关于液化天然气的管道输送问题.docx
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由于液化天然气(LNG)具有清洁、经济、安全、方便的特点,它在世界天然气贸易中所占的比例日益增大。
世界各地对LNG的需求量持续增加,各地区之间LNG的贸易日渐繁荣。
随着输送量的不断增加,新材料和工艺技术的不断发展,LNG低温管道的投资费用和单位输量的运行管理费用将不断降低,从而使LNG管道输送成为可能。
目前国内外LNG输送主要采用大型的LNG运输船和槽车,尚无用管道长距离输送LNG的实例,主要是由于LNG的低温特性所致。
针对其低温特性,本文对LNG管道输送工艺、输送设备、管道输送的技术难点和LNG管道输送的工艺计算进行了全面、深入的研究,为它的实际应用做好前期的准备工作,提供可靠的理论依据和技术支持,加快液化天然气管道输送的步伐,以适应目前液化天然气工业迅猛发展的迫切需求。
本文首先提出了LNG密相输送工艺、中间站的布站原则及冷泵站(或冷却站)的冷却流程,根据LNG管道输送特点及目前LNG泵工业的现状,选出适用于管道输送的LNG泵,综述了这些泵的结构、优点、材料和配管、使用和监控;其次,针对LNG的低温特性,进行了输送管道选材和管道组成件材料、结构和安装的研究,根据压力管道的壁厚计算公式计算了合理管材在不同输送条件下的壁厚值,进行了输送管道柔性设计、管道支架和管托的材料、结构和安装的研究,根据强度和刚度条件制定了一套专门适用于液化天然气管道自身情况的支架间距表,进行了输送管道预冷时间和预冷耗液量的理论研究;接着,对LNG输送管道的绝热方式、绝热材料、绝热结构进行研究,提出了适用于LNG输送管道的相应技术,综述了管道保冷层厚度的三种计算方法,经过实例验证,推荐出最适用于LNG输送管道的计算方法,并运用该方法计算出不同输送条件下保冷层的厚度值;然后运用热力学、低温学、传热学、流体力学和输油管道设计与管理的相关理论知识,选取了能在较大温度和压力范围内精确计算LNG密度、粘度和热导率等热物性的形状因子扩展对应态计算模型,选用SRK方程作为气液相平衡的基础模型,调用具有很好收敛性的(P,T)闪蒸计算模形求解LNG泡点温度,提出LNG管道输送的热力计算和水力计算模型,最后在上述理论基础之上,编制LNG管道输送工艺计算的程序,结合合理的计算参数进行示例计算,并对计算结果进行分析。
LNG在管道输送过程中的物性参数可以通过LKP方程及其关联式确定,Lee—Kesler分别应用氩和正辛烷的实验数据拟合确定了该方程简单流体和参考流体的常数项。
分别给出了用对比密度表示的LKP方程表达式和LNG混合物粘度的计算公式,利用对比态原理(CSP)计算比定压热容的表达式。
利用“过冷”态原理进行无气化LNG管道输送工艺参数的计算,给出了管道水力、热力参数和保冷层厚度的计算方法。
以大连LNG接收站为例,对1条长6km、高程差48.5m管道的运行参数进行计算,求得管道压降为0.338MPa,保冷层厚度为0.145mm,管输介质到达管道终点的温度为-154℃,因此在1.194MPa的输送压力下,LNG全程处于液化状态,验证了LNG在“过冷”状态下输送的可行性.
随着天然气消费量逐年增长的趋势,充分考虑长距离输送的经济性和技术可行性,建设LNG长愉管道非常必要。
笔者对LNG长输管道建设的经济进行了分析,就管道工艺计算、绝热方式选择、输送7工艺技术以及管道冷收缩、预冷等问题作了介绍,最后展望了我国LNG长拾管道翰送的应用前景。
-_+L8k*t2R关键词:
LNG长输管道;经济分析;输送技术;应用前景;研究液化天然气(LNG)长距离输送主要采用大型-U6Y)j-t+x#uLNG运输船和LNG槽车及罐箱。
LNG管道多见于*]*I'V)T-W'B']2X#D天然气液化装置和LNG装卸设施,目前尚无LNG't-^,t3M"X'P Q长输管道输送的实例。
与输气管道相比,由于LNG的密度是常态(常温常压)天然气的60()倍,输送相同体积的LNG长输管道的直径较小,LNG6W3U1i$x1L1g;j-p S/C0L泵站也比压缩机站的能耗和运行费用低。
因此,,f5i%O*a,?
