關(guān)于LNG低溫管道保冷厚度的計(jì)算分析

孫　偉

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州　510655)

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，國家對(duì)高效清潔能源需求的不斷擴(kuò)大，液化天然氣(LNG)在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有效解決生態(tài)環(huán)保、保證國民用氣安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著非常重要的作用[1]。LNG是將氣態(tài)天然氣冷凍成液態(tài)的一種清潔能源，在充分燃燒后會(huì)生成水和二氧化碳等無害物質(zhì)，而且體積只有氣態(tài)的六百分之一，LNG經(jīng)加溫氣化后，可以迅速補(bǔ)充燃?xì)夤芫W(wǎng)，彌補(bǔ)冬季用氣高峰時(shí)的不足。在LNG工程的管道設(shè)計(jì)工作之中，管道保冷厚度的計(jì)算是非常重要的一環(huán)，如果保冷設(shè)計(jì)做的不合理，一方面過厚的保冷層設(shè)計(jì)必然造成投資成本的增加，另一方面若保冷層厚度不夠則會(huì)導(dǎo)致LNG冷量外散，引起液態(tài)氣化，在管路中產(chǎn)生氣阻影響低溫介質(zhì)的輸送，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能下降。同時(shí)，若保冷材料的質(zhì)量不合格或選擇不適當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致低溫管線結(jié)露結(jié)冰，保冷層破裂和產(chǎn)生水包等，從而影響正常生產(chǎn)。

1　LNG管道保冷材料

LNG管道的保冷層結(jié)構(gòu)一般包括絕熱層、防潮層和保護(hù)層。常見的保冷材料有三聚酯 硬質(zhì)PIR和泡沫玻璃，PIR是一種新型的有機(jī)高分子絕熱材料，以聚醚與異氰酸脂為主原料，再加上觸媒、防火劑及環(huán)保型發(fā)泡劑等充分混合、反應(yīng)、發(fā)泡生成的聚合體。泡沫玻璃則是一種性能優(yōu)越的無機(jī)發(fā)泡材料，以其永久性、安全性、高可靠性在低熱絕緣、防潮工程、吸聲等領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。

三聚酯的主要特性有：

應(yīng)用溫度：-200℃～120℃；熱傳導(dǎo)率為≤0.019W/m·K(在-120℃時(shí)效90天);

吸水重量百分比：≤0.5%(根據(jù)ASTM C518)；

抗壓強(qiáng)度(參照ASTM D1621)：23℃時(shí) ≥200 kPa (各個(gè)方向)，-165℃時(shí) ≥280 kPa (各個(gè)方向);

密度:42±2 kg/m3;

泡沫玻璃的主要特性有：

應(yīng)用溫度：-200℃～400℃；熱傳導(dǎo)率為0.06W/m·K(38℃);

吸水重量百分比：≤0.5%(根據(jù)ASTM C518)；

抗壓強(qiáng)度(參照ASTM D1621)：≥490kPa;

密度:125±10% Kg/m3;

對(duì)于LNG工程項(xiàng)目來說，擇優(yōu)選擇合適的保冷層材料是十分重要的，保冷材料的最低安全使用溫度要低于管道內(nèi)低溫介質(zhì)的正常操作溫度，其防火性能要達(dá)到國家安全標(biāo)準(zhǔn)，抗壓防滲性能好才能長期穩(wěn)定的保證保冷效果。

2　管道保冷厚度的計(jì)算方法

保冷層厚度計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接影響管道的保冷效果，根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50264-2013)，保冷厚度的計(jì)算方法主要有表面溫度法、經(jīng)濟(jì)厚度法、熱平衡法。在進(jìn)行保冷厚度的計(jì)算時(shí)，可針對(duì)不同的保冷用途和條件，選擇適合的計(jì)算方法[2]。

2.1　表面溫度法

以防止管道外表面凝露為目的的保冷厚度計(jì)算應(yīng)采用表面溫度法。表面溫度法主要考慮保冷后管道的外表面溫度，這種計(jì)算法要求保冷層的外表面溫度值高于夏季相對(duì)濕度最大時(shí)的露點(diǎn)溫度，防止保冷層外表面出現(xiàn)結(jié)露而引起對(duì)外放熱系數(shù)變大。但由于沿海地區(qū)常年濕度較大，經(jīng)表面溫度法計(jì)算后的保冷厚度可能偏大，而對(duì)于氣候干燥的西北等地區(qū)，計(jì)算出來的保冷厚度又可能偏小，導(dǎo)致管道介質(zhì)冷量損失過大，滿足不了正常生產(chǎn)的要求。

