液化天然氣項(xiàng)目中的管道保冷節(jié)能設(shè)計(jì)

賈琦月

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

作為清潔能源的天然氣，逐漸成為國家未來能源的一個(gè)重要發(fā)展方向。在沿海各省，眾多的液化天然氣（LNG）項(xiàng)目方興未艾。在此類項(xiàng)目中，對(duì)保冷節(jié)能體系的質(zhì)量提出了較高的要求，如何減少冷量損失是保證項(xiàng)目質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，所以解決保冷的質(zhì)量問題就成為項(xiàng)目執(zhí)行過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1 保冷節(jié)能的意義

液化天然氣（LNG）項(xiàng)目中的主要工藝介質(zhì)是低溫的液化天然氣，LNG 的沸點(diǎn)取決于其組分，在大氣壓力下通常在-166 ～ -157 ℃。沸點(diǎn)隨蒸氣壓力的變化梯度約為1.25×10-4℃/Pa，主要參數(shù)見表1，因此需要進(jìn)行保冷，來控制系統(tǒng)的溫度區(qū)間，節(jié)約冷 能。

如果管道保冷出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致液化天然氣由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，產(chǎn)生大量的氣化氣（BOG），如果通過火炬處理，會(huì)導(dǎo)致極大的能源浪費(fèi)；如果通過工藝手段處理，會(huì)造成極大的能源消耗；而且一旦LNG 氣化，單位體積的LNG 氣化會(huì)產(chǎn)生600 倍左右的膨脹，對(duì)管道系統(tǒng)安全也會(huì)造成不利影響。

2 LNG工藝特點(diǎn)和要求

保冷節(jié)能設(shè)計(jì)首先應(yīng)該滿足工藝的要求。液化天然氣項(xiàng)目的工藝具有其鮮明的特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)是超低溫，液化天然氣作為主要工藝介質(zhì)，設(shè)計(jì)溫度-162 ℃，這就要求管道保冷材料能夠耐受超低溫-162 ℃；管道表面的超低溫會(huì)導(dǎo)致外界水汽進(jìn)入保冷系統(tǒng)凝結(jié)成冰，體積膨脹，而且會(huì)越積越多。這就要求管道保冷系統(tǒng)具有足夠的防潮性能。第二個(gè)特點(diǎn)，工藝系統(tǒng)需要降低能耗和冷量損失，減少BOG的生成量。管道輸送的液化天然氣會(huì)因外界的熱量交換，產(chǎn)生BOG，產(chǎn)生越多，對(duì)系統(tǒng)的能耗就越大。因此需要計(jì)算合適的保冷厚度減少管道內(nèi)部液化天然氣與外部的熱量交換。第三個(gè)特點(diǎn)，介質(zhì)屬于易燃介質(zhì)，工藝區(qū)需要考慮防火。第四個(gè)特點(diǎn)，工藝運(yùn)行工況中存在冷、熱交變工況，這就要求保冷材料需要滿足冷熱兩種溫度的要求。

表1 LNG 參數(shù)表[1]Table 1 LNG parameters

3 保冷節(jié)能設(shè)計(jì)

保冷節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)該依據(jù)工藝特點(diǎn)，滿足工藝要求。選擇什么樣的材料種類，對(duì)應(yīng)怎樣的保冷系統(tǒng)，確定采用的何種保冷結(jié)構(gòu)，使用多大的保冷厚度，這些問題都需要在設(shè)計(jì)階段確定。而且，確定得越科學(xué)、越可靠、越具體，越能保證施工后的保冷效果；反之，如果在設(shè)計(jì)階段選擇了錯(cuò)誤的材料、錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤的參數(shù)，在后期即便施工再好，也不能滿足項(xiàng)目的需要，出現(xiàn)保冷質(zhì)量問題在所難免。以下分幾個(gè)方面闡述在設(shè)計(jì)階段，對(duì)保冷效果產(chǎn)生較大影響的控制 點(diǎn)。

3.1 保冷材料的選擇

保冷材料的選擇包括選擇保冷材料的品種和確定保冷材料的性能參數(shù)。在材料選擇的過程中，需要注意工藝要求。在已建成的LNG 項(xiàng)目中常用的保冷主材有多個(gè)品種：泡沫玻璃、聚異氰脲酸酯、氣凝膠、二烯烴等等。