@%z"S/p.U随着天然气消费量逐年增长的趋势,充分考虑长距离输送的经济性和技术可行性,建设LNG长输;P9x3`*\ {-\/e7v管道非常必要。
;Z5D2R!
R"{
1管输LNG与常态天然气长输经济分析
+Q&z1p"b,k#m-X#s;k1.1运输成本与距离的对比同等条件下,天然气的运输成本.~,M/|5Y3f6_ Z3~/i
图1管输石油和天然气运输成本的相对成本+H$W(p(e-s2S-\
比原油要高的多。
运输距离在1000-2000km范
5K(d&k9O3F"|7p,i:
[围内,管道具有最佳投资选择;2000一4000km范
5c7[1x!
}-_围内,管道经常具有最佳成本选择;4500km以上,3B:
\7[;?
3t6s'b,j%o)_-G
LNG管道运输比天然气管道运输经济。
1~;G"b7@*F
1.2输送费用比较
1{%C'\/H4J(b*~1t表1是世界银行和能源部测算的输送价格。
当
)X+Z(Z/j(G']8v!
d:
q%q陆上管输距离超过3800km时,LNG运输更具优势。
#W4G-H)@-G/c;Z4r){
表1管输LNG和天然气输送费用比较
2q6v:
O(Y&h%s0x:
I'w'_8f"i输送量-V;I:
d f4U,f
陆上管输/美元·(Mbtu)一’海上管输/美元·(Mbtu)一‘ING/美元·(Mbtu)一‘
6F!
l3\0f0u-o1200km3800Ian7600km1200km3800km76(刃km1200km3800七n7600km
4L#h(p.U9q4V砚l6;e0A6s4P/O(j3f#~
1曰门﹂(l:
l2w*v/s!
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0558
1F)B/g'b+a*S:
_0a1︶2!
f;A7{$r.{&V
5Mt/a(69亿m3/a)
N!
\9F!
O'e10Mt/a(138亿m3/a)
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#x5~6L8z']'g#]&l6X.]0.74)G;Y"e"q8W7x)q
3.41
)t,f.f4x#h0{5b2.52
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+F:
f,_"g.o&S,l7v.l7.80
2a(V9I"F$w%{3I5.65#R)V,W/m*V!
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-F W;C4~3S
2.10.H%@:
U$I6o2_5Y)N,@&~%w
1.58
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v:
Y,\3Z&}!
~,u7.206V)^;N$A8g.r
5.37
W+H%k0F-t3A&a16.50
"~5J7x"i7P F'i9d,G11.43
-f7B/o8a:
w4E3Q d4U4.26
4m"K*l-b&E;o%A4.01/o2t1w"j5Y&Y:
C
注:
费用单位“美元/Mbtu”的国际单位是1.0551一’美元/Q.(K;M"w+s5c-C
2LNG长输管道输送技术9t"P&J8K!
d)J
2.1工艺设计0U9C"[7K"I!
G7c!
H:
R4r-n8u
LNG长输管道输送一般采用单相流动的稳定!
Y,|&v3d#r&g g*_5n
输送。
LNG管道设计方案的确定,参照美国NFPA59A
0R)M7~*L&t!
Y5T0^一1994《液化天然气(LNG)生产、储存和装运
%W,Q,g(Q3V1]#O(d标准》。
LNG输送管道材质一般选用9%和15%的
9F,C([$l3R2u9]$|镍钢。
管道的焊接一般采用惰性气体保护焊,全/d:
U5P:
@:
v9P'j
部的焊缝需进行质量检测,以保证不泄漏[210 W+K'L7w)f!
r:
Z:
l
收稿日期二2005一12-11。
修改稿收到日期:
2006-04-110
"~#|-~7]-E作者简介:
陈雪(1981-),女,四川自贡人。
2004年毕业于西
$z3S-D3j0n#}4A南石油大学油气储运工程专业,学士学位。
现为该大学油气储运3}0l2K/R(C O$D%q*g
工程专业在读硕士研究生;主要研究方向为油气集拾优化设计。
$n7g+c#e1@'Y2_*q8?
