李慶杰，陳保東，洪麗娜，馬金鵬

（1. 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001； 2. 遼河油田公司錦州采油廠，遼寧 錦州 121209；3. 中國(guó)石油管道大慶輸油氣分公司， 黑龍江 大慶 163458）

LNG管道輸送工藝計(jì)算

李慶杰1，陳保東1，洪麗娜2，馬金鵬3

（1. 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001； 2. 遼河油田公司錦州采油廠，遼寧 錦州 121209；3. 中國(guó)石油管道大慶輸油氣分公司， 黑龍江 大慶 163458）

以某LNG公司建設(shè)的LNG接收站為依托背景，對(duì)該地區(qū)建設(shè)一條6 km長(zhǎng)管道的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。利用有限容積法對(duì)管道截面的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了保冷層厚度為95 mm時(shí)的外表面溫度。通過保冷層厚度和外管道直徑的選取，計(jì)算出輸送到終點(diǎn)的壓降和溫升，驗(yàn)證了 LNG在“過冷”狀態(tài)下輸送的可行性。

液化天然氣； 管中管輸送； 保冷層； 過冷

天然氣液化后是原來體積的1/600左右，采用液態(tài)輸送較氣態(tài)相比，輸送相同體積的天然氣，LNG的管徑要小，泵的能耗也相對(duì)較低，輸送成本較為理想；相對(duì)于居民用戶來講，如果把LNG直接輸送到化工企業(yè)，這將為企業(yè)帶來巨大的冷量，節(jié)約企業(yè)制冷費(fèi)用。所以采用管道輸送LNG具有巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，國(guó)際上實(shí)行LNG管道輸送的實(shí)例較少而在國(guó)內(nèi)目前尚處于起步階段。加拿大曾在此方面做過研究，結(jié)果表明當(dāng)LNG輸量越大，距離越長(zhǎng)，地溫越低時(shí)，液化輸送的經(jīng)濟(jì)效果較好。目前制約 LNG管道發(fā)展除了輸送技術(shù)及設(shè)備等因素外，在理論上仍缺少相應(yīng)的研究。

管道敷設(shè)方式一般有3種形式：架空敷設(shè)、埋地敷設(shè)和管溝敷設(shè)。由于LNG溫度極低，管道輸送方式中架空較為理想，但是考慮到建設(shè)在人口較為稠密的城區(qū)時(shí)，此方案較為不可行。其次由于埋地敷設(shè)方式可以降低地面的安全隱患，減少對(duì)周邊人和物的冷損傷，可靠性較好，但是LNG的保冷層收到土壤的擠壓后保冷效果迅速下降，不利于管道的無氣化輸送，所以此方案也有一定的缺點(diǎn)。為了能夠解決這一問題，本文選用了管中管敷設(shè)的方式，這樣既能夠保證保冷效果又可以進(jìn)行直埋敷設(shè)降低地面安全隱患。使用管道輸送時(shí)，為了保持天然氣輸送到接受終端仍以液態(tài)方式存在，需要盡量減少管道與外界的換熱量；確保LNG處于一定的壓力范圍內(nèi)，使其溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，讓其處于“過冷”狀態(tài)。本文利用“過冷”態(tài)原理進(jìn)行了無氣化管道輸送計(jì)算。

1 基本參數(shù)

本文以某LNG公司為依托背景，在其附近建設(shè)一條約6 km的埋地LNG管道。已知參數(shù)如下：以進(jìn)口澳大利亞的LNG成分為例（其成分如表1），氣候條件可參照當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)。在計(jì)算過程中，泵的揚(yáng)程根據(jù)國(guó)外進(jìn)口 LNG泵的性能提供的 1.194 MPa壓力，輸送距離為6 km，高程差48.5 m。其保冷層厚度選95 mm，管道材質(zhì)選取0Cr18Ni9，其導(dǎo)熱系數(shù)=11.8 W/（m·K），管徑為159 mm，壁厚為4.5 mm,空氣導(dǎo)熱系數(shù)為 W/（m·K）。保溫材料選取LT/Armaflex（福樂斯）系列產(chǎn)品，根據(jù)計(jì)算得到該材質(zhì)平均導(dǎo)熱系數(shù)為W/（m·K），泵出口溫度為-158℃。

表1 LNG組分Table 1 LNG composition

2 管道溫度場(chǎng)模擬計(jì)算

為了能夠更合理計(jì)算管道輸送過程中沿程的溫降，本文將外管道至于年平均溫度為9.3 ℃的土壤中。為了盡量減少管道對(duì)土壤的溫度場(chǎng)影響，并考慮到建設(shè)成本，盡量在投資較小的情況下選擇保護(hù)管道外表面溫度與地溫近似，通過計(jì)算，本文選取的參數(shù)相對(duì)較為合理。其參數(shù)選擇如下：輸送介質(zhì)管道的外徑為159 mm,保冷層厚度為95 mm，保護(hù)管道直徑為450 mm，保冷層外徑與最外層管道之間充滿了空氣。利用有限容積法對(duì)管道截面處的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了保冷層和保護(hù)管道的外表面溫度。在計(jì)算過程中做出如下模型假設(shè)：

