LNG管道内气液相变流动传热理论的研究现状及趋势

孙 阔，张晶晶，吴玉国

LNG管道内气液相变流动传热理论的研究现状及趋势

孙 阔1，张晶晶2，吴玉国1

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000）

针对液化天然气管道内流动传热理论的研究现状及趋势进行相关调研，结果表明管道内液化天然气的相变问题十分严峻，严重影响着管道的运输能力和运输安全性。为缓解这些问题的发生，主要从液化天然气的管道运输特点、液化天然气相变机理与特性以及液化天然气流型与传热三个方面进行分析比较，指出了存在的问题以及未来的发展前景，对液化天然气管道内相变流动传热的研究提供理论基础。

液化天然气；相变；传热；两相流

随着经济全球化的快速发展，以及石油开采技术的不断创新，导致近些年来石油价格持续下降，需求量不断上升，这也影响到其产业链上的其他能源形式。其中，液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）相比较其他的能源表现出热值较高且产物较清洁的优势而被广泛关注。在经济环保要求严格的大形势下，掌握液化天然气特性，对加快经济发展，能源结构转变，环境质量改善起着至关重要的作用。

我国为响应党中央提出的可持续发展战略，以及推进我国城镇化建设的不断进步，我国对液化天然气的需求逐年提高[1]。前期的“西气东输”工程现已逐步发挥作用，然而，该工程存在的问题也逐渐显现，在运输过程中管道气液相变问题突出，这对液化天然气的管道运输非常不利。液化天然气在管道中发生相变是运输过程面临的一个重大难题，所以对于液化天然气管道气液相变流动传热理论亟待深入研究。

1 液化天然气的管道运输特点分析

液化天然气的制备原理是将气态天然气经过冷却压缩到沸点后变成液体，然后将液化天然气存储在-161.5 ℃、0.1 MPa的低温储罐中。液化天然气作为一种无味，无毒，无腐蚀性，且污染小等诸多优点，在现行的社会中发挥着举足轻重的作用。基于液化天然气的特殊性质，对液化天然气的运输方式要求非常严格，常见的液化天然气运输方式主要有三种，海上船舶运输方式、公路罐车运输方式以及管道运输方式，这三种运输方式有各自的特点[2]。

宫克勤等[3]人对液化天然气及其他流体储运工程热力学研究综述中，比较了液化天然气海运和管输的积极性潜力和研究价值。分析得到，相比较海运和陆运两种方式，管道运输液化天然气有利于节省成本，且管道输送方法正处于起步阶段，因此具有非常广阔的发展前景。

由于液化天然气对低温材料的要求比较高，因此对于液化天然气的管道运输通常是短距离输送，随着技术的发展和进步，液化天然气长距离管道输送的在理论和技术上逐步实现可行性。由于在输运过程中，管道内外存在温差，这必然使管道内的部分液化天然气被加热发生气化，于是在管道内形成两相流动，这种现象即为液化天然气管道内相变问题。相变过程有气体的产生，不仅增大了管道内的输运压力，并且易形成断塞流现象，对管道输运能力和安全运行非常不利。因此尽量实现单一液相流动，防止液体气化。

根据相关文献研究，防止液化天然气相变的常用技术措施——密相输送技术。即将管道内流体的温度控制在临界冷凝温度之下的区域范围，管道内的压力控制在临界冷凝压力之上区域范围，从而使液化天然气输送管道的运行工况处于液相密相区域，如图1所示[4]。除此之外，在液化天然气的流动过程中，流体与管道之间存在摩擦而产生热量造成管道温升，这是液化天然气相变的重要原因之一，因此可以在适当的位置建立冷却装置。

图1 典型天然气气相饱和线

对于长距离管道输送液化天然气发生相变的现象有很多[5]，国内外学者也做了很多努力，现大多数研究放在其输送设备中的改进和完善上。主要包括三方面，分别是输送管道、输送泵和低温制冷机[6]。还有其他的设备，如低温仪表，低温阀门，储罐等，下面从三大主要设备进行研究。

1.1 输送管道

对于液化天然气输送管道选材要求非常高，选用不仅有优良的耐低温性能，而且其膨胀系数最好比较大，防止气化造成管道膨胀破裂，因此要考虑缓冲补偿措施。

发生相变的一个重要原因就是管道内外存在温差，所以针对这一问题，要求管道绝热条件非常高，这样才能保证液化天热气不发生相变低温输送。因此提高管道材料的绝热特性，对液化天然气长距离输送起着至关重要的作用。绝热管道通常分为两类，堆积绝热和真空绝热。比较两种方式，由于管道压力和安全性的要求，真空绝热存在局限性。现如今最常用的方法是堆积绝热保冷。