第23卷陈雪.LNG长输管道输送技术研究4b;M%k4H%o/s!
@1[.X
在LNG管道的工艺计算中,由于LNG的密度随
"b!
f*k*F4^"d温度、压力变化比一般轻质成品油大得多,LNG的物
;A)v+w+Z;h9}3D性参数要按管道起始终点温度和压力的平均值选取,8g1J L1r/n(E;z!
L"F.K
也可进行分段计算。
由LNG管径与年当量费用(投&O4y7e*D+f
资及运行管理费用之和)的关系曲线,可得到该曲线
6n%g4~1D!
t!
r3r2[的极小点即是该输送量下的经济管径,此时管内的流8o8Z:
g7C(t7i.O:
C:
x
速即为某输量下的经济流速。
同时要充分考虑管道.S3J:
M#]5t4h"_7I"X"V3K1w
内压力、温度的变化以Akh夜化天然气物性参数造成%a'h&?
"P4Z%_;Y
的较大影响,必f}引汲限工况进行校核。
3U2n5C:
u6v;_"C%W.^2.2绝热选择
*J)I'B G:
r9z低温液体的输送管道可分为3类:
非绝热管*Z)x4?
f!
_,U
(裸管)、普通绝热管以及真空绝热管。
图2为不6m+q;W*W'x.^$x
同类型隔热性能比较。
非绝热管结构简单、热容
:
B3B"k'\"w+y量小、造价低,但在使用时跑冷损失大,通常用于;C/t0Y1{5i
间断性的短距离输送。
真空绝热管按绝热方法可
&c5O z#u%A分为高真空绝热管、真空粉末绝热管及真空多层+]4N)Y$x,K9~4~ A6d.h8S
绝热管,由内管、外管及支撑件构成,造价和施工
!
w2\#n8{!
O(?
$g管理费用高。
%`+E3{3_3E8z
真空月卜-甲-闷卜非直空
(j6@)\.d5?
:
J-?
$O,Hto一ti
%z0[)i1l,{10一tb(o4g8^+O+_9r1?
%@
=;+an(rn十。
;.){牛Inr0+S,n+1).
(2)
3[/n1B(j;}0L一‘\Ainr0airiI
9E7O8@3L&i!
?
&k"n多层绝热阻光粉未粉未纤维*u$x;w,M/y+b't
纤维!
Q!
r0h5G)R(c/K
泡沫
0d5G8s3G&y纤维,[1D!
{7X5^
、粉末、
'^7E)f4k)F4e$G-nIC510-'10-310-210-'1
!
q/z*n,d4w$W'i)V9b"l图2不同隔热类型的有效导热系数(W/m"K)7I(h6{$M%|4a
大批量的LNG长距离输送,常采用普通绝热9S$U1x,Y*D%u-P.s
管。
普通绝热管是在管外敷设普通的聚氨脂发泡0d },k*_%c-R
塑料包复的绝热方式,热容量大、绝热性能较真空
"b7c V g7_ J:
w绝热管差,但其投资和施工管理费用比真空绝热 Z%A0o)v2R.M!
X"R N4Z8U*|
管小,这对于长距离输送显得尤其重要。
设计时
Q3B/a,O:
t-L3h(r通常用两种方法来确定绝热层的厚度:
第一种方8_(X+?
"J Z(}:
|;J1E
法是限定绝热结构的传热系数或冷量损失,由公!
V7{#U7W*\*V-s'P
式
(1)可确定绝热层的厚度Sin。
不过需用画图法!
D-c&z/s0[
或试凑法求解,实际采用的厚度不得小于计算值。
~7V(q&Y0M#W8p)s N&{$m,l8w
1,r0+Sin_1'F r'O2s:
E!
z&[#i'O T
二丁一UI—十二一一下一一一一六万一芍
6v0e7k)x;yLAinr0Laokr0+)iny二k1一2airi
(1)
'u'["|1c#g!
c.J第二种方法是限定绝热结构的外表面温度,
&K4`'G5V:
r;]/W0?
%T#l可由公式
(2)确定绝热层厚度Bin的值,不过也得
:
S#U)h%]#z&W用图解法或试凑法求解。
-?
