直埋LNG管道周围土壤冻融相变数值研究

张 威，吴 明

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

直埋LNG管道周围土壤冻融相变数值研究

张 威，吴 明

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

采用有限容积法建立多孔介质相变自然对流换热模型，以直埋LNG管道为例，采用SIMPLER算法进行求解，数值计算了地表温度周期性波动条件下，埋地输冷管道非稳态传热过程，得到了不同季节管道周围土壤温度场及冰水相变界面分布规律。 研究表明：在地表温度的周期波动下，LNG管道周围土壤温度场波动减小，且随着LNG冷量的不断释放，管道周围出现较大范围的冻土圈。

LNG管道； 周期性边界条件； 多孔介质； 温度场

目前，国外实现LNG管道输送的实例较少：据相关文献介绍，日本在LNG管道输送方面有一定经验，并成功实施了1.5 km的管道敷设，且输送技术尚未公开；加拿大在此方面进行了大量研究[1]，成果表明当LNG输量越大，距离越长，地温越低时，液化输送的经济效果较好。而我国还处于起步阶段，而在建设的国内几家大型 LNG接收站中尚未出现LNG管道直输的情况。为了能够消除其在输送过程中因低温介质引起的管道周围土壤温度场的改变而带来的安全隐患,数值模拟了 LNG管道在非稳态输送过程中对周围环境的影响。并将计算模型设置为饱和含水土体，最大限度检测LNG冷量所产生的冻胀危害,最终得出直埋方式效果并非理想并建议采用管沟敷设输送LNG。

1 数学模型

土壤作为多孔介质流动及相变过程非常复杂，有限容积法是处理多孔介质模型常用的理论方法[2-3]。假设土体各项均质连续，初始时刻孔隙中水分均匀分布，水分迁移符合达西定律。采用焓-多孔度法建立相变过程的控制方程，该方法的基本思想是以焓和温度共同作为因变量，无须分区建立控制方程[4]。

计算策略是将流体在网格单元内占有的体积百分比定义为多孔度，并将流体和固体并存的过渡区域看成动态的多孔介质进行处理，在流体融化过程中多孔度从0变为1。

质量守恒方程：

式中：U— 流体速度，m/s；

ρf— 流体密度，kg/m3；

t— 时间，s。

动量守恒方程：

ε— 孔隙比1；

p— 孔隙压力，Pa；

Dp— 粒子平均直径，mm；

μ— 流体动力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef— 流体总能，J；

Es— 固体介质总能，J；

γ— 介质孔隙度，1；

keff— 介质有效导热率，W/(m·K)；

其中：keff=γkf+(1−γ)ks，

kf—流体热导率，W/(m·K)；

ks—固体导热率，W/(m·K)。

边界条件：

Nhw管道内壁的对流换热系数；v为风速，Tk为1年内地表环境温度K。

2 数值模拟及结果分析

某LNG管道全长6 km，出站温度126 K，出站压力4 MPa，保冷层厚度136 mm，管道直径159 mm；在稳态输送条件下，其进站温度130 K，进站压力3.507 MPa。

为了充分了解 LNG管道在非稳态时的传热情况，特做了如下模拟计算：将管道周围的土壤视为饱和含水土体，忽略管道轴向温降，建二维计算模型，初始地温282 K，管道埋深1.5 m，环境温度采用周期性边界条件。

图1 环境温度周期性变化曲线Fig.1 Curve of periodic variation of environment-temperature

图1给出了地表平均温度随环境温度周期波动的变化关系，图2为LNG管道自第1年4月末开始运行，最热月管道周围土壤温度场等值线图。分析可知：由于最热月大气不断向土壤传热，致使LNG管道上方土体温度较高出现未冻土，见图3。而LNG管道两侧及下方土体温度较低，出现了大面积冻土区，这主要是由于LNG管道不断向土壤散发冷量，使管道周围土壤温度低于冰点，孔隙中未冻水凝结成冰。此时受地表环境温度波动影响已很小，管道下方土壤温度场维持在较稳定的低温状态。

图2 管道运行4个月后土壤温度场等值线图Fig.2 Contour of soil temperature field after pipeline operation 4 months

图3 管道运行4个月后土壤冻融相变云图Fig.3 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 4 months

图4为最冷月管道周围土壤温度场等值线图。图5为对应的管道周围土壤冻融相变云图。分析可知：随着地表温度的不断降低，管道上方土壤温度场波动剧烈，这是由于管道上方土体受地表温度影响较大。结合图2可知：管道下方土壤温度场已趋于逐渐稳定状态，随着环境温度周期波动的影响已很小，且管道周围土壤冻结范围也趋于平稳。

图4 管道运行11个月后土壤温度场等值线图Fig.4 Contour of soil temperature field after pipelineoperation 11 months

3 结 论

通过对 LNG管道非稳态转热过程的数值模拟可得出以下结论：

（1）通过模拟计算得到了不同季节管道周围土壤温度场及冰水相变界面分布接近于正弦规律；

（2）在地表温度的周期性波动下，管道下方土体温度场很快达到稳定状态，地表温度周期波动对管道周围土壤温度场影响较小；

图5 管道运行11个月后土壤冻融相变云图Fig.5 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 11 months

（3）虽然采用保温措施，但由于管道向周围土壤传递冷量极大，严重扩大了冻土范围，导致突然周围环境温度变化巨大。

[1] 杨筱蘅，张国忠.输油管道设计与管理[M].东营:石油大学出版,2004：77-78.

[2] 卢涛，姜培学.多孔介质融化相变自然对流数值模拟[J].工程热物理学报，2005，26：167-176.

[3] 卢涛，佟德斌.饱和含水土壤埋地原油管道冬季停输温降[J].北京化工大学学报，2006，33（4）：37-40.

[4] 欧阳梅.针翅管式相变换热性能的数值模拟[D].重庆大学,2009.

[5] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版,2006.

[6] 庞丽萍，王浚.热介质直埋管道周围温度场仿真研究［J］.系统仿真学报，2004，16(3)：485-491.

[7] 顾安忠,鲁雪生.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社，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

张威（1985-），女，在读硕士研究生，辽宁抚顺人，主要从事X80钢及其焊缝在我国典型土壤环境中的应力腐蚀开裂行为与机理研究。E-mail：zhangv85@163.com。