LNG加气站管道保冷材料的选择及应用剖析.docx

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LNG加气站管道保冷材料的选择及应用剖析

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LNG加气站管道保冷材料的选择及应用

摘要

LNG加气站中有大量的低温深冷工艺，装置中包含大量低温深冷的管线和容器设备。

装置运行的成本与其冷量损耗问题直接相关，可见找到一种合适的保冷方式非常重要。

在现行运用比较多的保冷方式中，真空管的运用取得了较好的效果，但是其成本及维护费用高，也存在一些维护方面的操作问题。

因此，在研究工作中希望找到一种即满足加气站装置保冷要求，又能达到成本及维护费用低的保冷材料。

泡沫玻璃和聚氨酯泡沫塑料是国内外现在比较常用的保冷材料，两者在使用寿命、绝热、防霉、防水、防腐蚀等多方面存在着问题。

在材料的选择方面，通过全面调查，由德国阿乐斯国际有限公司研制开发的Armaflex低温保冷体系，是一种各项性能比较优越的保冷方式，其材料为丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物的组合。

本文在分析了真空管保冷方式存在的问题，探讨了各保冷材料各项性能的优劣，文中对保冷材料的热力分析做了大量工作，为绝热设计提供了理论前提。

研究中结合热力分析结果及材料各性能的对比分析，证明了Armaflex低温体系是适合LNG加气站的高质量保冷方式。

本文以LNG管道保冷材料的选择为主要研究对象，其研究成果已经部分应用于LNG加气站，取得了很好的效果，这证明了本次研究的思路以及方法的正确性。

希望本次研究能够对《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）进一步完善，特别是LNG加气站安全运行带来积极地影响。

关键词低温深冷；保冷材料；绝热设计；LNG；

Abstract

LiquidNaturalGas（LNG）fillingstationhasalotofcryogenictechnology,thedevicescontainsalargenumberofcryogenicpipingandvesselequipments.Thecostofthedevicesisdirectlyrelatedtothecoldloss,showingthatit`simportanttofindasuitableclodinsulationway.Intheexistingcoldinsulationway,theuseofvacuumachievedgoodresults,buttherearesomeprobleminit`scostandmaintenance.Therefore,inthisstudywewantedtofindthematerial,whichnotonlymeettherequirementsofstations`scoldstorage,butalsoremainlowcostandconviniencetomaintain.

Foamglassandpolyurethanefoamisthemostcommonlyusedcoldinsulationmaterialathomeandabroadnow,butthesetwomaterialshassomeproblemsinservicelife,heatinsulation,waterproof,mildewandcorrosion,etc..Intheaspectofmaterialselection,withacomprehensivesurvey,theGermanAlesiInternationalCoLtddevelopedArmaflexsystematlowtemperature,coldinsulationmodeisakindofthesuperiorperformance,thematerialistheNBRclosedcellpolymeratlowtemperatureandlowtemperatureclosecombinationofdieneglobalpolymer.Thispaperanalyzestheexistingvacuumtubecoldinsulationproblems,discussedtheperformanceofthecoldmaterial,andhasdonealotofworkinthermalanalysisofthecoldinsulationmaterials,includingtheanalysisofthevariablethermalconductivitymaterial,thecalculationformulaofthermalanalysis.Throughthecalculationofsomeouterwalltemperaturecondition,thetheoreticalthicknessofcoldinsulationmaterials,tocomparethecoldinsulationperformance.ThestudyalsousethecommercialnumericalsoftwareFluenttomakeanumericalsimulationofLNGcoldinsulationmaterialincold,obtainedthetemperaturefield,providesthetheoreticalpremisefortheinsulationdesign.Comparativeanalysisonthermalanalysisresultsandincombinationwithvariousmaterialproperties,provedthatArmaflexsystematlowtemperatureissuitableforhighcoolingqualityinLNGfillingstation.-##

ThispaperconsiderLNGpipecoldinsulationmaterialselectionasthemainresearchobject.theresearchresultshavebeenappliedtosomeLNGstations.andverygoodresultshavecomeout,whichprovethecorrectnessofthisresearchideasandmethods.Hopefully,thisresearchworkisabletohelpimprovingthe"gasstationdesignandconstructionspecification"（GB50156-2012）,andcontributetoLNGfillingstationsafety.

