LNG长距离管道输送保冷层厚度的计算方法

2 0 0 8年 第 1 期 管 毫技 术 5 设 备 Pi p e l i n e Te c h ni q ue a n d Eq ui p me n t 20 08 No 1 L N G长距离管道输送保冷层厚度的计算方法 尤海英 ， 马 国光 ， 黄孟 ， 吴华丽 ( 1 西南石 油大 学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 2 中海油采油技术服务公司 ， 天津3 0 0 4 5 2 ) 摘要： 将几种计算普通绝热低温管道保冷层厚度的方法与 L N G长距离输送管道的特点结合并进行分析后， 建议采用 费用最低的方法计算 L N G长距离管道输送的保冷层厚度， 同时建立了计算保冷层厚度的数学模型， 并对该模型进行了分 析 求解 。 关键词： L N G长距离输送； 低温管道； 保冷层厚度； 计算方法； 数学模型； P S O 中图分类号： T E 8 3 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 0 8 ) o l 一 0 0 1 1 0 3 M e t ho d f o r Ca l c u l a t i o n o f t he I n s u l a t i o n Th i c k ne s s o f LNG Lo ng - d i s t a nc e Pi pe l i ne Tr a n s po r t a t i o n YOU Ha i y i n g ， MA G u o g u a n g ， HU ANG Me n g 。 ，W U Hu a l i ( 1 S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 C NOOC Oi l B a s e - o i l f e l d T e c h n o l o g y S e r v i c e Co ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Aft e r c o mb i n i n g s o me me t h o d s f o r c a l c u l a t i o n o f t h e i n s u l a t i o n t h i c k n e s s o f l o w t e mp e r a t u r e p i pe l i n e s o f c o n v e n t i o n a l i n s u l a t i o n w t h t h e c h a r a c t e r i s t i c o f L NG l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n a n d a n aly z i n g t h e m ， s u g g e s t s c alc u l a t i n g t h e i n s u l a t i o n t h i c k n e s s o f L NG l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e t r a n s p o rta t i o n o n t h e p r i c i p l e o f t h e mi n i mal t o t al c o s t ，a n d me a n wh i l e ， h a s e s t a b l i s h e d a ma t h e ma t i c s al mo d e l，an a l y z e d i t a n d g i v e n a c alc u l a t i o n me tho d Ke y wo r d s ：L NG l o n g d i s t an c e t r a n s p o rt a t i o n； l o w t e mp e r a t u r e p i p e l i n e； i n s u l a t i o n t h i c k n e s s ； c alc u l a t i o n me t h o d ； ma t h e ma t i c s a l mo d e l ； P S O 0 引言 L N G输送管道可分为 3类： 非绝热管( 裸管) 、 普通绝热管 以及真空绝热管。非绝热管造价低， 但在使用时存在严重的跑 冷问题， 通常用于间断性短距离输送。真空绝热管由内管、 外 管及支撑件构成， 造价和施工管理费用高， 特别是长距离输送 时， 管道环状空问内真空环境 的稳定维持相当困难， 目前还没 有很好的技术支持。对于大批量的L N G长距离输送， 常采用普 通绝热管。这种管道是在管外敷设普通绝热结构， 缺点是热容 量大、 绝热性能差， 但其投资和施工管理费用比较小 ， 这对于长 距离输送的情况显得尤为重要。对于低温长距离输送 L N G 的管道， 由于管道内的 L N G温度比外界温度低 ， L N G要从外界 吸收热量 ， 再加上摩擦升热， 温度会沿管道轴向逐渐升高， 当温 度超出规定的温度范围， 就必须用冷却系统降温， 以确保 L N G 的单相流动。