穆承廣 王殿學(xué) 許彥博 郭旭 劉少柱 程磊 周建偉 張軒 杜鵑 翟星月

（1.中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油管道公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

氣凝膠高效保溫材料在站場地上管道應(yīng)用的經(jīng)濟性分析

穆承廣1王殿學(xué)2許彥博3郭旭1劉少柱2程磊1周建偉1張軒1杜鵑1翟星月1

（1.中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油管道公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

研究了氣凝膠高效節(jié)能保溫材料在輸油站場應(yīng)用的經(jīng)濟性。通過計算和對比氣凝膠材料與傳統(tǒng)保溫材料的保溫性能、初始投資費用、以及運行維護成本，發(fā)現(xiàn)在管道上使用氣凝膠材料較傳統(tǒng)保溫材料具有較大綜合優(yōu)勢。使用氣凝膠材料所節(jié)約的能源和運行維護費用（主要指更換傳統(tǒng)保溫層的材料和人工費用)，可在2～4年內(nèi)超過初期多花費的投資。在隨后的服役過程中，可持續(xù)因能源節(jié)約和減少保溫層更換次數(shù)為管道運營商節(jié)省開支。此外，當管道內(nèi)外溫差較大、年加熱時長較長、加熱燃料或電能漲價時，使用氣凝膠材料的效果更好?？傊诠艿郎鲜褂脷饽z材料將以節(jié)能降本的方式為管道運營商增加效益。

氣凝膠；保溫材料；節(jié)能增效；站場管道；經(jīng)濟性分析

引言

為保證輸送的油品或天然氣達到一定溫度，防止凝管或冰堵事故的發(fā)生，站場上通常使用加熱爐、電(水、蒸汽)伴熱或水套爐對輸送介質(zhì)進行加熱，尤其在我國的冬季和氣候寒冷的高緯度地區(qū)，站場加熱設(shè)施更需全天候運行，消耗大量的電能或加熱燃料，才能保障安全生產(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)涫苡绊憽Ｊ聦嵣?，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，從而使單個站場乃至整個管道運營公司在站場加熱設(shè)備運行方面的費用大幅縮減。

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[1-5]。這些傳統(tǒng)的保溫材料最為普遍的缺點就是導(dǎo)熱系數(shù)高、保溫效果差，在很多對保溫有較高要求的場合，甚至不能滿足保溫設(shè)計要求。其次，由于較差的保溫性能，導(dǎo)致需要較大的包裹厚度，這也不利于節(jié)能保溫施工作業(yè)的開展，提高了施工作業(yè)的成本。此外，在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)保溫材料還存在以下問題：

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，運營成本逐年升高；

3）材料結(jié)構(gòu)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(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，嚴重時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，來滿足當代油氣儲運行業(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80%～99.8%，密度可低至0.003 g/cm3。由于其納米級孔徑可顯著降低氣體分子熱傳導(dǎo)和熱對流，纖細的納米級骨架顆?？娠@著降低固態(tài)熱傳導(dǎo)，因此，它具有極低的熱導(dǎo)率（可達到0.013～0.019 W/(m·K)，適用溫度為-200～200℃，常溫?zé)釋?dǎo)率低于空氣），是目前世界上導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體保溫材料[6-10]。

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SiO2等，所以氣凝膠耐火性能好，是A級不燃材料；

◇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 西北某輸油熱泵站使用氣凝膠材料的經(jīng)濟性分析

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、加熱時長等影響因素，按照GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》和熱流密度計算公式[11]，可計算出使用氣凝膠材料之后該站場所能節(jié)省的熱能和費用。

表1 氣凝膠材料與傳統(tǒng)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

1.1 每年加熱時長為6個月時的經(jīng)濟性

經(jīng)調(diào)查研究，該熱站的站內(nèi)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(nèi)管道總長度的50%。該站地上保溫管道的長度為100 m（管道平均外徑D0=0.60 m），由此，可假定冷油管道與熱油管道的長度各為50 m。此外，由于熱站地處西北地區(qū)，氣候較為寒冷，每年對油品加熱的時間有6～8個月。若保守地取加熱時長為6個月，其中最冷2個月的平均氣溫為-10℃，次冷2個月的平均氣溫為0℃，稍暖2個月的平均氣溫為10℃，則保溫層內(nèi)外的溫差在這6個月當中就有60、50、40、30、20、10℃6個檔次。例如，油溫為50℃的熱油管道在最冷的2個月（平均氣溫-10℃）保溫層內(nèi)外的溫差為60℃。由此，根據(jù)公式（1）計算出保溫層的單位長度熱散失功率（即熱流密度）q傳統(tǒng)材料和q氣凝膠也有6個檔次（表2）。在計算中，取保溫層厚度為2 cm，則保溫層外徑D1=0.64 m，氣凝膠材料與傳統(tǒng)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別取λ氣凝膠=0.018 W/(m·K)，λ傳統(tǒng)材料=0.04 W/(m·K)，T0-Ta為保溫層內(nèi)外溫差（T0為管道外表面溫度，Ta為環(huán)境溫度），表面換熱系數(shù)αs按公式（2）和（3）聯(lián)立后通過電子表格軟件計算近似解。風(fēng)速取我國西北和東北地區(qū)冬季平均風(fēng)速W=1.5 m/s，黑度ε取已氧化的鍍鋅薄鋼板黑度0.3。由于αs隨T0、Ta和Ts（保溫層外表面溫度）變化，所以αs在不同的溫度條件下也有6個數(shù)值且受材料導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響（表2）。經(jīng)計算，使用氣凝膠材料后該站全年可節(jié)約熱能費用8264元。