選擇保冷材料需要全面關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、氧指數(shù) 、水蒸氣透濕系數(shù)、吸水率、閉孔率、強(qiáng)度等性能參數(shù)。這里需要指出的是，基于管道內(nèi)介質(zhì)超低溫的特點(diǎn)，低溫液化天然氣的管道材料大多選用奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼具有優(yōu)秀的低溫性能，但需要防范氯離子腐蝕，在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于氯離子含量的控制有明確的說明：“與奧氏體不銹鋼表面接觸的絕熱材料，其氯化物、氟化物、硅酸根、鈉離子的含量應(yīng)符合GB/T 17393—2008 的有關(guān)規(guī)定，且浸出液的pH 值在25 ℃應(yīng)為7.0 ～ 11.0”[2]，溶出液的要求參考圖1[3]所示，此點(diǎn)應(yīng)該在材料規(guī)定中給予充分的考慮，以免造成對(duì)不銹鋼腐蝕的不良影 響。

在國外CINI 標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)SY/T 7419—2018 標(biāo)準(zhǔn)中，也明確指出：在材料的驗(yàn)收中，需要提交絕熱材料的氯化物、氟化物、硅酸根、鈉離子的含量檢驗(yàn)報(bào)告。

圖1 可溶出氯離子和氟離子含量的接收范圍Fig.1 Acceptable range of soluble chloride ion and fluorine ion content

從液化天然氣項(xiàng)目的工藝要求出發(fā)，由于工藝介質(zhì)的易燃特點(diǎn)，LNG 的工藝區(qū)具有防火要求。為了滿足區(qū)域內(nèi)的防火要求，盡量在選材方面給予考慮。因此，在隔熱規(guī)范中要求有機(jī)類的保冷主材的氧指數(shù)不小于30，例如表2 聚異氰脲酸酯泡沫的物性參數(shù)[4]中所示。對(duì)于保冷主材的導(dǎo)熱系數(shù)需要注意的是，由于有機(jī)類保冷主材具有老化現(xiàn)象，材料老化將導(dǎo)致保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大。導(dǎo)熱系數(shù)增大對(duì)于保冷系統(tǒng)是不利的，在設(shè)計(jì)階段會(huì)導(dǎo)致保冷厚度增加，所以需要關(guān)注老化后的材料導(dǎo)熱系數(shù)。如表2所示，對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的要求分為新鮮樣品和180 天老化樣品兩種數(shù)值，對(duì)于新鮮樣品要求導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下不高于0.020 W/ （m·K）；而對(duì)于180 天老化樣品的要求升高到0.027 W/ （m·K），導(dǎo)熱系數(shù)值升高了35%。同理，在后續(xù)進(jìn)行保冷計(jì)算時(shí)，應(yīng)該采用老化樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果比較可靠。

另外，為保護(hù)環(huán)境，對(duì)于有機(jī)發(fā)泡類保冷主材不應(yīng)含有氯氟烴（CFC）和氫氯氟烴（HCFC），此點(diǎn)要求對(duì)于聚異氰脲酸酯、二烯烴等材料也很重要。

相比較于PIR 聚異氰脲酸酯，泡沫玻璃（具體性能如表3 所示）的氯離子含量就低很多。

此 點(diǎn) 在 標(biāo) 準(zhǔn)GB 50264—1997、CINI、SY/T 7419—2018 中有明顯的體現(xiàn)，對(duì)于PIR 聚異氰脲酸酯材料，氯離子含量要求控制在6×10-5以內(nèi)，對(duì)于泡沫玻璃要求控制在2.5×10-5以內(nèi)，此控制值只是PIR 聚異氰脲酸酯的42%。

從老化角度看，泡沫玻璃沒有老化問題。在閉孔率方面，PIR 聚異氰脲酸酯可以控制在90%以上，但是仍有接近10%的開孔率，如果不增加其他的防護(hù)措施，會(huì)導(dǎo)致水汽進(jìn)入而結(jié)冰；泡沫玻璃是全閉孔的材料。在吸水率方面，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)值，PIR 聚異氰脲酸酯達(dá)到了泡沫玻璃的8 倍。

在防火性能上，泡沫玻璃是不燃材料，不低于A 級(jí)；而PIR 聚異氰脲酸酯最多做到難燃B1 級(jí)，氧指數(shù)在30 以上。

表2 聚異氰脲酸酯泡沫的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of polyisocyanuric acid foam