在液化天然气管道运行期间，为了实现输送在低温条件下正常运行，在液化天然气管道正式输送之前，首先应对管道实施预冷处理，即所谓的将温度从环境温度冷却降低到工作温度（-160 ℃左右）。其次，由于管道内外存在温差，所以应采取一些措施来克服这一难题。根据文献相关研究，通常采用蒸发一定量的液化天然气来使管道保冷层和周围土壤环境温度降低，但这个过程相当缓慢，需要一段时间才能达到热稳定状态。在液化天然气管道停运期间，管道受外部环境影响，导致液化天然气相变产生气体，造成管道压力增加，为保证管道的安全型性，对管道设置安全阀和放空罐等设备。

1.2 输送泵

由于采用管道输运液化天然气，阻力通常会比较的大，造成沿程压力损失比较严重。因此在液化天然气的管道运输，离不开输送泵。输送泵分两种：非潜热泵和潜热泵。基于液化天然气的特殊性，现如今，高压、大型、高效的低温潜热泵为研究的重点。输送泵这方面研发，目前我国拥有自主知识产权的相关产品十分缺乏，因此应该加快相关产品的研发成为当务之急。

1.3 低温制冷机

由前面分析可知，液化天然气在管道内输送时，温度会上升，造成液化天然气发生气化，为了避免管道内的液化天然气因受热而发生相变问题，采用最好的措施是在一定的距离设置制冷机设备，以此来对液化天然气进行冷却。

制冷机制冷方式大多是以增压换热的方式，再进行节流或绝热膨胀的方式进行制冷。在诸多低温制冷中，以斯特林制冷机发展最为常见。其他的制冷方式有维勒米尔制冷机、吉福特—麦克马洪制冷机、索尔文制冷机、脉管制冷机和布雷顿循环制冷机等。

2 液化天然气相变机理及特性

液化天然气是烷烃类混合物，主要甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮等组成的混合物，该混合物各成分沸点和泡点不同，即各成分气化温度不同。在管道中输送低温液化天然气时，甲烷泡点低首先发生相变气化成气泡，气泡产生的过程会导致管道内流体换热增强，进而使其他成分继续气化，最终使管道内的液化天然气的气液相各组分比例不断变化[7]。

液化天然气的流动相变过程如图2所示，相变过程分为液相过冷区、气液两相区和气相过热区三个区域。在液相过冷区和气相过热区中，从图可以看出液化天然气与单一组分气化的温度随气化管道长度有相同的变化趋势，但在两相区两者温度变化趋势存在显著差异。基于液化天然气为非共沸混合物，其在两相区内，温度为非等温变化，而纯净物在两相区域为等温变化[7]。对液化天然气的气化机理和特点的分析，对液化天然气管道内相变的流动传热研究有很大帮助。