式中：q——熱流密度，W/m；

T0——管道外表面溫度，℃；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

D0——管道外徑，m；

D1——保溫層外徑，m；

αs——表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

式中：αs——表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

αr——表面輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

αc——表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ε——保溫層外表面黑度；

Ts——保溫層外表面溫度，℃；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

W——環(huán)境風(fēng)速，m/s；

D1——保溫層外徑，m。

式中：Ts——保溫層外表面溫度，℃；

q——熱流密度，W/m；

D1——保溫層外徑，m；

αs——表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

T0——管道外表面溫度，℃；

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

D0——管道外徑，m。

表2 使用氣凝膠材料可節(jié)約的能源及費用（加熱運行6個月）

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(jié)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(nèi)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29 472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10 622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；Ex為火用值系數(shù)，1.0；燃油發(fā)熱量為42 000 kJ/kg；鍋爐熱效率為0.8。

1.2 每年加熱時長為7個月時的經(jīng)濟性

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10 219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12 577元，3年可收回初期多出的投資。

表3 使用氣凝膠材料與傳統(tǒng)保溫材料的投資維護成本

1.3 熱油管道使用氣凝膠材料加熱時長為6個月的經(jīng)濟性

從以上計算可以看出：氣凝膠材料在保溫層內(nèi)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(shè)，相應(yīng)的可節(jié)約能源費用和初期投資見表5、表6。由計算結(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，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。

表4 在更為寒冷的地區(qū)使用氣凝膠材料可節(jié)約的能源及費用（加熱運行7個月）

表5 熱油管道使用氣凝膠材料可節(jié)約的能源及費用（加熱運行6個月）

表6 熱油管道使用氣凝膠材料的投資成本

2 某管道運營商使用氣凝膠材料的經(jīng)濟性分析

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5×104m站場上保溫管道的公司，假設(shè)其每年加熱油品的時間以及環(huán)境溫度條件與上述單一站場的計算條件保持不變（加熱時間為6個月，其中最冷2個月的平均氣溫為-10℃，次冷2個月的平均氣溫為0℃，稍暖2個月的平均氣溫為10℃，平均管外徑0.6 m），則可計算出用氣凝膠保溫材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)保溫材料后，該管道運營公司每年可節(jié)約的能源消耗費用約413萬元（表7）。如表8所示，初始投資約2479萬元（相對于使用傳統(tǒng)保溫材料多投資1903萬元），仍是4.6年可因熱能節(jié)約收回多出的初始投資。此外，若取兩種材料的使用年限不變（仍分別為12.5年和3.5年），則每年又可節(jié)約118萬元的保溫層更換費用。加上這一部分節(jié)約的費用，則每年可節(jié)約能源費和更換保溫層費用（材料費、人工費）共計531萬元，仍是3.6年即可收回初期多出的投資。

表7 管道運營商使用氣凝膠材料可節(jié)約的能源及費用（加熱運行6個月）

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。

表8 管道運營商使用氣凝膠材料的投資維護成本

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，發(fā)熱量取33 MJ/m3)，使用氣凝膠材料的節(jié)能降本效果更加顯著。總之，氣候越寒冷、管輸介質(zhì)溫度越高、加熱時間越長、熱價（能源費用）越高，則使用氣凝膠材料保溫的經(jīng)濟性越好。

3 結(jié)論

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(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(yīng)更為顯著。當管道內(nèi)外溫差較大、所需年加熱時間較長、加熱燃料或電能漲價時，使用氣凝膠材料的效果也更好。相應(yīng)地，管道內(nèi)外溫差、加熱時長和熱價是影響氣凝膠保溫經(jīng)濟性的主要因素。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.002

2017-01-03

（編輯 王艷）

穆承廣，工程師，2013年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)（材料學(xué)專業(yè)），從事管道節(jié)能與環(huán)保監(jiān)測、油品天然氣物理性質(zhì)分析測試的研究工作，E-mail：4057570@qq.com，地址：河北省廊坊市金光道51號，065000。