LNG輸送管道耦合傳熱的數值模擬

胡卓煥，黃天科，張樂毅，楊茉

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093）

引 言

天然氣作為一種高效而清潔的能源，近年來在世界能源市場結構中的比例不斷增加，得到了越來越廣泛的應用［1］。我國也非常重視LNG的應用和LNG加氣站的建設，隨著LNG汽車的推廣，我國LNG氣站數量迅速增長，由最初2007年僅在北京、上海、烏魯木齊等地的6個氣站發展到2014年總數接近2500個。LNG的密度是天然氣的600倍，而重量僅為同體積水的45%左右。天然氣液化輸送相對于氣態輸送來說具有很多顯著的優點，輸送相同質量的天然氣，LNG輸送管的直徑要小得多，通過管道輸送液化天然氣 （LNG）具有顯著的經濟優勢和發展潛力［2］。

低溫LNG的輸送管道可分為3類：非絕熱管道、普通絕熱管道以及真空絕熱管道［3］。非絕熱管道通常用于間斷性的短距離輸送，雖然造價低，但在使用時冷量 損失較大；真空絕熱管道雖然冷量損失少，但造價和施工管理費用高。對于大批量LNG的長距離輸送，通常采用普通絕熱管道。這種管道是在LNG管道外敷設一定厚度的隔熱材料，其絕熱性能比真空絕熱管道差，但其投資和施工管理費用比真空絕熱管小，綜合各方面因素考慮，普通絕熱管道較適合長距離輸送。

許興華等［4］運用理論分析與經驗公式相結合，采用Matlab科學計算軟件對某液化天然氣加氣站管道進行熱力分析，提出了一種計算液化天然氣加氣站管道冷量損失的方法。但是計算中未考慮周圍空氣流動和環境溫度等的變化導致的保溫層外表面對流換熱系數的變化以及太陽能輻射等因素對管道熱力性能的影響。謝剛等［5］對LNG管路保溫厚度進行了理論分析計算，分析了保溫層經濟厚度計算方法、防止表面凝露的保溫層厚度計算方法和控制最大允許冷量損失的保溫層厚度計算方法，并用實例進行了驗證。包臣等［6］對保溫層中溫度場進行了數值模擬，但是對空氣對流換熱系數采取了取定值的方法，未能分析保溫層外表面的對流換熱系數受外界影響變化的情況。

本研究結合工程實際工況建立LNG管道二維穩態傳熱模型。由于LNG的輸送是在－150℃以下的低溫環境下進行［7－8］，LNG與管道外部環境溫度之間有較大的溫差，從而使得LNG在管道輸送過程中與外界環境進行熱量交換，造成大量的冷單量和冷量 損失。在這個復雜的傳熱過程中，由保溫特性，太陽輻射等因素都會產生重要的影響。因此，對LNG管道在與外界環境之間進行耦合傳熱分析就顯得尤為重要［9－10］，對于計算LNG輸送過程中的冷量 損失、設計合理保溫層厚度以及對LNG管道建設的經濟性評估具有一定的實際意義。

同時，耦合傳熱問題也引起了很多研究者的關注［11－15］。為此，本研究以某天然氣管道為例，通過對LNG管道進行耦合傳熱分析比較了不同環境溫度、保溫層厚度、Reynolds數和輻射強度對管道冷量和冷量 損失的影響，進一步分析了在現實工況下LNG管道的冷量 損失計算方法，為LNG管道實際的工程設計、運行優化和節能技改等提供科學依據。

1 理論分析

LNG輸送管道在實際使用中，采用埋地敷設時，保溫層受壓后將導致傳熱系數增加，保溫效果降低，同時不便于施工和檢查維護，因此常采用架空敷設的方式［16］。由于輸送LNG管道的長度相對管徑來說較長，在輸送過程中流過單位長度LNG管道溫度的變化可以忽略不計，故可不考慮LNG沿管道長度方向的熱量傳遞，管道內的LNG冷量損失主要來自LNG與保溫層之間的導熱以及保溫層外表面與周圍環境之間的對流和輻射的熱交換。根據LNG管道保溫材料厚度的不同，這3種熱量傳遞形式都對LNG的冷量損失產生一定的影響。LNG管道耦合傳熱如圖1所示。

