LNG保冷層厚度計算方法的探討

馬 良

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250100)

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源和環(huán)境問題受到越來越多的重視。天然氣作為一種綠色能源，其需求量在不斷的上升。液化天然氣(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)液化工藝冷卻降溫至-162℃而成。LNG在輸送過程中溫度很低，會不斷的從周圍環(huán)境中吸收熱量，致使管道內(nèi)部LNG汽化，給LNG管道的安全穩(wěn)定運行帶來隱患，因此需要采取相應(yīng)的保冷措施。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的保冷材料主要有聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)和二烯烴泡沫(LT+LTD)。其中PIR低溫適用性好(最低達到-196℃)、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐熱及阻燃性能好，是目前使用最理想的LNG保冷材料。對保冷層厚度進行計算主要是防止保溫層表面凝露和控制最大冷損失量。目前計算方法主要有公式法、有限元法。然而公式法計算復(fù)雜，計算過程需迭代計算，結(jié)果還存在一定偏差。有限元法計算結(jié)果精度高，但是需掌握復(fù)雜的計算流體力學(xué)知識，計算時需建立大量的物理模型，不適宜工程應(yīng)用。對此類問題，運用一般程序設(shè)計語言編程，解決問題的算法和程序被封裝起來，用戶只需輸入?yún)?shù)即可完成計算任務(wù)，適用于工程計算。本文以某LNG低溫管道保冷層厚度計算為例，對保冷層厚度計算方法進行探討。

1 保冷工程概況及參數(shù)

LNG管道外徑D0為1067 mm，壁厚t為12.7 mm。LNG溫度為-162℃，保冷材料為PIR，其導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度變化由下式確定：

根據(jù)氣象資料，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度Ta為32.8℃，最熱月平均相對濕度為79 %，空氣露點溫度為29℃。

2 公式法

公式法根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》(GB50264-2013)，保冷層的厚度有以下三種計算方法。(1)保冷層經(jīng)濟厚度計算。(2)防凝露保冷厚度計算。(3)控制最大冷損失量保冷厚度計算。根據(jù)謝剛等人的研究，對于單一保冷材料的保冷厚度的計算，應(yīng)用控制最大冷損失量方法是確保保冷厚度的最佳方法，然后應(yīng)用防結(jié)露方法對厚度校核。

2.1 控制最大冷損失量保冷厚度計算

在忽略管道內(nèi)介質(zhì)與金屬、金屬熱阻的情況下，保冷層內(nèi)的導(dǎo)熱速率Q1可按下式計算：

式中，T0為管道的外表面溫度，取LNG運行溫度-162 ℃；Ts為保冷層外表面的溫度；λ為根據(jù)平均溫度計算的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)(1)式可查得熱系數(shù)λ值為0.0217 W/(m·℃)；D1為保冷層外徑。

空氣與保冷層表面的對流傳熱速率可按下式計算：

式中，保冷層表面空氣對流傳熱系數(shù)αs為8.14 W/(m2·K)。

根據(jù)熱平衡方程，保冷層內(nèi)的導(dǎo)熱速率等于空氣與保冷層表面的對流傳熱速率，每平方米絕熱層外表面積為單位的冷損失量Q可按下式計算：

在LNG保冷管路中，一般要求保冷層的冷損失量Q小于25 W/m2。由此計算保冷層外徑D1為1363 mm，保冷層厚度δ按下式計算：

由此可得根據(jù)最大冷損失量計算的保冷層厚度為148 mm。對保冷厚度進行圓整，取160 mm，此時冷損失量Q為22.9 W/m2。

2.2 防凝露保冷厚度計算

若LNG保冷層表面溫度低于水蒸氣露點溫度，空氣中的水蒸氣會凝結(jié)在管道表面腐蝕保護層或水分滲入保冷材料影響保冷效果，因此要求保冷層外表面溫度應(yīng)高于周圍空氣露點溫度1～2℃。根據(jù)(2)(3)式，保冷層外表面溫度Ts與保冷層外徑有如下關(guān)系：

根據(jù)上式可得保冷層外表面溫度Ts為30℃，符合要求。

3 有限元法

有限元法使用數(shù)值分析軟件，建立管道保冷層的物理模型，然后對連續(xù)的求解域進行離散，通過求解能量守恒方程，計算得到保溫層內(nèi)部的溫度分布。

圖1 管道保冷層二維模型

其中管道內(nèi)壁面Wall-1設(shè)為固定溫度，溫度取LNG溫度-162℃。保冷層外壁面Wall-2設(shè)定對流傳熱系數(shù)為8.14 W/(m2×K)。

模型不包括流體流動，僅考慮傳熱問題。二維穩(wěn)態(tài)能量方程形式為：

保冷層內(nèi)溫度分布曲線如圖2所示。

圖2 保冷層內(nèi)溫度分布曲線

保溫層外表面溫度為30.1℃。Wall-2壁面的熱流量為21.97 W/m2，此即為保冷層外表面的冷損失量。

4 編程計算法

由于管道保溫層系統(tǒng)內(nèi)的溫度沿管道中心線對稱分布，溫度僅是距離管道壁面距離的函數(shù)，此問題可簡化為一維問題。將保冷層沿管道徑向劃分為若干單元。第一層保冷層單元內(nèi)壁面溫度即為LNG溫度T0，最外層保冷層單元外壁面溫度即為壁面溫度TS。設(shè)定Ts值，根據(jù)(3)式即可求得Q2。采用一級迎風(fēng)格式進行離散，每一保冷層單元的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)離散單元內(nèi)壁面的溫度求得。根據(jù)(6)式可求得第一層保冷層單元外壁面溫度T1。第二層保冷層單元內(nèi)壁面與第一層保冷層單元外壁面為同一截面。重復(fù)上述過程依次計算，即可求得最外層保冷層單元外壁面溫度Tn。根據(jù)Tn對Ts設(shè)定值修正后重新計算，直到兩者相等。

采用Visual Basic語言進行編程，程序計算界面如圖3所示。

圖3 Visual Basic語言進行編程計算界面

將三種方法對保冷層外壁面溫度和冷損失量的計算結(jié)果列于表1。

表1 三種方法保冷層外壁面溫度和冷損失量計算結(jié)果

5 結(jié)論

從表中可以看出，與公式法相比，有限元法和編程計算法對傳熱系數(shù)的計算更為精確，其計算結(jié)果更加準確。編程計算法只需輸入?yún)?shù)即可完成保冷層厚度計算，操作簡便，更適合工程上快速、準確的計算LNG保冷層厚度。