基于ANSYS的LNG管道保冷結(jié)構(gòu)分析

劉玉晗，劉寶玉，蘇 鵬

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中海油銷售惠州有限責(zé)任公司， 廣州 惠州 516002）

基于ANSYS的LNG管道保冷結(jié)構(gòu)分析

劉玉晗1，劉寶玉1，蘇 鵬2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中海油銷售惠州有限責(zé)任公司， 廣州 惠州 516002）

介紹了LNG管道保冷結(jié)構(gòu)以及保冷層厚度的計(jì)算方法，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)LNG低溫長輸管道進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱力分析。在計(jì)算管道截面溫度場(chǎng)時(shí)，采用保冷層材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化和平均導(dǎo)熱系數(shù)兩種方法進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明溫度分布基本相同，而熱流密度值不同。

LNG低溫管道；溫度分布；數(shù)值模擬；保冷

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG），是天然氣經(jīng)過脫硫、脫碳、脫水、脫重?zé)N和雜質(zhì)等預(yù)處理后，再經(jīng)液化工藝?yán)鋮s降溫至-162 ℃而成[1]。天然氣液化后的體積是原體積的1/625左右，與氣態(tài)相比采用液態(tài)輸送相同體積的所需輸送動(dòng)力費(fèi)用優(yōu)勢(shì)明顯，基本建設(shè)成本低。同時(shí)，采用LNG輸送安全、環(huán)保，可以大大降低氣體輸送帶來爆炸、環(huán)境污染的可能性。由于LNG在輸送過程中溫度很低，需要采取相應(yīng)的保冷措施，合理的保冷絕熱結(jié)構(gòu)能夠減少冷損失和介質(zhì)溫度升高，阻止保冷層表面結(jié)霜凝露，從而節(jié)約能源。通常設(shè)計(jì)計(jì)算保冷層厚度時(shí)，采用平均導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際當(dāng)中大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化而變化。本文基于ANSYS軟件對(duì)LNG低溫管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，計(jì)算對(duì)比分析了保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化和平均導(dǎo)熱系數(shù)兩種情況下的溫度分布和管道徑向熱流率情況，為LNG管道保冷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了相應(yīng)的依據(jù)。

1 LNG管道保冷結(jié)構(gòu)及保冷層厚度計(jì)算方法

1.1 保冷結(jié)構(gòu)

LNG低溫管道的保冷結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)而外主要有：防銹層，過渡層，保冷層，防潮層以及外保護(hù)層[2]。

圖1 LNG管道保冷結(jié)構(gòu)徑向剖面圖Fig.1 LNG pipeline insulation structure profiles

防銹層主要是防止不銹鋼管道腐蝕，但是本文以文獻(xiàn)[3]中管道實(shí)例為研究對(duì)象不需涂刷防銹漆；

過渡層材料主要一具有較高強(qiáng)度和彈性的無機(jī)纖維制品；

保冷層常用結(jié)構(gòu)為捆扎式，由于管道和保冷材料的線脹系數(shù)不一樣，為避免材料收縮后應(yīng)力過大導(dǎo)致保冷結(jié)構(gòu)損壞，要求每層保冷材料每隔4 m左右設(shè)置伸縮縫，各層伸縮縫錯(cuò)開，本文保冷材料選用LT/Armaflex，該制品在低溫下具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)；

防潮層主要作用是為了防止外界濕氣滲透到保冷絕熱層中，產(chǎn)生“冷橋”使保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)變大，以致破壞保冷結(jié)構(gòu)，但文中所選用的LT/Armaflex材料本身透濕系數(shù)為≤1.31× 10-11g/(m· s·Pa)，達(dá)到防潮標(biāo)準(zhǔn)，所以可以不設(shè)防潮層；外保護(hù)層一般由0.25～0.50 mm厚的鋁材、鍍鋅鐵皮或不銹鋼構(gòu)成主要作用是為了保護(hù)保冷絕熱材料免受外界的影響和損傷。

1.2 保冷層厚度計(jì)算方法

低溫管道保冷層的計(jì)算方法主要有外表面溫度法，允許冷損失法，保冷層經(jīng)濟(jì)厚度法等[4]。本文僅對(duì)以下常用的3種計(jì)算方法進(jìn)行分析。

（1）外表面溫度法

若保冷層為多層時(shí)的總厚度的計(jì)算公式為

其中：Do—絕熱層外直徑，m；

Di—絕熱層內(nèi)直徑，m；

α—絕熱層外表面對(duì)大氣的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

λi—絕熱層第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

t, ta, ts—分別為介質(zhì)（管道的外表面）、環(huán)境、外表面溫度，℃。

若管道的保冷材料僅用一種則視為單層保冷，同時(shí)防止管道外表面結(jié)露，公式（1）可簡化為：

式中：td—當(dāng)?shù)貧庀髼l件下最熱月的露點(diǎn)溫度，℃。

（2）允許冷損失法

多層保冷絕熱情況下保冷層厚度計(jì)算公式：

其中：q’—允許最大冷損失值，W/m2；

K —對(duì)于冷損失控制較嚴(yán)格的管道要求對(duì)q’進(jìn)行修正，一般取K=0.8～0.9；

單層保冷情況下的保冷厚度：

（3）保冷層經(jīng)濟(jì)厚度法

保冷層經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算公式為：

其中：fn—熱能價(jià)格，元/106 kJ；

T—運(yùn)行時(shí)間，h；

?t—?t=ts-ta，℃；

Pi—絕熱材料單位價(jià)格，元/m3；

S—絕熱工程投資年分?jǐn)偮省?/p>

上述3種絕熱保冷層厚度的計(jì)算方法各有利弊，應(yīng)該按照具體實(shí)際工程來選擇最佳的計(jì)算方法，外表面溫度法（防止表面結(jié)露）法和允許冷損失法應(yīng)互為校核計(jì)算，選取符合要求的保冷層厚度。

