國內(nèi)外關(guān)于LNG 管道保冷層厚度設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

付現(xiàn)橋，陳玨伶，徐 敬，劉志田，賈光猛，付立欣，郭 旭

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘 062522）

國內(nèi)外關(guān)于LNG 管道保冷層厚度設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

付現(xiàn)橋，陳玨伶，徐 敬，劉志田，賈光猛，付立欣，郭 旭

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘 062522）

摘 要：分析了國內(nèi)外關(guān)于 LNG 管道保冷層厚度計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并具體闡述了計(jì)算方法及參數(shù)選擇。經(jīng)分析：國內(nèi) GB 50264、SH/T 3010 等標(biāo)準(zhǔn)與國外 JIS A9501、ISO12241 等標(biāo)準(zhǔn)比，不但計(jì)算方法有區(qū)別，而且外表面換熱系數(shù)及其他參數(shù)取值也不相同，從實(shí)例計(jì)算結(jié)果可知，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算保冷層厚度結(jié)果稍微偏大，保冷效果較好。

關(guān) 鍵 詞：保冷層；絕熱計(jì)算；換熱系數(shù)；LNG

由于天然氣是一種清潔高效的能源，其充分燃燒后生成 CO2、H2O 等無害物質(zhì)，目前已經(jīng)受到人們的青睞。在華北地區(qū)，城市居民天然氣供應(yīng)存在巨大峰谷差，為冬季天然氣供應(yīng)帶來很大困難。LNG是通過冷凍將氣態(tài)天然氣制備成液態(tài)的一種能源產(chǎn)品，其體積只有氣態(tài)的六百分之一，加溫氣化后，能迅速補(bǔ)充管網(wǎng)內(nèi)的天然氣，彌補(bǔ)冬季用氣高峰時(shí)產(chǎn)生的巨大缺口。

LNG 管道承擔(dān)著液化天然氣的輸送作用，在進(jìn)行管路設(shè)計(jì)中，管道絕熱保冷設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問題[1-4]。保冷層厚度設(shè)計(jì)不合適，不僅會(huì)造成投資浪費(fèi)，還會(huì)影響到液化天然氣輸送。本文針對國內(nèi)外的LNG保冷層厚度計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了差異分析，給設(shè)計(jì)人員在引用規(guī)范時(shí)提供參考。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)

GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于工業(yè)設(shè)備及管道外表面溫度為-196℃～850℃的絕熱工程設(shè)計(jì)，并給出了三種算法包含經(jīng)濟(jì)厚度算法、防結(jié)露算法及最大允許冷損失算法等計(jì)算方法[5]。SH/T 3010-2013《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于石油化工設(shè)備（塔、換熱器、容器、機(jī)泵等）和管道隔熱工程的設(shè)計(jì)和施工，并給出了經(jīng)濟(jì)厚度、表面溫度法計(jì)算及最大允許冷損失算法等計(jì)算方法。

GB/T 4272-2008《設(shè)備及管道絕熱技術(shù)通則》用于指導(dǎo)設(shè)備管道及其附件外表面溫度在-196℃～650℃的絕熱工程設(shè)計(jì)。GB 50126-2008《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工規(guī)范》、GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)范了保冷材料選擇原則、保冷層計(jì)算原則及幾種計(jì)算方法[6]。GB 50185-2010《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)范了保冷層的安裝及驗(yàn)收。

1.2 國外主要標(biāo)準(zhǔn)

英國標(biāo)準(zhǔn) BS EN ISO12241-2008《建筑設(shè)備和工業(yè)裝置的絕熱計(jì)算規(guī)則》給出在穩(wěn)態(tài)條件下建筑和工業(yè)設(shè)備傳熱的計(jì)算規(guī)則，并給出了熱橋處理的簡化方法。日本標(biāo)準(zhǔn) JIS A 9501-2006《絕熱保溫工程施工標(biāo)準(zhǔn)》主要適用于化學(xué)工業(yè)、燃料工業(yè)及熱利用動(dòng)力裝置，空氣控溫及給排水等設(shè)備保溫保冷絕熱工程施工，不適用于冷藏庫、船舶、鐵路車輛等保溫保冷工程，適用溫度范圍-180～1 000 ℃。

