LNG管线保冷技术研究.pptx

LNG管线线保冷技术术研究 中期汇报汇报 汇报内容 一、LNG管道保温方式介绍 二、LNG管道保冷结构设计 三、LNG管道保冷层厚度计算 四、LNG管道保冷的数值模拟 五、后期工作 LNG管道保温方式介绍 保冷要求： LNG管路及辅件的低温保冷材料直接关系到保冷的效果与工程的投资费用，保冷材料要 结合工程当地情况与经济运行条件来综合选取。在设备及管道保冷设计导则 GB/T15586及工业设备及管道绝热工程设计规范GB50264中对保冷材料主要有以下要 求： 在保冷的同时，并确保冷结构表面温度高于环境的露点温度，防止凝霜结冰破 坏保冷结构； 有机硬质成型制品抗压强度不应小于0.15MPa，无机硬质成型制品不应小于 0.30MPa； 常温导热系数w/(mK)：泡沫塑料及其制品不得大于0.0442，泡沫玻璃和多孔拉 状材料及其制品不得大于0.064并应具有随温度变化的导热系数方程式或图表； 阻燃型保冷材料的级指数应等于或大于30等。同时材料的热流方向与保温材料 的的热流方向相反，保冷材料外侧蒸气压大于内侧。蒸气容易渗入保冷层，致使 保冷层内部产生凝结水，因此保冷材料要选用闭孔型材料。 LNG管道保温方式介绍 三聚酯PIR 聚酯酯多元醇和异氰氰酸酯酯反应应生成聚异氰脲氰脲酸酯酯，简简称三聚酯酯PIR。PIR是以聚醚醚多元 醇、聚合异氰氰酸酯为酯为主要原材料，经经触媒作用后发发生反应应生成的具有闭闭孔L结结构的硬质绝热质绝热 材料。PIR低温适用性更好(最低达到-196 )、导热导热系数低、耐热热及阻燃性能好,是目前使用 最理想的LNG保温材料。 项目单位参数值 密度Kg/m340-80 导热系数W/mk (20) W/mk (20) 0.030 0.010 燃烧性能B1级 吸水率%0.10 压缩强度MPa0.3 尺寸稳定性-3024h: -12024h1% 使用温度196+150 线膨胀系数（510）10-4密度3080kg/m3 （15）10-4密度200kg/m3 PIR性能参数保温材料的性能曲线线 LNG管道保温方式介绍 性质吸水率 % 导热率 （W(mk)-1） 线膨胀系 （10-5-1） 氧指数 % 使用温 度 实验方 法 ASTMD 2842 GB/8810 2005 ASTMD177 GB/10244 2008 ASTMD693 GB/T6342 1996 ASTMD 3014 GB/T8332 1987 PIR20.0190.433-200 160 EPS30.0317.225-4080 PUR20.221.426-60110 NBR40.04032-40110 由于PIR材料自身特性满满足规规范 GB502461997对对LNG管道对对保冷的要求，且在深冷工程 运用中保冷效果优优异，如福建LNG，广东东LNG上海华华林气体等。相比于聚苯乙烯烯（EPS）、硬 质质聚氨酯酯（PUR）、橡胶（NBR）等其它保冷材料，PIR高达98%的闭闭孔率和在-200160良好 的稳稳定性，使其成为为LNG管道最佳的保冷材料。PIR与聚苯乙烯烯（EPS）、硬质质聚氨酯酯（PUR ）、橡胶（NBR）四种材料部分性能参数对对比。 LNG管道保温方式介绍 聚氨酯发酯发泡指由两种配置好的发发泡材料，即白料和黑料，按一定的配比在高速搅搅拌下 混合后发发生化学反应应，而制成的一种具有氨基甲酸酯链酯链段重复结结构单单元的聚合物。按工 艺艺分，聚氨酯发酯发泡可以分为为机器自动发动发泡和手工发发泡两种方式。 聚氨酯发酯发 泡 现场发现场发 泡聚氨酯酯保温隔热热材料是连续喷连续喷 涂、现场发现场发 泡的，不存在拼缝缝，也就从根本 上消除了这这一热桥热桥影响，确保了节节能目标标更好的实现实现，其生产产工艺简艺简便，机械加工性能 好。 其缺点是需要现场预现场预 制发发泡、模具耐候性、耐温性差且易燃、对对施工条件要求比较较 苛刻，燃烧时产烧时产 生的烟气具有毒性；在现场现场施工中多释释放的ODP(臭氧消耗潜能值值)不 为为零，对对臭氧层层有破坏作用；在施工过过程中的挥发挥发的有机气体对对人体有害。下图为图为聚 氨酯发酯发泡的现场现场模具。 LNG管道保温方式介绍 真空管保温 真空管保温是一种新型、非常高效的绝热绝热方式。真空 管道因为传输为传输 介质质中极低的冷损损失而达到理想的保冷效 果，再加上节节能、环环保的优优越性，所以在超低温装置的工 艺设计艺设计 中经经常被采用。 