液化天然气LNG长距离管道输送技术.pdf

第21卷第2期 2003年6月 天 然 气 与 石 油 Natural G as And Oil Vol. 21 ,No. 2 Jun. 2003 收稿日期2002205213 ;修回日期2002206204 作者简介梁光川19722 , 男,重庆彭水人,讲师,博士研究生,主要从事油气储运方面的教学、 研究和设计工作。电话 08172642159。 文章编号10062553920030220008203 液化天然气LNG长距离管道输送技术 梁光川1,郑云萍1,李又绿1,高爱华2,蒲宏斌2 1. 西南石油学院储运研究所,四川 南充637001 ;2.中原油田分公司规划事业部,河南 濮阳457001 摘 要天然气作为一种高效清洁的能源,在世界能源市场结构中的比例将显著增加。天 然气液化输送相对于气态输送来说,具有很多显著的优点,新材料和新工艺技术的发展使得天 然气的液化输送成为可能。世界天然气地区性贸易的迅猛增长也将有助于降低天然气液化输 送的成本。目前国内LNG的管道输送技术尚处于起步阶段,国外也无很成熟的实践经验。 文章从LNG的特点出发,就LNG的管道输送工艺、 经济管径与经济流速、 站间距与经济保温 层、 管材以及LNG管道的预冷与停输技术等方面作了简要介绍。 关键词液化天然气LNG ;管道输送;经济管径;经济流速;保温层;预冷与停输 中图分类号TE626. 7 ;TE832. 3 文献标识码A 1 概述 天然气的管道输送,常以气态的形式进行,对于 天然气的液化输送,目前多用于远洋贸易中,以油轮 输送为主。LNG的管道输送多见于城市调峰装置 和油轮装卸设施上,目前尚无采用低温管线长距离 输送LNG的实例。理论研究表明,随着低温材料 和设备技术的发展,建设长距离LNG输送管道在 技术上是可行的,在经济上也是合理的。 由于LNG的密度是天然气的600倍,与输气管 道比较,输送相同体积的天然气,LNG输送管的直 径要小得多,LNG泵站的费用要低于压缩机站的费 用,LNG泵站的能耗要比压气站的能耗低若干倍。 LNG输送管道的不足之处是必须采用价格较贵的 镍钢,需要采用性能良好的低温隔热材料,远距离 时,需增建中间冷却站。因此,LNG输送管道的初 期投资费用较高。 随着世界能源结构的调整,天然气占世界总能 源的比例越来越大。天然气地区性贸易量也正逐年 放大。LNG长距离管道问题也越来越受到人们的 重视,很显然,输量的增加将有助于降低低温管道的 投资费用和单位输量的运行管理费用,从而使LNG 的长距离管道输送成为可能。 [6] 黄逸仁 1 非牛顿流体流动及流变测量[M].成都成都 科技大学出版社,1993. 2582266. [7] 罗塘湖 1 含蜡石油原油流变特性及其管道输送[M]. 北京石油工业出版社,1991. 1142199. [8] 刘天佑 1 粘稠油水环输送的参量选择[J ].石油学报, 1990 ,114 1122119. [9] 陈涛平,魏兆胜,王常斌,等 1 油气集输管线中气液两 相团状流[J ].石油学报,1997 ,183 1392142. [10] 陈家琅 1 钻井液流动原理[M].北京石油工业出版 社,1997. 42251 [11] 徐芝纶 1 弹性力学上 [M].北京高等教育出版社, 1990. 2552261. [12] 华东师范大学数学系 1 数学分析下 [M].北京高 等教育出版社,1981. 3162325. [13] 高应才 1 数学物理方程及其数值解法[M].北京高 等教育出版社,1983. 1662194. [14] 陆金甫,关 治 1 偏微分方程数值解法[M].北京清 华大学出版社,1987. 74296. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2 LNG管道输送工艺技术 211 LNG输送工艺 LNG的远距离输送与原油的加热输送工艺类 似,管道沿线需建设LNG加压泵站,此外,由于当 进入管道的是饱和液体时受热后就要部分气化,成 为两相流动。出现两相流动时将使管道的流量减 小,阻力增大,甚至还会产生气塞现象。因此对于低 温液体输送管道,特别是长距离管道,要防止液体气 化,即应实现液体单相流动。防止液体气化的方法 就是采用高压输送,即始终保持液体的压力在其临 界压力以上,液体的温度在其临界温度之下。因此, 对于远距离输送管道除去加压站之外每隔一定距离 还需设冷却站,以降低升高了的液体温度。加压站 和冷却站应建在一起称为冷泵站。以便于施工和管 理。 由于LNG的密度随温度、 压力变化比一般轻 质成品油大得多,在LNG管道的工艺计算中LNG 的物性参数要按管道起终点温度、 压力的平均值选 取,也可进行分段计算。无论采用哪种方式都必须 对极限工况进行校核。 