南方LNG低温管道保冷层厚度计算的分析_刘丰

２０１４年第１０期２０１４年１０月收稿日期：２０１４－０７－１４第一作者简介：刘丰，１９７７年生，男，湖南新化人，２００１年毕业于西南石油学院油气储运专业，注册二级建造师。

南方ＬＮＧ低温管道保冷层厚度计算的分析刘丰１，蔡庆勇２（１．邵东县泰华管道燃气工程建设投资有限公司，湖南邵东４２２８００；２．中国石油福建销售公司，福建福州３５０００１）摘要：目前在中国南方地区远离天然气长输管线的县城，几乎全部都采用投资建设ＬＮＧ（液化天然气）气化站，然后通过ＬＮＧ槽车把ＬＮＧ运送到ＬＮＧ气化站，然后经气化后经管道输送到各燃气用户。

由于ＬＮＧ是低温储藏，因此在气化前ＬＮＧ低温管道需要进行保冷设计。

保冷厚度的大小对工艺管道的正常运行起到重要的作用。

通过对几种保冷层厚度计算方法的分析，并通过举例说明，对ＬＮＧ低温管道保冷层厚度的计算方法进行阐述。

关键词：ＬＮＧ低温管道；保冷厚度；计算方法；分析中图分类号：ＴＵ９９６．７文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－０８０２－（２０１４）１０－０１７８－０２Analysis on the Calculation of Thickness of South LNG Cryogenic Pipeline Cold Reserving LayerLIU Feng 1,CAI Qing-yong 2(1.Shaodong Taihua Pipeline Gas Engineering Construction Investment Co.,Ltd.,Shaodong 422800,Hunan,China;2.PetroChina Fujian Marketing Company,Fuzhou 350001,Fujian,China)Abstract:At present,almost all of the counties far away from long-distance gas pipeline in southern China invest in constructing LNG (liquefied natural gas)gasification station,then transport LNG to the LNG gasification station with LNG tankers,and then transport LNG to each user after gasification by pipe.Because LNG is stored in low temperature,the LNG cryogenic pipelines need cold reserving design before gasification.The thickness of the cold reserving layer plays an important role in the normal operation of the process pipeline.Based on the analysis of several methods of calculating the thickness of cold reserving layer and explanation with examples,the methods of calculating the thickness of LNG cryogenic pipeline cold reserving layer are analyzed.Key words:LNG cryogenic pipeline ；cold reserving thickness ；calculation method ；analysis（总第１０９期）０引言在储运低温液化烃冷储库中，对于输送流体温度低于－２０℃的管道，通常按照低温管道进行设计。

为了满足工艺生产要求、减少冷量损失、节约能源、并防止表面凝露、改善工作环境，需要对此类低温管进行保冷设计。

工程中多采用敷设绝热材料、粉末真空、高真空或高真空多层的绝热方式。

真空绝热管道由内管、外管及支撑件构成，造价和施工管理费用高，特别是输送距离长时，管道环形空间内真空环境的稳定维持很困难。

对于ＬＮＧ低温管道，由于管道内的介质温度与外界温度相差较大，低温介质从外界吸收热量，如果保温层厚度选取得不合适，温度会沿着管道轴向逐渐升高，并超出规定的温度范围。

同时低温管道冷量损失的大小也影响整个工艺冷热负荷的配置，因此保冷设计中对于保冷层厚度的计算就显得格外重要。

１保冷层厚度的计算公式低温管道保冷层厚度计算的公式基本一致，在忽略管道内介质与金属、金属热阻的情况下，保温材料的换热量：q ＝２πλ（T ｆ－T ｓ）Ｉｎ（D ０／D ｉ），（１）式（１）中，q 为单位管道的冷量损失，Ｗ／ｍ；λ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为保冷层外表面温度，Ｋ；D ０为保冷层外直径，ｍ；D ｉ为管道外径或保冷层内直径，ｍ。

保冷管道外壁与空气的换热量：q ＝πa ｓD ０（T ｓ－T ａ），（２）式（２）中，q 为单位管道的冷量损失，Ｗ／ｍ；a ｓ为保冷层外表面对空气的换热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；D ０为保冷层外直径，ｍ；T ｓ为保冷层外表面温度，Ｋ；T ａ为环境温度，Ｋ。

公式（１）与（２）中q 值相等，得到：D ０D ｉIN D ０ｉD D＝２λa ｓD ｉT ｆ－T ｓT ｓ－T ａ，（３）２０１４年第１０期２０１４年１０月式（３）中，D ０为保冷层外直径，ｍ；D ｉ为管道外径或保冷层内直径，ｍ；λ为保冷层材料的导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；a ｓ为保冷层外表面对空气的换热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；T ｆ为低温介质温度，Ｋ；T ｓ为保冷层外表面温度，Ｋ；T ａ为环境温度，Ｋ。

经简化消除T ｓ后得到：q ＝２π（T ｆ－T ａ）１IN D ０D ｉD D＋2ｓ０，（４）δ＝（D ０－D ｉ）／２，（５）式（４）和式（５）中，q 为单位管道的冷量损失，Ｗ／ｍ；T ｆ为低温介质温度，Ｋ；T ａ为环境温度，Ｋ；λ为保冷层材料的导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；D ０为保冷层外直径，ｍ；D ｉ为管道外径或保冷层内直径，ｍ；δ为保冷层厚度，ｍ。