表3 泡沫玻璃絕熱制品物理性能指標(biāo)Table 3 Physical properties of cellular glass insulation products

從環(huán)保角度看， 泡沫玻璃的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品使用過程中，沒有CFC 和HCFC 的問題；從廢料處理角度，泡沫玻璃廢料可以環(huán)保再利用，但是PIR 聚異氰脲酸酯需要進(jìn)行環(huán)保處理，比如深埋處理。

綜上分析，選擇保冷材料應(yīng)該從多角度加以比較。認(rèn)識(shí)到工藝系統(tǒng)的要求，材料性能上須全面滿足工藝的要求，這樣才能使得保冷系統(tǒng)安全可靠。

3.2 保冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

保冷問題不單是保冷主材的問題，而是一個(gè)系統(tǒng)問題。單獨(dú)的保冷主材須要配合好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)管系的保冷要求。

3.2.1 保冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要基于保冷材料的選擇，在此過程中往往涉及到對(duì)保冷厚度的初步考慮。保冷厚度不僅決定著保冷系統(tǒng)的有效性，而且影響著配管間距、管廊寬度等因素。圖2 為 保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖。

圖2 保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖Fig.2 Design effect of cold insulation structure

保冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于不同地域的工程項(xiàng)目有不同的側(cè)重點(diǎn)，大體分為單一材料結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以結(jié)合多種材料的優(yōu)點(diǎn)。由于每種保冷材料都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，所以有時(shí)可以考慮使用復(fù)合結(jié)構(gòu)的保冷結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)的適用性[5]，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。比如，采用PIR+泡沫玻璃的復(fù)合方案：從保冷效果上看，PIR 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而降低，將其置于保冷結(jié)構(gòu)的內(nèi)層能充分發(fā)揮其保冷性能，將泡沫玻璃置于外層，利用其閉孔結(jié)構(gòu)，可以起到隔水防潮的作用；并且外加不燃A級(jí)材料泡沫玻璃，在外層形成防火屏障，提高了整個(gè)系統(tǒng)的防火性能；對(duì)于外層的泡沫玻璃，利用其最佳的保冷性能區(qū)間以及優(yōu)秀的抗老化性能和壽命長的特點(diǎn)，使得整個(gè)保冷體系更加可靠。

3.2.2 保冷系統(tǒng)的外保護(hù)層設(shè)計(jì)

外保護(hù)層是整個(gè)保冷系統(tǒng)的保護(hù)。外保護(hù)層需要按照工藝的要求，根據(jù)具體情況考慮整個(gè)保冷系統(tǒng)防火、防水、耐候等因素，有區(qū)分地選用不銹鋼板、鍍鋁鋼板、玻璃鋼等材料。比如：對(duì)于LNG 接收站來說，一般都建在海邊，有時(shí)也會(huì)在海中，所以應(yīng)該充分考慮海洋環(huán)境的腐蝕影響。在CINI 標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于海邊環(huán)境有幾種防護(hù)選型說明：鍍鋁鋼板、不銹鋼和玻璃鋼。如果考慮到防火，就應(yīng)考慮選擇鍍鋁鋼板和不銹鋼作為外防護(hù)。需要指出的是，對(duì)于鍍鋁鋼板，此種材料在CINI 標(biāo)準(zhǔn)中，液化天然氣LNG 部分有單獨(dú)的說明。鍍鋁鋼板應(yīng)依據(jù)ASTM A 463M，選用T2-300 型，兩面噴鋁達(dá)到300 g/m2，單面厚度50 μm；而不應(yīng)選擇 T1-300 型，該種類型材料加入了元素硅，而且防腐處理的要求也低于T2-300 型，在工業(yè)和海洋環(huán)境中，均建議使用T1-300 型的鍍鋁鋼 板。

3.2.3 異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于管道系統(tǒng)，除了管子之外，有大量的彎頭、三通、異徑管和閥門。這些異型結(jié)構(gòu)，往往是保冷施工的難點(diǎn)，也是現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)問題的地方。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為了減少施工控制的難度，可以在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)異型元件保冷結(jié)構(gòu)圖（如圖3 所示）。在設(shè)計(jì)中，配備標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)圖，不僅有利于精細(xì)化設(shè)計(jì)，而且對(duì)下游的采購、施工環(huán)節(jié)也有很重要的輔助作用。

