LNG管道內氣液相變流動傳熱理論的研究現狀及趨勢

孫 闊，張晶晶，吳玉國

LNG管道內氣液相變流動傳熱理論的研究現狀及趨勢

孫 闊1，張晶晶2，吳玉國1

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣股份有限公司管道分公司管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000）

針對液化天然氣管道內流動傳熱理論的研究現狀及趨勢進行相關調研，結果表明管道內液化天然氣的相變問題十分嚴峻，嚴重影響著管道的運輸能力和運輸安全性。為緩解這些問題的發生，主要從液化天然氣的管道運輸特點、液化天然氣相變機理與特性以及液化天然氣流型與傳熱三個方面進行分析比較，指出了存在的問題以及未來的發展前景，對液化天然氣管道內相變流動傳熱的研究提供理論基礎。

液化天然氣；相變；傳熱；兩相流

隨著經濟全球化的快速發展，以及石油開采技術的不斷創新，導致近些年來石油價格持續下降，需求量不斷上升，這也影響到其產業鏈上的其他能源形式。其中，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）相比較其他的能源表現出熱值較高且產物較清潔的優勢而被廣泛關注。在經濟環保要求嚴格的大形勢下，掌握液化天然氣特性，對加快經濟發展，能源結構轉變，環境質量改善起著至關重要的作用。

我國為響應黨中央提出的可持續發展戰略，以及推進我國城鎮化建設的不斷進步，我國對液化天然氣的需求逐年提高[1]。前期的“西氣東輸”工程現已逐步發揮作用，然而，該工程存在的問題也逐漸顯現，在運輸過程中管道氣液相變問題突出，這對液化天然氣的管道運輸非常不利。液化天然氣在管道中發生相變是運輸過程面臨的一個重大難題，所以對于液化天然氣管道氣液相變流動傳熱理論亟待深入研究。

1 液化天然氣的管道運輸特點分析

液化天然氣的制備原理是將氣態天然氣經過冷卻壓縮到沸點后變成液體，然后將液化天然氣存儲在-161.5 ℃、0.1 MPa的低溫儲罐中。液化天然氣作為一種無味，無毒，無腐蝕性，且污染小等諸多優點，在現行的社會中發揮著舉足輕重的作用。基于液化天然氣的特殊性質，對液化天然氣的運輸方式要求非常嚴格，常見的液化天然氣運輸方式主要有三種，海上船舶運輸方式、公路罐車運輸方式以及管道運輸方式，這三種運輸方式有各自的特點[2]。

宮克勤等[3]人對液化天然氣及其他流體儲運工程熱力學研究綜述中，比較了液化天然氣海運和管輸的積極性潛力和研究價值。分析得到，相比較海運和陸運兩種方式，管道運輸液化天然氣有利于節省成本，且管道輸送方法正處于起步階段，因此具有非常廣闊的發展前景。

由于液化天然氣對低溫材料的要求比較高，因此對于液化天然氣的管道運輸通常是短距離輸送，隨著技術的發展和進步，液化天然氣長距離管道輸送的在理論和技術上逐步實現可行性。由于在輸運過程中，管道內外存在溫差，這必然使管道內的部分液化天然氣被加熱發生氣化，于是在管道內形成兩相流動，這種現象即為液化天然氣管道內相變問題。相變過程有氣體的產生，不僅增大了管道內的輸運壓力，并且易形成斷塞流現象，對管道輸運能力和安全運行非常不利。因此盡量實現單一液相流動，防止液體氣化。

根據相關文獻研究，防止液化天然氣相變的常用技術措施——密相輸送技術。即將管道內流體的溫度控制在臨界冷凝溫度之下的區域范圍，管道內的壓力控制在臨界冷凝壓力之上區域范圍，從而使液化天然氣輸送管道的運行工況處于液相密相區域，如圖1所示[4]。除此之外，在液化天然氣的流動過程中，流體與管道之間存在摩擦而產生熱量造成管道溫升，這是液化天然氣相變的重要原因之一，因此可以在適當的位置建立冷卻裝置。

圖1 典型天然氣氣相飽和線

對于長距離管道輸送液化天然氣發生相變的現象有很多[5]，國內外學者也做了很多努力，現大多數研究放在其輸送設備中的改進和完善上。主要包括三方面，分別是輸送管道、輸送泵和低溫制冷機[6]。還有其他的設備，如低溫儀表，低溫閥門，儲罐等，下面從三大主要設備進行研究。