keyword:

lowtemperature；coldinsulationmaterial；adiabaticdesign;LNG;

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.1.1LNG发展概况

LNG是气田生产或煤制天然气经过脱水等预处理工序，然后经深冷液化而成的低温液体，温度约-162℃。

随着世界经济的迅猛发展和我国能源结构的调整，以及日趋严峻的环保要求，对绿色能源的需求越来越大。

特别在交通领域，LNG作为柴油的替代品，具有减少颗粒物、氮氧化物等有害气体排放的优势，在重卡密集地区对改善空气质量具有非常显著的效果。

因而近几年LNG在交通领域替代柴油的应用十分广泛，LNG汽车加气站也如雨后春笋般发展起来。

液化天然气（LNG）的生产是气田开采或煤制的天然气经脱水脱酸和重烃类气体，经深冷液化后得到的，液化后的体积只有常温下天然气体积的六百分之一左右。

由于脱水脱酸压缩液化后有利于远距离输送、降低天然气储存成本、避免因压力过高而产生安全隐患，并且杂质含量更低、更环保，所以LNG生产已成为各国能源发展的重点项目之一。

LNG法也是目前天然气远洋运输的主要手段，目前占天然气总运输量的25%[2]。

由于LNG便于运输，给LNG的应用普及带来了可能。

近年来，中海油、中石化、中石油以及新奥、港华等燃气企业都在大规模布局LNG汽车加注站。

1.1.2LNG管道保冷的目的和意义

天然气特点之一就是清洁高效，由于其充分燃烧后生成CO2、H2O等无害物质，所以天然气能源满足了我国既要经济快速发展又要对环境影响较小的要求。

我国除了西气东送等气态形式天然气的利用外，液化天然气LNG的应用也日益重要，在我国很多地区，城市居民天然气供应存在巨大峰谷差，为冬季天然气供应带来很大困难。

LNG体积只有气态的六百分之一，加温气化后，能迅速补充管网内的天然气，弥补冬季用气高峰时产生的巨大缺口。

我国目前已经建成和在建拟建的LNG接收站能力已经接近1000万吨/年。

正在通过大量采购国外天然气资源以补充中国经济发展和人民生活质量的提高对能源的需求。

同时改善环境惠及民生。

天然气在加工处理和液化、运输过程中采用大量低温深冷工艺。

良好的低温绝热措施可降低液化天然气的气化损耗和冷量损失，在行业内受到特别的重视，管道的绝热保冷设计是一个非常重要的课题。

材料的保冷设计选取不合适，不仅会造成投资浪费，还会影响到液化天然气的正常使用[3]。

低温设备及管道保冷简称保冷，而热力设备及管道保温简称保温，两者在工程上合称为绝热。

通常按设备及管道贮存和输送的介质温度划分，把介质温度低于常温的绝热措施称为保冷，把介质温度高于常温的绝热措施称为保温。

绝热是利用一些具有特殊性能的工程材料构成的绝热结构来减少其结构内外因温差形成的热流传递的措施。

绝热的目的是满足工艺生产，保持和发挥生产能力；减少冷（热）损失，节约能源；以及防止表面凝露或烫伤，改善工作环境等。

因此，同属于绝热工程的保冷和保温具有基本相同的绝热原理、基本相同的绝热结构与绝热措施以及基本一致的绝热目的。

习惯上常将保冷与保温统称为保温。

保冷区别于保温，主要有三点：

一是传热的方向相反，保冷是由外向里，保温则是由里向外，因此保冷工程不仅受到外部热流向内传递的影响，同时受到外部环境的湿空气所含的水蒸气向内渗透的影响；二是保冷采取的结构，由于要阻止外部水蒸气向内渗透，需要在保冷层外敷设防潮层；三是保温介质常用一次能源（指煤、油等），保冷介质常用二次（蒸汽）或二次（电）能源，由于设备折旧及能源多次转换消耗，冷价一般为热价的4—6倍，因此减少单位冷损失对于节约能源具有更高的经济附加值。

