關于LNG低溫管道保冷厚度的計算分析

孫　偉

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州　510655)

隨著經濟的持續增長，國家對高效清潔能源需求的不斷擴大，液化天然氣(LNG)在優化能源結構，有效解決生態環保、保證國民用氣安全，實現經濟可持續發展等方面都有著非常重要的作用[1]。LNG是將氣態天然氣冷凍成液態的一種清潔能源，在充分燃燒后會生成水和二氧化碳等無害物質，而且體積只有氣態的六百分之一，LNG經加溫氣化后，可以迅速補充燃氣管網，彌補冬季用氣高峰時的不足。在LNG工程的管道設計工作之中，管道保冷厚度的計算是非常重要的一環，如果保冷設計做的不合理，一方面過厚的保冷層設計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導致LNG冷量外散，引起液態氣化，在管路中產生氣阻影響低溫介質的輸送，嚴重的還會導致產能下降。同時，若保冷材料的質量不合格或選擇不適當，會導致低溫管線結露結冰，保冷層破裂和產生水包等，從而影響正常生產。

1　LNG管道保冷材料

LNG管道的保冷層結構一般包括絕熱層、防潮層和保護層。常見的保冷材料有三聚酯 硬質PIR和泡沫玻璃，PIR是一種新型的有機高分子絕熱材料，以聚醚與異氰酸脂為主原料，再加上觸媒、防火劑及環保型發泡劑等充分混合、反應、發泡生成的聚合體。泡沫玻璃則是一種性能優越的無機發泡材料，以其永久性、安全性、高可靠性在低熱絕緣、防潮工程、吸聲等領域占據著重要地位。

三聚酯的主要特性有：

應用溫度：-200℃～120℃；熱傳導率為≤0.019W/m·K(在-120℃時效90天);

吸水重量百分比：≤0.5%(根據ASTM C518)；

抗壓強度(參照ASTM D1621)：23℃時 ≥200 kPa (各個方向)，-165℃時 ≥280 kPa (各個方向);

密度:42±2 kg/m3;

泡沫玻璃的主要特性有：

應用溫度：-200℃～400℃；熱傳導率為0.06W/m·K(38℃);

吸水重量百分比：≤0.5%(根據ASTM C518)；

抗壓強度(參照ASTM D1621)：≥490kPa;

密度:125±10% Kg/m3;

對于LNG工程項目來說，擇優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低溫介質的正常操作溫度，其防火性能要達到國家安全標準，抗壓防滲性能好才能長期穩定的保證保冷效果。

2　管道保冷厚度的計算方法

保冷層厚度計算的準確與否直接影響管道的保冷效果，根據《工業設備及管道絕熱工程設計規范》(GB50264-2013)，保冷厚度的計算方法主要有表面溫度法、經濟厚度法、熱平衡法。在進行保冷厚度的計算時，可針對不同的保冷用途和條件，選擇適合的計算方法[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算應采用表面溫度法。表面溫度法主要考慮保冷后管道的外表面溫度，這種計算法要求保冷層的外表面溫度值高于夏季相對濕度最大時的露點溫度，防止保冷層外表面出現結露而引起對外放熱系數變大。但由于沿海地區常年濕度較大，經表面溫度法計算后的保冷厚度可能偏大，而對于氣候干燥的西北等地區，計算出來的保冷厚度又可能偏小，導致管道介質冷量損失過大，滿足不了正常生產的要求。

式中：D0——管道外徑，M；

D1-管道保冷層外徑，M；

T0-管道或設備外表面溫度，℃；

Ts——保冷層外表面溫度，℃；

Ta——環境溫度，℃；

As——保冷層外表面放熱系數，W/(·℃)；

λ——保冷材料在平均溫度下的導熱系數，W/(·℃)；

δ——保冷層厚度，M。

2.2　經濟厚度法

以降低保冷管道的冷量損失，降低能耗為目標的保冷厚度計算應采用經濟厚度法。但是，由于該計算方法所涉及到各種參數比較多，不同地區的能源價格、工程貸款利率、電價和絕熱結構造價這些參數，對保冷厚度的計算影響非常明顯。因此，使用該方法計算得出的保冷厚度具有一定的局限性。采用經濟厚度法計算的保冷層厚度，應以熱平衡法校核其外表面溫度，該溫度應高于環境的露點溫度0.3℃或以上，否則應加厚重新計算直至滿足要求。

式中：Pe——能量價格，元/106kJ；

Pt——保冷結構單元價格，元/m3；

S——絕熱工程投資年推銷率，%。

2.3　熱平衡法

工藝上規定了冷量損失的管道保冷，應采用熱平衡法計算保冷層厚度，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，外界熱量的傳入會使管道內的液態介質升溫氣化，所以需要根據管線的長度和工藝要求的最大允許冷量損失來計算保冷層厚度，計算得出的厚度需保障管道內介質的正常操作溫度。

冷損失量法計算厚度的公式：

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——露點溫度，℃。

保冷層的厚度計算，都是以不使保冷結構外表面結露為原則。GB 11790規定保冷結構的外表面溫度應該高于露點溫度1～2℃。日本《配管便覽》的計算則是按露點溫度為保冷層外表面溫度來計算保冷層厚度，計算得出結果再另加5mm得出結果[3]。

3　保冷層厚度計算實例

某LNG項目保冷管道的外徑為ф273，管內介質的操作溫度為-145℃，環境溫度為33℃，平均相對濕度為78%，露點溫度為28.5℃，在允許冷損失中傳熱系數As取8.141 W/(·℃)，保冷材料為泡沫玻璃管，導熱系數方程λ=0.05+0.000233tm,計算此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算：Ta-Td=33-28.5=4.5，q=4.5×8.141=36.63

計算得出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露，是合適的計算結果。

4　結論

通過對LNG管道保冷層厚度的計算和解析，在計算參數的制約下，可以看出表面溫度法和經濟厚度發所具有的局限和缺點，本文通過實例采取限定冷量損失的熱平衡法計算保冷厚度，同時用表面溫度法進行核算，保障保冷層的外表面溫度不小于露點溫度，避免溫度過低造成保冷層結露或結冰，從而保障工程項目的正常生產。