LNG管道內(nèi)氣液相變流動(dòng)傳熱理論的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

孫 闊，張晶晶，吳玉國(guó)

LNG管道內(nèi)氣液相變流動(dòng)傳熱理論的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

孫 闊1，張晶晶2，吳玉國(guó)1

（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. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000）

針對(duì)液化天然氣管道內(nèi)流動(dòng)傳熱理論的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，結(jié)果表明管道內(nèi)液化天然氣的相變問(wèn)題十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響著管道的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸安全性。為緩解這些問(wèn)題的發(fā)生，主要從液化天然氣的管道運(yùn)輸特點(diǎn)、液化天然氣相變機(jī)理與特性以及液化天然氣流型與傳熱三個(gè)方面進(jìn)行分析比較，指出了存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展前景，對(duì)液化天然氣管道內(nèi)相變流動(dòng)傳熱的研究提供理論基礎(chǔ)。

液化天然氣；相變；傳熱；兩相流

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，以及石油開(kāi)采技術(shù)的不斷創(chuàng)新，導(dǎo)致近些年來(lái)石油價(jià)格持續(xù)下降，需求量不斷上升，這也影響到其產(chǎn)業(yè)鏈上的其他能源形式。其中，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）相比較其他的能源表現(xiàn)出熱值較高且產(chǎn)物較清潔的優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注。在經(jīng)濟(jì)環(huán)保要求嚴(yán)格的大形勢(shì)下，掌握液化天然氣特性，對(duì)加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，環(huán)境質(zhì)量改善起著至關(guān)重要的作用。

我國(guó)為響應(yīng)黨中央提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，以及推進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷進(jìn)步，我國(guó)對(duì)液化天然氣的需求逐年提高[1]。前期的“西氣東輸”工程現(xiàn)已逐步發(fā)揮作用，然而，該工程存在的問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，在運(yùn)輸過(guò)程中管道氣液相變問(wèn)題突出，這對(duì)液化天然氣的管道運(yùn)輸非常不利。液化天然氣在管道中發(fā)生相變是運(yùn)輸過(guò)程面臨的一個(gè)重大難題，所以對(duì)于液化天然氣管道氣液相變流動(dòng)傳熱理論亟待深入研究。

1 液化天然氣的管道運(yùn)輸特點(diǎn)分析

液化天然氣的制備原理是將氣態(tài)天然氣經(jīng)過(guò)冷卻壓縮到沸點(diǎn)后變成液體，然后將液化天然氣存儲(chǔ)在-161.5 ℃、0.1 MPa的低溫儲(chǔ)罐中。液化天然氣作為一種無(wú)味，無(wú)毒，無(wú)腐蝕性，且污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)行的社會(huì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用?；谝夯烊粴獾奶厥庑再|(zhì)，對(duì)液化天然氣的運(yùn)輸方式要求非常嚴(yán)格，常見(jiàn)的液化天然氣運(yùn)輸方式主要有三種，海上船舶運(yùn)輸方式、公路罐車(chē)運(yùn)輸方式以及管道運(yùn)輸方式，這三種運(yùn)輸方式有各自的特點(diǎn)[2]。

宮克勤等[3]人對(duì)液化天然氣及其他流體儲(chǔ)運(yùn)工程熱力學(xué)研究綜述中，比較了液化天然氣海運(yùn)和管輸?shù)姆e極性潛力和研究?jī)r(jià)值。分析得到，相比較海運(yùn)和陸運(yùn)兩種方式，管道運(yùn)輸液化天然氣有利于節(jié)省成本，且管道輸送方法正處于起步階段，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。

由于液化天然氣對(duì)低溫材料的要求比較高，因此對(duì)于液化天然氣的管道運(yùn)輸通常是短距離輸送，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，液化天然氣長(zhǎng)距離管道輸送的在理論和技術(shù)上逐步實(shí)現(xiàn)可行性。由于在輸運(yùn)過(guò)程中，管道內(nèi)外存在溫差，這必然使管道內(nèi)的部分液化天然氣被加熱發(fā)生氣化，于是在管道內(nèi)形成兩相流動(dòng)，這種現(xiàn)象即為液化天然氣管道內(nèi)相變問(wèn)題。相變過(guò)程有氣體的產(chǎn)生，不僅增大了管道內(nèi)的輸運(yùn)壓力，并且易形成斷塞流現(xiàn)象，對(duì)管道輸運(yùn)能力和安全運(yùn)行非常不利。因此盡量實(shí)現(xiàn)單一液相流動(dòng)，防止液體氣化。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，防止液化天然氣相變的常用技術(shù)措施——密相輸送技術(shù)。即將管道內(nèi)流體的溫度控制在臨界冷凝溫度之下的區(qū)域范圍，管道內(nèi)的壓力控制在臨界冷凝壓力之上區(qū)域范圍，從而使液化天然氣輸送管道的運(yùn)行工況處于液相密相區(qū)域，如圖1所示[4]。除此之外，在液化天然氣的流動(dòng)過(guò)程中，流體與管道之間存在摩擦而產(chǎn)生熱量造成管道溫升，這是液化天然氣相變的重要原因之一，因此可以在適當(dāng)?shù)奈恢媒⒗鋮s裝置。

