直埋LNG管道周圍土壤凍融相變數值研究

張 威，吳 明

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

直埋LNG管道周圍土壤凍融相變數值研究

張 威，吳 明

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

采用有限容積法建立多孔介質相變自然對流換熱模型，以直埋LNG管道為例，采用SIMPLER算法進行求解，數值計算了地表溫度周期性波動條件下，埋地輸冷管道非穩態傳熱過程，得到了不同季節管道周圍土壤溫度場及冰水相變界面分布規律。 研究表明：在地表溫度的周期波動下，LNG管道周圍土壤溫度場波動減小，且隨著LNG冷量的不斷釋放，管道周圍出現較大范圍的凍土圈。

LNG管道； 周期性邊界條件； 多孔介質； 溫度場

目前，國外實現LNG管道輸送的實例較少：據相關文獻介紹，日本在LNG管道輸送方面有一定經驗，并成功實施了1.5 km的管道敷設，且輸送技術尚未公開；加拿大在此方面進行了大量研究[1]，成果表明當LNG輸量越大，距離越長，地溫越低時，液化輸送的經濟效果較好。而我國還處于起步階段，而在建設的國內幾家大型 LNG接收站中尚未出現LNG管道直輸的情況。為了能夠消除其在輸送過程中因低溫介質引起的管道周圍土壤溫度場的改變而帶來的安全隱患,數值模擬了 LNG管道在非穩態輸送過程中對周圍環境的影響。并將計算模型設置為飽和含水土體，最大限度檢測LNG冷量所產生的凍脹危害,最終得出直埋方式效果并非理想并建議采用管溝敷設輸送LNG。

1 數學模型

土壤作為多孔介質流動及相變過程非常復雜，有限容積法是處理多孔介質模型常用的理論方法[2-3]。假設土體各項均質連續，初始時刻孔隙中水分均勻分布，水分遷移符合達西定律。采用焓-多孔度法建立相變過程的控制方程，該方法的基本思想是以焓和溫度共同作為因變量，無須分區建立控制方程[4]。

計算策略是將流體在網格單元內占有的體積百分比定義為多孔度，并將流體和固體并存的過渡區域看成動態的多孔介質進行處理，在流體融化過程中多孔度從0變為1。

質量守恒方程：

式中：U— 流體速度，m/s；

ρf— 流體密度，kg/m3；

t— 時間，s。

動量守恒方程：

ε— 孔隙比1；

p— 孔隙壓力，Pa；

Dp— 粒子平均直徑，mm；

μ— 流體動力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef— 流體總能，J；

Es— 固體介質總能，J；

γ— 介質孔隙度，1；

keff— 介質有效導熱率，W/(m·K)；

其中：keff=γkf+(1?γ)ks，

kf—流體熱導率，W/(m·K)；

ks—固體導熱率，W/(m·K)。

邊界條件：

Nhw管道內壁的對流換熱系數；v為風速，Tk為1年內地表環境溫度K。

2 數值模擬及結果分析

某LNG管道全長6 km，出站溫度126 K，出站壓力4 MPa，保冷層厚度136 mm，管道直徑159 mm；在穩態輸送條件下，其進站溫度130 K，進站壓力3.507 MPa。

為了充分了解 LNG管道在非穩態時的傳熱情況，特做了如下模擬計算：將管道周圍的土壤視為飽和含水土體，忽略管道軸向溫降，建二維計算模型，初始地溫282 K，管道埋深1.5 m，環境溫度采用周期性邊界條件。

圖1 環境溫度周期性變化曲線Fig.1 Curve of periodic variation of environment-temperature

圖1給出了地表平均溫度隨環境溫度周期波動的變化關系，圖2為LNG管道自第1年4月末開始運行，最熱月管道周圍土壤溫度場等值線圖。分析可知：由于最熱月大氣不斷向土壤傳熱，致使LNG管道上方土體溫度較高出現未凍土，見圖3。而LNG管道兩側及下方土體溫度較低，出現了大面積凍土區，這主要是由于LNG管道不斷向土壤散發冷量，使管道周圍土壤溫度低于冰點，孔隙中未凍水凝結成冰。此時受地表環境溫度波動影響已很小，管道下方土壤溫度場維持在較穩定的低溫狀態。

圖2 管道運行4個月后土壤溫度場等值線圖Fig.2 Contour of soil temperature field after pipeline operation 4 months

圖3 管道運行4個月后土壤凍融相變云圖Fig.3 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 4 months

圖4為最冷月管道周圍土壤溫度場等值線圖。圖5為對應的管道周圍土壤凍融相變云圖。分析可知：隨著地表溫度的不斷降低，管道上方土壤溫度場波動劇烈，這是由于管道上方土體受地表溫度影響較大。結合圖2可知：管道下方土壤溫度場已趨于逐漸穩定狀態，隨著環境溫度周期波動的影響已很小，且管道周圍土壤凍結范圍也趨于平穩。

圖4 管道運行11個月后土壤溫度場等值線圖Fig.4 Contour of soil temperature field after pipelineoperation 11 months

3 結 論

通過對 LNG管道非穩態轉熱過程的數值模擬可得出以下結論：

（1）通過模擬計算得到了不同季節管道周圍土壤溫度場及冰水相變界面分布接近于正弦規律；

（2）在地表溫度的周期性波動下，管道下方土體溫度場很快達到穩定狀態，地表溫度周期波動對管道周圍土壤溫度場影響較小；

圖5 管道運行11個月后土壤凍融相變云圖Fig.5 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 11 months

（3）雖然采用保溫措施，但由于管道向周圍土壤傳遞冷量極大，嚴重擴大了凍土范圍，導致突然周圍環境溫度變化巨大。

[1] 楊筱蘅，張國忠.輸油管道設計與管理[M].東營:石油大學出版,2004：77-78.

[2] 盧濤，姜培學.多孔介質融化相變自然對流數值模擬[J].工程熱物理學報，2005，26：167-176.

[3] 盧濤，佟德斌.飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J].北京化工大學學報，2006，33（4）：37-40.

[4] 歐陽梅.針翅管式相變換熱性能的數值模擬[D].重慶大學,2009.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營:中國石油大學出版,2006.

[6] 龐麗萍，王浚.熱介質直埋管道周圍溫度場仿真研究［J］.系統仿真學報，2004，16(3)：485-491.

[7] 顧安忠,魯雪生.液化天然氣技術[M].北京:機械工業出版社，2003:18-20.

Numerical Research on Freeze-thaw Phase of Soil around the Buried LNG Pipeline

ZHANG Wei，WU Ming
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Finite volume method was used to build the porous media natural convection heat transfer model. Taking the buried LNG pipeline as an example, unsteady-state heat transfer process of the buried cold pipe was calculated under surface temperature cyclical fluctuation conditions by SIMPLER algorithm. The distribution law of the temperature field of the soil around pipeline in different seasons and ice water phase change interface was gained. The research shows that temperature field fluctuation of the soil around LNG pipeline decreases under the surface temperature cycle fluctuations, and a larger range of frozen soil around pipeline arises with continuous releasing of LNG cold energy.

LNG pipeline; Periodic boundary condition; Porous media; Temperature field

TE 866

A

1671-0460（2011）02-0161-02

2010-09-20

張威（1985-），女，在讀碩士研究生，遼寧撫順人，主要從事X80鋼及其焊縫在我國典型土壤環境中的應力腐蝕開裂行為與機理研究。E-mail：zhangv85@163.com。