液化天然氣過冷態(tài)管輸無氣化距離研究

姜文全，楊 帆, 陳保東

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

液化天然氣過冷態(tài)管輸無氣化距離研究

姜文全1，楊 帆2, 陳保東2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

在液化天然氣（LNG）工業(yè)強勁發(fā)展的勢頭下，與LNG產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的輸送管道研究已被廣泛的學(xué)者所關(guān)注，LNG的管道輸送可以繼續(xù)保有LNG的優(yōu)點，如節(jié)省大量的壓氣機輸送能耗，也可在管道輸送末端利用其冷能等。建立了 LNG無氣化輸送模型，通過編制程序得出了在不同入口參數(shù)下的無氣化輸送距離，幵采用HYSYS軟件迚行了管輸截面參數(shù)的驗證，為LNG長距離管道輸送提供理論基礎(chǔ)。

液化天然氣（LNG）；過冷態(tài)輸送；無氣化輸送距離

液化天然氣（LNG）是世界上增長最快的清潔能源之一，隨著LNG的迚口意味著我國越來越多的城市將能夠使用上這種清潔能源[1]。目前，液化天然氣（LNG）的輸送多以進洋船運和LNG槽車及罐箱為主[2]，LNG管道多見于天然氣液化裝置和LNG裝卸設(shè)施，尚無低溫管道長距離輸送液化天然氣的實例。國外的理論研究表明，隨著低溫管材和設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展和天然氣貿(mào)易量的逐年增加，建設(shè)長距離液化天然氣輸送管道在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟上也是合理的[3],LNG管道輸送工況的研究勢在必行。

1 LNG的熱物性質(zhì)

由于在 LNG管道輸送的過程中在管道的軸線方向上不可避免的會出現(xiàn)溫升、壓降［3］，一旦出現(xiàn)了兩相流，將會導(dǎo)致輸送過程的阻力增大以及液體氣化使管道超壓，同時管輸效率急劇下降，為避免對輸送造成不良影響，通常需要使管道內(nèi)保持單一的相態(tài)[3]，為此提出了過冷輸送的概念。

所謂過冷輸送是指液體處于未飽和態(tài)下的輸送過程，即控制管輸?shù)臏囟纫陀诠茌攭毫ο碌娘柡蜏囟?，以確保LNG的過冷狀態(tài)，從而防止兩相流現(xiàn)象出現(xiàn)。

以某LNG公司引入的LNG（組分為表1所示）為例，采用P-R方程迚行物性的計算[4,5]，在研究管道的輸送工藝前需要繪制P-T相圖（圖1），以比較說明管道內(nèi)輸送LNG的狀態(tài)。此組分LNG的臨界壓力pc=5.164MPa 、臨界溫度tc=-76.10℃，當(dāng)溫度低于壓力所對應(yīng)的飽和溫度，即t＜ts( P)時處于未飽和區(qū)，為過冷態(tài)（不飽和液態(tài)）。

表1 LNG組分Table 1 The composition of LNG

2 管輸模型

液化天然氣在管道中迚行輸送，不斷向管道中損失冷量，使液化天然氣溫度升高［6］。散失以及沿

線溫度的升高受很多因素的影響，如的冷量LNG的輸量、迚入管線的溫度、壓力、環(huán)境條件、管道的保冷條件等。

圖1 LNG的P-T圖Fig.1 The P-T diagram of LNG

2.1 水力模型

LNG在管線內(nèi)壓力能的消耗主要分兩部分：一是用于克服地形高差所需位能；二是克服管路流動過程中摩擦及撞擊產(chǎn)生的能量損失即為摩阻損失，采用列賓宗公式迚行計算，由于輸送低粘流體管徑較小迚入混合摩擦區(qū)，公式及相關(guān)系數(shù)如下：

Q—LNG的體積流量，m3/s；

ν—LNG的動力粘度，m2/s；

d—管道內(nèi)徑，m；

L—管道輸送距離, km；

e—管壁的絕對當(dāng)量粗糙度，0.06 mm。

則全線的總摩阻為H=1.01hL+Δz （2）

Δ z—管輸?shù)慕K點與起點之間的高差，m。

2.2 熱力模型

設(shè)管道周圍介質(zhì)溫度為T0，微元段上溫度為T，LNG輸送量為G，水力坡降為i。流經(jīng)dl段后，油流溫升為dT，則有能量平衡式如下：

等式左側(cè)是單位時間內(nèi)管內(nèi) LNG升溫所吸收的熱量，等式右側(cè)第一項是管道外向管內(nèi)傳遞的熱量，第二項是LNG流動時由摩擦損失傳遞的熱量。令，同時將能量平衡式分離變量同時積分，則有：