（1） 輸送過程中管道介質(zhì)溫度與管道內(nèi)壁溫度相同；

（2） 輸送介質(zhì)管道放置在保護(hù)管中，保冷層與保護(hù)管之間的空氣為對(duì)流換熱；

（3） 管道在運(yùn)行過程中處于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

圖1 LNG管道截面溫度場(chǎng)分布等值線圖Fig.1 The contour map of LNG pipeline cross-section temperature distribution

通過計(jì)算得出管道保冷層厚度為95 mm時(shí)其表面溫度為-20.55 ℃，保護(hù)管道外表面溫度為 6.69℃。

3 管道的水力、熱力計(jì)算

3.1 管道的水力計(jì)算

水力計(jì)算由于粘度較小，運(yùn)行流速較大，其流態(tài)一般為混合摩擦區(qū)，根據(jù)列賓宗公式可得其水力坡降為

沿程摩阻為

式中：i— 水力坡降；

Q— 體積流量，m3/s；

d— 管道內(nèi)徑，m；

v— LNG的運(yùn)動(dòng)粘度；

L—管道輸送的長(zhǎng)度，m。

3.2 管道的熱力計(jì)算

管道的熱力計(jì)算可有下式得出：

式中：G— 油品的質(zhì)量流量，kg/s；

c— 平均溫度下輸送介質(zhì)的比熱容，J/（kg·℃）；

D— 管道外徑，m；

TR— 管道起點(diǎn)輸送介質(zhì)溫度，℃；

TL— 距起點(diǎn)L處輸送介質(zhì)溫度，℃；

T0— 周圍介質(zhì)溫度，℃；

i— 水力坡降；

g— 重力加速度，m/s2。

3.3 總傳熱系數(shù)K

式中：Dw— 管道的結(jié)構(gòu)外徑，m；

Di、Di+1— 鋼管、防腐絕緣層及絕熱層的內(nèi)徑和外徑，m；

λi— 與上述各層相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·℃）；

K— 管道總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

α1— 介質(zhì)至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

α2— 管外壁至大氣的放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

D— 計(jì)算直徑，m。對(duì)于保冷管道，可取保冷層內(nèi)外直徑平均值。 最終通過計(jì)算得出輸送到6 km的溫度為-153.39 ℃，壓降為 0.338 MPa。由于LNG管道輸送到終端的壓力降到0.856 MPa，相對(duì)應(yīng)的飽和壓力為-128 ℃，而此時(shí)的溫度上升為-153.39℃，故由此得出在1.194 MPa下輸送，LNG仍處于液態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無氣化輸送。

4 結(jié) 論

（1） 通過管道敷設(shè)方式的分析得出了在人口較為稠密地區(qū)敷設(shè) LNG管線較為理想的方式為管中管埋地敷設(shè)；

（2） 通過有限容積法計(jì)算得出95 mm的保冷層厚度結(jié)果較為理想，在該厚度條件下，能夠達(dá)到無氣化輸送；

（3） 通過實(shí)例分析，在1.194 MPa下輸送，由于輸送介質(zhì)粘度較小，保溫層熱阻較大，致使整個(gè)管道溫升較小，其介質(zhì)仍處于“過冷”狀態(tài)。

[1] 顧安忠,魯雪生,汪榮順,等.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:18-20.

[2] K.S.佩德森.石油和天然氣的性質(zhì)[M].北京:中國(guó)石化出版社，1989:204-207.

[3] B.E.波林，J.M.普勞斯尼茨，J.P.奧康奈爾,等.氣液物性估算手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:157.

[4] 童景山.流體熱物性學(xué)基本理論與計(jì)算[M].北京:中國(guó)石化出版社，2008:155.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版,2006：33-77.

Calculation of Conveying Process of LNG Pipeline

LI Qing-jie1,CHEN Bao-dong1,HONG Li-na2,MA Jin-peng3
(1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2 .Liaohe Oil Field Company Jinzhou Oil Product Plant, Liaoning Jinzhou 121209, China; 3. PetroChina Pipeline Daqing Oil & Gas，Heilongjiang Daqing 163458，China)

Taking LNG terminal construction of a LNG company as background, operation parameters of a 6 km pipeline were calculated. Numerical calculation of the temperature field distribution of pipeline cross-section was carried out by the finite volume method ,and the outward surface temperature was gained when the insulation thickness was 95 mm. After selection of the insulation thickness and outer pipe diameter, the pressure drop and temperature rise at the terminal was calculated, the feasibility of “supercooling” state transportation was verified in the LNG transportation.

LNG; Tube in tube Conveying; Insulation thickness; Supercooling

TE 832

A

1671-0460（2011） 02-0163-02

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（2009R37）。

2010-07-16

李慶杰（1984-），男，碩士研究生，江蘇贛榆人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)在讀，研究方向：從事 LNG管道輸送研究。E-mail：liqingjie01@yahoo.com.cn。