LNG低温管道预冷工艺数值模拟

Numerical Simulation on the Pre-Cooling Process of the LNG Low-Temperature Pipe

摘要: LNG低温管道预冷是LNG工程投产试运行的难点，采用FLUENT软件对Φ630 × 10 mm低温管道进行BOG气体预冷工艺模拟，在0.2 m/s、0.5 m/s、1 m/s流速下，获得了BOG预冷过程的管道温度变化规律，以及低温管道在预冷过程中的实时温度显示，并制定了低温管道预冷方案。

Abstract: LNG low-temperature pipe pre-cooling is difficult point of completion and commissioning of LNG project. Under the flow rate of 0.2 m/s, 0.5 m/s and 1 m/s, FLUENT software is used to conduct si-mulation of BOG gas pre-cooling technology for Φ630 × 10 mm low-temperature pipe to obtain temperature change regularity of pipe during BOG pre-cooling process and real-time display of temperature of low-temperature pipe during pre-cooling process and to formulate pre-cooling plan of low-temperature pipe.

1. 引言

LNG低温管道施工完成后，应对LNG管道进行预冷工艺。由于LNG是液态天然气，运行温度为−163℃。如果不进行预冷直接投入，不仅会产生收缩变形，而且由于冷却过快使低温管道上下表面温差产生弯曲变形及热应力破坏 [1] 。

预冷是确保LNG工程项目顺利投产试运行的重点工作。首先用冷的BOG气体在管路中循环，冷却必须慢慢的进行，使管路达到−95℃~−118℃范围内，方可直接输送LNG。通过预冷使常温的LNG输送管道达到温度较低工作状态，保证了LNG低温管道的运行 [2] [3] 。

2. 低温管道结构

以国内LNG管线为例，截取直径为Φ630 × 10 mm管长为5 m的水平直管段为研究对象。管道结构简化为由钢管和保冷层组成，采用BOG作为预冷气体，管道钢管选用厚度为20 mm的0Cr18Ni9，管道保冷层由两部分组成，内层为厚度为100 mm的聚异氰尿酸脂，外层为厚度为50 mm的泡沫玻璃，物性参数见表1。

3. 模型建立

将管道通入BOG气体，通过与管道壁面换热，使BOG气体的温度升高，进而实现对管道的预冷，管道预冷到达一定程度时将冷量传递给内保温层，此后，通过内、外保温层之间的导热，以及外保温层与大气环境的对流换热，使得管道外保温层的温度逐渐降低。由于低温管道的实际预冷过程较复杂，因而为方便研究，首先需要对模型进行简化 [4] - [6] ：

Table 1. Physical parameters of the pipe

表1. 管道结构物性参数

1) 忽略管壁轴向导热，仅考虑管壁径向导热；

2) 不考虑管道外壁与保冷层之间的接触热阻；

3) 管壁和保冷材料的热容、热导率等物性不随温度变化。

在以上简化假设的基础上，该模型满足连续性方程、动量方程和能量方程，公式如(1)~(5)，保冷层导热微分方程如公式(6)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

保温层满足的导热微分方程为：

(6)

4. 数值模拟计算结果及分析

将温度为153 K的BOG气体以0.2 m/s的流速注入管长为5 m的管道中，对管道进行预冷。设置时间步长为60 s，每10 min保存一组数据，计算总时间为12 h，初始时刻管道及环境温度均设置为303 K，图1为管道预冷10 min时的温度分布云图。

Figure 1. Temperature cloud chart of the BOG pipe after pre-cooling 10 min

图1. BOG管道预冷10 min温度分布云图

当BOG气体分别以0.2 m/s、0.5 m/s和1 m/s的流速进入管道时，分别对这三种工况预冷12 h的管道温降情况进行数值模拟，得到管道壁面的温降曲线如图2所示。

从上图可以看出，三种不同流速的BOG管道预冷趋势，整体上均呈现先变化较快，后趋于平缓的趋势，0.2 m/s流速时的温降曲线在前10小时内温度变化比较快，以后变化比较缓慢；0.5 m/s流速时的温降曲线在前7小时内变化比较快，以后变化比较缓慢；流速为1 m/s的温降曲线在前5小时内变化比较快，以后变化比较缓慢，主要是由于管道入口段的BOG温度较低，与管道的温差较大，对流换热系数较大，于是管道温降较快。因此需先以较小速率进行预冷，然后慢慢地增加流速。

由于管道预冷过程中，管道壁面温度逐渐降低，因而到达一定温度后，会将冷量传递给管道内保温层，内保温层通过导热将温度传递给外保温层，同时由于外保温层与大气环境之间存在对流换热，因而使得外保温层的温度会有小幅度的降低，图3为不同流速下管道预冷12 h横截面温度分布云图。

Figure 2. Temperature response of the pipe wall with pre-cooling time under the different flow rates

图2. 不同流速下管道壁面温度随预冷时间变化曲线

(a) (b)(c)

Figure 3. Temperature cloud chart of the pipe cross section after pre-cooling 12 h under the different flow rates. (a) velocity of 0.2 m/s, (b) velocity of 0.5 m/s, (c) velocity of 1 m/s

图3. 不同流速下管道预冷12 h的管道横截面温度分布图。(a) 流速0.2 m/s；(b) 流速0.5 m/s；(c) 流速1 m/s

5. 结论

本文采用Fluent软件对LNG管道预冷情况进行数值模拟，计算并分析了管径为610 mm，管长为5 m的管道预冷过程的管内流动和管道的温度分布。对比分析了不同流速下预冷12 h内管道壁面的温度变化情况，结果表明，0.2 m/s、0.5 m/s以及1 m/s的温降曲线变化较快的时间分别为10 h、7 h及5 h，为LNG低温管道预冷提供了依据。