近期，中海油研究总院与海南大学研究团队在 Sustainable Horizons 联合发表研究文章，对长输低温液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）管道预冷过程进行了数值模拟分析。
文章以多层管道结构模型为基础，采用有限差分法对保温材料、保温层厚度和管道直径等关键参数进行分析，研究了LNG管道预冷过程的瞬态传热，预测了其最优的管道结构和最佳保温材料特
性，对海底液化天然气管道的设计和安全运行具有广泛的意义。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.horiz.2023.100070
- 研究背景 -
随着经济的快速发展，煤炭和石油的使用带来了众多环境问题。液化天然气是一种很有前途的清洁能源，其产生的二氧化碳比煤炭减少近50-60%。LNG的体积容量仅为天然气的1/625，质量仅为同体积水的45%，其运输方式多采用LNG船运，相比于传统传统化石能源运输更加灵活便捷。但大型LNG船体要求较高的港口水深，且LNG属于易燃易爆物质，一旦发生泄露，极易危害港口安全。
建立离岸LNG港口可有效减少港口风险，满足LNG船体吃水深度，且避免了港口拥堵问题。海底长输LNG管道是将LNG从离岸港口输送到终端的重要设施。为避免LNG与环境温差大导致管道的低温开裂和气体急剧膨胀，对LNG应用中的预冷工艺进行研究具有重要意义。
- 研究亮点 -
Fig. 1.LNG长输管道连接离岸港口及陆上终端示意图
◇ Transient BOG precooling process for subsea LNG transport is discussed.
◇ The temperature-dependent heat conductivity of insulation material is considered.
◇ Pipe diameter in the range of 30” to 40” is reasonable for precooling process.
◇ Thickness of the insulation layer is suggested between 30 and 60 mm.
◇ Compared to the GF, RPUF shows better thermal performance.
- 研究方法 -
Fig. 2.多层液化天然气管道的纵向视图和横截面图
研究模型建立了由镍合金内管、保温层、钢管和混凝土涂层组成的多层LNG管道。
预冷气设定为BOG气体（Boil Off Gas），通过有限差分法对数学模型进行求解，并对管道瞬态传热进行分析。在数学模型中做了如下假设：BOG是一种低粘度气体，其横截面温度分布均匀；管内各层之间的传热主要是径向传热，忽略了纵向传热；忽略流体性质(密度、比热、流体粘度等)随压力、温度和流体成分的变化；焦耳-汤普森效应忽略不计；假定海床上的环境温度恒定。
- 结果与讨论 -
对于LNG输送管道通过使用BOG预冷，在不同管径、厚度、保温层的变量下进行有限差分法分析了管道的热性能。如图三所示，在预冷过程中，管道的整体温度随着时间的推移而降低，并达到稳定状态。从入口到出口，温度不断升高，在稳定状态下，管道入口和出口的温差约为5°C。管道越大，管道整体温度随时间的变化越快。因此，增大管道尺寸可以缩短预冷时间。
Fig. 3. 在BOG预冷过程中不同管道尺寸的纵向内部温度曲线
如图四a可以看出大型管道可以缩短预冷时间，保持较低的管道内部温度，更有利于液化天然气的运输。不过，大直径管道安装困难，在实际工程应用中，管道直径在30英寸至40英寸之间比较合理。图四b可以看出增加隔热层厚度可使整个管道保持低温。不过，为确保效率和可操作性，隔热层的厚度应保持在30至60毫米之间。
Fig.4.a. 不同尺寸管道预冷过程中管道出口处的温度与时间的函数关系；b. 不同隔热层厚度下管道出口处的温度变化
如图五结果显示，相较于玻璃纤维（Glass Foam, GF），使用硬聚氨酯泡沫塑料（Rigid Polyurethane Foam, RPUF）的导热系数较低且随温度变化很小，因此RPUF更适合作为LNG管道的绝热材料。在LNG管道保温层选择时可以使用导热系数低、对温度不敏感的材料。
Fig.5.a. GF和RPUF的导热系数随环境温度变化；b. 采用不同保温材料时管道末端的温度变化；c. 使用不同保温材料预冷后管道沿线的稳态温度曲线
- 总结与展望 -
随着能源结构的不断优化，LNG将逐步取代煤炭和石油，占据能源消费的主要比重。LNG海上港口可以提供足够的水深、安全的航道和港区广阔的水域。海底LNG长输管道作为连接海上港口和沿海终端的重要设施，需要在超低温下运行。BOG预冷过程是保证LNG安全输送的关键工作。
本研究建立了LNG长输多层管道的瞬态传热数学模型。由于保温层温度跨度大，考虑了保温材料导热系数随温度的变化。采用有限差分法对数学模型进行了求解，并对BOG气体预冷过程进行了模拟。研究了管道结构和保温材料对管道整体热性能的影响。研究结果对海底LNG管道的设计和安全运行具有广泛的指导意义。
- 致谢 -
本研究得到海南省重点研发计划（基金号：ZDYF2021SHFZ101），海南省科技重大专项（基金号：ZDKJ2020011），国家自然科学基金（基金号：52201315，22266015），闽江学院海洋功能传感材料福建省重点实验室（基金号：MJUKF-FMSM202101）和海南大学科研启动基金（基金号：KYQDCZR7-21032）的支持。
作者简介
Junlong Zhu, an intermediate engineer at CNOOC Research Institute Co., Ltd. He graduated from China University of Petroleum (Beijing) in 2017 majoring in Mechanical Engineering. His research interests include design and optimization of offshore oil equipment and analysis of marine energy strategy.
Hui Wang, an associate researcher at State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea at Hainan University. She obtained her PhD degree from China University of Petroleum (Beijing). Her research interests are mainly focused on subsea pipeline insulation and seawater uranium extraction. She has published 24 SCIE indexed journal articles. Based on the Web of Science, a total of 262 SCI citations were counted, and 2 papers were selected for high ESI citation.
单位简介
海南大学， 是2007年8月由原华南热带农业大学与原海南大学合并组建而成的综合性重点大学，是教育部和海南省人民政府部省合建高校，国家“双一流”建设高校。
引用格式：Zhu, J., Zheng, B., Wang, S., Li, Q., Wang, H., Wang, N. 2023. Boil-off gas precooling process for subsea low temperature LNG pipelines . Sustainble Horizons 8, 100070.
期刊官网（英文）：https://journals.elsevier.com/sustainable-horizons
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