真空管保冷具有以下特点： 结结构为为主管加套管，可以承受将近240内外管道温 差； 真空可以大幅度降低气体导热导热和对对流； 长长且薄的管壁大幅减少金属导热导热； 多层层超级绝热层级绝热层 大幅减少辐辐射传热传热； 采用合理的补偿结补偿结 构，技术术指标标先进进，性能稳稳定，安 全可靠； 表面光洁洁，美观观，耐腐蚀蚀，使用寿命长长。 其缺点是成本高、需要备备用管道、安装技术术要求高、管 道及阀门阀门附件损损坏后更换换困难难。 三种保冷方式的对对比 从单单价方面分析，据调调研保冷厚度100mm，PIR造价340元/m， 聚氨酯发酯发 泡造价135元/m，真空管保冷造价2500元/m。从单单价分析 ，真空管造价最高，PIR次之，聚氨酯发酯发 泡最低。 综综合以上分析PIR不论论是从使用密度，低温适用性，导热导热 系数， 保冷结结构还还是耐热热及阻燃性能上都优优于聚氨酯发酯发 泡，是较较理想的 LNG保温材料。真空管存在不便维维修，成本高、需要备备用管道、安装 技术术要求高、管道及阀门阀门 附件损损坏后更换换困难难等缺点。简简言之PIR保 冷总总体性能最好，所以建议议使用PIR。 LNG管道保冷结构 LNG PIR管道保冷结结构如下图图所示，本结结构设计设计 依据国标标GB/T 50264-97 工业设备业设备 及管道绝热绝热 工程设计规设计规 范，管径50mm的保冷 结结构如下图图所示。由内而外主要有：LNG管道，过过渡层层，保冷层层，防潮 层层以及外保护层护层 。直管段、弯头头、三通处处的保冷结结构分别别如下图图所示： PIR管道保冷结结构 直管段保冷结结构弯头头保冷结结构三通保冷结结构 LNG管道保冷结构 聚氨酯发酯发 泡保冷结结构 聚氨酯发酯发 泡管道保冷结结构如图图14所示，由内而外主要是LNG管道、 聚氨酯酯保冷层层、高密度聚乙烯烯密封层层（PE管）、橡胶改性沥沥青背衬铝衬铝 箔防潮层层和铝铝皮保护层组护层组 成。直管段、弯头头、三通处处的保冷结结构分别别 如下图图所示： 直管段保冷结结构弯头头保冷结结构 三通保冷结结构 LNG管道保冷结构 以某种真空多层绝热层绝热 管为为例，简单简单 介绍绝热绍绝热 真空管的一般结结构。如下图图 所示为为LNG管道真空多层绝热层绝热 管的结结构，主要由内管道、外管道、管间间支 撑、膨胀节胀节 、超级绝热层级绝热层 以及阀门阀门 等其他附件组组成。 真空管绝热绝热 是在需要保冷或保温的介质质外形成一个真空夹层夹层 ，真空夹层夹层 可以隔绝绝空气的对对流传热传热 ，多层缠绕层缠绕 的铝铝箔和纸绝热纸绝热 材料可以隔绝辐绝辐 射传传 热热和热传导热传导 ，并将夹层夹层 抽成高真空状态态，以降低对对流传热传热 ；内外管之间间用 低导热导热 系数材料隔离，以减少固体传热传热 ，从而把内管冷量损损失控制到最低限 度。 真空管保冷结结构 LNG管道保冷层厚度计算 保冷厚度计计算方法 低温管道保冷层层的计计算方法主要有外表面温度算法，表面冷损损失 算法，保冷层经济层经济 厚度算法等 上述3 种绝热绝热 保冷层层厚度的计计算方法各有利弊，由于当地最热热月平 均相对对湿度73%，容易在管道外表面结结露，为为了防止结结露发发生，所以 本次保冷层层厚度的计计算方法采用外表面温度厚度计计算，并采用最大冷 量损损失法进进行校核。 保冷计计算参照标标准：GB/T 50264-97 工业设备业设备 及管道绝热绝热 工程设设 计规计规 范。保冷层层厚度的计计算方法采用表面温度发计发计 算，同时时采用表 面冷量损损失算法，两种算法相互进进行校核。查查取相关手册得知德州夏季 空气调节调节 室外计计算干球温度34.8；露点温度29.5；。保冷材料PIR 导热导热 系数：=0+0.00009t W/(m)，25时时0=0.0275W/(m)，空 气换热换热 系数：8.141W/(m)。 LNG管道保冷层厚度计算 管道公称直径（ mm） 管道外径（ mm） 露点温度 （） 保冷层外径 （mm） 保温层厚度（ mm） 计算冷损失 （W/m2） 控制冷损失（ W/m2） 外表面温度（ ） 202729.5168.870.8934.247 36.6345 30.593 324229.5198.878.4034.27236.634530.590 404829.5209.680.7934.28836.634530.588 506029.5230.185.0434.25336.634530.593 657629.5254.789.3734.37636.634530.577 808929.5273.892.4134.41936.634530.572 10011429.5308.497.2234.49836.634530.562 