【论文精选】LNG管道水力计算和热力计算

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作 者： 宿敬群，包培哲，李宇轩

第一作者单位： 吉林市大地技术咨询有限公司

摘自《煤气与热力》2022年11月刊

参考文献示例

宿敬群，包培哲，李宇轩 .   LNG 管道水力计算和热力计算 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（11） ：B14- B18 .

1    概述

在 LNG 接收站、气化站、加气站等厂站设计中，为确保管径、保冷材料的种类和厚度的合理性， LNG 管道的水力计算和热力计算是必要的。在水力计算过程中，应考虑因传热引起的 LNG 温度变化以及 LNG 黏度、密度、比定压热容随温度的变化。因此，水力计算和热力计算具有耦合关系。受掌握的数据限制， LNG 组成中只考虑甲烷、乙烷、丙烷、氮 4 种组分。在热力计算中，忽略 LNG 管道内表面传热阻、工作管管壁热阻。

2    微元管段水力计算基本公式

由于断面 1 、断面 2 上 LNG 流速近似相等， LNG 流速 v 取断面 1 上 LNG 流速 v ₁ 。局部阻力取 0.05~0.10 倍摩擦阻力。

3    微元管段热力计算基本公式

3.1   考虑整体传热过程 q _l 计算

3.2   考虑保冷层导热过程 q _l 计算

3.3   考虑保冷层外表面传热过程 q _l 计算

考虑保冷层外表面传热过程，单位长度传热量计算见下式：

3.4  q _l 的求解计算

4   LNG 管道计算过程

4.1   微元管段的计算过程

①压力计算

在式（ 1 ）中，断面 1 、断面 2 上 LNG 流速近似相等，因此将式（ 1 ）变形为：

4.2  LNG 管道计算过程

已知条件： LNG 工作管的内直径和外直径、各 LNG 管段的长度和高度、管壁当量绝对粗糙度， LNG 管道保冷材料种类、保冷材料厚度， LNG 的组成， LNG 管道起点断面的压力、温度， LNG 质量流量。环境温度、年平均风速。待求量： LNG 管道终点断面的压力、温度，单位长度传热量。

沿管道轴向，将管道分成若干个长度相等的微元管段，微元管段数量记为 m 。由于微元管段长度 L 取得足够小，在微元管段内， LNG 的压力、温度变化很小，因此微元管段内 LNG 的黏度、密度、比定压热容取微元管段起点断面的黏度、密度、比定压热容。

对第 1 个微元管段，微元管段起点断面 LNG 压力、温度就是 LNG 管道起点断面的压力、温度。按照前文的计算方法，可计算得到微元管段终点断面 LNG 压力、温度。第 1 个微元管段的终点断面就是第 2 个微元管段的起点断面，按照同样的方法，可计算得到第 2 个微元管段的终点断面 LNG 压力、温度。依次计算，直至得到 LNG 管道终点断面的压力、温度。 由每个微元管段的单位长度传热量，可得到 LNG 管道的热流量，进而得到 LNG 管道的单位长度传热量。

5   LNG 物性参数计算

在以下的计算中，为了行文简洁，中间变量均不给出单位。

5.1  LNG 黏度

①纯物质黏度

纯物质黏度的计算式为 ^{［ 1 ］ 267} ：

表 1    甲烷、乙烷黏度计算式的系数

表 2    甲烷、乙烷、丙烷、氮的临界体积、临界温度、相对分子质量、偏心因子

5.2  LNG 密度

表 3    甲烷、乙烷、丙烷、氮的临界压力和构形因子

5.3  LNG 比定压热容计算

表 4    甲烷、乙烷、丙烷摩尔定压热容的系数

表 5    氮（液态） 2.0 MPa 下比定压热容 ^{［ 4 ］}

6    算例

1 条架空敷设的 LNG 管道， LNG 工作管规格为 D57 × 3.5 ，管壁当量绝对粗糙度 0.17 mm 。保冷材料选用泡沫玻璃制品 1 类，厚度 50 mm 。 LNG 中甲烷、乙烷、丙烷、氮的摩尔分数分别为： 0.97 、 0.01 、 0.01 、 0.01 。管道起点 LNG 绝对压力为 1.6 MPa ，温度为 112 K ，质量流量为 2.0 kg/s 。环境温度为 30.0 ℃，年平均风速为 5.0 m/s 。管道总长度 38 m ，依次分为 3 个管段。管段 1~3 的长度分别为 30 、 3 、 5 m ，管段 1 、 3 为水平管段，管段 2 为垂直向上管段。将管道起点记为节点 1 ，管段 1~3 的终点记为节点 2~4 。

按照本文方法进行计算，得到节点 2~4 的 LNG 绝对压力、温度，见表 6 。单位长度传热量为 39.56 W/m 。

表 6    管道各节点 LNG 绝对压力、温度

7    结论

①在计算中，考虑保冷材料热导率随平均温度变化， LNG 物性参数黏度、密度、比定压热容随组成、温度变化，比较准确。

②基于微元管段的思路，考虑传热关系，得出 LNG 管道各节点压力和温度、单位长度传热量的计算方法。实例验证此方法可行。

参考文献：

［ 1 ］童景山 .   流体热物性学——基本理论与计算［ M ］ .   北京：中国石化出版社， 2008.

［ 2 ］刘珊珊 .   空温式液化天然气气化器传热性能研究（硕士学位论文）［ D ］ .   哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2013.

［ 3 ］段常贵 .   燃气输配［ M ］ .  4 版 .  北京：中国建筑工业出版社， 2011 ： 4.

［ 4 ］陈国邦，黄永华，包锐 .   低温流体热物理性质［ M ］ .   北京：国防工业出版社，   2006 ： 209.

（本文责任编辑：刘灵芝）

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