%S+P2k/R%}式中,Ain—绝热层的导热系数,W/(m"K);(\$["y+p'R*w-~/M
to—环境空气的温度,K;/N7\:
q5J(o8H:
Y,J"E6Y
ti—容器内需保持的温度,K;
h3x(d3l'H*~,U"i:
b—外表面温度,K;
0Q*R.x6e%}&Hk1—传热系数,W/(扩"K);
5\#Y:
}9t1d3\2[)Wao—管道外侧热阻,(m2"K)/W;
"r3P Q2H&t6k8`r0,rj—管道内、外半径,mmo;s5k2T,k*M#]6u)h
2.3输送工艺
:
E/K `0e0FLNG长输管道输送工艺与原油加热输送工艺
:
c*s!
P'I8m!
M6f1N+E)r类似,管道沿途需要建设冷泵站进行加压和冷却。
+r(h%G7I'['B,L3O.]这是因为进人管道的饱和液体受热后就要部分气
D:
k2z:
_7i$h化,成为两相流动,将使管道的流量减少,阻力增
8k#n.r0R)Y1c&I9b0s大,严重时会产生气塞现象。
因此,对于低温液体"C/h"C!
p-e u*O&x
长输管道,必须在进行高压输送、始终保持液体的
7S$F;y:
n0|*f压力高于其临界压力的同时冷却升高的液体温
%Z%U1e+}1N.P7u)^(j度,使管道内液体的温度低于其临界温度,以防止
5F"v$Q-a1B!
?
8i/W液化天然气的气化[3]05m*Q4k/L.a%c/q%o!
z-d
冷泵站之间的距离L,可根据预定的液体输2^2f"|-L7V
送压力及输送温度计算,如果略去动能及位能的(Y;c8h9i2a5Z;}
变化,则两个冷泵站之间的能量方程可表示为[’]:
6Q8B;A4a'y0r
G·c(T2一T,)=0.001Q+G"。
(p;一P2)(3):
~8v)_5T8n#\7J%r&X2e
即在两个冷泵站间液体吸收的热量等于跑冷损失*t'q%@3P!
{9O7Z4]!
|#a0|#A
与摩擦产生热量之和。
1z%_;^"]7g5h-\
式中,‘—低温液体的流量,kg/s;
7P'P,C(v3P$\2o。
—低温液体的比热,J/(kg"K);(p$`1w7\(^:
}*F-G)d
。
—低温液体的比容,J'm'S2;(X;J:
F,K7[%p;`(u:
C&?
5~0D
Q—两站之间管道的冷损,W;
-c7C(G8?
;e"L1m6U(Pi一P2)1(几一Ti)—分别是两站之间预'R0M2s$C*M/C
定的压差(Pa)及温升(K)o#G+z"B3l*g2X,@3I
因为Q及(Pi一P2)均可表示为管长的函数,6w)H4R"y'r-h%V
故根据公式(3)即可计算出两站之间的距离Lo
h;T'z*f+G p/v!
Y+D在按式(3)确定站距时,既要考虑最大流量情况,
$g$H"n1[1A/K l3I!
X也要考虑最小流量情况;如果只按最大流量,则在
*x5p)Y2a'P*G4J8M流量减小时还会出现两相流动。
站距及管径的选.s3k:
x:
I8z+~!
}
择还可通过技术经济比较来确定其最佳值。
%E8m:
Z6F+g:
p+[7R j
石油化工设计第23卷
.d9C4p1i5w#z4i,o2x2I3LNG长输管道设计中的几个问题
3o0O"s#d$E:
m#V(g:
[#E3.1冷收缩问题
;e(?
#V'_2sLNG管道设计时,需要慎重考虑由于低温引*W3F)N;h+x$o"}
起的收缩问题。
必要条件下,应进行适当的热力
7b$U$F/G6{和结构方面的试验。
通过试验,了解所使用的材
#M ])Y0q(n7O2A W7a料和结构型式在设计工况条件下的收缩情况。
必+[.m4~!