美國標(biāo)準(zhǔn) ASTM C680-2004《用計(jì)算機(jī)程序?qū)Ω魺岜馄?、圓柱和球狀系統(tǒng)熱增量或熱損失以及表面溫度的評定規(guī)程》提供了在野外環(huán)境中穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，用于實(shí)現(xiàn)一維表面溫度絕熱的計(jì)算方法。國外涉及到 LNG 保冷層厚度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)還有：德國標(biāo)準(zhǔn) VDI 2055-2007《在工業(yè)和建筑中保溫保冷絕熱計(jì)算規(guī)則》、ISO 9346《隔熱 質(zhì)量傳遞物理量和定義》等。

2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異分析

2.1 保冷層厚度計(jì)算方法區(qū)別

由于 GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH/T 3010-2013《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》等國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于絕熱層進(jìn)行經(jīng)濟(jì)厚度、最大允許冷損失下的厚度、表面放熱損失量和絕熱結(jié)構(gòu)外表面溫度的計(jì)算的公式及參數(shù)相同。在討論與國外標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別時(shí)，僅需要對比 GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)使用防結(jié)露厚度

日本標(biāo)準(zhǔn) JIS A9501-2006《絕熱保溫工程施工標(biāo)準(zhǔn)》里面規(guī)定保冷層厚度計(jì)算采用

以及經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算公式

當(dāng) F1取最小值時(shí)，（De-Di）/2 值為最經(jīng)濟(jì)的厚度。

英國標(biāo)準(zhǔn) BS EN ISO12241-2008《建筑設(shè)備和工業(yè)裝置的絕熱計(jì)算規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)中

計(jì)算。

關(guān)于國內(nèi)外LNG保冷層厚度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算方法有很大區(qū)別，GB 50264 主要采用最大允許冷損失、經(jīng)濟(jì)厚度和防結(jié)露厚度計(jì)算方法，JIS A9501 主要采用與 GB 50264 的表面溫度法一致計(jì)算方法和經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法，ISO12241 主要采用與 GB 50264 的最大允許冷損失下的厚度計(jì)算相似計(jì)算方法。

2.2 保冷層厚度計(jì)算影響因子區(qū)別

進(jìn)行計(jì)算。[Q]為以每平米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量（W/m2），當(dāng) Ta-Td≤4.5 時(shí)，[Q]=-（Ta-Td）αs，代入最大允許冷損失公式化簡得

如果使用經(jīng)濟(jì)厚度

計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)使用防結(jié)露厚度

式中 PE為能量價(jià)格（元/GJ），PT為絕熱結(jié)構(gòu)單元造價(jià)（元/m3），t為年運(yùn)行時(shí)間（h），常年運(yùn)行的應(yīng)按 8 000 h 計(jì)算，非常年運(yùn)行的按照運(yùn)行時(shí)間計(jì)算。S為絕熱工程投資年攤銷率（%），已在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)按復(fù)利率計(jì)算，Ts為保冷層外表面溫度（℃），在只防結(jié)露保冷厚度計(jì)算中，保冷層外表面溫度 Ts應(yīng)為露點(diǎn)溫度 Td加 0.3 ℃[5]。

日本標(biāo)準(zhǔn) JIS A9501-2006《絕熱保溫工程施工標(biāo)準(zhǔn)》里面規(guī)定保冷層厚度計(jì)算采用

式中 θsi為保冷層內(nèi)側(cè)溫度（℃），取為介質(zhì)的最低操作溫度。θse為保冷層外側(cè)溫度（℃）。θa為環(huán)境溫度（℃）。hse為絕熱層表面與周圍空氣的換熱系數(shù)[W/(m2·K)]，外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和，hse=hr+hcv。其中，

垂直管道Δθ≥10K 時(shí)，

，ε為放射率，ω 為風(fēng)速 m/s，σ 為史

蒂芬 -波爾茲曼常數(shù) 5.67×10-8W/(m2·K)[7,8]。

表 1 外部傳熱系數(shù)近似計(jì)算參數(shù)CH、CV取值Table 1 Coefficients CHand CVfor approximate calculation of total exterior thermal surface coefficient

綜上所述，GB 50264 與 JIS A9501、ISO12241相比簡化了外表面換熱的影響因素，與其它標(biāo)準(zhǔn)和方法的換熱系數(shù)計(jì)算值及其他參數(shù)間存在較大差值。