圖3 閥門保冷的結(jié)構(gòu)圖 [6]Fig.3 structure diagram of valve cold insulation

3.3 完善保冷節(jié)能的計(jì)算

保冷是為了節(jié)能，控制管道介質(zhì)的溫度。一個(gè)直接的體現(xiàn)就是降低BOG 的產(chǎn)生量，減少外界熱量對(duì)低溫管道介質(zhì)的影響，保持冷量。相關(guān)的保冷計(jì)算首先要滿足工藝的要求。工藝針對(duì)工藝系統(tǒng)的平衡計(jì)算，會(huì)給出控制冷損失的最大值，這個(gè)參數(shù)是保冷計(jì)算的核心數(shù)據(jù)。不同的計(jì)算方法和計(jì)算過程，往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。針對(duì)液化天然氣系統(tǒng)，首先要求保冷節(jié)能系統(tǒng)的最大冷損失量須小于工藝規(guī)定的冷損失量——如果冷損失量超標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)能耗急劇增加；之后須要使用表面溫度法和經(jīng)濟(jì)厚度法進(jìn)行校核，實(shí)現(xiàn)保冷節(jié)能系統(tǒng)的防結(jié)露效果和保冷節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；最后形成統(tǒng)一的計(jì)算模型。依照規(guī)范，對(duì)于小于DN 1000 的管道，按圓筒型計(jì)算保冷節(jié)能層厚度，其余按平面型計(jì)算保冷節(jié)能層厚度。常用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式如下：

平面型保冷節(jié)能層經(jīng)濟(jì)厚度按式（1）[1]計(jì)算：

圓筒型保冷節(jié)能層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算中，應(yīng)使保冷節(jié)能層外徑D1滿足式（2）[1]的要求。

式中 PE——能量?jī)r(jià)格，元/GJ；

PT——保冷節(jié)能結(jié)構(gòu)單位造價(jià)，元/m3；

λ—— 保冷節(jié)能材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

aS—— 保冷節(jié)能層外表面向周圍環(huán)境的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

t——年運(yùn)行時(shí)間，h；

T0——管道或設(shè)備的外表面溫度，K；

Ta——環(huán)境溫度，K；

S——保冷節(jié)能工程投資年攤銷率，%；

D0——管道或設(shè)備外徑，m；

D1—— 內(nèi)層保冷層外徑，當(dāng)為單層時(shí)，D1即保冷層外徑，m；

δ—— 保冷層厚度，當(dāng)保冷層為兩種不同保冷節(jié)能材料組合的雙層保冷結(jié)構(gòu)時(shí)， 為雙層總厚度，m。

此處強(qiáng)調(diào)的“完善”，是指在計(jì)算過程中，只根據(jù)單一公式計(jì)算結(jié)果來確定保冷主材厚度是不夠的，需要綜合考慮多方面的問題：包括與工藝相關(guān)的冷傳導(dǎo)量計(jì)算，與經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的保冷體系經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算，以及防火、施工方面的影響因素。因此往往須要進(jìn)行迭代計(jì)算和分析。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章就保冷材料、保冷結(jié)構(gòu)和保冷計(jì)算幾個(gè)方面闡述了液化天然氣保冷節(jié)能設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)：

（1）對(duì)于保冷材料的性能，需全面考慮，比如材料的防火性能和對(duì)管道本體的腐蝕影響。

（2）對(duì)于性能參數(shù)中的導(dǎo)熱系數(shù)，需注意老化對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

（3）對(duì)于外防護(hù)材料，要注意周圍環(huán)境的影響，對(duì)于鍍鋁鋼板宜使用T2-300 型。

（4）在保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注保冷結(jié)構(gòu)、外防護(hù)層和異型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（5）在計(jì)算方面，注意首先滿足工藝條件的要求，之后綜合考慮經(jīng)濟(jì)厚度原則。

對(duì)于保冷設(shè)計(jì)來說，盡量做到多想一步，盡量做到不斷完善，才會(huì)給后續(xù)的環(huán)節(jié)打下一個(gè)好的基礎(chǔ)，使得保冷體系的質(zhì)量問題在“先天”的層面上不會(huì)出現(xiàn)問題。需要指出的是，保冷系統(tǒng)的成敗，龍頭在設(shè)計(jì)，后續(xù)還有采購環(huán)節(jié)和施工環(huán)節(jié)，對(duì)采購和施工的控制同樣也是需要注意的環(huán)節(jié)。