_9Z(I5S
须考虑采用有效的措施来补偿,通常可采用金属%B*Z5_9o-S8L)y2n2p3m J
波纹管、管环式补偿、以及采用膨胀率小的管道材:
D*Q.A3z5]$c:
A
料等方法解决。
;w%d1J/r8G;z'T
3.2LNG管道的绝热结构0b.F3C9\,d)L$m/F,~9N1~
输送管道的绝热材料一般采用硬质聚氨醋发泡
:
K,m*H7t.n5t(k"P塑料,绝热结构主要有常规的保冷材料包复型结构和1s5h&q:
O3A k3P#f1G&Q5U
真空夹套型结构。
一般的方法是根据管道外径和绝7F1S$h0l/x:
]/R3R"r
热层厚度,将聚氨醋发泡塑料制成型材,在现场安装。
)Q#w"|$V-r6l
绝热材料的外表还需要有防潮措施和防护夕嘻o'e!
N2Q+U'Y5E+}
3.3LNG管道的预冷1[512g/Y!
v5~;s${:
U!
@:
P,R
为了避免管道结构破坏,LNG管道进人运行
6],V(V1K5l-j(k*I前,预冷过程特别重要。
在预冷时,为了防止因温)C F$u8Z&c
度变化过快、热应力过大而使材料或连接部位产
6Y/E%J+U"b0~-h2[生损坏,应控制预冷时温度下降的速率。
根据有
9]9o/q&_5|!
k关操作经验,冷却速率在509C/min左右是比较安9x*k U5V+?
)I;l/\
全的。
在预冷过程中,为使管道、保冷层和周围土
/Q%f2H.k9V:
J+E壤降温,就需蒸发掉一定量的LNG,而且要经过相"h&Y"x;B"q.e'z)c
当长的时间才能达到热稳定状况。
对预冷过程的:
x(F9n%g.]&Z9Z6\
计算就是要确定预冷时间及LNG耗量。
X$T&v:
t&X8L.Q4f5C%o
冷却时间为:
6f4@/P-C$} ~'j(@#S
均t匕热容,J/(吨"K);
;X-h"c/I3k:
\、孔—起始和终了时的温度,K;
0M6?
"P9\8p(D+B'p-b,{*I.W与Ti
8u)n%?
2a8K6_8Q7vui.us—起始和终了时系统比热力学能,J/掩;
6`!
J'T:
F$d'zPgilPS—气体起始和终了时的密度,kg/m2;"`6a!
B1D,z;v"G-F.I,k"D6k
杨—液体进人系统时(液态)的比熔,J/kg;
-P*X!
L:
b;P2y8I:
G5@hg2—流体流出系统时(气态)的比熔9J/kg;)C7W9O9H%K;c2J
Q,—传热温差不变情况下的传热量,J;
+r:
e9l)B&J'Fq.,g2—流体流出系统的质量流量,甲so
'^2F"U6~+K%r习m.c}(T-Ts)-V[ps(、一hL,)一(ui-hci)l
#s9o;U)h&F0kgm,g2(hg:
一hci)一0.5Q,(4)
+m&m*L9I.R0c3l管道冷却时所需要的低温流体需求量的下限
6o$Y8z,{%W.N.V0@$^可按下式计算:
1v$r6I$G3|7h7x
q.,g2>(Qs/2)(hg2一hL,)(5)8Y'{%} w"W!
?
)X
式中,、—需要冷却的系统质量,kg;$f"j0Y+m(r:
]$Y
4LNG长输管道输送技术应用前景5|*z2b"w!
O%c
在深圳大鹏湾称头角建设的我国第一个LNG0]-b&z6`'M9q2u
接收终端、全面开展设计的福建媚洲湾LNG接收
8J5Z)Q"c8`4@ y9M站等工程的启动,中原油田、新疆广汇等一批基地
*M,Z:
F&i4V;P:
j6T$M型LNG工厂以及上海浦东LNG调峰储气库的建&B.U0b%\0l
设,都为LNG长输管道输送提供了契机。
!
W/Q$L)g7u,H
可以预见,随着我国能源结构的调整,大量生+|-N:
E8n8~"Y']
产和消费LNG清洁能源是必然发展趋势,LNG长%`-[8k9d,M
输管道输送将进人新的发展阶段。
因此,在总结+b8G'J)z2r8r7{
已有技术和借鉴国外先进经验的基础上,应加琢
:
B0];q,?
6B%F8?
LNG长输管道输送技术,特别是管材、输送工艺、
6R3t)G-~%l;V4_3U低温管道的施工技术、自动控制和检测技术及设-R1W2i3^#`0P#H
备方面的研究
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- 关于 液化 天然气 管道 输送 问题