高緯度地區(qū)PIR和柔性保冷材料適應(yīng)性評價研究

王傳平 韓英澤 李 虎 饒彬源 劉明明 伍時勇 庫爾班艾力 朱洪東

（中國石油新疆油田分公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

某采氣廠在建深冷管線和裝置選用了柔性保冷材料與PIR兩種保冷材料。柔性保冷材料主要由丁腈橡膠聚合物發(fā)泡（LT）和二烯烴泡沫（LTD）組成，內(nèi)層采用LTD柔性保冷材料，其使用溫度為-200～125℃；外層是主保冷層，采用LT柔性保冷材料，其使用溫度為-100～105℃。LTD耐低溫性能好，LT材料阻濕性能好且導(dǎo)熱率低，兩種材料相互彌補組合使用。聚異氰脲酸酯，簡稱三聚酯泡沫（PIR），是由異氰酸鹽與聚醚經(jīng)混合、反應(yīng)、發(fā)泡生成的閉孔硬質(zhì)泡沫聚合體，主要結(jié)構(gòu)是異氰脲酸酯環(huán)。PIR是目前較為理想的材料，分解溫度和閃點溫度都遠(yuǎn)高于普通的聚氨酯泡沫（PUR），其施工工藝和普通的聚氨酯泡沫（PUR）類似，從系統(tǒng)上不影響一般的工藝設(shè)計[1]。PIR具有獨立的密閉細(xì)胞結(jié)構(gòu)和非常高的閉孔率，發(fā)泡體細(xì)胞細(xì)微均勻、隔熱性能良好（工作溫度下導(dǎo)熱系數(shù)≤0.02W/（m·K））、耐火焰阻燃性能極優(yōu)（氧指數(shù)≥30），因而在絕熱性能、耐水透濕性、接著性、抗壓性、阻燃性和冷縮率等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的品質(zhì)[2]。本文通過數(shù)值模擬分析了兩種柔性保冷材料和PIR兩種材料的保冷效果，并從管道外表面溫度、冷損失量以及相對節(jié)能效率三方面綜合分析了兩種保冷材料的適應(yīng)性。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)場工藝介紹

該采氣廠地處高緯度地區(qū)，四季極端溫差為86℃，最大晝夜溫差為30℃。該采氣廠管轄氣田有四個，已建6套天然氣淺冷處理裝置，在建2套深冷處理裝置。

該采氣廠深冷工藝涉及分子篩脫水、冷箱換熱、膨脹機深度制冷、三塔RSV工藝回收乙烷等，工藝流程復(fù)雜、技術(shù)要求高。其中，脫甲烷塔前管線及出塔管線的操作溫度為-110℃，天然氣水露點低于-120℃。現(xiàn)場有埋地和架空兩種管道，埋地環(huán)境包括干沙、濕土。

現(xiàn)場RSV流程涉及的保冷溫度最低，因此以RSV流程為例，分析保冷工藝工況，如圖1所示。現(xiàn)場RSV的工藝參數(shù)如表1所示。

1.2 現(xiàn)場保冷材料及結(jié)構(gòu)

該采氣廠在建深冷管線和裝置選用了柔性保冷材料與PIR保冷材料及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。一種為防腐層—保冷層（綠色）—保冷層（黑色）—防潮層保冷結(jié)構(gòu)，其中保冷層采用兩層分別為50mm的柔性保冷材料，防潮層采用阻燃瑪蹄脂，厚度為2mm，保冷結(jié)構(gòu)如圖2所示；另一種為防腐層—保冷層—防潮層保冷結(jié)構(gòu)，其中保冷層采用厚度為125mm的PIR保冷材料，防潮層采用阻燃瑪蹄脂，厚度為2mm，保冷結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 RSV制冷流程

表1 RSV工藝參數(shù)

圖2 保冷結(jié)構(gòu)