圖1 LNG管道耦合傳熱示意圖Fig.1 Coupled heat transfer for pipeline

1.1 導熱

導熱是在固體內部熱量從溫度較高部分傳遞到溫度較低部分的現象。在LNG管道中熱量在管壁和保溫層內的傳遞就是導熱。LNG管道可視為圓柱體，單位長度LNG管道與外界環境之間的導熱熱阻計算公式為［17］：

式中，R為熱阻，單位為 m·K·W－1；λ1、λ2分別為LNG管道和保溫材料的熱導率，單位為W·m－1·K－1；d1、d2、d3分別為LNG管道內徑、管道外徑和保溫層外徑，單位為m。

單位長度LNG管道與外界環境之間的導熱熱流量：

式中，φ1為通過保溫層導熱熱流量，單位為W；tw為壁面溫度，t1為LNG管道內表面溫度，單位均為K。

1.2 對流

流體流過一個物體表面時與物體表面間的熱量傳遞過程稱為對流換熱。對流換熱分為強制對流換熱與自然對流換熱兩類。LNG在管道內運輸時與管壁的換熱是強制對流換熱，管外保溫層與環境的換熱是自然對流換熱，其熱流量：

式中，φ2為保溫層外表面對流換熱熱流量，單位為W；h為對流換熱傳熱系數，單位為W·m－2·K－1；A為輻射面積，單位為 m2；tw為壁面溫度，tf為周圍環境溫度，單位均為K。

對流換熱是一個復雜的質能交換過程，對流換熱傳熱系數與固體表面粗糙度、幾何形狀、所處的環境溫度和空氣的傳導率等因素有關。LNG管道截面保溫如圖2所示。

圖2 LNG管道截面保溫示意圖Fig.2 Cross section of LNG pipeline

由于管道內低溫的LNG以一定的速度流動，管道內壁與LNG之間為強制對流換熱，其對流換熱傳熱系數可按照以下公式確定［17］：

式中，Nuf為Nusselt數，Re為Reynolds數，Pr為Prandtl數，l為管道長度，h即為對流換熱傳熱系數。

保溫層外壁與周圍空氣之間為自然對流換熱，自然對流是由于空氣熱脹冷縮產生的浮升力所造成［18］。根據對流微分方程組，可以得出自然對流換熱的準則方程式：

1.3 輻射

物體因熱而發出電磁波來傳遞能量的方式稱為熱輻射。任何有溫度的物體都在不斷地向空間發出熱輻射，同時吸收其他物體的輻射。LNG管道保溫層外表面受周圍環境及太陽輻射的影響，所以在進行LNG管道熱力分析時輻射也應考慮在內。物體處某一環境下的輻射熱量應由斯忒藩－玻耳茲曼定律計算［10］：

式中，ε1為物體的發射率；σ為斯忒藩－玻耳茲曼常數，又稱黑體輻射常數，單位為W·m－2·K－4；A為輻射面積，單位為m2；Tf為物體溫度，Tw為外界環境溫度，單位均為K。

任何外界輻射量都可視為某一環境溫度下某一物體的熱輻射。本研究將不同的外界輻射量換算為不同的環境溫度下LNG管道的輻射散熱來進行計算。

1.4 耦合傳熱

LNG管道的耦合傳熱模型如圖1所示。LNG與周圍之間的傳熱包括導熱、對流和輻射［19］，分別為上述式 （2）、式 （3）和式 （6）。根據以上各式的定義，可得：

即LNG在其輸送管道中的冷量損失為保溫層外表面對流換熱量和輻射換熱量之和。

2 模型建立

2.1 問題描述

以某LNG氣站為例。LNG管道內徑179 mm，外徑188mm，材質為0Cr18Ni9，熱導率為λ＝11.8W · m－1· K－1。 保 溫 材 料 為 LT／Armaflex系列保溫材料，熱導率為λ＝0.015W·m－1·K－1。LNG泵提供1.194MPa壓力，溫度為－158℃。管道全線平均壓力p＝1MPa，管道終壓p＝0.856MPa，溫度為－154℃。LNG密度ρ＝415.205kg·m－3，比定壓熱容cp＝3487.9J·kg－1·K－1，運動黏度ν＝1.54×10－7m2·s－1。LNG保溫層厚度為145mm，管道終點LNG溫度為－154℃，LNG全程處于液態。

