極地平臺(tái)管線的保溫設(shè)計(jì)與傳熱分析

(1.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580； 2.中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

隨著全球能源需求的日益增長(zhǎng)和現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，石油與油氣消費(fèi)者的目光逐漸轉(zhuǎn)向能源豐富的極地地區(qū)。根據(jù)2008年7月23日美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)布的《環(huán)北極資源評(píng)估報(bào)告》，北極地區(qū)石油儲(chǔ)量占全球未開(kāi)采石油的30%，天然氣資源占全球未開(kāi)采天然氣的30%[1-3]。盡管評(píng)估顯示北極油氣資源的儲(chǔ)量相當(dāng)可觀[1]，但對(duì)北極油氣資源進(jìn)行規(guī)模開(kāi)發(fā)有眾多技術(shù)上的問(wèn)題，其中平臺(tái)設(shè)備的保溫防寒設(shè)計(jì)就是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。目前，對(duì)工藝管道保溫的研究已有不少，胡卓煥等[4]對(duì)LNG運(yùn)輸管道進(jìn)行耦合傳熱數(shù)值模擬，分析環(huán)境溫度、保溫層厚度、雷諾數(shù)對(duì)管道熱量損失的影響，但在計(jì)算中未考慮管道之間的布置對(duì)熱量損失的影響。魏玉滿(mǎn)[5]提出熱管保溫材料的選擇和保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算方法，但未通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。劉承婷[6]對(duì)蒸汽管道保溫材料進(jìn)行性能對(duì)比，模擬不同環(huán)境因素、保溫材料、保溫層厚度對(duì)保溫效果的影響。包臣等[7]對(duì)管道保溫層溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，但空氣與保溫層外表面的對(duì)流換熱是取定值計(jì)算的，未考慮風(fēng)速對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響。

以平臺(tái)某燃油管道為例，結(jié)合工程實(shí)際工況建立極地環(huán)境工作的燃油管道三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，所設(shè)計(jì)的管道保溫方式需保證能夠應(yīng)對(duì)-45 ℃的環(huán)境溫度。由于管道內(nèi)介質(zhì)溫度高達(dá)300 ℃，燃油管道內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度之間存在極大的溫差，管道在工作期間與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，造成極大的熱量損失。在這一復(fù)雜的傳熱過(guò)程中，保溫層的厚度變化會(huì)對(duì)傳熱過(guò)程產(chǎn)生很大的影響[8]。分析比較不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速、不同保溫層厚度以及不同管線布置情況對(duì)熱量損失計(jì)算的影響，進(jìn)一步分析實(shí)際工況下管道的耦合傳熱，最終得出具備一定理論依據(jù)和科學(xué)依據(jù)的保溫方案[9]。

1 理論分析

1.1 穩(wěn)態(tài)法測(cè)固體導(dǎo)熱系數(shù)

圖1 穩(wěn)態(tài)法測(cè)固體導(dǎo)熱系數(shù)裝置圖

保溫絕熱材料的選擇，既要考慮材料的性能是否滿(mǎn)足設(shè)備或管道的運(yùn)行工藝要求，又要考慮絕熱工程造價(jià)和絕熱施工工藝等諸方面因素[10]。由于極地環(huán)境惡劣，氣溫很低，應(yīng)考慮選用高效保溫材料對(duì)高溫管道進(jìn)行保溫。目前，常用的高溫管道保溫材料有微孔硅酸鈣、超細(xì)玻璃棉、聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料、聚異氰脲酸酯制品等，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)固體導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖2 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化關(guān)系曲線

在物體內(nèi)部取兩個(gè)熱傳導(dǎo)方向?yàn)榇怪狈较虻奈矬w，溫度分別為T(mén)1和T2，待測(cè)樣品P的厚度為h。穩(wěn)態(tài)法測(cè)固體導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)原理為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的傳熱速率ΔQ/ΔT與物體的橫截面積S和兩個(gè)面A、B的溫度差值T1-T2成正比，即