1.3 環(huán)境工況

1.3.1 埋地溫度

該采氣廠氣田分布較廣，埋地管道埋深統(tǒng)一小于1.8m。該采氣廠管轄區(qū)內(nèi)一年中地溫變化如圖3所示。其中，最高溫為17℃，最低溫為0℃。

圖3 地溫變化曲線

1.3.2 大氣溫度

該采氣廠現(xiàn)場保冷管道含有站內(nèi)架空管道，需要考慮外界環(huán)境溫度。當(dāng)?shù)貧鉁啬曜兓鐖D4、圖5所示。該采氣廠所在城市一年內(nèi)最低環(huán)境溫度變化范圍為-31～15℃，最高環(huán)境溫度變化范圍為-13～34℃。

2 現(xiàn)場工況模擬

2.1 PIR保冷材料應(yīng)用模擬

以PIR保冷材料為例，建立相應(yīng)的物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1.1 模型建立

按照防腐層、絕熱層、防潮層、空氣層四層結(jié)構(gòu)，建立介質(zhì)流—管道—防腐層—絕熱層—防潮層—空氣流物理模型。各層材料物性參數(shù)如表2 所示。

圖4 最低大氣溫度

圖5 最高大氣溫度

表2 物理模型各層參數(shù)

2.1.2 邊界條件設(shè)置

以管道實際運行工況為依據(jù)，確定數(shù)值模擬入口條件如表3所示。

表3 設(shè)定邊界條件

2.1.3 模擬結(jié)果分析

由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知，夏季最高氣溫為43℃，冬季最低氣溫為-23.8℃。以上述溫度為上下限，環(huán)境溫度取不同值時對PIR和柔性保冷材料分別進(jìn)行模擬，得到兩種材料最外層壁面溫度以及熱流密度。

保冷材料為PIR保冷材料時，環(huán)境溫度分別為43℃、15℃、-5℃、-25℃時保冷層的截面溫度分布如圖6所示。由圖6（a）可以看出，環(huán)境溫度為43℃，外壁溫度最高約40℃，內(nèi)壁溫度約為-0.89℃，由管道內(nèi)壁到防潮層溫度逐漸升高，內(nèi)外壁溫差約為40.89℃。由圖6（b）可知，環(huán)境溫度為15℃，外壁溫度為13℃，內(nèi)壁溫度為-50℃，內(nèi)外壁溫差為約為63℃。由圖6（c）可知，環(huán)境溫度為-5℃，外壁溫度為-6℃，內(nèi)壁溫度為-35℃，內(nèi)外壁溫差為約為29℃。由圖6（d）可知，環(huán)境溫度為-25℃，外壁溫度為-26℃，內(nèi)壁溫度為-49℃，內(nèi)外壁溫差為約為23℃。由模擬結(jié)果可知，隨著環(huán)境溫度的降低，保冷材料外壁面溫度逐漸減小，內(nèi)外壁溫差降低，溫降變緩。

圖6 PIR保冷材料截面溫度分布

保冷材料為柔性保冷材料時，環(huán)境溫度分別為43℃、15℃、-5℃以及-25℃時熱流密度分布如圖6所示。由圖7（a）可知，環(huán)境溫度為43℃時，模型熱流密度介于0.0012～69.064W/m2之間；由圖7（b）可知，環(huán)境溫度為15℃時，模型熱流密度介于0.0009～56.425W/m2之間；由圖7（c）可知，環(huán)境溫度為-5℃時，模型熱流密度介于0.0008～47.397W/m2之間；由圖7（d）可知，環(huán)境溫度為-25℃時，模型熱流密度介于0.0006～38.369W/m2之間。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度越高，換熱越劇烈，管道內(nèi)部介質(zhì)冷損失量越大。

保冷材料為PIR時，外部氣溫每變化4℃下，保冷層最外壁溫度以及熱流密度變化如表4所示。模擬結(jié)果符合一般規(guī)律，當(dāng)外部氣溫下降時，管道外壁溫度和熱流密度也隨之減小。

圖7 管道截面熱流密度分布云圖

表4 不同溫度下的外壁溫度及熱流密度

3 現(xiàn)場保冷材料適應(yīng)性分析

3.1 保冷效果影響因素分析

調(diào)研相關(guān)資料，從工藝、經(jīng)濟要求兩方面分析總結(jié)了保冷效果的主要影響因素，并將其作為適應(yīng)性評價指標(biāo)。綜合考慮影響保冷效果的因素，確定適應(yīng)性主要評價指標(biāo)為：絕熱層外表面溫度、冷量損失、相對節(jié)能效率。