選取LNG管道、保溫材料以及周圍環境為研究對象，該過程為三維傳熱過程。而在實際過程中，由于管道較長，LNG在輸送過程中單位長度內溫度變化較小，故本研究忽略保溫層及LNG的軸向傳熱，整個傳熱過程可以簡化為由外界通過保溫層和管道向LNG傳熱的一個二維傳熱問題。LNG與管道內壁之間可簡化為第三類傳熱邊界條件，其對流換熱傳熱系數可根據式 （2）確定。保溫層外界的空氣采用Boussinesq假設，通過建立數學模型，其模擬區域如圖3所示。

圖3 LNG管道傳熱物理模型及網格劃分Fig.3 Physical model and grids partition

根據邊界層理論，靠近保溫層外表面部分由于對流引起的流動以及溫度的變化相對比較劇烈。為保證數值模擬的精度，在劃分計算模型網格時，靠近保溫層外表面部分的網格劃分相對比較密，而其他部分的網格劃分相對比較稀疏。

2.2 模擬結果及分析

本研究以上述物理模型為例，從不同保溫層特性、Reynolds數、環境溫度以及輻射強度等方面研究其對傳熱過程的影響。

在2.1節問題描述中的工況，在不考慮太陽輻射及空氣強制對流對傳熱的影響時，在保溫層外表面與周圍環境自然對流的條件下，環境溫度為293.15K時，得到LNG管道外表面平均溫度為291.76K，LNG流經每米管道的冷量損失為17.62W·m－1，冷量 損失為26.53W·m－1。

管道保溫層內及周圍空氣的溫度分布如圖4所示。圖中等溫線分布基本為同心圓環，由此說明了在整個傳熱過程中熱阻主要集中在保溫層內部，外界的空氣自然對流對其傳熱影響較小。

圖4 自然對流狀況下保溫層及周圍溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution around pipeline on condition of natural convection

2.2.1 不同環境溫度的影響 分別取環境溫度273.15、283.15、293.15、303.15、313.15K，進而研究外界環境溫度變化對LNG熱力性能的影響。通過仿真模擬得到結果，具體如圖4所示。隨著環境溫度的增加，LNG管道的冷量和冷量 損失均有明顯的增加。這是因為，隨著內外溫差的增大，保溫層中溫度梯度增大，造成了LNG冷量和冷量 損失的增加。

由圖5可見，當溫度升高到40℃時，冷量損失較10℃時約增加20%左右。環境溫度每升高10℃，LNG管道的冷量損失增加1.02W·m－1左右，冷量 損失約增加3.04W·m－1。

圖5 不同環境溫度對管道熱力性能的影響Fig.5 Effect of environment temperature on energy loss

2.2.2 不同Reynolds數的影響 在無風情況下，LNG管道保溫層外表面通過自然對流的形式與外界換熱。空氣流動使得保溫層外表面與空氣對流換熱得到強化，傳熱系數增加，造成管道冷量和冷量增加。通過Fluent數值模擬得到，隨著風速的變化，當Reynolds數從1.5×104到3×105時（即風速為0.5m·s－1到10m·s－1范圍）時，LNG的冷量和冷量 損失如圖6所示。隨著Reynolds數的增加，保溫層表面的對流換熱傳熱系數增大，但冷量損失增加不明顯。由此可得，LNG管道與外界熱交換的熱阻主要集中在保溫材料層，減小保溫層表面與空氣的對流換熱對于改善LNG管道的絕熱性能作用不明顯。

