液化天然气项目中的管道保冷节能设计

贾琦月

（中国寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

作为清洁能源的天然气，逐渐成为国家未来能源的一个重要发展方向。在沿海各省，众多的液化天然气（LNG）项目方兴未艾。在此类项目中，对保冷节能体系的质量提出了较高的要求，如何减少冷量损失是保证项目质量的关键一环，所以解决保冷的质量问题就成为项目执行过程中的一个关键问题。

1 保冷节能的意义

液化天然气（LNG）项目中的主要工艺介质是低温的液化天然气，LNG 的沸点取决于其组分，在大气压力下通常在-166 ～ -157 ℃。沸点随蒸气压力的变化梯度约为1.25×10-4℃/Pa，主要参数见表1，因此需要进行保冷，来控制系统的温度区间，节约冷 能。

如果管道保冷出现问题，会导致液化天然气由液态转变成气态，产生大量的气化气（BOG），如果通过火炬处理，会导致极大的能源浪费；如果通过工艺手段处理，会造成极大的能源消耗；而且一旦LNG 气化，单位体积的LNG 气化会产生600 倍左右的膨胀，对管道系统安全也会造成不利影响。

2 LNG工艺特点和要求

保冷节能设计首先应该满足工艺的要求。液化天然气项目的工艺具有其鲜明的特点，第一个特点是超低温，液化天然气作为主要工艺介质，设计温度-162 ℃，这就要求管道保冷材料能够耐受超低温-162 ℃；管道表面的超低温会导致外界水汽进入保冷系统凝结成冰，体积膨胀，而且会越积越多。这就要求管道保冷系统具有足够的防潮性能。第二个特点，工艺系统需要降低能耗和冷量损失，减少BOG的生成量。管道输送的液化天然气会因外界的热量交换，产生BOG，产生越多，对系统的能耗就越大。因此需要计算合适的保冷厚度减少管道内部液化天然气与外部的热量交换。第三个特点，介质属于易燃介质，工艺区需要考虑防火。第四个特点，工艺运行工况中存在冷、热交变工况，这就要求保冷材料需要满足冷热两种温度的要求。

表1 LNG 参数表[1]Table 1 LNG parameters

3 保冷节能设计

保冷节能设计应该依据工艺特点，满足工艺要求。选择什么样的材料种类，对应怎样的保冷系统，确定采用的何种保冷结构，使用多大的保冷厚度，这些问题都需要在设计阶段确定。而且，确定得越科学、越可靠、越具体，越能保证施工后的保冷效果；反之，如果在设计阶段选择了错误的材料、错误的结构、错误的参数，在后期即便施工再好，也不能满足项目的需要，出现保冷质量问题在所难免。以下分几个方面阐述在设计阶段，对保冷效果产生较大影响的控制 点。

3.1 保冷材料的选择

保冷材料的选择包括选择保冷材料的品种和确定保冷材料的性能参数。在材料选择的过程中，需要注意工艺要求。在已建成的LNG 项目中常用的保冷主材有多个品种：泡沫玻璃、聚异氰脲酸酯、气凝胶、二烯烃等等。

选择保冷材料需要全面关注导热系数、抗压强度、氧指数 、水蒸气透湿系数、吸水率、闭孔率、强度等性能参数。这里需要指出的是，基于管道内介质超低温的特点，低温液化天然气的管道材料大多选用奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有优秀的低温性能，但需要防范氯离子腐蚀，在现行国家标准和行业标准中对于氯离子含量的控制有明确的说明：“与奥氏体不锈钢表面接触的绝热材料，其氯化物、氟化物、硅酸根、钠离子的含量应符合GB/T 17393—2008 的有关规定，且浸出液的pH 值在25 ℃应为7.0 ～ 11.0”[2]，溶出液的要求参考图1[3]所示，此点应该在材料规定中给予充分的考虑，以免造成对不锈钢腐蚀的不良影 响。

在国外CINI 标准和国内SY/T 7419—2018 标准中，也明确指出：在材料的验收中，需要提交绝热材料的氯化物、氟化物、硅酸根、钠离子的含量检验报告。

图1 可溶出氯离子和氟离子含量的接收范围Fig.1 Acceptable range of soluble chloride ion and fluorine ion content

