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        LNG管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷厚度簡化計算研究

        2018-11-08 05:06:10孫明玉郭鵬增
        石油工程建設(shè) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        吳 捷,孫明玉,郭鵬增

        中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司,山東青島 266000

        全球能源結(jié)構(gòu)正持續(xù)低碳化,液化天然氣(LNG)作為清潔能源在全球范圍內(nèi)持續(xù)擴(kuò)張[1],LNG工程建設(shè)備受矚目。LNG管道輸運溫度約為-160℃,適用該溫度的常用保冷材料有泡沫玻璃[2]、氣凝膠氈、聚異氰脲酸酯(PIR)[3]、彈性橡膠泡沫等。保冷材料特性各有優(yōu)劣,通常采用兩種材料組成的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu),進(jìn)而取長補短優(yōu)化整體保冷結(jié)構(gòu)。

        低溫工程中對于復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。李玨等[4]結(jié)合工程要求,研究并設(shè)計內(nèi)層泡沫玻璃+外層硬質(zhì)聚氨酯的保冷結(jié)構(gòu);劉曉延等[5]提出內(nèi)層泡沫玻璃+外層聚乙烯泡沫的保冷結(jié)構(gòu),并應(yīng)用于液化乙烯輸運工程;賈琦月等[6]從保冷施工角度研究了內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的保冷結(jié)構(gòu)。

        保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,陳玨伶等[7]從計算方法角度討論復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)保冷層外表面溫度對保冷層總厚度的影響;李兆慈等[8]列舉了不同分層厚度方案,對比討論了卸料管道的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu);劉玉晗等[9]采用數(shù)值模擬分析研究了保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計。在采用最大允許冷損失量法進(jìn)行復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計中,內(nèi)保冷層外表面溫度取值依賴工程設(shè)計經(jīng)驗,保冷層厚度計算過程較為繁瑣,因此復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷層的計算簡化十分必要。本文擬通過研究保冷層厚度的計算方法,提出保冷層厚度計算簡化公式,結(jié)合工程實例和數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。

        1 保冷結(jié)構(gòu)計算方法研究

        GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》[10-12]中的最大允許冷損失量法是復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)常用計算方法,公式如下:

        (1)最大允許冷損失量:

        (2)圓筒型兩種保冷材料保冷厚度:

        (3)圓筒型兩種保冷材料冷損失量:

        (4) 圓筒型兩種保冷材料外表面溫度:

        (5) 兩種保冷材料復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的內(nèi)層保冷層外表面溫度:

        式中:[Q]為最大允許冷損失量,W/m2;Q為每平米保冷層外表面冷損失量,W/m2;αs為外表面換熱系數(shù),W/(m2·K);δ1為內(nèi)層保冷材料的保冷層厚度,mm;δ2為外層保冷材料的保冷層厚度,mm;λ1為復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)層保冷材料在環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λ2為復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)外層保冷材料在環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);K1為內(nèi)層保冷材料的保冷層厚度修正系數(shù);K2為外層保冷材料的保冷層厚度修正系數(shù);D0為管道外徑,mm;D1為內(nèi)層保冷材料的保冷層外徑,mm;D2為外層保冷材料的保冷層外徑,mm;T0為保冷管道的外表面溫度,℃;T1為內(nèi)層保冷材料的保冷層外表面溫度,℃;Ta為環(huán)境溫度,℃;Td為露點溫度,℃;Ts為保冷層外表面溫度,℃。

        由以上公式可知,在工程環(huán)境確定后,兩種保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)和內(nèi)外保冷層的厚度是影響保冷層總厚度的主要影響因素。為得到最優(yōu)保冷層厚度,需在復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)經(jīng)驗暫估保冷層外表面溫度T1,最后校核保冷層外表面溫度、冷損失量和保冷層外表面溫度,計算較為繁瑣。

        2 保冷層厚度計算及數(shù)值模擬

        2.1 保冷結(jié)構(gòu)參數(shù)選定

        根據(jù)某國際項目的LNG輸運模塊情況進(jìn)行復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)計算。該項目位于北極圈內(nèi),常年處于低溫高濕環(huán)境下,最熱月平均溫度為9.4℃,相對濕度86%,即露點溫度為7.18℃;該工程LNG管道設(shè)計溫度為-170℃。為保證保冷效果,并滿足經(jīng)濟(jì)性、防潮及防火需求,采用內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)。選取該項目管徑為DN900的保冷管作為研究對象。

        保冷絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度而變化的,PIR和泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)λ1和λ2的計算公式分別為[10]:

        式中:λ01為25℃時PIR的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λ02為25℃時泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Tm為環(huán)境平均溫度,℃。

        經(jīng)計算,PIR平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λ1取值為0.020 3 W/(m·K),保冷層厚度修正系數(shù)K1=1.2;泡沫玻璃平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.0328W/(m·K),保冷層厚度修正系數(shù)K2=1.1;外表面換熱系數(shù)αs=8.141 W/(m2·K),代入式 (1)、(2),得最大允許冷損失量Q=18.09 W/m2。

