馬 良

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

隨著世界經(jīng)濟(jì)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?yán)鋮s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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行編程，程序計算界面如圖3所示。

圖3 Visual Basic語言進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)確的計算LNG保冷層厚度。