LNG管道保冷层温度场的数值模拟

第 4 2卷第 1 1期 2 0 1 3 年 1 1月 当 弋 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 4 2 N 0 1 l N o v e mb e r 2 0 i 3 L N G管道保冷层温度场的数值模拟 包 臣，莫海元 ( 中海福建天然气有限公司， 福建 莆出 3 5 I 1 0 0) 摘 要：建立了 L N G管道非稳态传热模型，对环境温度 、保冷层厚度及对流换热系数三 i 方面的温度变化 进行了数值分析。研究结果表明：随着环境温度的增加，温度变化逐渐增大；随着保冷层厚度的增加，同一厚 度下温度逐渐增大 ，温度变化梯度减小；空气对流换热系数 与L N G对流换热系数对温度变化均不敏感。 关键词 ：保冷层 ；L NG；温度场；数值模拟 中图分类号：T E 8 3 2 3 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 l 3)1 1 1 6 0 8 0 3 Num e r i c a l S i m ul a t i o n o n Te m p e r a t ur e Fi e l d o f Co l d k e e p i n g La y e r o f LNG Pi p e l i n e s BAO Che n， M O Hai - yu a n ( C NOO C F u j i a n N a t u r a l Ga s C o ， L t d ， F u j i a n P u t i a n 3 5 l 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：A t r a n s i e n t h e a t t r a n s f e r m o d e l o f L NG p i p e l i n e wa s e s t a b l i s h e d， a n d n u me r i c a 1 a n a l y s i s o f t e mp e r a t u r e c h a n g e wi t h a mb i e n t t e mp e r a t u r e ， i n s u l a t i n g l a y e r t h i c k n e s s a n d c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e f fic i e n t wa s c a r r i e d o u t Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e c h a n g e i n c r e a s e s g r a d u a l l y wi t h t h e i n c r e a s e o f a mb i e n t t e mp e r a t u r e ：a s t h e t h i c k n e s s o f c o l d k e e p i n g l a y e r i n c r e a s e s ， t h e t e mp e r a t u r e i n c r e a s e s g r a d u a l l y a n d t e mp e r a t u r e c h a n g e r a t e d e c r e a s e s u n d e r t h e s a me c o l d k e e p i n g l a y e r t h i c k n e s s B o t h c o e 币 c i e n t o f a i r c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r a n d c o e f f i c i e n t o f L NG c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r a r e i n s e n s i t i v e t o t e mp e r a t u r e c h a n g e Ke y wo r d s ： Co l d k e e p i n g l a y e r ； LNG； T e mp e r a t u r e fi e l d ； Nu me r i c a l a n a l y s i s 当今社会 ，随着经济的高速发展 ，人 口持续增 加 ，人 口一 经济 一 环境一 能源之问的矛盾 目益突出。 能源过度消耗 、“ 三废”排放超标 ， 使得 自然生态平 衡遭到前所未有的破坏，人类的生存面临着巨大的 挑战 ，因此能源一 环境一 发展问题成为全球关心的问 题。在此基础上 ，为走可持续发展道路 ，寻找清洁 能源成为各 国研究的重点。 而天然气资源被誉为 2 l 世纪的新能源 ，具有储量大 、热效率高 、清洁燃烧 等优 点 ，呈现出快 速发展 的势头 。