        為滿足保冷工程需求,通常復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中有一個保冷材料起到主要作用。如該項目中,內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu),其中PIR以其低導(dǎo)熱系數(shù)為主要保冷層,而泡沫玻璃以其無機(jī)不燃、低透濕率、低吸水率特性,作為提高整體保冷結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的外保冷層。

        2.2 內(nèi)保冷層外表面溫度T1與保冷層厚度關(guān)系的討論

        由式(5)可以看出,在采用最大允許冷損失量法進(jìn)行計算時,內(nèi)層保冷層外表面溫度T1的選取影響保冷層總厚度。根據(jù)T1的不同取值,得到T1與內(nèi)外保冷層厚度及總厚度的關(guān)系,如圖1所示。在內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中,T1與保冷層總厚度成反比,即泡沫玻璃厚度最小時,保冷層總厚度最優(yōu)。泡沫玻璃是一種脆性硬質(zhì)保冷材料,依工程經(jīng)驗,可切割安裝的最小厚度為50 mm。

        圖1 內(nèi)保冷層外表面溫度T1與內(nèi)外層保冷層厚度及總厚度關(guān)系曲線

        因此,轉(zhuǎn)換思路,先確定外層泡沫玻璃的厚度,計算優(yōu)化保冷層總厚度,可避免因缺乏估算T1的經(jīng)驗造成繁瑣計算。將復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)簡化為僅用外層保冷材料的單一保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想,整理簡化后得公式如下:

        當(dāng)確定外層絕熱材料厚度時,即已知δ2時:

        將簡化公式在實例中進(jìn)行應(yīng)用,對比計算結(jié)果,見表1。

        表1 規(guī)范公式和簡化公式計算結(jié)果對比

        經(jīng)對比,應(yīng)用簡化公式計算結(jié)果滿足內(nèi)保冷層外表面溫度和外層保冷材料適用溫度;冷損失量小于最大允許冷損失量;滿足外表面溫度高于露點溫度0.3℃的要求。按保冷材料施工切割及安裝要求進(jìn)行圓整,圓整后計算結(jié)果一致。

        2.3 數(shù)值模擬

        用ANSYS對上節(jié)的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力分析,得到溫度場分布圖(見圖2)和溫度梯度圖(見圖3)。從計算結(jié)果可以看出內(nèi)保冷層外表面溫度T1(-12.39℃),低于表1中計算結(jié)果。

        圖2 平均導(dǎo)熱系數(shù)下保冷管道徑向界面溫度分布場/℃

        圖3 平均導(dǎo)熱系數(shù)下保冷管道徑向溫度梯度

        由式(9)可知,在確定內(nèi)外保冷層厚度后,內(nèi)保冷層外表面溫度T1的影響因素是兩種保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨環(huán)境溫度變化的,式(9) 保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值是環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)取值。將新的T1代入式(10)、(11)進(jìn)行環(huán)境平均溫度的迭代計算,更新保冷材料環(huán)境平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù),從而得到的內(nèi)保冷層外表面溫度T1較為貼近實際,見表2。計算結(jié)果可知,迭代2~3次即可得到較為接近實際的內(nèi)保冷層外表面溫度V0,經(jīng)數(shù)值模擬校核,該簡化公式可行。

        表2 迭代計算內(nèi)保冷層外表面溫度T1

        3 設(shè)計流程討論

        隨著保冷材料的多樣化,復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)也隨之多樣化。如某工程在保冷隔音系統(tǒng)中,采用內(nèi)層PIR+外層氣凝膠氈的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu),可根據(jù)項目隔音要求確定外層為30 mm厚氣凝膠氈,再計算內(nèi)層PIR的保冷層厚度。同理,如根據(jù)項目需求可先確定內(nèi)層保冷材料厚度,也可避免計算內(nèi)保冷層外溫度,即以簡化公式(12)進(jìn)行整理推導(dǎo),得確定內(nèi)層絕熱材料厚度δ1時的簡化公式:

        基于以上研究討論,梳理復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如下:

        (1)根據(jù)工程需求,確定復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中一種保冷材料的厚度。

        (2)由簡化公式(12)、(13),計算保冷層總厚度和另一種保冷材料的厚度。

        (3)計算內(nèi)保冷層外表面溫度T1,迭代計算得到兩種保冷材料各自較符合實際的導(dǎo)熱系數(shù)。

        (4)校核最終內(nèi)保冷層外表面溫度T1、冷損失量Q和外表面溫度Ts。

        4 結(jié)論

        經(jīng)過上述研究討論后,得到如下結(jié)論:

        (1)在保冷工程確定復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)后,根據(jù)工程需求優(yōu)先確定其中一個保冷材料厚度時,可采用簡化公式(12)、(13)計算最優(yōu)保冷層厚度,避免繁瑣的T1取值;簡化公式經(jīng)工程實例和數(shù)值模擬驗證,可行。

        (2)提出應(yīng)用簡化公式的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計流程,為LNG管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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