圖1 典型天然氣氣相飽和線

對(duì)于長(zhǎng)距離管道輸送液化天然氣發(fā)生相變的現(xiàn)象有很多[5]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了很多努力，現(xiàn)大多數(shù)研究放在其輸送設(shè)備中的改進(jìn)和完善上。主要包括三方面，分別是輸送管道、輸送泵和低溫制冷機(jī)[6]。還有其他的設(shè)備，如低溫儀表，低溫閥門(mén)，儲(chǔ)罐等，下面從三大主要設(shè)備進(jìn)行研究。

1.1 輸送管道

對(duì)于液化天然氣輸送管道選材要求非常高，選用不僅有優(yōu)良的耐低溫性能，而且其膨脹系數(shù)最好比較大，防止氣化造成管道膨脹破裂，因此要考慮緩沖補(bǔ)償措施。

發(fā)生相變的一個(gè)重要原因就是管道內(nèi)外存在溫差，所以針對(duì)這一問(wèn)題，要求管道絕熱條件非常高，這樣才能保證液化天熱氣不發(fā)生相變低溫輸送。因此提高管道材料的絕熱特性，對(duì)液化天然氣長(zhǎng)距離輸送起著至關(guān)重要的作用。絕熱管道通常分為兩類(lèi)，堆積絕熱和真空絕熱。比較兩種方式，由于管道壓力和安全性的要求，真空絕熱存在局限性?，F(xiàn)如今最常用的方法是堆積絕熱保冷。

在液化天然氣管道運(yùn)行期間，為了實(shí)現(xiàn)輸送在低溫條件下正常運(yùn)行，在液化天然氣管道正式輸送之前，首先應(yīng)對(duì)管道實(shí)施預(yù)冷處理，即所謂的將溫度從環(huán)境溫度冷卻降低到工作溫度（-160 ℃左右）。其次，由于管道內(nèi)外存在溫差，所以應(yīng)采取一些措施來(lái)克服這一難題。根據(jù)文獻(xiàn)相關(guān)研究，通常采用蒸發(fā)一定量的液化天然氣來(lái)使管道保冷層和周?chē)寥拉h(huán)境溫度降低，但這個(gè)過(guò)程相當(dāng)緩慢，需要一段時(shí)間才能達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。在液化天然氣管道停運(yùn)期間，管道受外部環(huán)境影響，導(dǎo)致液化天然氣相變產(chǎn)生氣體，造成管道壓力增加，為保證管道的安全型性，對(duì)管道設(shè)置安全閥和放空罐等設(shè)備。

1.2 輸送泵

由于采用管道輸運(yùn)液化天然氣，阻力通常會(huì)比較的大，造成沿程壓力損失比較嚴(yán)重。因此在液化天然氣的管道運(yùn)輸，離不開(kāi)輸送泵。輸送泵分兩種：非潛熱泵和潛熱泵?；谝夯烊粴獾奶厥庑裕F(xiàn)如今，高壓、大型、高效的低溫潛熱泵為研究的重點(diǎn)。輸送泵這方面研發(fā)，目前我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品十分缺乏，因此應(yīng)該加快相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急。

1.3 低溫制冷機(jī)

由前面分析可知，液化天然氣在管道內(nèi)輸送時(shí)，溫度會(huì)上升，造成液化天然氣發(fā)生氣化，為了避免管道內(nèi)的液化天然氣因受熱而發(fā)生相變問(wèn)題，采用最好的措施是在一定的距離設(shè)置制冷機(jī)設(shè)備，以此來(lái)對(duì)液化天然氣進(jìn)行冷卻。

制冷機(jī)制冷方式大多是以增壓換熱的方式，再進(jìn)行節(jié)流或絕熱膨脹的方式進(jìn)行制冷。在諸多低溫制冷中，以斯特林制冷機(jī)發(fā)展最為常見(jiàn)。其他的制冷方式有維勒米爾制冷機(jī)、吉福特—麥克馬洪制冷機(jī)、索爾文制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)和布雷頓循環(huán)制冷機(jī)等。