3.1.1 工藝

（1）絕熱層外表面溫度

根據(jù)GB11790-89規(guī)定：保冷層外表面壁溫Ts應(yīng)滿足Ts≥td+（1～2）℃，以確保低溫管道與設(shè)備不產(chǎn)生凝露現(xiàn)象[3]。按照防凝露設(shè)計，并規(guī)定地區(qū)環(huán)境溫度Ta為夏季極端溫度，td為地區(qū)環(huán)境溫度Ta下的露點，相對濕度應(yīng)采用最熱月平均相對濕度。保冷層外表面壁溫Ts按下式計算：

Ts為保冷層外表面溫度，℃；

Q為為冷損失量，W/m2；

αs為外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Tα為環(huán)境溫度，℃；

（2）冷量損失

工業(yè)設(shè)備和管道的傳熱，可以認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)傳熱,即熱量不隨時間變化而變化[4]。冷量損失計算公式 如下：

式中：

T0為保冷層外表面溫度，℃；

D1為內(nèi)層保冷材料的保冷層外徑，mm；

D0為管道外徑，mm；

λ為單種保冷結(jié)構(gòu)的保冷材料在環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m·K）。

3.1.2 經(jīng)濟

能量利用的節(jié)約與浪費必須用一定的指標(biāo)來衡量。保冷節(jié)能水平可以以相對節(jié)能效率來表示，其定義為兩種保冷材料冷損失量之差值與第一種保冷材料冷損失量之比，即：

式中：

η為相對節(jié)能效率，無量綱；

Q1為材料1的冷損失量，kW；

Q1為材料2的冷損失量，kW。

3.2 保冷材料適應(yīng)性分析

3.2.1 外表面溫度

圖8為柔性保冷材料和PIR外壁溫度與現(xiàn)場露點溫度在環(huán)境溫度改變下的變化曲線。可以看出外壁溫度一直高于露點溫度，符合標(biāo)準(zhǔn)。外壁溫度比露點溫度均高10℃左右，在運行過程中不會有水蒸氣在保冷管道上凝結(jié)，說明兩種保冷材料適應(yīng)性 良好。

圖8 外壁溫度與露點溫度

3.2.2 冷損失量

使用柔性保冷材料和PIR時，將模型的熱流密度與國標(biāo)GB/T 4772-2008進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實際熱流密度遠(yuǎn)小于規(guī)定熱流密度，說明兩種保冷材料適應(yīng)性良好，如圖9所示。

3.3 相對節(jié)能效率分析分析

根據(jù)相對能量利用率的定義，以100mm柔性材料為參考值，PIR相對柔性保冷材料在現(xiàn)場工況下的能量利用率如圖10所示。PIR能量利用率比柔性保冷材料更好，更具有經(jīng)濟價值，且在-10℃左右經(jīng)濟性最佳。

圖9 熱流密度

圖10 PIR與柔性保冷材料能量利用率相對值

4 結(jié)語

針對某采氣廠現(xiàn)場保冷工藝，基于現(xiàn)場條件，采用數(shù)值模擬的方式對現(xiàn)場運用的兩種保冷材料PIR和柔性保冷材料的保冷效果進(jìn)行了對比，并分析了兩種材料在運用過程中的適應(yīng)性，根據(jù)本文研究成果，得到以下結(jié)論：

（1）管道外部保冷層壁面溫度隨大氣溫度上升而上升，上升幅度幾乎一致。在43℃的極端高溫下，管外壁溫度為35℃，高于凝露點；在-25℃的極端低溫下，管外壁溫度為-26℃，仍然高于凝露點，說明兩種材料適應(yīng)性良好；

（2）PIR保冷材料和柔性保冷材料冷損失量均符合要求，均低于國標(biāo)42W/m2～60W/m2，適應(yīng)性 良好；

（3）對比兩種材料能量利用率，PIR保冷材料能量利用率更高，經(jīng)濟效益更佳。