1.1 輸送管道

對于液化天然氣輸送管道選材要求非常高，選用不僅有優良的耐低溫性能，而且其膨脹系數最好比較大，防止氣化造成管道膨脹破裂，因此要考慮緩沖補償措施。

發生相變的一個重要原因就是管道內外存在溫差，所以針對這一問題，要求管道絕熱條件非常高，這樣才能保證液化天熱氣不發生相變低溫輸送。因此提高管道材料的絕熱特性，對液化天然氣長距離輸送起著至關重要的作用。絕熱管道通常分為兩類，堆積絕熱和真空絕熱。比較兩種方式，由于管道壓力和安全性的要求，真空絕熱存在局限性。現如今最常用的方法是堆積絕熱保冷。

在液化天然氣管道運行期間，為了實現輸送在低溫條件下正常運行，在液化天然氣管道正式輸送之前，首先應對管道實施預冷處理，即所謂的將溫度從環境溫度冷卻降低到工作溫度（-160 ℃左右）。其次，由于管道內外存在溫差，所以應采取一些措施來克服這一難題。根據文獻相關研究，通常采用蒸發一定量的液化天然氣來使管道保冷層和周圍土壤環境溫度降低，但這個過程相當緩慢，需要一段時間才能達到熱穩定狀態。在液化天然氣管道停運期間，管道受外部環境影響，導致液化天然氣相變產生氣體，造成管道壓力增加，為保證管道的安全型性，對管道設置安全閥和放空罐等設備。

1.2 輸送泵

由于采用管道輸運液化天然氣，阻力通常會比較的大，造成沿程壓力損失比較嚴重。因此在液化天然氣的管道運輸，離不開輸送泵。輸送泵分兩種：非潛熱泵和潛熱泵。基于液化天然氣的特殊性，現如今，高壓、大型、高效的低溫潛熱泵為研究的重點。輸送泵這方面研發，目前我國擁有自主知識產權的相關產品十分缺乏，因此應該加快相關產品的研發成為當務之急。

1.3 低溫制冷機

由前面分析可知，液化天然氣在管道內輸送時，溫度會上升，造成液化天然氣發生氣化，為了避免管道內的液化天然氣因受熱而發生相變問題，采用最好的措施是在一定的距離設置制冷機設備，以此來對液化天然氣進行冷卻。

制冷機制冷方式大多是以增壓換熱的方式，再進行節流或絕熱膨脹的方式進行制冷。在諸多低溫制冷中，以斯特林制冷機發展最為常見。其他的制冷方式有維勒米爾制冷機、吉福特—麥克馬洪制冷機、索爾文制冷機、脈管制冷機和布雷頓循環制冷機等。

2 液化天然氣相變機理及特性

液化天然氣是烷烴類混合物，主要甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮等組成的混合物，該混合物各成分沸點和泡點不同，即各成分氣化溫度不同。在管道中輸送低溫液化天然氣時，甲烷泡點低首先發生相變氣化成氣泡，氣泡產生的過程會導致管道內流體換熱增強，進而使其他成分繼續氣化，最終使管道內的液化天然氣的氣液相各組分比例不斷變化[7]。

液化天然氣的流動相變過程如圖2所示，相變過程分為液相過冷區、氣液兩相區和氣相過熱區三個區域。在液相過冷區和氣相過熱區中，從圖可以看出液化天然氣與單一組分氣化的溫度隨氣化管道長度有相同的變化趨勢，但在兩相區兩者溫度變化趨勢存在顯著差異。基于液化天然氣為非共沸混合物，其在兩相區內，溫度為非等溫變化，而純凈物在兩相區域為等溫變化[7]。對液化天然氣的氣化機理和特點的分析，對液化天然氣管道內相變的流動傳熱研究有很大幫助。

