，减少罐顶散热，提高含蜡原油单盘式储罐运行安全和经济性。

2.2 不同厚度的罐顶保温涂料保温效果

涂料选取A 公司的特种涂料（表1），该涂料为目前现场计划使用的涂料类型，具有防水和隔热效果好、使用寿命长等特点，保温涂料厚度选取1.5～2.9 mm（每隔0.2 mm 选取一个点）。图4 为不同季节、不同保温涂料厚度条件下目标储罐温降规律。从图4 可以看出，在罐顶涂刷保温涂料后，罐内油品温降速率明显减缓，产生这种变化的主要原因在于保温涂料增大了罐顶区域油品与外界环境之间的热阻，导致环境中的冷量更难进入罐内。图5 为无保温涂料和保温涂料厚度为1.5 mm 条件下冬季模拟50 h 后的速度矢量场对比。对于单盘浮顶储罐而言，其上层储存的油品与外界环境仅有一层钢板之隔，罐顶区域的油品在外界环境的作用下快速降温，温度降低导致其密度增大，冷油下沉，罐内油品形成对流。而罐顶保温涂料有较好的隔热保温作用，减少了外界冷量进入罐顶油品区域，上层油品相对于罐顶无保温涂料储罐的上层油品密度变化较小，罐内油品形成的对流强度较弱。因此，当罐顶无保温涂料时，罐内油品的速度矢量明显大于罐顶涂刷1.5 mm 保温涂料的储罐内油品的速度矢量，外界环境传递进来的冷量快速传递给下层油品，从而导致总体温降速率较快。同时，内部油品流动产生的对流换热导致油品温度场分布较为均匀。

表1 特种保温涂料基本参数Tab.1 Basic parameters for special thermal insulation coating

图4 不同季节、不同保温涂料厚度条件下目标储罐温降规律Fig.4 Temperature drop trends of waxy crude oil in target tank under different seasons and thicknesses of thermal insulation coating

图5 无保温涂料和保温涂料厚度为1.5 mm条件下的储罐速度矢量场对比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，随着罐顶涂刷保温涂料厚度的增加，温降速率进一步减缓。当模拟时间达到350 h 时，涂料最小厚度与最大厚度在不同季节的油温差异分别为：1.8 ℃（春、秋季）、0.5 ℃（夏季）、2.2 ℃（冬季）。原因显而易见，保温涂料产生的热阻与涂料厚度成正比，厚度越大，保温效果越好。

将图4 中的温降曲线进一步整理可得不同季节、不同罐顶涂料厚度下的温降速率（图6）。从图6 可以看出，在不同季节，随着罐顶保温涂料厚度增大，温降速率略有降低，且明显低于罐顶无保温涂料的情况。春秋季、夏季和冬季不同罐顶保温涂料厚度下的平均温降速率减小至无保温涂料情况下的35.3%，43.8%和42.9%。

图6 不同季节、不同涂料厚度下的温降速率Fig.6 Temperature drop rates of waxy crude oil in tank under different seasons and coating thicknesses

综上所述，对于大型单盘式浮顶储罐而言，罐顶涂刷保温涂料可大幅度降低罐内油品的温降速率，起到很好地保温作用，且随着保温涂料厚度增加保温效果进一步增强。

2.3 保温涂料适宜厚度的确定

在单盘储罐罐顶进行保温涂料涂刷之后，油品温降速率明显降低，并且随着涂料厚度增大，温降速率进一步降低。但随着涂料厚度的增大，涂料成本则进一步上升。因此需通过开展保温涂料经济性评价，确定较优的涂料厚度。

2.3.1 保温涂料成本

保温涂料选用A 公司特种涂料，其价格按某平台每年招标价格计算，现保温涂料价格为119.77 元/kg。该涂料涂刷厚度1 mm，每平方米理论用量大约为1.1 kg。考虑涂料在施工过程中受环境和人为因素影响难免会出现损耗，所以实际用量为：平面约1.2 kg/m2，曲面约1.3 kg/m2，立面约1.4 kg/m2。涂料涂刷位置为罐顶，因此涂刷厚度为1 mm 时单位面积涂料成本为143.7 元/m2。