而液化 天然气 L N G ( L i q u e fi e d N a t u r a l G a s )具有输送方便。易于 存储等优点 ，使得天然气应用范围更为广泛。由于 L N G沸点较低 ，因此保冷措施对其安全输送起着至 关重要的作用 。 国 内外学者对此进行 了一 系列 的研究 ：Y u a n K u n等根据实验观察结果对低质量流量下液氮对管 道冷却效果进行了流态和传热分析，并研究了其冷 却过程 ；谢刚等对 L N G管路保冷厚度进行了理论 分析计算，分析了保冷层经济厚度方法、防止表面 凝露的保冷层厚度方法和控制最大允许冷损失的保 冷层厚度方法，并用实例进行了验证，得出第三种 方法F 1 于前两种方法 ；尹少慰等建立了低温液化 天然气管道输送模型，并确定了目标函数、约束方 程和约束条件 ， 利用 V i s u a l B a s i c 语言进行了编程求 解 ，进而验证 了模型的合理性和算法的可靠性 ； 卢超等研究了 B O G气体对 L N G输送管道遇冷的影 响 ，进而得 出整个遇冷过程的规律 。 ；程谋森 、高 芳和任德鹏等利用差分法对低温液体管路进行了数 值分析计算 ； 张超逸等对 L N G海底低温管道进行 了探讨分析 ；陈雪和陈宝东等从 艺角度对液化 天然气进行参数的计算 。 。 本文结合工程实际T况 ，建立 L N G管道二维 、 非稳态传热模型，同时考虑了气化潜热的影响，分 析了保温层厚度 、对流换热系数对管道温度场的影 响 ，以期为 L N G管道实际工程设计 、 施 、 检修提 供切实的理论指导。 l 模型建立 1 1 问题描述 南方某 L N G管道总长度 7 0 0 m， 管道内径 1 6 1 5 m m，壁厚 3 -4 m m，管道材质为不锈钢 ( 1 0 s ) 。保 冷层厚度为 1 0 5 mm， 导热系数为 0 0 2 W ( m K ) ； L N G 常规沸点一 1 6 2 1 5 ，热值 9 2 0 0 k c a l N m ，液体密 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 1 0 一 。 9 作者简介 ： 包 臣 ( i 9 8 5 一) ，男，吉林白城人，助理工程师，研 究方向：L N G安全输送技术 E -m a i l ：b c 0 4 1 3 i 6 3 c o m 第4 2 卷第 l l期 包 臣，等：L N G 管道保冷层温度场的数值模拟 1 6 0 9 度 4 2 0 k g m ， 气化潜热 1 2 1 8 7 k c a l k g ， 气液体积比 6 2 5：1 ，甲烷含量 9 0 9 9 。 本文选取管道某段为研究对象， 模拟区域采用 四边形进行网格划分 ，简化物理模型如图 1 所示 。 基本假设如下 ： ( 1 ) 材料的物性参数均为定值； ( 2 ) 管道和保温层均考虑径向传热，忽略管 道轴向传热； ( 3) 室外大气温度取平均温度 2 0 ， 平均风 涑 4 m s 层 图 1 物理模型及 网格划分 F i g 1 Ph y s i c a l mo d e l a n d g r i d s pa r t i t i o n 1 2 方程建立 ( 1 ) 传热方程 L N G液相当量导热微分方程如 下 。 a T , 一 a 占 a T , “ 瓦 =-l r r (2 dO r，挈d r + 南 c4 嚣 r o O o 式中：p l一 液相密度 ，k g m ； C l 液相比热容 ，J ( k g - ) ； 液相当量导热系数 ，W ( m- K ) ； 2 f 当量导热系数 ，W ( mK ) ； 一 气化潜热，J k g ； 液相温度，K 。 管壁 、保温层的导热微分方程如下 。 c 鲁= 1 ( t r + 南 c 2d r d t r C r O d tI 式中： 一 管壁 保温层密度 ，k g m ； f 一 管壁 保温层 比热容 ，J ( k g - ) ； 一 管壁 保温层温度，K； 一 管壁 保温层导热系数，W ( m K 1 。 ( 2 ) 边界条件管道外壁与大气接触。 ： ( 一r E ) ( 3) d r N ： 1 1 6 3 + 7 v 其中： 一 管道最外层导热系数 ，W ( m ) 鳓 对流换热系数 ，W ( m ) ； v一 风速 ，m s ； 管道最外层温度 ，K； 环境温度，K 。 ( 3)初始条件 f：0， ： ( 4) 式 中： r液相初始温度，K 。 2 模拟结果及分析 笔者从不同环境温度、 不同保冷层厚度以及不 同对流换热系数 ( 空气与保温层的对流换热系数和 L N G与不锈钢管的对流换热系数 )三个角度出发 ， 以此研究对传热过程 的影响。 ( 1 )不同环境温度的影响 分 别取 环 境 温度 2 8 3 1 5、2 8 8 1 5、2 9 3 1 5、 2 9 8 1 5 、 3 0 3 1 5 K， 进而研究环境温度对温度变化 的 影响，具体如图2 所示。由图可知， 温度变化呈抛 物线状，并呈下降趋势；随着环境温度的增加，斜 率逐渐增大，这是因为内外温差较大，使得保冷层 中温度变化梯度大。 3 3 。 2 。 