圖2 LNG相變過程示意圖

3 液化天然氣流型與傳熱分析

液化天然氣在管道相變運輸形成氣液兩相流，這種相變的傳熱過程與氣液兩相流的流型密不可分，不同的流型對應著不同的傳熱流動機制。

廣大國外內研究學者對低溫液體相變傳熱傳質性能做了大量的研究，大多數是對兩相流流型的分析，多采用實驗研究及數值模擬的研究方法。Chen在沸騰相變傳熱研究中，對流體的沸騰傳熱的規律和特點進行了總結歸納，得到了Chen 關系式[8]；李祥東等人分析氣液兩相間傳輸規律，建立了雙流體模型，與Klimenko的實驗[9]測量吻合較好[10]；齊守良等人[11]對液氮流動沸騰換熱研究綜述中，對液氮的彈狀流和波狀流兩種流型進行實驗研究，并得到了這兩種流型的兩相流的傳熱特性；王斯民等人[12]在豎直圓管內液氮過冷流動沸騰數值模擬研究中，驗證壁面換熱模型變化特征，得到空泡份額沿管長度變化規律；陳東升與石玉美[13]對0.5 MPa下的液化天然氣在豎直圓筒中飽和流動沸騰換熱研究中，對熱通量、質量流量和干度等參數對液化天然氣流動傳熱特性的作用做了相關分析；陳叔平[14]用Fluent多相流混合模型，編寫UDF程序對液氮相變進行數值模擬；司洪宇對LNG氣液兩相流體激振（不穩定性）進行了研究[15]；劉亦鵬[16]對多種管路內流體沸騰形成的氣液兩相流動中Taylor氣泡宏觀特征進行了可視化研究；張華[17]搭建了低溫輸送管路流動特性的可視化研究模擬實驗裝置和管內低溫汽液兩相流動動態特性研究的模擬實驗裝置；Mikio Morioka等人[18]模擬LNG輸送管中流體流動時出現的間歇泉現象主要受流體速度和管壁漏熱的影響進行研究；K．Mishima等人[19]對矩形通道內兩相流的壓降、流型過渡、空泡份額和彈狀氣泡的速度進行研究；Nigmatulin等人[20]研究了垂直向下管內兩相彈狀流動，通過圖像處理，獲得了彈狀氣泡的界面位置；Takashi和Hibiki等人[21]對垂直向上大直徑管內的氣液兩相流進行了研究，總結歸納出大管內泡狀流和彈狀流的漂移流關聯式。De.SH[22]對肋管中熱傳遞和流體之間耦合的液化天然氣的流動問題，得到了溫度，壓力，速度等參數隨著LNG溫度的升高和LNG的蒸發而變化。通過以上調研與分析，基于液化天然氣發生氣化產生兩相流，屬于低溫介質兩相流，常見的兩相流理論模型有均相流模型、漂移流模型、雙相流模型、混合物模型和基于流型的模型，比較分析這幾種兩相流的理論模型，對于管內相變兩相流的數值計算和模擬奠定了基礎[7]。

3.1 均相模型

本模型是將多相流作為性質均勻的混合物進行處理。并假定該混合物無相對運動且相態均勻。這些簡化和假設的前提是氣液兩相之間沒有熱量交換，并且已經達到熱力學平衡狀態，密度與溫度無關，密度只是壓力的函數；氣液兩相以相同的速度運動；視為單相流體來計算流動阻力損失。在諸多研究中，該模型多用于對兩相流傳熱流動過程的粗略計算，多用于霧狀和氣泡流型。而對液化天然氣管內相變傳熱流動的輸送存在局限性。

3.2 漂移流模型

本模型只是分別研究氣液兩相流體，忽視了氣液兩相間的相互作用。但相比較均相模型，該模型計算方面已有很大的進步。

3.3 雙流體模型

本模型與漂移流模型忽略氣液間的相互作用相反，該模型充分考慮了相間的相互作用，將其視為連續且相互滲透的介質，滿足質量、動量和能量傳遞方程。根據相關文獻調研，雙流體模型適用的條件有限，在低溫領域發展較大。其中，在泡狀流應用較多。

4 發展前景

（1）對于液化天燃氣管道長距離運輸仍存在一定的局限性， 管道中發生相變及管道壓力升高的問題仍然很嚴重，因此，對于管道設備的改進和完善成為當前研究的熱點，特別是對絕熱高壓、大型、高效的低溫輸送泵研究以及對大批量液化天然氣所使用的低溫制冷機的研究前景廣闊；

（2）對于液化天然氣發生相變過程生成的兩相流的流型判別的界限不清，應加強對液化天然氣相變后流型的分析研究，對液化天然氣在管道內相變流動傳熱問題的將會有很大幫助。

（3）針對低溫兩相流中的五種模型，由于有其特定的使用要求，限制條件對液化天然氣在管道內相變成兩相流流動傳熱問題的研究存在不足。因此，我們應結合實際情況，優化條件，再結合理論和實驗方法進行不斷改進與創新。

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Research Status and Development Trend of Gas-Liquid Phase Change Heat Transfer Theory in LNG Pipeline

1,2,1

（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China； 2. PetroChina Pipeline Branch Company Pipeline Technology Research Center, HebeiLangfang065000，China）

The research status and development trend of gas-liquid phase change heat transfer theory in LNG pipeline were discussed. The results show that the phase change problem of LNG in pipeline has become more and more serious. What’s more, it affects the capacity and security of pipeline transportation. In order to alleviate these problems, characteristics of LNG pipeline transportation, phase change mechanism and characteristics of LNG, flow types and heat transfer of LNG were analyzed and compared. In the end, the existing problems and future development prospects were put forward. The article can provide theoretical basis for the research of phase change heat transfer in LNG pipeline.

LNG; Phase change; Heat transfer;Two-phase flow

TQ 013.1

A

1671-0460（2017）10-2124-04

2017-01-15

孫闊（1991-），男，在讀碩士研究生，油氣儲運工程專業，研究方向：油氣儲運技術研究。E-mail：1209745075@qq.com。

吳玉國（1977-），男，教授，博士，研究方向：油氣儲運技術及設備研究。E-mail：wyg0413@126.com。