因此， 需要对保冷层厚度的计算方法进行优化选 择。 1 保冷层厚度计算方法 1 1 计 算公 式 低温管道的保冷计算的公式基本一致 ， 在忽略管道内介质 与金属 、 金属的热阻的情况下， 保冷材料的导热： q l = L J 式中： A为保冷层材料的导热系数， W ( m K ) ； T f 为低温介质 温度， K； T s 为保温层外表面温度， K； D o为保冷层外直径 ， m； Di 收稿 13 期 ： 2 0 0 7 0 3 2 3 收修改稿 日期 ： 2 0 0 7 0 81 2 为管道外直径或保冷层内直径， m 保冷管道外壁与空气的放热： q 2 =盯 6 D o ( ) ( 2 ) 式中： 为保冷层外表面对空气的放热系数， W ( m 。 K) ； 为环境温度， K 将式( 1 ) 、 式( 2 ) 变形 ， 得到计算保冷层厚度的基本公式： 2 ,r r ( T f ) 2 ( 3 ) =( 一 D i ) 2 ( 4 ) 式中： 为保冷层厚度， m； g 为单位长度管道的冷量损失 ， W m 由于保冷的目的和限制条件不同， 计算时采用的方法也不 同。通常采用以下几种方法： 限定外表面温度 ； 限定金属壁 温度 t ； 限定散热热流损失； 限定内部介质温升 A t ； 限定内部介 质的冻结或凝固温度； 获得最佳经济效果( 全年总费用最少) 。 1 2 计算方法的选择 在实际工程运用中发现， 用限定外表面温度 的方法来计 算 L N G低温管道往往不理想， 主要存在的问题是 ： ( 1 ) 采用表面温度法计算时， 是以控制表面凝露为前提的。 对沿海地区， 由于常年湿度大， 使得计算出的 L N G管道保冷层 厚度偏大； 而对西北地区， 由于气候干燥 ， 计算出的 L N G管道保 冷层厚度又偏小。 ( 2 )G B 1 1 7 9 0 8 9中保冷层表面对空气的放热系数 取 值为 8 1 4 1 W ( m K) ， 忽略了不同地区， 不同条件下具有不 同的值。从式( 3 ) 可以分析出， 放热系数越大， 保冷层厚度越 维普资讯 1 2 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J 龇1 2 0 0 8 小； 而放热系数越小， 保冷层厚度越大。按此计算 ， 室外管道由 于流速大， 放热系数大， 其保冷层厚度反而小于相应的室内管 道， 这一结论与以保冷为主要 目的L N G低温液体管道所要求的 正好相反。 采用限定散热热流损失的计算方法适用于 L N G低温输送 的距离较长， 但输送的流量较小时， 以防止液体的过度汽化。 此法不适用于长距离输送大流量的 L N G管道的保冷层厚度的 计算 。 采用限定内部介质温升 的计算方法则较适用于由 L N G 液体贮槽至 L N G低 温泵 的保 冷管道 。因其 对保冷 和配管 的要 求最高， 不合理的计算和配管可能导致气态介质进人泵体， 进 而导致气蚀现象， 使得 L N G液体泵无法运行。 对于长距离输送大流量的 L N G管道 的保冷层厚度的计算 ， 从实际运用和长远的经济角度来看采用获得最佳经济效果( 全 年总费用最少) 的方法会更具实用意义 。 2 费用最低的保冷层厚度的计算 2 1 数学模 型的建立 选取建立数学模型的总原则为费用现值最低 。利用技 术经济学原理， 提出以下假设条件： ( 1 ) L N G管道保冷投资( 包括材料与施工费等) 为一次性 投资费用 ； ( 2 ) L N G管道吸热需要的制冷装置的投资也为一次性费 用 ； ( 3 ) 每年的制冷运行费用和其他费用均为定值 ， 在数学模 型中可以忽略。 设管道保冷和制冷的总费用为 S ， 保冷投资费用为S 。 ( 6 ) ， 制冷费用为 S ： ( 6 ) ， 则建立的数学模型为 mi n S= S 。 ( 6 ) +S 2 ( 6 ) ( 5 ) 2 1 1 保冷层投资费用 保冷层 投资费用 S ( 6 ) 应为 S 。 ( 6 )=【 ( 0 5 d+ 6 ) 一( 0 5 d ) 】 竹 f y 。 ( 6 ) 式中： d为管道内径 ， m； z 为管道长度 ， m； Y 。 为单位体积保冷层 的投资费用 ， m 2 1 2 制冷费用 由传热学原理， 单位时间内需要制冷的能量为 Q= c G ( T L r， R ) 再根据管道沿轴 向的温度变化 公式 ： 令 。 ： ， b ：g t l bC c 0 = T o + b+( 一T o b ) e 一 。 联立可得 ： Q= c G T o+ b+( 一T o b ) e 一 。 一 】 ( 7 ) 式中： T R 为管道起点液流的温度， q C； T o 为周围介质温度， q C； G 为 L N G的质量流量 ， k 异 s ； c 为输送平均温度下 L N G的比热容， J ( k g q C ) ； L为管道冷却输送的长度， m； K为管道总传热系 数， W ( m q C ) ； T L为距起点 处液流温度 ， q C； 为液流水力 坡降 ； g为重力加速度 ， m s 制冷总费用为 S 2 ( 6 )： c G T o+ b+( 一T o b ) e 一 一T R 】 Y 2 + 3 触， ( 8 ) 式中： 后 为现值折算系数 ， k i =( F A， ， n ) ； 为基准折现率； n 为使用年限； F为等额年值序列的终值； A为等额年值； Y 2 为单 位热流量的制冷投资费用， W； Y 为每 h的制冷运行费用， 元 ( w h ) ； 为管道每年的运行时间； J，v为制冷系统功率。 