从液化天然气项目的工艺要求出发，由于工艺介质的易燃特点，LNG 的工艺区具有防火要求。为了满足区域内的防火要求，尽量在选材方面给予考虑。因此，在隔热规范中要求有机类的保冷主材的氧指数不小于30，例如表2 聚异氰脲酸酯泡沫的物性参数[4]中所示。对于保冷主材的导热系数需要注意的是，由于有机类保冷主材具有老化现象，材料老化将导致保冷材料的导热系数增大。导热系数增大对于保冷系统是不利的，在设计阶段会导致保冷厚度增加，所以需要关注老化后的材料导热系数。如表2所示，对于导热系数的要求分为新鲜样品和180 天老化样品两种数值，对于新鲜样品要求导热系数在常温下不高于0.020 W/ （m·K）；而对于180 天老化样品的要求升高到0.027 W/ （m·K），导热系数值升高了35%。同理，在后续进行保冷计算时，应该采用老化样品的导热系数进行计算，结果比较可靠。

另外，为保护环境，对于有机发泡类保冷主材不应含有氯氟烃（CFC）和氢氯氟烃（HCFC），此点要求对于聚异氰脲酸酯、二烯烃等材料也很重要。

相比较于PIR 聚异氰脲酸酯，泡沫玻璃（具体性能如表3 所示）的氯离子含量就低很多。

此 点 在 标 准GB 50264—1997、CINI、SY/T 7419—2018 中有明显的体现，对于PIR 聚异氰脲酸酯材料，氯离子含量要求控制在6×10-5以内，对于泡沫玻璃要求控制在2.5×10-5以内，此控制值只是PIR 聚异氰脲酸酯的42%。

从老化角度看，泡沫玻璃没有老化问题。在闭孔率方面，PIR 聚异氰脲酸酯可以控制在90%以上，但是仍有接近10%的开孔率，如果不增加其他的防护措施，会导致水汽进入而结冰；泡沫玻璃是全闭孔的材料。在吸水率方面，依据标准中数值，PIR 聚异氰脲酸酯达到了泡沫玻璃的8 倍。

在防火性能上，泡沫玻璃是不燃材料，不低于A 级；而PIR 聚异氰脲酸酯最多做到难燃B1 级，氧指数在30 以上。

表2 聚异氰脲酸酯泡沫的物性参数Table 2 Physical parameters of polyisocyanuric acid foam

表3 泡沫玻璃绝热制品物理性能指标Table 3 Physical properties of cellular glass insulation products

从环保角度看， 泡沫玻璃的生产过程和产品使用过程中，没有CFC 和HCFC 的问题；从废料处理角度，泡沫玻璃废料可以环保再利用，但是PIR 聚异氰脲酸酯需要进行环保处理，比如深埋处理。

综上分析，选择保冷材料应该从多角度加以比较。认识到工艺系统的要求，材料性能上须全面满足工艺的要求，这样才能使得保冷系统安全可靠。

3.2 保冷系统结构的设计

保冷问题不单是保冷主材的问题，而是一个系统问题。单独的保冷主材须要配合好的结构设计，才能实现整个管系的保冷要求。

3.2.1 保冷的结构设计

保冷的结构设计，要基于保冷材料的选择，在此过程中往往涉及到对保冷厚度的初步考虑。保冷厚度不仅决定着保冷系统的有效性，而且影响着配管间距、管廊宽度等因素。图2 为 保冷结构设计效果图。

图2 保冷结构设计效果图Fig.2 Design effect of cold insulation structure

保冷的结构设计对于不同地域的工程项目有不同的侧重点，大体分为单一材料结构和复合材料结构，其中复合材料结构设计可以结合多种材料的优点。由于每种保冷材料都有其优势和劣势，所以有时可以考虑使用复合结构的保冷结构，具有更强的适用性[5]，以达到优化设计的效果。比如，采用PIR+泡沫玻璃的复合方案：从保冷效果上看，PIR 导热系数随温度降低而降低，将其置于保冷结构的内层能充分发挥其保冷性能，将泡沫玻璃置于外层，利用其闭孔结构，可以起到隔水防潮的作用；并且外加不燃A级材料泡沫玻璃，在外层形成防火屏障，提高了整个系统的防火性能；对于外层的泡沫玻璃，利用其最佳的保冷性能区间以及优秀的抗老化性能和寿命长的特点，使得整个保冷体系更加可靠。