保冷层外表面对大气的换热系数a ｓ＝a ｒ＋a ｃ，其中a ｒ为辐射换热系数，a ｃ为对流换热系数。

其中：a ｒ＝c T ｆ－T α［（T ｓ＋２７３100）４－（T ａ＋２７３100）４］，（６）式（６）中，a ｒ为辐射换热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；ｃ为辐射系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；T ｆ为低温介质温度，Ｋ；T ａ为环境温度，Ｋ；T ｓ为保冷层外表面温度，Ｋ。

由表面粗糙度、颜色、光亮程度、周围反射条件决定。

一般金属保护层取c ＝４．０。

由于大多数低温管道为室外管道，因此对流换热系数a ｃ为：ａ）如果V ｗ与D ０的乘积小于等于０．８ｍ２／ｓ，则：a ｃ＝３．４７５V w0.613D 0；（７）ｂ）如果V ｗ与D ０的乘积大于０．８ｍ２／ｓ，则：a ｃ＝３．６４５V w 0.805D 00.15，（８）式（７）和（８）中，V ｗ为环境年平均风速，ｍ／ｓ。

在式（１）到（８）中，未知数只有q 、D ０和T ｓ，如果给定其中一个，即可求出另外两个数。

２保冷层厚度计算方法的分析２．１限定外表面温度T ｓ的计算方法按ＧＢ／Ｔ１１７９０一１９９６《设备及管道保冷技术通则》３．２条，保冷计算的目地在于“对常温以下的设备或管道进行保护或涂装以减少外部热量向内部的侵入并使表面温度保持在露点以上，不使外表面凝露而采取的隔热措施；或对０℃以上常温以下的设备或管道，为防止其表面凝露而采取的隔热措施。

”。

防止低温管道、低温设备及其保冷层的外壁表面凝露是保冷计算中的基本原则，而防凝露计算是保冷计算的基础。

根据ＧＢ／Ｔ１５５８６一１９９５《设备及管道保冷技术导则》，“保冷层表面对空气的放热系数a ｓ取值为８．１４１Ｗ／（ｍ２·Ｋ），环境温度T ａ采用夏季空调计算温度，相对湿度采用最热月平均相对湿度。

保冷层外表面温度T ｓ＝T ｄ＋（１～３）”。

为了清楚地说明问题，对同样ＤＮ５０的低温ＬＮＧ管道，在不同的地点，按ＧＢ／Ｔ１５５８６—１９９５给定的计算方法，取保冷层外表面温度T ｓ＝T ｄ＋１．５（T ｄ为露点温度，℃），保冷层材料的导热系数为０．０３Ｗ／（ｍ２·Ｋ）进行计算。

计算出的保冷层厚度相差很明显，无明显的规律可以遵循，相应的冷损失值也相差很大，可以看出结果并不合理。

从工程实际和理论分析来看，采用限定表面温度T Ｓ的方法来计算ＬＮＧ低温管道保冷层并不十分理想，主要存在以下问题：ａ）采用表面温度法计算时，是以控制表面凝露为前提的。

对南方地区，由于常年温度高，湿度大，使得计算出的管道保冷层厚度偏大；ｂ）ＧＢ／Ｔ１５５８６一１９９５中保冷层表面对空气的换热系数a ｓ取值为８．１４１Ｗ／（ｍ２·Ｋ），忽略了不同地区，不同条件下具有不同的值。

从式（４）中可以分析出，换热系数a ｓ越大，保冷层厚度越小；而换热系数越小，保冷层厚度越大。

按此计算，室外管道由于风速大，换热系数大，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的ＬＮＧ低温液体管道所要求的正好相反；ｃ）采用表面温度法计算时，周围环境温度（T ａ，℃）采用夏季空调计算温度，其相对湿度（Φ，％）采用最热月平均相对湿度。

这种取平均值的方法理论上还是不可避免保冷层外表面不出现凝露现象；ｄ）采用表面温度法计算时，防凝露计算是保冷计算的基础。

而防凝露的目的无非有两个：（ａ）防保冷层外表面出现冷凝水；（ｂ）防止由于凝露而引起的保冷层外表面对空气的放热系数的增大。

实际上，对低温液体管道，一般采用绝热性能较好的材料，保冷层外表面对空气换热的热阻R ｓ＝１／a ｓ，绝热材料热阻R １＝δ／λ，根据所算数据分析R ｓ约为R １的１．０％～５．０％。

这样，即使保冷层外表出现凝露，管道的保冷效果并不会有太大的影响。

ＬＮＧ低温液体管道为室外管道，表面凝露无大的影响。

２．２限定冷量损失q 的计算方法管道的冷量损失q 可按下式进行计算：q ＝（V ηγρ）／（２４×３６００×L ），（９）式（９）中，V 为管道内低温液体的体积，ｋｇ，V ＝πLD ２／４；D 为管道内径，ｍ；ρ为低温液体的密度，ｋｇ／ｍ３；η为（下转１８１页）刘丰，等：南方ＬＮＧ低温管道保冷层厚度计算的分析２０１４年第１０期２０１４年１０月2700m m4200mm管道内每立方米体积液体允许的汽化率，％／ｄ；γ为液体介质的汽化潜热，Ｊ／ｋｇ；L 为保冷管道的长度，ｍ。