2 液化天然氣相變機(jī)理及特性

液化天然氣是烷烴類(lèi)混合物，主要甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮等組成的混合物，該混合物各成分沸點(diǎn)和泡點(diǎn)不同，即各成分氣化溫度不同。在管道中輸送低溫液化天然氣時(shí)，甲烷泡點(diǎn)低首先發(fā)生相變氣化成氣泡，氣泡產(chǎn)生的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)流體換熱增強(qiáng)，進(jìn)而使其他成分繼續(xù)氣化，最終使管道內(nèi)的液化天然氣的氣液相各組分比例不斷變化[7]。

液化天然氣的流動(dòng)相變過(guò)程如圖2所示，相變過(guò)程分為液相過(guò)冷區(qū)、氣液兩相區(qū)和氣相過(guò)熱區(qū)三個(gè)區(qū)域。在液相過(guò)冷區(qū)和氣相過(guò)熱區(qū)中，從圖可以看出液化天然氣與單一組分氣化的溫度隨氣化管道長(zhǎng)度有相同的變化趨勢(shì)，但在兩相區(qū)兩者溫度變化趨勢(shì)存在顯著差異。基于液化天然氣為非共沸混合物，其在兩相區(qū)內(nèi)，溫度為非等溫變化，而純凈物在兩相區(qū)域?yàn)榈葴刈兓痆7]。對(duì)液化天然氣的氣化機(jī)理和特點(diǎn)的分析，對(duì)液化天然氣管道內(nèi)相變的流動(dòng)傳熱研究有很大幫助。

圖2 LNG相變過(guò)程示意圖

3 液化天然氣流型與傳熱分析

液化天然氣在管道相變運(yùn)輸形成氣液兩相流，這種相變的傳熱過(guò)程與氣液兩相流的流型密不可分，不同的流型對(duì)應(yīng)著不同的傳熱流動(dòng)機(jī)制。

廣大國(guó)外內(nèi)研究學(xué)者對(duì)低溫液體相變傳熱傳質(zhì)性能做了大量的研究，大多數(shù)是對(duì)兩相流流型的分析，多采用實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬的研究方法。Chen在沸騰相變傳熱研究中，對(duì)流體的沸騰傳熱的規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)歸納，得到了Chen 關(guān)系式[8]；李祥東等人分析氣液兩相間傳輸規(guī)律，建立了雙流體模型，與Klimenko的實(shí)驗(yàn)[9]測(cè)量吻合較好[10]；齊守良等人[11]對(duì)液氮流動(dòng)沸騰換熱研究綜述中，對(duì)液氮的彈狀流和波狀流兩種流型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并得到了這兩種流型的兩相流的傳熱特性；王斯民等人[12]在豎直圓管內(nèi)液氮過(guò)冷流動(dòng)沸騰數(shù)值模擬研究中，驗(yàn)證壁面換熱模型變化特征，得到空泡份額沿管長(zhǎng)度變化規(guī)律；陳東升與石玉美[13]對(duì)0.5 MPa下的液化天然氣在豎直圓筒中飽和流動(dòng)沸騰換熱研究中，對(duì)熱通量、質(zhì)量流量和干度等參數(shù)對(duì)液化天然氣流動(dòng)傳熱特性的作用做了相關(guān)分析；陳叔平[14]用Fluent多相流混合模型，編寫(xiě)UDF程序?qū)σ旱嘧冞M(jìn)行數(shù)值模擬；司洪宇對(duì)LNG氣液兩相流體激振（不穩(wěn)定性）進(jìn)行了研究[15]；劉亦鵬[16]對(duì)多種管路內(nèi)流體沸騰形成的氣液兩相流動(dòng)中Taylor氣泡宏觀特征進(jìn)行了可視化研究；張華[17]搭建了低溫輸送管路流動(dòng)特性的可視化研究模擬實(shí)驗(yàn)裝置和管內(nèi)低溫汽液兩相流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性研究的模擬實(shí)驗(yàn)裝置；Mikio Morioka等人[18]模擬LNG輸送管中流體流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的間歇泉現(xiàn)象主要受流體速度和管壁漏熱的影響進(jìn)行研究；K．Mishima等人[19]對(duì)矩形通道內(nèi)兩相流的壓降、流型過(guò)渡、空泡份額和彈狀氣泡的速度進(jìn)行研究；Nigmatulin等人[20]研究了垂直向下管內(nèi)兩相彈狀流動(dòng)，通過(guò)圖像處理，獲得了彈狀氣泡的界面位置；Takashi和Hibiki等人[21]對(duì)垂直向上大直徑管內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行了研究，總結(jié)歸納出大管內(nèi)泡狀流和彈狀流的漂移流關(guān)聯(lián)式。De.SH[22]對(duì)肋管中熱傳遞和流體之間耦合的液化天然氣的流動(dòng)問(wèn)題，得到了溫度，壓力，速度等參數(shù)隨著LNG溫度的升高和LNG的蒸發(fā)而變化。通過(guò)以上調(diào)研與分析，基于液化天然氣發(fā)生氣化產(chǎn)生兩相流，屬于低溫介質(zhì)兩相流，常見(jiàn)的兩相流理論模型有均相流模型、漂移流模型、雙相流模型、混合物模型和基于流型的模型，比較分析這幾種兩相流的理論模型，對(duì)于管內(nèi)相變兩相流的數(shù)值計(jì)算和模擬奠定了基礎(chǔ)[7]。