今年由保冷和保温的三点区别衍生出几类课题：

水蒸气渗透的传湿理论、防潮材料的选择与防潮层设置的技术措施以及保冷防潮设计计算与施工的相关技术问题等。

绝热材料是一种轻质的绝热性能优良的材料。

在工程上，通常把室温下导热系数低于0.2W/（m·K）的材料称为绝热材料。

而对于设备及管道绝热，相关国家提出了更严格的限定：

当用于保温时，其绝热材料及制品在平均温度小于等于623K（350℃）时，导热系数值不得大于0.12W/（m·K）；当用于保冷时，其绝热材料及制品在平均温度小于等于3OOK（27℃）时，导热系数值不得大于0.064W/（m·K）。

绝热材料种类繁多，常见常用的有：

1玻璃棉

玻璃棉是采用天然矿石如石灰石、石英砂等，配以其他化工原料如纯碱、硼酸等粉状玻璃原料，在熔炉内经高温熔化，然后借助离心力及火焰喷吹的双重作用，使熔融玻璃液纤维化，形成棉状材料，即所谓离心玻璃棉。

玻璃棉的化学成分属于玻璃类，是一种无机质纤维。

具有体积密度小、导热系数小、吸声性能好、不燃、耐热、抗冻、耐腐蚀、化学稳定性好等良好的特性。

2膨胀珍珠岩

膨胀珍珠岩是一种多孔的粉末状物料，是以珍珠岩矿石为原料，经过破碎、分级、预热、高温焙烧、瞬时急剧加热膨胀而成的一种常用的轻质、多功能绝热材料。

3泡沫玻璃

泡沫玻璃是以磨细玻璃粉为主要原料，再添加发泡剂，经特殊加工处理而制成。

它具有均匀、独立密防潮、防火、防腐、抗老化等性能，在易潮及有化学侵蚀等环境下的绝热工程中具有明显优势。

4硬质聚氨醋泡沫塑料

硬质聚氨醋泡沫塑料，是用聚醚或聚醋多元醇与多异氛酸醋为主要原料，再加胺类和有机锡催化剂、有机硅油类泡沫稳定剂、低沸点氟烃类发泡剂等，经混合、搅拌产生化学反应而形成的一种绝热材料。

5聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯泡沫塑料，由可发性聚苯乙烯树脂（EPS），经预发泡、熟化、热压发泡成型，形成与模具形状相同的泡沫塑料制品。

它具有表皮层和中心层构成的蜂窝状结构，表皮层不含气孔，而中层内则有大量封闭气孔。

聚苯乙烯泡沫塑料对水、海水、弱碱、弱酸、植物油等都相当稳定。

但可被石油系溶剂浸蚀，可溶于苯、醋、酮等溶剂中，因而不宜用于可能和这类溶剂接触的场合，油质的漆类对它有腐蚀或可能使材料软化。

因此在选择涂敷材料和粘合剂时，不应有过多的溶媒。

最好选用乳胶型的涂料或粘合剂，或用市场上销售的聚乙烯醇粘合剂、苯乙烯、丁二烯、冷凝的环氧树脂等。

聚苯乙烯树脂属热塑性树脂，在高温下容易软化变形。

6酚醛泡沫塑料

酚醛泡沫塑料，是用酚醛树脂为主要原料，加低沸点液体发泡剂、碘酸类催化剂以及保持泡沫稳定和均匀的各类表面活性剂，经混合、搅拌产生化学反应而形成发泡体。

酚醛泡沫属难燃材料，火焰一离开即自熄。

在火灾的情况下不会熔融，无滴落物，因此不会使火灾事故扩大加剧。

其力学强度随密度的增加而增大，低容重制品的强度低，绝热效果也稍差。

在耐腐蚀方面，除了能被浓硝酸和强碱侵蚀外，抵抗其他无机酸、有机酸、氨水和盐类的侵蚀能力较强，强有机溶剂如苯、丙酮可使它软化，但无显著的溶解现象。

7聚氯乙烯泡沫塑料

聚氯乙烯泡沫塑料是以PVC树脂为主体，添加适量的高分子改性剂、热稳定剂、发泡剂和增塑剂，经过低速或高速混合机混匀，经预塑造粒或压片，再采用模压发泡、挤出发泡或注射发泡而制成的一种泡沫塑料，也是一种用途广泛的绝热材料。