刷1 遍涂料施工费为2 元/m2，含施工管理费、喷涂设备备件损耗、人工费等。每遍喷涂厚度根据环境温度的不同而发生变化，环境温度越高，湿度越小，每遍喷涂厚度越大。25 ℃情况下，通常设计每遍喷涂厚度约150 μm。

本文研究对象为2×104m3的单盘式浮顶储罐，罐顶涂刷面积为1 287.6 m2，涂料涂刷厚度为1.5～2.9 mm（每隔0.2 mm 选取一个点），不同厚度下投资成本如表2 所示。值得注意的是，由于每次涂刷厚度无法准确控制，涂刷次数向上取整，但总厚度不变，即人工成本随涂刷次数有微小差异，涂料成本只与目标厚度相关。

表2 罐顶涂刷不同厚度保温涂料下的投资成本Tab.2 Investment costs for different thicknesses of thermal insulation coating on tank top

2.3.2 储罐维温成本

目前，目标储罐所存油品的日常维温温度为38 ℃，仅在冬季采取维温措施，采用天然气加热水蒸气，通过蒸汽盘管对油品进行加热维温。由于不同年份、冬季不同月份的气温不同，因此采用当地多年冬季平均最低温度和最高温度作为模拟所需的最低和最高环境温度（其他时间点温度值采用插值方式获得），以此环境温度计算获得的温降结果可代表整个冬季的平均温降水平。液位高度选取最高安全液位高度14.0 m，模拟罐顶不同保温涂料厚度条件下罐内油品温降过程，结果如图7 所示。

图7 冬季不同罐顶保温涂料厚度条件下罐内油品温降规律Fig.7 Temperature drop trends of waxy crude oil in tank under different thicknesses of insulation coating on tank top in winter

目标储罐的维温温度为38 ℃，取从38 ℃开始温降后的前24 h 内温降大小作为该温度下的平均温降速率。当罐顶无保温涂料时，前24 h 内的平均温降速率为1.236 ℃/d。以此为例，计算目标储罐维温所需成本。忽略蒸汽沿程热损失（蒸汽管线表面敷设较厚的保温层），根据已知参数计算可得罐内油品质量m=1.6×107kg，储罐平均每天散失的热量Q=4×107kJ，目标储罐在冬季每天维温所需天然气量为1 299.2 m3（标况）。1 m3天然气按当地气价2.5 元计算，根据能量守恒可得目标储罐在罐顶无保温涂料的条件下，冬季单日所需维温成本为3 248 元，即整个冬季（90 d）所需维温成本为29.2 万元。

同理可得目标储罐罐顶涂刷不同厚度保温涂料后冬季维温所需成本（表3）。

从表3 可以看出，目标储罐冬季维温成本随罐顶保温涂料厚度增加而减小，罐顶涂刷保温涂料后每年可减少维温成本约16～20 万元。本文所研究的保温涂料使用寿命在10 年左右，因此可得不同罐顶涂料厚度条件下10 年可节约的维温成本，并与涂料和施工成本进行对比，结果如图8 所示。随着罐顶保温涂料厚度增加，节约的维温成本与涂料投资成本随之增加，两者相减即为目标储罐10 年内总体经济效益。不同罐顶涂料厚度条件下10 年总体经济效益差异不大，当保温涂料为2.3 mm，10年总体经济效益最高，约为138.3 万元。因此，针对本文所研究的涂料类型，推荐罐顶保温涂料涂刷厚度为2.3 mm。

表3 储罐维温成本Tab.3 Costs of temperature maintenance for the waxy crude oil in tank

图8 保温涂料经济效益分析Fig.8 Economic benefit analysis of thermal insulation coating

3 结论

新型保温涂料由于其防水效果好、保温性能好等优势，在单盘储罐罐顶涂刷可大幅度减低储罐与外界的换热。对于本文所采用的2×104m3的单盘浮顶储罐，罐顶涂刷1.5 mm 保温涂料后温降速率可减少50%以上，但随着涂刷厚度的增加储罐温降速率变化较小，建议涂刷2.3 mm 厚度保温涂料，10 年内总体经济效益最高，可节约维温成本约138.3 万元。