2.3 實(shí)例分析

某 LNG 管道所處位置在內(nèi)蒙古省，具體環(huán)境條件參數(shù)，詳見表 2。管內(nèi)介質(zhì)溫度 T0=-166 ℃，管材為 0Cr18Ni9Ti的無縫鋼管，管徑為 DN250×10，管道采用改性聚異氰脲酸酯（PIR）作為保冷材料，具體性能見表3。

表 2 某氣象站累年逐月平均氣象要素統(tǒng)計(jì)表（50 a）Table 2 The weather station monthly average meteorological statistics (50 years)

如采用日本標(biāo)準(zhǔn) JIS A9501-2006《絕熱保溫工程施工標(biāo)準(zhǔn)》里面規(guī)定保冷層厚度計(jì)算采用

表 3 聚異氰脲酸酯（PIR）材料性能Table 3 Polyisocyanurate (PIR) material properties

通過實(shí)例計(jì)算可以看出 GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的圓筒型單層 允 許 冷 損 失 下 絕 熱 層 厚 度 計(jì) 算 結(jié) 果 與 JIS A9501-2006《絕熱保溫工程施工標(biāo)準(zhǔn)》的結(jié)果相差不大，和 ISO12241-2008《建筑設(shè)備和工業(yè)裝置的絕熱計(jì)算規(guī)則》計(jì)算結(jié)果相比偏大。

3 結(jié) 論

（1）關(guān)于國內(nèi)外 LNG 保冷層厚度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算方法有區(qū)別，GB 50264 主要采用最大允許冷損失、經(jīng)濟(jì)厚度和防結(jié)露厚度計(jì)算方法，JIS A9501主要采用與 GB 50264 的表面溫度法一致計(jì)算方法和經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法，ISO12241 主要采用與 GB 50264 的最大允許冷損失下的厚度計(jì)算相似計(jì)算方法。

（2）與 JIS A9501、ISO12241 等標(biāo)準(zhǔn)比，GB 50264 中大量簡化了外表面換熱系數(shù) αs 的影響因素，因而與其它標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算換熱系數(shù)計(jì)算值間存在誤差，其沒能較好地反映真實(shí)的傳熱過程特性，但從實(shí)例中看出，其保冷層厚度計(jì)算結(jié)果偏大，保冷效果較好。

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杭州開源以高新技術(shù)助力印染行業(yè)轉(zhuǎn)型升級

2013 年 12 月 5 日，由中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技發(fā)展部、中國印染行業(yè)協(xié)會(huì)、紡織之光科技教育基金會(huì)聯(lián)合舉辦的“面向數(shù)字化印染生產(chǎn)工藝檢測控制及自動(dòng)配送的生產(chǎn)管理系統(tǒng)”現(xiàn)場推廣活動(dòng)在浙江紹興舉行。中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技發(fā)展部主任李金寶、中國印染行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長陳志華、紡織之光科技教育基金會(huì)秘書長張翠竹、杭州開源電腦技術(shù)有限公司董事長許光明、浙江新建紡織有限公司總經(jīng)理朱鳴英及眾多印染企業(yè)代表出席了本次活動(dòng)。

中圖分類號：TE 083

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2014）03-0356-04

收稿日期：2014-02-10

作者簡介：付現(xiàn)橋（1984-），男，河北任丘人，工程師，研究方向：從事設(shè)備管道絕熱及腐蝕與防護(hù)研究。E-mail：1120421719@qq.com。

Research on Related Standards for LNG Pipe Cold Layer Thickness Design

FU Xian-qiao，CHEN Jue-ling，XU Jing，LIU Zhi-tian，JIA Guang-meng，F(xiàn)U Li-xin，GUO Xu
（China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Huabei Branch, Hebei Renqiu 062522, China）

Abstract:Related standards for design and calculation cold layer thickness of LNG pipe at home abroad were introduced as well as calculation methods and parameter selection. The results show that ,compared with the foreign standards ISO12241 and JIS A9501, domestic GB 50264 and SH/T 3010 standards are not only different in the calculation method, but also different in the parameter selection. The calculation result of cold layer thickness with domestic standards is slightly larger than that with foreign standards.

Key words:Cold layer; Adiabatic computing; Heat transfer coefficient; LNG