式中：D0——管道外徑，M；

D1-管道保冷層外徑，M；

T0-管道或設(shè)備外表面溫度，℃；

Ts——保冷層外表面溫度，℃；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

As——保冷層外表面放熱系數(shù)，W/(·℃)；

λ——保冷材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(·℃)；

δ——保冷層厚度，M。

2.2　經(jīng)濟(jì)厚度法

以降低保冷管道的冷量損失，降低能耗為目標(biāo)的保冷厚度計(jì)算應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)厚度法。但是，由于該計(jì)算方法所涉及到各種參數(shù)比較多，不同地區(qū)的能源價(jià)格、工程貸款利率、電價(jià)和絕熱結(jié)構(gòu)造價(jià)這些參數(shù)，對(duì)保冷厚度的計(jì)算影響非常明顯。因此，使用該方法計(jì)算得出的保冷厚度具有一定的局限性。采用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算的保冷層厚度，應(yīng)以熱平衡法校核其外表面溫度，該溫度應(yīng)高于環(huán)境的露點(diǎn)溫度0.3℃或以上，否則應(yīng)加厚重新計(jì)算直至滿足要求。

式中：Pe——能量價(jià)格，元/106kJ；

Pt——保冷結(jié)構(gòu)單元價(jià)格，元/m3；

S——絕熱工程投資年推銷率，%。

2.3　熱平衡法

工藝上規(guī)定了冷量損失的管道保冷，應(yīng)采用熱平衡法計(jì)算保冷層厚度，熱平衡法以限定冷量損失為前提。在LNG管道長距離的輸送過程中，外界熱量的傳入會(huì)使管道內(nèi)的液態(tài)介質(zhì)升溫氣化，所以需要根據(jù)管線的長度和工藝要求的最大允許冷量損失來計(jì)算保冷層厚度，計(jì)算得出的厚度需保障管道內(nèi)介質(zhì)的正常操作溫度。

冷損失量法計(jì)算厚度的公式：

式中：Q——每平方米保冷層外表面積的冷損失量，W/。

q——每米管道長度的冷損失量，W/；

Tm——平均溫度，℃；

Td——露點(diǎn)溫度，℃。

保冷層的厚度計(jì)算，都是以不使保冷結(jié)構(gòu)外表面結(jié)露為原則。GB 11790規(guī)定保冷結(jié)構(gòu)的外表面溫度應(yīng)該高于露點(diǎn)溫度1～2℃。日本《配管便覽》的計(jì)算則是按露點(diǎn)溫度為保冷層外表面溫度來計(jì)算保冷層厚度，計(jì)算得出結(jié)果再另加5mm得出結(jié)果[3]。

3　保冷層厚度計(jì)算實(shí)例

某LNG項(xiàng)目保冷管道的外徑為ф273，管內(nèi)介質(zhì)的操作溫度為-145℃，環(huán)境溫度為33℃，平均相對(duì)濕度為78%，露點(diǎn)溫度為28.5℃，在允許冷損失中傳熱系數(shù)As取8.141 W/(·℃)，保冷材料為泡沫玻璃管，導(dǎo)熱系數(shù)方程λ=0.05+0.000233tm,計(jì)算此LNG管道保冷層厚度δ。

保冷層表面溫度Ts=28.5+(1～2) = 30.5℃

平均溫度Tm=(Tf+Ts)/2=(-145+30.5) / 2=-57.25℃

λ=0.05+0.000233tm=0.063 W/(·℃)

最大允許冷損失的計(jì)算：Ta-Td=33-28.5=4.5，q=4.5×8.141=36.63

計(jì)算得出D0=0.496M，δ=(0.496-0.273)/2=0.137 M,所以保冷層厚度為140mm。

再核算保冷層外表面溫度：Ts=Ta-(q /π·D0·as)

=33-(36.63/3.14·0.496·8.141)=30.1℃。

由此可見，保冷層厚度δ=140mm，既滿足了最大允許冷損量的要求，又可以使保冷層外表面不結(jié)露，是合適的計(jì)算結(jié)果。

4　結(jié)論

通過對(duì)LNG管道保冷層厚度的計(jì)算和解析，在計(jì)算參數(shù)的制約下，可以看出表面溫度法和經(jīng)濟(jì)厚度發(fā)所具有的局限和缺點(diǎn)，本文通過實(shí)例采取限定冷量損失的熱平衡法計(jì)算保冷厚度，同時(shí)用表面溫度法進(jìn)行核算，保障保冷層的外表面溫度不小于露點(diǎn)溫度，避免溫度過低造成保冷層結(jié)露或結(jié)冰，從而保障工程項(xiàng)目的正常生產(chǎn)。