(1)

式中：λ為待測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為待測(cè)樣品的厚度，mm。

為更加明確地看出不同材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，測(cè)定以上幾種保溫材料100～600 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，繪制出導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出：超細(xì)玻璃棉在此溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有其他4種保溫材料穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)高且隨溫度上升較快，而微孔硅酸鈣、聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料、聚異氰脲酸酯的熱穩(wěn)定性良好，其中聚異氰脲酸酯導(dǎo)熱系數(shù)最低，當(dāng)溫度為600 ℃時(shí)僅為0.056 5 W/(m·K)，隔熱性能最佳。因此，初步選取聚異氰脲酸酯作為管道的保溫材料。

1.2 管道保溫層厚度的計(jì)算方法

根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，保溫層厚度的確定通常有以下3種方法[11-12]：(1)按保溫層外表面允許散熱值計(jì)算；(2)按控制表面溫度計(jì)算；(3)按經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算。

本文采用第1種方法計(jì)算：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：D和d分別為保溫層的外徑和燃油管道的外徑，m；λ為保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其數(shù)值隨環(huán)境溫度變化而變化，W/(m·K)；t0和tf分別為外界環(huán)境溫度和管道內(nèi)部介質(zhì)溫度， ℃；q為保溫層外表面的允許最大熱量損失，在管路的保溫設(shè)計(jì)中，保溫層的最大熱量損失取規(guī)范GB 50264-2013規(guī)定的允許最大散熱損失，W/m2；δ為保溫層厚度，m；α為保溫層外表面與外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

在絕熱工程設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，選用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程的綜合換熱系數(shù)：

單根敷設(shè)：

(4)

并排敷設(shè)：

(5)

式(4)和式(5)中：W為環(huán)境風(fēng)速， m/s。

得出保溫層厚度后，需對(duì)管道的熱損失值進(jìn)行校核：

(6)

最大允許散熱損失量[11-12]如表1所示。

表1 不同管道壁溫下外表面最大允許散熱損失量 W/m2

圖3 管道傳熱模型

1.3 保溫層厚度理論計(jì)算

以平臺(tái)上某燃油管道為例，內(nèi)徑為319 mm,外徑為325 mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ=54 W/(m·K)，管內(nèi)介質(zhì)溫度為300 ℃(管道壁溫取300 ℃)。由表1可知：允許的最大散熱量為186 W/m2，理論計(jì)算時(shí)環(huán)境溫度在-30～-60 ℃區(qū)間計(jì)算；由CCS規(guī)范查得，平臺(tái)作業(yè)工況設(shè)計(jì)風(fēng)速為36 m/s，自存工況設(shè)計(jì)風(fēng)速為51.5 m/s，理論計(jì)算時(shí)取此區(qū)間風(fēng)速計(jì)算,計(jì)算結(jié)果[13-14]如表2所示。燃油管道的傳熱模型如圖3所示，其中r0、r1和r2分別為管道的內(nèi)徑、外徑和保溫層的外徑。

表2 單根(并排)管道不同風(fēng)速和不同環(huán)境溫度下保溫層理論計(jì)算厚度 mm

根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，選取保溫層厚度為85 mm，表面熱量損失校核結(jié)果如表3所示。

表3 單根(并排)管道不同風(fēng)速和不同環(huán)境溫度下表面熱量損失驗(yàn)算值 W/m2

當(dāng)選取保溫層厚度為85 mm、環(huán)境溫度為-45 ℃時(shí)，理論計(jì)算得到的不同風(fēng)速情況下的表面熱量損失值與GB 50264-2013規(guī)范所允許的最大散熱值186 W/m2相差很小，考慮到在施工時(shí)保溫材料厚度難以控制，故管道理論上可以選取85 mm厚度進(jìn)行保溫。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 管道及空間場(chǎng)物理模型