式中：c—LNG熱容值，J/(kg·℃)；

TR—LNG在管道入口溫度，℃；

L—無氣化輸送距離（程序框圖如圖2所示）

TL—LNG為距管道入口L處的溫度，℃。

編制程序（程序框圖如圖2所示）計算出沿線管道各截面的壓力、溫度值，最后得到在此工況下的無氣化輸送距離。

圖2 無氣化距離程序框圖Fig.2 The program diagram of no gasification distance

3 實例分析

LNG管道有架空敷設(shè)和埋地管中管敷設(shè)等方法，而架空敷設(shè)具有利于施工、檢查和維修的優(yōu)點，本論文對LNG管道采取架空敷設(shè)。假設(shè)管道起終點無海拔高程差，組分為表1的LNG年輸量為20萬t，管線的入口壓力為4 MPa，入口溫度為-150 ℃，ρ=421.9kg/m3,υ=0.227× 10-6m2/s ，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定材質(zhì)為0Cr18Ni9的無縫鋼管外徑Dw=159mm，保溫材料采用LT/Armaflex（其導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.015W/(m· K)），厚度為138 mm。

編制程序（程序框圖如圖2所示）計算出沿線管道各截面的壓力、溫度值，最后得到在此工況下的無氣化輸送距離為86 km。為驗證模型的準(zhǔn)確性，采用 HYSYS軟件迚行熱力和水力分析得到結(jié)果如表2所示。不同入口狀態(tài)的的無氣化輸送距離如表3所示。

表2 HYSYS軟件實例驗證Table 2 The verification of HYSYS

表3 管道不同入口壓力無氣化輸送距離Table 3 The no gasification distance of different entrance pressure

4 結(jié) 論

1） 由于管輸過程中壓力和溫度變化的導(dǎo)致了LNG熱物性質(zhì)的變化，使得沿線相同輸送距離下的壓降和溫升有微小的變化。

2） 在LNG過冷態(tài)管輸模型下，無氣化輸送距離受入口溫度和壓力的影響：若管線的入口壓力相同，入口溫度越低無氣化管輸距離越長；若管線入口溫度相同，入口壓力越高無氣化管輸距離越長（表3），這是由于入口壓力越低其對應(yīng)得飽和溫度越低、過冷度小，這樣管輸?shù)臏厣龝馆斔瓦^程線過早達到飽和線使LNG氣化。

3） 對入口壓力為4 MPa、入口溫度為-150 ℃的LNG過冷態(tài)輸送，無氣化輸送距離可達86 km，如若長距離輸送中間設(shè)建冷泵站，不僅可保有LNG的優(yōu)點，還可節(jié)省泵送天然氣所需的大量能耗，可見LNG長距離管道輸送具有非常可觀的前景。

［1］Sylvie Cornot-Gandolphe, Olivier Appert.The Challenges of Further Cost Reductions for New Supply Options (Pipeline, LNG, GTL)[C]. 22nd World Gas Conference, 2003 (5):1-17.

［2］錢成文,姚四容,等,液化天然氣的儲運技術(shù)[J].油氣儲運，2005，24(5):9-12.

［3］李征帛，陳保東,等，LNG長輸管道中間液化站流程分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2012,34(4):41-44.

［4］I.S. Melaaen, G. Owren. How Do The Inaccuracies of Enthalpy and Vapour-Liquid Equilibrium Calculations Influence Baseload LNG Plant Design[J]. Computers Chemical Engineering, 1996, 20 (1):1-11.

［5］楊帆，陳保東,等，P-R方程在天然氣熱物性計算中的應(yīng)用研究[J].當(dāng)代化工,2013, 42(5):649-650,655.

［6］林芃,王如竹,等.低品位熱能的進距離輸送技術(shù)[J].制冷學(xué)報,2009,30(5):1-7.

Study on No Gasification Distance of Supercooled LNG Pipeline Transportation

JIANG Wen-quan1，YANG Fan2，CHEN Bao-dong2
（1. College of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

With the development of Liquefied Natural Gas (LNG) Engineering, study on LNG pipeline transportation has become a hot spot. LNG pipeline can remain the advantages of LNG, such as saving energy and using its cold energy in the terminal of transportation. In this paper, no gasification model of LNG transportation was established, the no gasification distance under different entrance parameters was obtained, and the pipeline parameters were verified by HYSYS software, which could provide a theoretical basis for LNG long distance pipeline transportation.

LNG; Pipeline transportation; No gasification distance

TE 832

A

1671-0460（2014）09-1913-03

遼寧省教育廳重點實驗室項目，項目號：LS2010097。

2014-02-20

姜文全（1979-），男，遼寧錦州人，講師，碩士，2007年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)專業(yè)，研究方向：從事LNG儲運及安全方面的工作。E-mail：j_wenquan@126.com。