8泡沫橡胶

泡沫橡胶通常指具有多孔状结构的橡胶，也称为微孔橡胶、海绵橡胶或多孔橡胶。

泡沫橡胶大多数以天然橡胶、合成橡胶为主要原料，加入发泡剂、硫化剂、促进剂、填允剂等辅料。

配合胶乳熟成，起泡、匀泡和胶凝，注模和硫化，水洗和干燥而成。

或对于干胶类，经塑炼、混炼、热炼、硫化发泡、停放收缩而成。

它具有良好的隔热、隔音、缓冲和减震性能，耐疲劳、耐候性好，相对密度小，特殊情况下根据需要也可制得满足阻燃、耐油要求的制品。

以上绝热材料的基本性能都包括结构性能、力学性能、热物理性能、化学性能等。

根据材料使用对象的不同，对其性能的要求会有所不同，但一般都以材料密度小、机械强度大、化学稳定性好、导热系数小。

且疏松、多孔[5]、并能长期承受工作温度为其必须具备的性能。

其中，材料的导热系数是绝热材料最重要的性能指标。

在各种低温设备及管道设备的绝热材料厚度相同时，导热系数越小，冷损失就越小，则保冷效率就越高[6]。

LNG在生产过程中会消耗大量的能源，目前国际上每生产1吨LNG需要消耗约850kWh左右的电力，相当于0.314吨标准煤；在LNG冷能高效综合利用方面，1吨LNG在9MPa下气化时所释放的冷能相当于330kWh左右电力，相当于0.122吨标准煤[7]。

由于LNG有可观的冷量储备,做好管道保冷工作可以有效提高能量的利用效率,因此做好LNG管道保冷的工作就相当于相应国家节能政策，足以见得LNG管道保冷的重要性。

1.2相关工作回顾和研究现状

天然气资源被誉为21世纪的新能源，具有储量大、利用效率高、燃烧污染物排放少等优点，因而近年来呈现出快速发展的势头。

而液化天然气LNG（LiquefiedNaturalGas）具有输送方便、易于存储等优点，使得天然气应用范围更为广泛。

由于LNG沸点较低，因此保冷措施对其安全输送和应用起着至关重要的作用。

英国技术纤维产品公司（TFP）曾制造并销售Supacool系列低温保冷薄毡产品专用于低温容器的超级绝热[8]。

例如把该产品用在在杜瓦真空瓶中，以减少辐射传热。

其基本原理是在容器的内壁和外壁之间插入多层铝膜或镀金属薄膜。

由于这类反射性材料是导电的，所以通常要插入低温薄毡来把它们隔开。

国内曾有学者分析了用限定外表面温度ts的方法计算低温管道保冷时存在的问题,并对低温管道的保冷计算进行了探讨。

建议采用限定散热热流损失q的办法来计算室外低温管道,用限定内部介质温升△t的计算方法来计算由液体贮槽至低温液体泵之间的管道,并给出了简化方程式[9]。

哈尔滨工业大学赫晓东等以硅酸铝纤维纸和石英纤维网为基体隔热材料，间隔层内添加高温粘结剂，并添加隔热填料，采用粘结工艺制备出新型的复合高温隔热材料。

该材料的长期使用温度可达800～1000℃，密度低于250kg／m3，热面温度为1000℃时导热系数最佳，为0.080Ｗ／（ｍ·Ｋ），具有轻质、耐高温和导热系数低的优异综合性能[10]。

随着纳米技术的发展，国内外纳米材料的研究不断升温，纳米孔气凝胶超级绝热材料的研究也不断走向工业化［11］。

LysenkoV[12]提出为了最大限度降低固体材料的热传导，作为气体屏障的固体薄壁应尽量薄，同时设想将固体间空隙限定到纳米数量级，则气体的传导及对流将基本得到控制，这类绝热材料的导热系数将低于静止的空气的导热系数。

通过提高保冷材料的憎水性，降低吸水率是各类保冷材料的主要发展方向之一[13]。

国内外学者对此进行了一系列的研究：

谢刚等对LNG管路保冷厚度进行了理论分析计算，分析了保冷层经济厚度方法、防止表面凝露的保冷层厚度方法和控制最大允许冷损失的保冷层厚度方法，并用实例进行了验证[14]；

尹少慰等建立了低温液化天然气管道输送模型，并确定了目标函数、约束方程和约束条件，利用VisualBasic语言进行了编程求解，进而验证了模型的合理性和算法的可靠性[15]；