3.2.2 保冷系统的外保护层设计

外保护层是整个保冷系统的保护。外保护层需要按照工艺的要求，根据具体情况考虑整个保冷系统防火、防水、耐候等因素，有区分地选用不锈钢板、镀铝钢板、玻璃钢等材料。比如：对于LNG 接收站来说，一般都建在海边，有时也会在海中，所以应该充分考虑海洋环境的腐蚀影响。在CINI 标准中，对于海边环境有几种防护选型说明：镀铝钢板、不锈钢和玻璃钢。如果考虑到防火，就应考虑选择镀铝钢板和不锈钢作为外防护。需要指出的是，对于镀铝钢板，此种材料在CINI 标准中，液化天然气LNG 部分有单独的说明。镀铝钢板应依据ASTM A 463M，选用T2-300 型，两面喷铝达到300 g/m2，单面厚度50 μm；而不应选择 T1-300 型，该种类型材料加入了元素硅，而且防腐处理的要求也低于T2-300 型，在工业和海洋环境中，均建议使用T1-300 型的镀铝钢 板。

3.2.3 异型结构设计

对于管道系统，除了管子之外，有大量的弯头、三通、异径管和阀门。这些异型结构，往往是保冷施工的难点，也是现场容易出现问题的地方。从设计角度出发，为了减少施工控制的难度，可以在设计阶段设计异型元件保冷结构图（如图3 所示）。在设计中，配备标准化的结构图，不仅有利于精细化设计，而且对下游的采购、施工环节也有很重要的辅助作用。

图3 阀门保冷的结构图 [6]Fig.3 structure diagram of valve cold insulation

3.3 完善保冷节能的计算

保冷是为了节能，控制管道介质的温度。一个直接的体现就是降低BOG 的产生量，减少外界热量对低温管道介质的影响，保持冷量。相关的保冷计算首先要满足工艺的要求。工艺针对工艺系统的平衡计算，会给出控制冷损失的最大值，这个参数是保冷计算的核心数据。不同的计算方法和计算过程，往往会导致不同的计算结果。针对液化天然气系统，首先要求保冷节能系统的最大冷损失量须小于工艺规定的冷损失量——如果冷损失量超标，会导致整个系统能耗急剧增加；之后须要使用表面温度法和经济厚度法进行校核，实现保冷节能系统的防结露效果和保冷节能系统的经济性；最后形成统一的计算模型。依照规范，对于小于DN 1000 的管道，按圆筒型计算保冷节能层厚度，其余按平面型计算保冷节能层厚度。常用的设计计算公式如下：

平面型保冷节能层经济厚度按式（1）[1]计算：

圆筒型保冷节能层经济厚度计算中，应使保冷节能层外径D1满足式（2）[1]的要求。

式中 PE——能量价格，元/GJ；

PT——保冷节能结构单位造价，元/m3；

λ—— 保冷节能材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K)；

aS—— 保冷节能层外表面向周围环境的换热系数，W/(m2·K)；

t——年运行时间，h；

T0——管道或设备的外表面温度，K；

Ta——环境温度，K；

S——保冷节能工程投资年摊销率，%；

D0——管道或设备外径，m；

D1—— 内层保冷层外径，当为单层时，D1即保冷层外径，m；

δ—— 保冷层厚度，当保冷层为两种不同保冷节能材料组合的双层保冷结构时， 为双层总厚度，m。

此处强调的“完善”，是指在计算过程中，只根据单一公式计算结果来确定保冷主材厚度是不够的，需要综合考虑多方面的问题：包括与工艺相关的冷传导量计算，与经济性相关的保冷体系经济厚度计算，以及防火、施工方面的影响因素。因此往往须要进行迭代计算和分析。

4 结束语

综上所述，文章就保冷材料、保冷结构和保冷计算几个方面阐述了液化天然气保冷节能设计中的一些要点：

（1）对于保冷材料的性能，需全面考虑，比如材料的防火性能和对管道本体的腐蚀影响。

（2）对于性能参数中的导热系数，需注意老化对材料导热系数的影响。

（3）对于外防护材料，要注意周围环境的影响，对于镀铝钢板宜使用T2-300 型。

（4）在保冷结构设计时，需要关注保冷结构、外防护层和异型结构的设计。

（5）在计算方面，注意首先满足工艺条件的要求，之后综合考虑经济厚度原则。

对于保冷设计来说，尽量做到多想一步，尽量做到不断完善，才会给后续的环节打下一个好的基础，使得保冷体系的质量问题在“先天”的层面上不会出现问题。需要指出的是，保冷系统的成败，龙头在设计，后续还有采购环节和施工环节，对采购和施工的控制同样也是需要注意的环节。