12514029.5342.4101.2234.57436.634530.553 外表面温度算法计算结果 LNG管道保冷层厚度计算 管道公称直径（ mm） 管道外径（ mm） 露点温度 （） 保冷层外径（ mm） 保温层厚度（ mm） 计算冷损失（ W/m2） 控制冷损失（ W/m2） 外表面温度（ ） 202729.5188.380.6629.053 36.6345 31.231 324229.5220.589.2629.06136.634531.230 404829.5232.292.1129.03036.634531.234 506029.5253.596.7429.09436.634531.226 657629.5277.999.9329.13036.634531.221 808929.5299.9105.5029.16036.634531.218 10011429.5336.2111.1229.21936.634531.210 12514029.5371.7115.8529.27736.634531.203 表面冷损失算法厚度计算结果 针对本次所给图纸 中LNG管线管径尺寸DN50，通过以上计算 结果和分析可知至少需采用100mm厚度的保温层。 LNG管道保冷层厚度计算 Text in here 管道外径与保冷层层厚度的关系 两种算法计计算所得的保冷层层厚度都随管道外径的增加而变变大，且斜率逐渐渐减小，即 随管道外径的增加，增大保冷层层厚度所得的保冷效果将不明显显；其中外表面温度算法计计算 所得的保冷层层厚度比表面冷损损失算法计计算所得的保冷层层厚度小10-15mm，即在满满足保冷 要求的条件下，外表面温度算法计计算所得的保冷层层更薄，更经济经济 。 LNG管道保冷层厚度计算 冷损损失与外径的关系 两种算法所得的计计算冷损损失均低于控制冷损损失，即两种算法所得的保冷层层厚度都满满足 控冷要求；其中表面冷损损失法所得的计计算冷损损失比外表面温度法所得的计计算冷损损失小 4W/m2，即在满满足控冷要求的条件下，表面冷损损失算法计计算所得的保冷层层的保冷效果更 好。 LNG管道保冷层厚度计算 外表面温度与外径的关系 两种算法计计算所得的外表面温度均高出露点温度1以上，即两种算法的计计算结结果 均满满足外表面不结结霜的要求；其中表面冷损损失算法计计算所得的外表面温度比外表面温度 算法计计算所得的外表面温度高大约约0.8，即表面冷损损失算法所得的保冷层层的保冷效果更 好，更不容易结结霜。 数值模拟 应应用ANSYS Workbench软软件对对LNG 低温管道结结构进进行稳态热稳态热 分析，分 析比较较得到温度分布和管道径向热热流率情况，为为LNG 管道保冷结结构的优优化提 供了相应应的依据。 不锈钢锈钢 管道内为为LNG，外界为为空气。模拟拟采用管道公称直径为为100mm时时 的结结构设计设计 ，经过经过 合理的假设设与简简化。在保冷材料内表面施加温度载载荷为为- 162，各层层材料发发生热传导热传导 ，导热导热 系数取常温下的平均导热导热 系数；保冷材料 外表面与外界空气发发生热对热对 流，空气的对对流系数为为8.141W/（m2k）；环环境温 度为为34.8。 数值模拟 在对对管道保冷模拟拟之前，先对对材料的导热导热 系数随温度的变变化情况进进行 模拟拟及结结果分析，计计算对对比分析保冷材料导热导热 系数随温度变变化和平均导热导热 系数两种情况下的温度分布和管道径向热热流率情况。 通过对过对 比两种情况下的温度分布图图和热热通量图图，PIR的导热导热 系数随温 度变变化和平均导热导热 系数对对于温度分布和热热通量影响不大，LNG 管道保冷层层 设计过设计过 程中，设计设计 条件是满满足外表面温度时时，为为方便计计算可以采用平均导导 热热系数进进行计计算。 数值模拟 针对针对 外表面温度算法所得管道公称直径为为DN50mm时时的结结构设计设计 ，PIR 保冷层层内径为为60mm，PIR保冷层层厚度为为96mm进进行数值值模拟拟。 1）建立稳态热稳态热 分析系统统 2）设设置材料属性 3）模型建立 4）划分网格 5）设设置稳态热稳态热 分析的边边界条件 6）稳态热稳态热 分析结结果后处处理 数值模拟 保冷层层的简简化模型 网格划分图图 从热热通量图图可以看出，总热总热 通量从内向外逐步减少，内侧侧最大值为值为 94.449W/m2,外侧侧最小值值35.11W/m2，如图图所示。热热通量以矢量箭头头方式 显显示，由图图知有少量热热量流入。 温度分布图图 热热流量图图热热通量矢量图图 数值模拟 针对针对 冷损损失算法所得管道公称