圖6 不同Reynolds數對管道熱力性能的影響Fig.6 Effect of Reynolds number on energy loss

2.2.3 不同太陽能輻射的影響 以夏季中午太陽能輻射為1350W·m－2為例，分別取最大太陽能輻射以及最大輻射的75%、50%和25%，分析太陽能輻射對2.1節中所取模型的LNG管道熱力性能的影響 （假設保溫層表面發射率為0.8），如圖7所示。隨著太陽能輻射的增加，保溫層表面平均溫度升高，LNG冷量損失和冷量 也逐步增加。

若保溫層外表面不加遮熱板或防輻射涂層，當輻射強度為1350W·m－2時，與無太陽光輻射時相比，冷量損失增大25%左右。但在實際工程中保溫層表面采用單層、多層遮熱板或防輻射涂層，這對于降低由輻射造成的LNG冷量損失有重要意義。

2.2.4 不同保溫材料厚度耦合傳熱的影響 以上討論了不同的環境溫度、保溫層表面換熱傳熱系數以及太陽能輻射對LNG管道傳熱的影響。文獻［7］給出了達到一定絕熱性能所需保溫層厚度的計算方法及其計算公式。在實際工程應用中，往往是通過設計不同厚度的保溫材料達到一定的絕熱性能要求［16］，上述各種因素對絕熱性能的影響均對最終保溫層厚度的設計產生影響。

圖7 不同太陽輻射強度對管道熱力性能的影響Fig.7 Effect of intensity of radiation on energy loss

由此，本研究計算了環境溫度分別為273.15、283.15、293.15、303.15和313.15K時，保溫層厚度分別為72.5、108.75、145、181.25和217.5 mm情況下LNG管道冷量損失和冷量 的變化情況，如圖8和圖9所示。

圖8 保溫層厚度與冷量損失圖Fig.8 Effect of thickness of insulation on energy loss under different temperature

由圖8和圖9可知，對于一定的環境溫度，保溫層厚度較薄時，增加保溫層厚度對于降低LNG管道冷量損失有明顯的作用。隨著保溫層厚度的增加，管道冷量損失減小，繼續增加保溫層對改善其絕熱性能作用有限。保溫層厚度增加，使得LNG管道建設投資增加，經濟性下降。當保溫層厚度較薄時，環境溫度的變化對保溫層冷量和冷量 損失的變化產生明顯的影響，隨著保溫層厚度的增加，外界環境的變化對管道冷量損失的影響逐漸減小。

圖9 保溫層厚度與冷量 損失關系圖Fig.9 Effect of thickness of insulation on cold exergy loss under different temperature

3 結 論

對LNG管道與周圍環境之間的導熱、對流和輻射的耦合傳熱進行了數值分析，通過比較不同的環境溫度、Reynolds數和輻射強度以及保溫層特性得出以下結論。

（1）外界環境的溫度對LNG管道的冷量損失影響顯著，環境溫度每升高10℃，LNG管道的冷量損失約增加1.02W·m－1。對LNG保溫材料厚度進行設計和計算時，應充分考慮當地最高氣溫對管道冷量損失的影響。

（2）LNG管道周圍的強制空氣流動會對保溫層表面對流換熱傳熱系數產生一定影響。但是與保溫材料熱阻相比保溫層表面對流換熱熱阻相對較小，保溫層表面換熱傳熱系數的改變對LNG管道的冷量損失影響不大。

（3）陽光輻射對LNG管道的冷量損失影響較大，在LNG管道保溫層表面加遮熱板或防輻射涂層對改善絕熱性能有重要意義。

（4）通過不同的保溫材料的厚度對LNG冷量損失的影響可以發現，保溫材料的厚度對LNG管道的冷量 損失影響較大。當保溫材料的厚度較薄時，LNG管道的冷量和冷量 損失受外界溫度變化的影響較大，隨著保溫層厚度的增加，外界環境的變化對管道冷量 損失的影響逐漸減小。

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