0 ： 240 赠 4 图 2 不同环境温度的影响 Fi g 2 Ef f e c t o f d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a l t e mp e r a t u r e ( 2)不同保冷层厚度 的影响 笔者分别选取保冷层厚度 9 5 、1 0 0、1 0 5 、l 1 0 、 1 1 5 m m，以此研究对温度的影响，计算结果如图 3 所示 。 3( ) 0 280 26O 2 4 0 趔 2 2 0 娄2 0 o 1 8 0 I 6O 1 4O 1 2 O 1 O0 图3 不同保温层厚度的影响 F i g 3 Ef f e c t o f d i f f e r e n t i n s u l a t i o n t h i c k n e s s 1 6 1 0 当 代 化 工 2 0 1 3 年 1 1月 南网可知，保冷层厚度逐渐增加，同一厚度温 度逐渐增大 ，这是由于在 同一温差下 ，增大 了保温 层传热厚度 ，使得温度变化梯度减小。 ( 3 )不同对流换热系数的影响 笔者选取空气对流换热系数与 L N G对流换热 系数进行分析。受风速影响 ，空气对流换热系数分 别选取 1 8 6 3 、2 5 6 3 、3 2 6 3 W( m - K) 。南图 4可 知 ，i种对流换热系数下温度均呈抛物线状 ，并呈 下降趋势 ，但温度变化不大 ，说 明空气对流换热系 数对温度变化不敏感 。 0 1 0 2 0 j 0 4 0 5 0 0 7I)8 0 9【 】1 l 1 ) 保 冷 厚 mm 图 4空气对流换热系数的影响 Fi g 4 Ef f e c t of a i r c on ve c t i o n he at t r ans f e r c oe ffi c i e n t 对于 L N G对流换热系数分别选取 2 0 0 、4 0 0、 6 0 0W ( m K) ，计算结果如图 5所示。由图可知 ， 与空气对流换热系数相似 ，温度变化成下降趋势 ， 并 且对温度变化不敏感。 3 结 论 本文建立了 L N G管道非稳态传热模型 ， 对环境 温度 、保冷层厚度及对流换热系数三方面的温度变 化进行 了数值分析。研究结果表明 ： ( 1 ) 随着环境温度的增加 ， 温度变化逐渐增大 ； ( 2) 随着保冷层厚度的增加 ， 同一厚度下温度 逐渐增大 ，温度变化梯度减小 ； ( 3)空气对流换热系数与 L N G对流换热系数 对温度变化均不敏感。 =罾 、 、 目 】 1 0 Z 0 ； 0 4 0 0 6 0 0 H 0 9 0 l l 川 侏冷 层 厚度 m !n 图 5 L NG对流换热系数的影响 Fi g 5 Ef f ec t o f LNG c o nve c t i on he a t t r a ns f e r e o e f fic i e nt 参考文献： l 1 j Y u a n K u n ，J i Y a h ，C h u n g J N C r y o g e n i c c h i l l d o w n p r o c e s s u n d e r lo w fl o w r a l e s l J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d Ma S S T r a n s f e r 2 0 0 7 5 0：4 0l 1 4 0 2 2 1 2 谢刚，于天明，邵拥军，壬春燕 L N G管路保冷厚度的计算lJ 1 石 油与天然气化 ，2 0 0 7 ，3 6( 5 ) ：3 7 3 3 7 6 【 3 尹少慰 ，杨洋，曾从滔L N G 管输保冷层厚度的优化没计l J J l 管 道技术 与设备 ，2 0 1 I( 1 ) ：l 2 1 4 ( 4 卢超，嵩锐，易冲冲，王文，吕俊，王蕾 B O G气体对 L ； 输送 管道遇冷的数值模拟 J 】 低温T程 ，2 0 1 2( 6) ：5 1 - 5 6 f 5 程谋森刘昆，张育林 低温推进剂供应管路遇冷填充瞬变流计 算l l l _ 推进技术 ，2 0 0 0 ，2 l( 5 ) ：3 8 4 1 1 6 高芳， 陈阳， 张振鹏 低温液体推进剂填充管路的数值模拟 J j l 航 空动力学报告 ，2 0 0 7 2 2( 1 ) ：1 0 g 一 1 1 3 【 7 任德鹏 ，丁鹏 ，夏新林 低温液体填管路的数值计算l J 1 1 程 热物理学报，2 0 0 4 ，2 5( 1 ) ：1 I 8 - 1 2 0 g 张超逸，黄坤 ，赵孟卿 ，都利L N G海底低温管道探讨I J I _天然 气与石油 ，2 0 1 1 ， 2 9( 4) ：6 8 9 J 陈雪 ，马围光 ，谢剑飞L N( 长输管道输送技术研究I J I_石油化 【 没训 ，2 0 0 6 ， 2 3( 2) ：5 6 5 8 1 0陈宝东 ，李庆杰 ，洪丽娜 ，岳春光 液化天然气管道输送 艺参 数的训 算f J I油气储运 2 叭l ， 3 0( 1 ) ：1 5 1 7 应用化工 2 0 1 4年度征订启事 应用化 创刊于 1 9 7 2年 ，是中国科技核心期刊，R C C S E 中同核心学术期刊 ，中