卢超等研究了BOG气体对LNG输送管道遇冷的影响，进而得出整个遇冷过程的规律[16]；

程谋森、高芳和任德鹏等利用差分法对低温液体管路进行了数值分析计算[17-19]；

张超逸等对LNG海底低温管道进行了探讨分析[20]；陈雪和陈宝东等从工艺角度对液化天然气进行参数的计算[21,22]。

国内外现在比较常用的保冷方式是泡沫玻璃和聚氨酯泡沫塑料的双层异材保冷。

两者在使用寿命、防腐蚀、防霉、防水、绝热等多方面存在着问题，本文分析两种保冷方式存在的问题，探讨LNG项目中新型的保冷方式，寻找适用于LNG低温管道长周期安全运行，延长管道使用寿命的保冷材料及保冷技术。

1.3本文主要工作

综上所述，保冷对于LNG加气站是极其重要的，由于液化天然气的输送工况为低温深冷，对保冷方式的要求非常严格。

本文通过对现行使用的真空管保冷方式在实际工作中存在的问题进行分析，对其存在的优势及缺陷进行综合考量，发现该保冷方式还有待改进。

真空管虽然具有较低的导热系数，但是其成本及维护费用高，其成本是一般保冷材料的3~5倍，在运用过程中需要定期抽真空，否则真空度下降能量损失大，由于长期需要维持其真空度，其维护成本也很高。

正因为真空管保冷方式存在问题，因此希望找到更好的保冷方式来降低成本。

在调研过程中，发现了一种新研发的保冷材料，该材料具有运用于LNG低温保冷的潜力。

由德国阿乐斯国际有限公司研制开发的Armaflex低温体系，是一种各项性能比较优越的保冷方式，其材料为丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物的组合。

本文在分析了真空管保冷方式存在的问题，探讨了各保冷材料各项性能的优劣，文中对保冷材料的热力分析做了大量工作为绝热设计提供了理论前提。

研究中结合热力分析结果及材料各性能的对比分析，证明了Armaflex低温体系是适合LNG加气站的高质量保冷方式。

本文取得的主要进展和创新点如下：

（1）结合工程实际运用发现了真空管保冷方式的优势及缺陷，并且对其实际运用的状况进行了全面的分析。

（2）找到了一种新型的保冷体系，其优良的低温深冷保冷效果能够替代真空管，并且成本及维护费低，多项性能由于其他保冷材料。

（3）综合比较了常用的保冷材料，分析了泡沫玻璃与聚氨酯泡沫塑料的缺陷，突出了新型材料的优越性。

（4）对保冷材料进行了热力学分析，运用了变导热系数的计算方法对保冷材料的理论厚度进行了计算。

（5）运用商业数值软件Fluent对不同材料的保冷效果进行模拟，其模拟结果与公式法计算所得结果基本相符。

（6）对研究成果进行的实际运用，在LNG工作站中采用Armaflex低温体系得到了较好的效果。

2真空管在LNG保冷中的运用

随着《汽车加油加气站施工与设计规范》（GB50156-2012）颁布，LNG加气站建站有了国家标准的支撑，自2011年以来，如雨后春笋迅速般发展，全国许多地方都在兴建LNG加气站。

LNG加气站是专门给LNG汽车加气的加气站，真空多层绝热管（高真空）,由于其绝热性能良好,被广泛应用于LNG加气站管道系统中。

青岛某LNG加气站之前运用的正是真空管保冷方式。

真空管由内管、外管以及多层绝热材料组成，夹层内有多层绝热材料以减少辐射传热，并将夹层抽成高真空状态，以降低对流传热；内外管之间用低导热系数材料隔离，以减少固体传热，从而使内管冷量损失控制到最低限度，充分满足低温液体的长距离运输或者应用于LNG加注站。

这样结构的高真空多层绝热低温液体输送管道简称真空管。

其结构示意图如图2-1所示。

图2-1真空管结构示意图

图中结构最外层为真空外管，中间部分为多层绝热层，中间为真空管内管。

真空多层绝热的原理很简单，就是把许多层平行于真空管的内外壁面的辐射屏安装在真空管的绝热夹层中，这样就能够有效地减少辐射传热，从而起到高效的绝热性能。

绝热真空管是由瑞典的科学家彼得逊首先研制成功的，研究表明，真空管是目前绝热性能最好的一种绝热方式，被称为超级绝热[23-25]。

金属如铝、铜、黄铜、不锈钢等