圖4 管道空間物理場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型

以某極地平臺(tái)燃油管道、保溫材料和周?chē)h(huán)境為研究對(duì)象，將管道與保溫層、保溫層與外界空氣的交界面設(shè)置為耦合面進(jìn)行分析。由于在實(shí)際工況下管道較長(zhǎng)，介質(zhì)在輸送過(guò)程中單位長(zhǎng)度的溫度變化較小，故本研究著重分析管道的徑向熱量損失。此外，由于除保溫材料以外的其他各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大、厚度較小，對(duì)傳熱模擬影響較小，故本研究忽略過(guò)渡層、防潮層和保護(hù)層對(duì)傳熱模擬的影響。整個(gè)傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為管道、保溫材料和外界空氣之間的三維耦合傳熱，以此作為仿真對(duì)象。管道空間物理場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

2.2 模擬結(jié)果及分析對(duì)比

首先按GB 50264-2013允許的最大熱量186 W/m2計(jì)算出不同溫度、不同風(fēng)速下所需的保溫層厚度為85 mm，然后通過(guò)Fluent軟件對(duì)管道及周?chē)鷾囟葓?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，能量殘差曲線收斂，熱量損失模擬結(jié)果如表4所示。

表4 單根(并排)管道不同風(fēng)速和不同環(huán)境溫度下表面熱量損失模擬結(jié)果 W/m2

圖5 不同風(fēng)速對(duì)熱量損失的影響

2.2.1 不同風(fēng)速對(duì)熱量損失的影響

由式(2)可以看出：隨著風(fēng)速的增加，空氣的流動(dòng)使得對(duì)流換熱得到增強(qiáng)[15]，聚異氰脲酸酯保溫層外表面與外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)α隨之增加，使得燃油管道的熱量損失也增加。取36 m/s、41 m/s、46 m/s、51 m/s、56 m/s、60 m/s等6種不同風(fēng)速，通過(guò)數(shù)值模擬得出一定保溫層厚度(85 mm)和環(huán)境溫度(-45 ℃)情況下不同風(fēng)速時(shí)熱量損失，如圖5所示。從理論數(shù)據(jù)分析，熱量損失隨風(fēng)速的增加呈遞增趨勢(shì)，但是風(fēng)速?gòu)?6 m/s增加至60 m/s時(shí)的熱量損失增長(zhǎng)率僅為0.12%；從數(shù)值模擬分析，熱量損失不隨風(fēng)速的增加而變化，僅在51 m/s時(shí)增加，且增長(zhǎng)率僅為0.05%。可見(jiàn)，隨著風(fēng)速的增加，保溫層外表面與外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)隨之增加，但是風(fēng)速對(duì)其熱量損失值的影響很小。

2.2.2 不同環(huán)境溫度對(duì)熱量損失的影響

圖7 不同聚異氰脲酸酯保溫層厚度對(duì)熱量損失的影響

取環(huán)境溫度為-60 ℃、-55 ℃、-50 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-45 ℃、-40 ℃、-35 ℃、-30 ℃，由于風(fēng)速大小對(duì)管道的熱量損失值影響很小，這里通過(guò)數(shù)值模擬得出設(shè)計(jì)風(fēng)速(36 m/s)和一定保溫層厚度(85 mm)情況下，不同環(huán)境溫度時(shí)的熱量損失，如圖6所示。從理論數(shù)據(jù)分析，熱量損失隨溫度的增加呈線性下降的趨勢(shì)，且下降率為5.2%；從數(shù)值模擬分析，除-40 ℃存在誤差外，熱量損失的下降趨勢(shì)與理論數(shù)據(jù)基本相同。

