液化天然气长输管道输送技术研究

液化天然气长输管道输送技术研究

0lng长输管道建设现状液化天然气（lng）的长距离输送主要发生在国外，主要通过车轮和液化天然气船运输。在长距离内，lng主要通过ln井和ln罐箱进行运输。而现有的LNG管道主要用于天然气液化厂和城市调峰站内CNG短距离转运管道;另外,LNG装卸设施的附属配套设备也设有LNG管道,目前尚没有采用低温长输管道输送LNG的实例随着世界范围内对LNG应用的重视,LNG需求量也在逐年增加。据统计,1995年至今,全球LNG市场一直保持着每年7.5%的增幅,而这些增长主要集中在亚太地区,这一地区的LNG进口量占世界的三分之二。众所周知,气体的运输大多采用高压液化技术以节省空间、提高运输效率,但传统的高压储存运输不可避免地存在密封、安全以及材料承压能力有限等问题,由于液态天然气的密度是气态天然气的600倍,故输送相同体积的天然气,LNG管道直径较小,LNG泵站的费用和能耗也要比压缩机站低很多,因此,天然气的低温液化技术逐渐占据主流,LNG长输管道建设势在必行摆在LNG长输管道建设面前的最大难题,是必须采用低温条件下仍能保持良好性能的材料,如价格昂贵的镍钢;同时需要使用性能良好的绝热保冷材料;而且LNG沿管道运输时会不断升温,长距离管道中间需要设置LNG冷却站。所以,LNG长输管道的初期投资比较大,建设也较困难。150.50长度输送技术1.1基因法深度LNG长距离输送管道的设计一般可参照美国NFPA59A-2001《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》(StandardProduction,StorageandHandlingofLiquefiedNaturalGas(LNG))。2006年,国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》(Production,StorageandHandlingofLiquefiedNaturalGas(LNG)),该标准在翻译前者的基础上做了编辑性修改,两者的使用效力等同LNG的密度与其各组分所占比例有关,不同气田产出的天然气组分可能有所差异,密度随压力、温度的变化一般较轻质成品油大,在LNG长输管道的工艺计算中,LNG的物性参数要按管道起始点和终点的温度、压力平均值选取,也可分段进行计算LNG长输管道设计方案的确定主要是选定额定输量下的经济管径,根据管径与年当量费用(总投资与运行管理费用之和)的关系曲线,该曲线的极小点就是该输量下的经济管径,此时管内的流速就是该输量下的经济流速。1.2控制低温液体输送的注意事项LNG在进入管道时是饱和的液态天然气,沿长输管线的温升易导致部分LNG汽化,在管道中形成两相流动,两相流不仅使沿程阻力大大增加,而且还可能产生气体段塞流动,给管道的输送和安全运行带来严重影响。因此,对于低温液体输送管道,尤其是长距离管道,要特别注意防止液体汽化,保证液体在管道内单相流动。防止天然气液化需要采用密相输送工艺,即将管内天然气温度控制在临界冷凝温度之下,操作压力控制在临界凝结压力之上,使管内运行工况位于天然气液相密相区此外,为降低流动摩擦和过泵剪切带来的LNG温升,LNG长输管道除设加压泵站外,每隔一段距离还要加设冷却站,并且为了节省投资和便于管理,应使加压泵站和冷却站尽量建在一起,即所谓的冷泵站。1.3冷泵站间距及保冷层厚度LNG长输管道的冷泵站工艺与原油输送管道的加热泵站工艺类似,只是热量传输“相反”。由上文知为保持天然气的液相输送,LNG长输管道中间需加设冷泵站。如何确定冷泵站的间距,不仅关系到LNG管道的正常运行,更直接影响管道系统的经济性。站间距过大,出站口压力相应增加,在相同的站间温升条件下,对保冷层的要求就越高;站间距过小,保冷层厚度降低,但泵站的投资和管理费用相应增加。可见恰当选择冷泵站数和保冷层厚度对管道输送的经济性影响较大。冷泵站间距L,可以根据预定的进站温度设进站压力初值,根据泵的扬程和管材强度确定泵站工作压力,得到站间管道的最大压降,从而得出最大站间距。在相同站间距情况下,进站温度的确定影响保冷层厚度和出站温度,进而影响系统当量费用。