2 1 3 模型 的约束条件 ( 1 ) 对于 L N G保冷 管道 ， 管 道外壁 的温 度 应不低 于大 气中的露点温度 ， 否则会影响管道的安全运行。由于 L N G 低温管道沿程温度不断升高， 如果计算出的管道首端 大于 大气中露点温度， 则整条管道一定要满足此条件。 设从外界到管内的传热过程是稳态的， 则 后 竹 D( T o R ) =k 1 竹 D( T w R ) 即 k= T w：T R+T oT R ( 9) 1 1 D + D 1 D 2 6 2 A “ D+击 0 + 。 。 照 1 式中： D为管道外直径， m； o r 。为管道外壁至周围介质的放热系 数， W ( m q C) ； 为 L N G液流至管道 内壁 的放热系数， W ( m q C) ( 2 ) 不应高于储罐要求的进 口温度或不应高于管道要求 的最高温度 。 = T o +b +( T R一 一b ) e 一 ( 1 0 ) ( 3 ) 对于保冷层厚度取值范围， 其下限可以为0 ， 而对其上 限可根据管道设计的经验 ， 取几倍的管径值 。 m i n S：c G【 + b+( 一T o b ) e 一 一 】 Y 2+ ) ， 3 后 ， + ( + ) 竹 厶 y 。 ( 1 1 ) 使得 ， 。 ， 0 6n D 式中： 为 L N G管道末端温度 ， q C； 为管道末端 L N G允许的 最高温度或管道要求的最高温度， q C； 2, 为自然数， 表示管径的 几倍 。 该数学模型适用于限定的L N G低温管道末端温度的计算。 当无限定时， 根据管输 L N G的条件， 输送温度下的压力不能低 于 L N G的饱和蒸气压。 2 2 数学模型的分析及求解 方法 在数学模型函数中， 保冷层的投资费用 S ( 6 ) 是随着保冷 层的厚度增大而增大的 ， 而制冷 费用 S ( 是随着保冷 层的厚 度增大而减少的， 总费用函数 S ( 6 ) 是 S ( 和 S ： ( 两个函数 迭加而成。因而， 必定存在一个最佳的保冷层厚度 6 ， 使得总的 投资费用 S最小 。分析式( 9 )式( 1 1 ) 可知， 该数学模型是 连续变量的非线性约束的非线性规划问题 以往求解该类问题 的算法有黄金分割法、 非线性规划等， 在此提出采用一种启发 式算法微粒群( P S O) 算法来求解， 以便较好地提高求解效 率 和优化结果 。 微粒群算法是基于群体的， 根据对环境的适应度将群体中 的个体移动到好的区域， 将每个个体看作 D维搜索空间中的一 个没有体积的微粒( 点) ， 在搜索空间中以一定的速度飞行。这 个速度根据它本身的飞行经验以及同伴的飞行经验进行动态 调整。该算法概念简单 ， 且容易实现， 它克服了传统优化方法 容易陷入局部极值的缺点， 是一种全局优化算法。将其应用到 维普资讯 第 1 期 尤海英等： L N G长距离管道输送保冷层厚度的计算方法 1 3 保冷层厚度计算的具体步骤如下： ( 1 ) 初始化一群微粒( 群体规模为 m) ， 包括微粒的初始位 置( 保冷层的厚度) 6 、 初始速度 、 惯性权重 t o ， 加速度常数 c 。 、 c 2 等； ( 2 ) 评价每个微粒 6 的适应度 S ( i =1 ， 2 ， m) ； ( 3 ) 对每个微粒 6 ， 将其适应度 S 与其经历过的最好位置 的适应度 S i 作比较， 如果较好， 则将其作为当前的最好位置， 即 6 t = 6 l ； ( 4 ) 对每个微粒 6 ， 将其适应度 S 与全局所经历的最好位 置的适应度 s 作比较， 如果较好， 则重新设置 6 的索引号 ； ( 5 ) 根据方程( 1 2 ) 变换微粒的速度和位置： ( t +1 )= to O ( t )+ c l b e 一 ( t ) +r 2 c 2 6 一 6 ( t ) 6 ( t + 1 )= 6 ( t )+ ( t + 1 ) ( 1 2 ) ( 6 ) 计算优化目标函数 S ， 如果达到结束条件， 则返回当前 最佳微粒的结果， 算法结束 ； 否则返回( 2 ) 。 3 结束语 保冷层厚度是投资( 包括利率 ) 能源价格等诸多因素的函 数， 针对普通绝热 L N G长距离输送管道的特点 ， 选择按获得最 佳经济效果( 全年总费用最少) 的方法计算其保冷厚度 ， 并提出 了求解模型和求解方法。模型中有关参数可以根据当时当地 的具体情况选取。但管线的经济值与工艺要求相矛盾时， 则应 以满足工艺需要为前提。 参考文献： 1 梁光川 ， 郑云萍， 李 又绿 ， 等 液化天然气 ( L N G) 长距离输送技术 天然气与石油， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 91 O 2 彭晓顺 对低温管道保冷计算方法的探讨 深冷技术， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 1 4 1 5 3 张月静 ， 阎振奎 L P G低 温管道经 济保 冷层厚 度 的计 算 油 气储 运 ， 1 9 9 9 ， 1 8 ( 1 ) ： 1 81 9 4 傅家 骥 工 业技 术 经济 学 北 京 ： 清华