LNG保冷层厚度计算方法的探讨

2019-08-05马良

山东化工 2019年13期

马良

(中海油石化工程有限公司，山东济南 250100)

随着世界经济的快速发展，能源和环境问题受到越来越多的重视。天然气作为一种绿色能源，其需求量在不断的上升。液化天然气(LNG)是天然气经过脱硫、脱碳、脱水、脱重烃和杂质等预处理后，再经液化工艺冷却降温至-162℃而成。LNG在输送过程中温度很低，会不断的从周围环境中吸收热量，致使管道内部LNG汽化，给LNG管道的安全稳定运行带来隐患，因此需要采取相应的保冷措施。目前国内应用较多的保冷材料主要有聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)和二烯烃泡沫(LT+LTD)。其中PIR低温适用性好(最低达到-196℃)、导热系数低、耐热及阻燃性能好，是目前使用最理想的LNG保冷材料。对保冷层厚度进行计算主要是防止保温层表面凝露和控制最大冷损失量。目前计算方法主要有公式法、有限元法。然而公式法计算复杂，计算过程需迭代计算，结果还存在一定偏差。有限元法计算结果精度高，但是需掌握复杂的计算流体力学知识，计算时需建立大量的物理模型，不适宜工程应用。对此类问题，运用一般程序设计语言编程，解决问题的算法和程序被封装起来，用户只需输入参数即可完成计算任务，适用于工程计算。本文以某LNG低温管道保冷层厚度计算为例，对保冷层厚度计算方法进行探讨。

1 保冷工程概况及参数

LNG管道外径D0为1067 mm，壁厚t为12.7 mm。LNG温度为-162℃，保冷材料为PIR，其导热系数λ随温度变化由下式确定：

根据气象资料，夏季空气调节室外计算干球温度Ta为32.8℃，最热月平均相对湿度为79 %，空气露点温度为29℃。

2 公式法

公式法根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB50264-2013)，保冷层的厚度有以下三种计算方法。(1)保冷层经济厚度计算。(2)防凝露保冷厚度计算。(3)控制最大冷损失量保冷厚度计算。根据谢刚等人的研究，对于单一保冷材料的保冷厚度的计算，应用控制最大冷损失量方法是确保保冷厚度的最佳方法，然后应用防结露方法对厚度校核。

2.1 控制最大冷损失量保冷厚度计算

在忽略管道内介质与金属、金属热阻的情况下，保冷层内的导热速率Q1可按下式计算：

式中，T0为管道的外表面温度，取LNG运行温度-162 ℃；Ts为保冷层外表面的温度；λ为根据平均温度计算的导热系数，根据(1)式可查得热系数λ值为0.0217 W/(m·℃)；D1为保冷层外径。

空气与保冷层表面的对流传热速率可按下式计算：

式中，保冷层表面空气对流传热系数αs为8.14 W/(m2·K)。

根据热平衡方程，保冷层内的导热速率等于空气与保冷层表面的对流传热速率，每平方米绝热层外表面积为单位的冷损失量Q可按下式计算：

在LNG保冷管路中，一般要求保冷层的冷损失量Q小于25 W/m2。由此计算保冷层外径D1为1363 mm，保冷层厚度δ按下式计算：

由此可得根据最大冷损失量计算的保冷层厚度为148 mm。对保冷厚度进行圆整，取160 mm，此时冷损失量Q为22.9 W/m2。

2.2 防凝露保冷厚度计算

若LNG保冷层表面温度低于水蒸气露点温度，空气中的水蒸气会凝结在管道表面腐蚀保护层或水分渗入保冷材料影响保冷效果，因此要求保冷层外表面温度应高于周围空气露点温度1～2℃。根据(2)(3)式，保冷层外表面温度Ts与保冷层外径有如下关系：

根据上式可得保冷层外表面温度Ts为30℃，符合要求。

3 有限元法

有限元法使用数值分析软件，建立管道保冷层的物理模型，然后对连续的求解域进行离散，通过求解能量守恒方程，计算得到保温层内部的温度分布。

图1 管道保冷层二维模型

其中管道内壁面Wall-1设为固定温度，温度取LNG温度-162℃。保冷层外壁面Wall-2设定对流传热系数为8.14 W/(m2×K)。

模型不包括流体流动，仅考虑传热问题。二维稳态能量方程形式为：

保冷层内温度分布曲线如图2所示。

图2 保冷层内温度分布曲线

保温层外表面温度为30.1℃。Wall-2壁面的热流量为21.97 W/m2，此即为保冷层外表面的冷损失量。

4 编程计算法

由于管道保温层系统内的温度沿管道中心线对称分布，温度仅是距离管道壁面距离的函数，此问题可简化为一维问题。将保冷层沿管道径向划分为若干单元。第一层保冷层单元内壁面温度即为LNG温度T0，最外层保冷层单元外壁面温度即为壁面温度TS。设定Ts值，根据(3)式即可求得Q2。采用一级迎风格式进行离散，每一保冷层单元的导热系数根据离散单元内壁面的温度求得。根据(6)式可求得第一层保冷层单元外壁面温度T1。第二层保冷层单元内壁面与第一层保冷层单元外壁面为同一截面。重复上述过程依次计算，即可求得最外层保冷层单元外壁面温度Tn。根据Tn对Ts设定值修正后重新计算，直到两者相等。

采用Visual Basic语言进行编程，程序计算界面如图3所示。