因此,可以采用建立数学模型的方法优选保冷层厚度和进站温度根据预定的输送压力和温度,可以粗略计算冷泵站间距,不计动能和势能变化,两泵站间能量方程可表示为两泵站间液体吸热等于冷损失与摩擦生热之和,即:式中G———液体质量流量,kg/s;c———液体比热,J/(kg·K);Q和p1.4道预热保冷材料和结构形式的选择在LNG低温输送管道设计中,管道绝热保冷材料和结构形式的选择是一个非常重要的问题,它能影响低温液体的输送效率甚至整条管道的经济性。1.4.1管道绝热材料LNG管道可分为三类:非绝热管、普通绝热管和真空绝热管。非绝热管的造价较低,但使用时跑冷问题严重,一般用于短距离输送;真空多层绝热管由内、外管及支撑件组成,广泛应用于空分设备的液化气体输送管道中,但LNG输送管道对压力、安全和使用寿命要求都较高,且造价和施工管理费用较高,管内环状空间真空环境在长距离输送中难保持稳定,目前技术仍不完善,可行性不高。普通管道是在管外敷设绝热结构,缺点是热容量大、绝热性能差,但当量费用较小,在长输管道建设中有明显优势LNG管道的绝热材料一般采用硬质聚氨酯泡沫塑料,根据管道外径和绝热层厚度,将聚氨酯泡沫塑料制作成型,现场安装,并在绝热材料外设防潮和防护措施。国内在普通硬质聚氨酯泡沫塑料的基础上研制出一种新型绝热材料———深冷用改性聚氨酯泡沫塑料(PUH、PUB),这种材料可适用于-196~90℃范围内温度交变的气体液化设备、液化气船和低温液体输送管道,并已在生产实践中得到成功应用a)导热系数小,尤其在-60℃以下,其导热系数呈直线下降,大大提高了绝热层的保冷效果;b)封闭气孔率占90%以上,因此吸潮对其导热系数的影响非常小;c)尺寸稳定性好,既能在生产地预制成型,也可在现场喷灌施工。PUH、PUB改性聚氨酯泡沫塑料的上述特点决定了其在深冷环境中不产生收缩裂纹,从而能够长期处于安全、正常使用的工作状态,保冷效果较好,且材料中不含氯离子,对钢材以及其他金属材料管道不产生腐蚀1.4.2保冷层厚度计算低温管道保冷层厚度的计算公式基本一致式中l———保冷材料导热系数,W/(m·K);TTD式中aT将式(2)~(3)右边相等得保冷层厚度计算的基本公式:式中d———保冷层厚度,m;q———单位管长冷量损失,W/m。由于保冷目的和限制条件的不同,计算保冷层厚度时采用的方法也不尽相同,常用方法有以下几种:限定外边面温度T21.lkg长输管道的设计2.1lng的需液量为避免管道结构被破坏,LNG管道进入运营前要进行预冷。预冷时,为防止温度变化过快、热应力过大导致材料或连接部位产生损坏,应控制预冷时的温降速率。根据操作经验,预冷速率在50℃/min左右是比较安全的预冷时,可以利用LNG的汽化潜热,也可以利用已汽化气体温度升高时的显热,预冷过程中LNG需液量随显热的利用程度而变化。关于LNG需液量的计算,主要分两种情况a)LNG的制冷量全部被利用时的需液量为最小需液量。即上述两种情况下的热量全部用来制冷,此时任何逃逸气体的温度均等于管内壁温度,这在预冷速度慢且管道系统传热情况好时较易接近。b)仅有LNG的汽化潜热被利用时的需液量为最大需液量。预冷速度很快或传热差时较接近这种情况。实际中,虽然LNG管道系统预冷过程很慢,但为保证LNG管道的安全和不断冷却,沿线需要不断放出气体,LNG的显热无法得到充分利用;因此,实际LNG需液量介于最大和最小需液量之间。预冷时间取决于需要冷却的系统质量、起始温度、气体起始物性参数以及系统进出流量和传热系数等因素。2.2热力及结构试验低温引起钢制管道的收缩,在LNG设计时应慎重考虑,必要时要适当进行热力和结构方面的试验。根据试验所得材料和结构在设计工况下的收缩情况采取相应补偿措施,解决方法通常有采用金属波纹管、管环式补偿以及采用膨胀率小的管材等2.3安全阀的设置LNG管道停输时,由于没有制冷补偿,周围热量的渗入将导致LNG饱和并汽化,使管内压力升高,故在进出站处需设置安全阀,与放空罐相连,保证管路压力在安全极限范围内2.4汽化后只有用户使用LNG在长输管道中以液态形式运输,在终端经过汽化后才能为用户使用。LNG在汽化过程中产生的潜热非常可观,将这部分热量加以利用能大大提高能源的利用率,在LNG长输管道设计中应加以考虑。3lng长输管道输送技术的应用前景展望随着我国能源结构