3.1 均相模型

本模型是將多相流作為性質(zhì)均勻的混合物進(jìn)行處理。并假定該混合物無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)且相態(tài)均勻。這些簡(jiǎn)化和假設(shè)的前提是氣液兩相之間沒(méi)有熱量交換，并且已經(jīng)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，密度與溫度無(wú)關(guān)，密度只是壓力的函數(shù)；氣液兩相以相同的速度運(yùn)動(dòng)；視為單相流體來(lái)計(jì)算流動(dòng)阻力損失。在諸多研究中，該模型多用于對(duì)兩相流傳熱流動(dòng)過(guò)程的粗略計(jì)算，多用于霧狀和氣泡流型。而對(duì)液化天然氣管內(nèi)相變傳熱流動(dòng)的輸送存在局限性。

3.2 漂移流模型

本模型只是分別研究氣液兩相流體，忽視了氣液兩相間的相互作用。但相比較均相模型，該模型計(jì)算方面已有很大的進(jìn)步。

3.3 雙流體模型

本模型與漂移流模型忽略氣液間的相互作用相反，該模型充分考慮了相間的相互作用，將其視為連續(xù)且相互滲透的介質(zhì)，滿(mǎn)足質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞方程。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，雙流體模型適用的條件有限，在低溫領(lǐng)域發(fā)展較大。其中，在泡狀流應(yīng)用較多。

4 發(fā)展前景

（1）對(duì)于液化天燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)距離運(yùn)輸仍存在一定的局限性， 管道中發(fā)生相變及管道壓力升高的問(wèn)題仍然很?chē)?yán)重，因此，對(duì)于管道設(shè)備的改進(jìn)和完善成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，特別是對(duì)絕熱高壓、大型、高效的低溫輸送泵研究以及對(duì)大批量液化天然氣所使用的低溫制冷機(jī)的研究前景廣闊；

（2）對(duì)于液化天然氣發(fā)生相變過(guò)程生成的兩相流的流型判別的界限不清，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)液化天然氣相變后流型的分析研究，對(duì)液化天然氣在管道內(nèi)相變流動(dòng)傳熱問(wèn)題的將會(huì)有很大幫助。

（3）針對(duì)低溫兩相流中的五種模型，由于有其特定的使用要求，限制條件對(duì)液化天然氣在管道內(nèi)相變成兩相流流動(dòng)傳熱問(wèn)題的研究存在不足。因此，我們應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)化條件，再結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。

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Research Status and Development Trend of Gas-Liquid Phase Change Heat Transfer Theory in LNG Pipeline

1,2,1

（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China； 2. PetroChina Pipeline Branch Company Pipeline Technology Research Center, HebeiLangfang065000，China）

The research status and development trend of gas-liquid phase change heat transfer theory in LNG pipeline were discussed. The results show that the phase change problem of LNG in pipeline has become more and more serious. What’s more, it affects the capacity and security of pipeline transportation. In order to alleviate these problems, characteristics of LNG pipeline transportation, phase change mechanism and characteristics of LNG, flow types and heat transfer of LNG were analyzed and compared. In the end, the existing problems and future development prospects were put forward. The article can provide theoretical basis for the research of phase change heat transfer in LNG pipeline.

LNG; Phase change; Heat transfer;Two-phase flow

TQ 013.1

A

1671-0460（2017）10-2124-04

2017-01-15

孫闊（1991-），男，在讀碩士研究生，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究。E-mail：1209745075@qq.com。

吳玉國(guó)（1977-），男，教授，博士，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及設(shè)備研究。E-mail：wyg0413@126.com。