圖8 不同管線間距布置對(duì)熱量損失的影響

2.2.3 不同保溫層厚度對(duì)熱量損失的影響

在70～130 mm區(qū)間，每隔5 mm取一厚度值進(jìn)行熱量損失的理論計(jì)算與模擬，取一定溫度(-45 ℃)、設(shè)計(jì)風(fēng)速(36 m/s)分析得到不同保溫層厚度對(duì)熱量損失的影響，如圖7所示。理論計(jì)算值與模擬值接近，最大誤差為保溫層取130 mm時(shí)的1.69 W/m2。此外，燃油管道的熱損失值隨著聚異氰脲酸酯保溫層厚度的增加而減少：70～75 mm的降幅高達(dá)12.15 W/m2；當(dāng)保溫層厚度超過(guò)90 mm時(shí)，熱量損失的降幅變??；到達(dá)130 mm厚度值時(shí)，降幅將趨于平緩，低至4.32 W/m2。

2.2.4 不同管線間距布置對(duì)熱量損失的影響

并排管線間距為500～1 000 mm，每隔50 mm取一間距值對(duì)管道的熱量損失進(jìn)行模擬計(jì)算，取一定溫度(-45 ℃)、設(shè)計(jì)風(fēng)速(36 m/s)分析得到不同管線間距對(duì)熱量損失的影響，如圖8所示。當(dāng)兩并排管線相距1 m時(shí)，其前后兩根管道的熱損失值相等，且平均熱量損失與單根敷設(shè)時(shí)均為187.56 W/m2，此時(shí)管線間距對(duì)熱損失值幾乎沒(méi)影響；隨著間距的加密，前后兩根管道的熱損失值差值逐漸增大，且前排管道的熱損失值始終大于后排，當(dāng)管線間距達(dá)到0.5 m時(shí)，前后兩根管道的熱量損失差值增至1.27 W/m2，此外平均熱量損失與單根敷設(shè)時(shí)的熱量損失差值也增至1.56 W/m2。

3 結(jié) 論

針對(duì)某極地平臺(tái)燃油管線與外界環(huán)境之間的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱進(jìn)行理論計(jì)算與數(shù)值模擬，比較不同風(fēng)速、不同環(huán)境溫度、不同保溫層厚度和不同管線布置方式對(duì)管道熱量損失的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 燃油管道周?chē)目諝饬鲃?dòng)產(chǎn)生對(duì)流換熱，風(fēng)速對(duì)聚異氰脲酸酯保溫層外表面的對(duì)流換熱系數(shù)有顯著的影響，但對(duì)流換熱的熱阻值相對(duì)于保溫材料的熱阻值很小。

(2) 外界環(huán)境是影響管道熱量損失的主導(dǎo)因素之一。隨溫度的增加，熱量損失呈線性下降的趨勢(shì)，環(huán)境溫度每增加5 ℃，熱量損失大約下降1.50 W/m2。

(3) 保溫層厚度的選取是保溫設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一步。從圖7可以看出：管道的熱量損失值與保溫層厚度不是線性關(guān)系，而是呈對(duì)數(shù)關(guān)系，熱損失值隨聚異氰脲酸酯保溫層厚度的增加而減小，然而隨著厚度的繼續(xù)增加，其對(duì)熱量損失的影響逐漸減小，降幅由12.15 W/m2降至4.32 W/m2。從保溫材料節(jié)能角度來(lái)說(shuō)，并不是保溫層越厚越好，管壁厚度為85 mm時(shí)的熱損失值與規(guī)范要求相近，在實(shí)際施工時(shí)可適當(dāng)增加保溫裕度。

(4) 在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)加密管線的布置在一定程度上可以減少熱能的散耗。當(dāng)兩管線間距超過(guò)1 m時(shí)，前后兩根管道的熱損失值相等，且單根敷設(shè)與并排敷設(shè)的熱損失值相等；隨著間距的加密，前后兩根管道的熱損失值差值逐漸增大，前排管道的熱損失值始終大于后排，此外平均熱量損失與單根敷設(shè)時(shí)的差值也逐漸增大。