2 管道溫度分布模擬

本算例是基于文獻(xiàn)[5]中實(shí)例進(jìn)行的模擬計(jì)算分析。1條約6 km的LNG長輸管道，輸送壓力1.194 MPa，管道材質(zhì)選取304 L不銹鋼（0Cr18Ni9），導(dǎo)熱系數(shù)為11.8 W/(m·K)，管道外徑159 mm，管道壁厚4.5 mm，管道架空，由于當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鄬?duì)濕度83%，容易在管道外表面結(jié)露，為了防止結(jié)露滲水發(fā)生所以保冷層厚度的計(jì)算方法采用外表面溫度法，保冷材料按照LT/Armaflex的平均導(dǎo)熱系數(shù)0.015W/(m·K)進(jìn)行計(jì)算，得到保冷層厚度為145 mm，管道輸送LNG介質(zhì)溫度為-158 ℃，當(dāng)?shù)叵募韭饵c(diǎn)溫度26 ℃，環(huán)境溫度按照28.4 ℃計(jì)算，隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)值如圖2所示，管外壁至大氣的放熱系數(shù)為23.753 W/(m2·℃)，此處放熱系數(shù)包含管道外壁與大氣的對(duì)流換熱和輻射過程，在計(jì)算過程中將輻射視為對(duì)流換熱一部分。

圖2 LT/Armaflex導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve of LT/Armaflex conductivity coefficient with temperature

用ANSYS計(jì)算分析LNG低溫管道的溫度分布結(jié)果如圖3所示。圖3(a)是取保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)為平均數(shù)計(jì)算得到，計(jì)算過程是線性的。圖3(b)是按照保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化進(jìn)行的計(jì)算分析，計(jì)算的過程是非線性的。但是從計(jì)算結(jié)果可以看出溫度分布基本一致，取保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)的平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)即可滿足外表面溫度法的要求。圖4所示的溫度梯度在整個(gè)徑向方向分布趨勢(shì)一樣，具體數(shù)值上差別也較小。

圖3 LNG管道徑向截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of LNG pipeline profiles

圖4 LNG管道徑向方向溫度梯度Fig.4 Temperature grads of LNG pipeline in the radial direction

LNG管道截面溫度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是從LNG管道徑向熱流率曲線來看，發(fā)現(xiàn)二者隨著計(jì)算時(shí)采用的導(dǎo)熱系數(shù)的不同得到的結(jié)果顯示出差異。圖5(b)中輸液管管壁處的熱流率明顯大于圖5 (a)中的輸液管道管壁處的熱流率；同樣在保冷層外壁處(b)圖中的熱流率值是(a)圖中相同位置的熱流率值的2倍多，如果考慮到限制冷損失的情況應(yīng)用平均導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算在某些情況下可能會(huì)不滿足條件。圖5(b)中保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度的變化而變化的，所以計(jì)算出來的結(jié)果較為接近實(shí)際情況。

圖5 LNG管道徑向熱流率Fig.5 Heat flux of LNG pipeline in the radial direction

3 結(jié) 論

LNG管道保冷層設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)條件是滿足外表面溫度時(shí)，為方便計(jì)算可以采用平均導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；如果需要滿足限制最大冷損失要考慮用保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化進(jìn)行計(jì)算。

［1］ 揚(yáng)帆，陳保東，姜文全,等.液化天然氣技術(shù)在調(diào)峰領(lǐng)域的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(10):26.

［2］ 李鈺.低溫管道的保冷設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì)，2009,26(1)：52-55.

［3］ 李慶杰，陳保東，洪麗娜,等. LNG管道輸送工藝計(jì)算[J]. 當(dāng)代化工，2011，40(2):163-164;167.

［4］ 張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國石化出版社，1994.

［5］ 李慶杰. LNG管道輸送技術(shù)[D]. 撫順：遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，2010.

Analysis of LNG Pipeline Insulation Structure Based on ANSYS Numerical Simulation

LIU Yu-han1，LIU Bao-yu1，SU Peng2
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. CNOOC Marketing Huizhou Co.,Ltd., Guangzhou Huizhou 516002, China）

LNG pipeline insulation structure and calculation methods of insulation thickness were introduced. Static temperature distribution of LNG cryogenic long-distance pipeline was analyzed by using finite software. During calculation of pipeline cross-section temperature distribution, two methods including changing thermal conductivity with temperature and average thermal conductivity of the same insulation material were used to simulate the temperature distribution,separately. The results show that temperature distributions simulated by above two methods are similar, but heat flow densities are different.

LNG cryogenic pipeline; Temperature distribution; Numerical simulation; Insulation

TE 832

A

1671-0460（2012）02-0185-04

2011-00-00

劉玉晗（1986-），女，遼寧凌源人，遼寧石油化工大學(xué)碩士研究生，LN G管道及設(shè)備保冷專業(yè)。E-m ail：okliuyuhan@163.com。