图2 LNG相变过程示意图

3 液化天然气流型与传热分析

液化天然气在管道相变运输形成气液两相流，这种相变的传热过程与气液两相流的流型密不可分，不同的流型对应着不同的传热流动机制。

广大国外内研究学者对低温液体相变传热传质性能做了大量的研究，大多数是对两相流流型的分析，多采用实验研究及数值模拟的研究方法。Chen在沸腾相变传热研究中，对流体的沸腾传热的规律和特点进行了总结归纳，得到了Chen 关系式[8]；李祥东等人分析气液两相间传输规律，建立了双流体模型，与Klimenko的实验[9]测量吻合较好[10]；齐守良等人[11]对液氮流动沸腾换热研究综述中，对液氮的弹状流和波状流两种流型进行实验研究，并得到了这两种流型的两相流的传热特性；王斯民等人[12]在竖直圆管内液氮过冷流动沸腾数值模拟研究中，验证壁面换热模型变化特征，得到空泡份额沿管长度变化规律；陈东升与石玉美[13]对0.5 MPa下的液化天然气在竖直圆筒中饱和流动沸腾换热研究中，对热通量、质量流量和干度等参数对液化天然气流动传热特性的作用做了相关分析；陈叔平[14]用Fluent多相流混合模型，编写UDF程序对液氮相变进行数值模拟；司洪宇对LNG气液两相流体激振（不稳定性）进行了研究[15]；刘亦鹏[16]对多种管路内流体沸腾形成的气液两相流动中Taylor气泡宏观特征进行了可视化研究；张华[17]搭建了低温输送管路流动特性的可视化研究模拟实验装置和管内低温汽液两相流动动态特性研究的模拟实验装置；Mikio Morioka等人[18]模拟LNG输送管中流体流动时出现的间歇泉现象主要受流体速度和管壁漏热的影响进行研究；K．Mishima等人[19]对矩形通道内两相流的压降、流型过渡、空泡份额和弹状气泡的速度进行研究；Nigmatulin等人[20]研究了垂直向下管内两相弹状流动，通过图像处理，获得了弹状气泡的界面位置；Takashi和Hibiki等人[21]对垂直向上大直径管内的气液两相流进行了研究，总结归纳出大管内泡状流和弹状流的漂移流关联式。De.SH[22]对肋管中热传递和流体之间耦合的液化天然气的流动问题，得到了温度，压力，速度等参数随着LNG温度的升高和LNG的蒸发而变化。通过以上调研与分析，基于液化天然气发生气化产生两相流，属于低温介质两相流，常见的两相流理论模型有均相流模型、漂移流模型、双相流模型、混合物模型和基于流型的模型，比较分析这几种两相流的理论模型，对于管内相变两相流的数值计算和模拟奠定了基础[7]。

3.1 均相模型

本模型是将多相流作为性质均匀的混合物进行处理。并假定该混合物无相对运动且相态均匀。这些简化和假设的前提是气液两相之间没有热量交换，并且已经达到热力学平衡状态，密度与温度无关，密度只是压力的函数；气液两相以相同的速度运动；视为单相流体来计算流动阻力损失。在诸多研究中，该模型多用于对两相流传热流动过程的粗略计算，多用于雾状和气泡流型。而对液化天然气管内相变传热流动的输送存在局限性。

3.2 漂移流模型

本模型只是分别研究气液两相流体，忽视了气液两相间的相互作用。但相比较均相模型，该模型计算方面已有很大的进步。

3.3 双流体模型

本模型与漂移流模型忽略气液间的相互作用相反，该模型充分考虑了相间的相互作用，将其视为连续且相互渗透的介质，满足质量、动量和能量传递方程。根据相关文献调研，双流体模型适用的条件有限，在低温领域发展较大。其中，在泡状流应用较多。

4 发展前景

（1）对于液化天燃气管道长距离运输仍存在一定的局限性， 管道中发生相变及管道压力升高的问题仍然很严重，因此，对于管道设备的改进和完善成为当前研究的热点，特别是对绝热高压、大型、高效的低温输送泵研究以及对大批量液化天然气所使用的低温制冷机的研究前景广阔；

（2）对于液化天然气发生相变过程生成的两相流的流型判别的界限不清，应加强对液化天然气相变后流型的分析研究，对液化天然气在管道内相变流动传热问题的将会有很大帮助。

（3）针对低温两相流中的五种模型，由于有其特定的使用要求，限制条件对液化天然气在管道内相变成两相流流动传热问题的研究存在不足。因此，我们应结合实际情况，优化条件，再结合理论和实验方法进行不断改进与创新。

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Research Status and Development Trend of Gas-Liquid Phase Change Heat Transfer Theory in LNG Pipeline

1,2,1

（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China； 2. PetroChina Pipeline Branch Company Pipeline Technology Research Center, HebeiLangfang065000，China）

The research status and development trend of gas-liquid phase change heat transfer theory in LNG pipeline were discussed. The results show that the phase change problem of LNG in pipeline has become more and more serious. What’s more, it affects the capacity and security of pipeline transportation. In order to alleviate these problems, characteristics of LNG pipeline transportation, phase change mechanism and characteristics of LNG, flow types and heat transfer of LNG were analyzed and compared. In the end, the existing problems and future development prospects were put forward. The article can provide theoretical basis for the research of phase change heat transfer in LNG pipeline.

LNG; Phase change; Heat transfer;Two-phase flow

TQ 013.1

A

1671-0460（2017）10-2124-04

2017-01-15

孙阔（1991-），男，在读硕士研究生，油气储运工程专业，研究方向：油气储运技术研究。E-mail：1209745075@qq.com。

吴玉国（1977-），男，教授，博士，研究方向：油气储运技术及设备研究。E-mail：wyg0413@126.com。