212 经济管径与经济流速[1] LNG管道设计方案的确定,主要是指选择多大 的管径使得LNG输送管道的年当量费用投资和 运行管理费用之和最少。此时的管径称为某一输 量下的经济管径。 对某一输量下的LNG管道,随着管径的增大, 基本建设投资中,钢管及线路工程的投资增大,但泵 站数减少,泵站的投资减少。此外,在相同输量下, 管径增大,LNG在管道内的流动速度降低,摩擦生 热量减少,可以使冷却站的个数减少,从而减少冷却 站部分的投资。故总投资费用随着管径的变化必然 有极小点存在,即某一输量下有一投资费用最小的 管径。 随着管径的增大,LNG输送的能耗费下降,折 旧费、 小修和维护管理费用也随着投资的变化而变 化。故年经营费用随着管径的变化的曲线必有极小 点存在,即某一输量下有一年经营费用最小的管径。 将投资及运行管理费用随管径变化的关系曲线 叠加,得到年当量费用与管径的关系曲线。从上面 的分析可看出,该曲线的极小点即是该输量下的经 济管径,此时管内的流速即为某输量下的经济流速。 213 LNG管道站间距及经济保冷层的确定[2] 如何设计确定LNG管道冷泵站间距,不仅关 系到LNG管道的安全生产运营,而且还直接对管 道系统的经济性产生影响。站间距过大,不仅要求 增大站出口压力,而且在相同的站间温度降情况下 对保冷层的要求越高。站间距过小,虽可减少保温 层的厚度,但却增加了站的投资和运行管理费用。 可见,输送温度和输送压力的正确组合,即冷泵站数 和保温层的恰当选择,对输送的经济性影响较大。 冷泵站之间的距离L,可根据预定的进站温度 暂定进站压力,在根据泵的出力和管材的强度,确定 泵站的工作压力,得到站间管道的最大压降,由此得 到最大的站间距。而在相同站间距的情况下,进站 温度的确定影响到保冷层厚度和出站温度,从而影 响系统的投资和运行管理费用。因此,需要采用优 化的方法,以费用最小为目标,通过建立数学模型来 选择经济保冷层厚度和进站温度。 根据预定的输送压力及输送温度可以对LNG 管道站间距进行粗略计算。如果略去动能及位能的 变化,则两个冷泵站之间的能量方程可表示为 Gc T2-T1 0.001QGv p1-p21 即在两个冷却站间液体吸收的热量等于跑冷损 失与摩擦产生热量之和。式中G是低温液体的流 量;c及v是LNG的比热和比容;Q是两站之间管 道的冷损,W;p1-p2及 T 2- T1分别是两站之 间预定的压差及温升。因为Q及 p 1- p2均可表 示为管长的函数,故根据式1即可计算出两站之间 的距离L。 在计算冷泵站间距时,既要考虑最大流量情况, 也要考虑最小流量情况。如果只按最大流量,则在 流量减小时还会出现两相流动。 3 LNG长输管道设计中的几个问题 311 LNG输送管道 一般说来,低温液体的输送管道可分为三类非 绝热管裸管、 普通绝热管以及真空绝热管。非绝 热管虽造价低,但在使用时跑冷损失大。通常用于 间断性的短距离输送。真空绝热管由内管、 外管及 支撑件构成,造价和施工管理费用高。对于大批量 的LNG长距离输送,常采用普通绝热管。这种管 道是在管外敷设普通绝热结构,其缺点是热容量大, 绝热性能较真空绝热管差。但其投资和施工管理费 用比真空绝热管小,这对于长距离输送的情况显得 9第21卷第2期梁光川,等液化天然气LNG长距离管道输送技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 尤为重要。 LNG输送管道材质的选取要考虑到其冷脆问 题,因此一般选用9 和315 的镍钢。管道的焊接 一般采用惰性气体保护焊。全部的焊缝需进行质量 检测,以保证不泄漏。 312 LNG管道的预冷及停输 将LNG管道系统从环境温度冷却到工作温度 的过程称为预冷。在预冷过程中,为使管道、 保冷层 和周围土壤降温,就需蒸发掉一定量的LNG,而且 要经过相当长的时间才能达到热稳定状况。对预冷 过程的计算就是要确定LNG耗量及预冷时间。 LNG管道系统的预冷过程是一个复杂的传递 过程。管道系统在预冷过程中既可以利用LNG的 气化潜热,也可以利用已蒸发的气体温度升高时所 吸收的显热。预冷过程中需要的LNG量是随显热 的利用程度而变。因此存在两种极限情况a.当 LNG的制冷量全部被利用即任何时刻逃逸气体的 温度等于管内壁的温度时的需液量称为最小需液 量,如果预冷速度很慢且气体与管道系统之间传热 情况良好时即接近这种情况;b.当只有LNG的气 体潜热被利用时的需液量称为最大需液量,如果很 快预冷或传热情况较差时则接近这种情况。这两种 极限情况都可以进行理论分析。虽然LNG管道系 统的预冷速度很慢,但由于在预冷过程中需要在沿 线不断的放出气体以保证管道的安全和不断冷却, 故无法充分利用气体温度升高时所吸收的显热,因 此LNG管道系统预冷的实际需液量是在最大需液 量与最小需液量之间。 当保温情况一定时,预冷时间的长短决定于 LNG的进口压力、 放气压力和排放量、 放气口间距、 土壤导热率和埋深等一系列因素。 LNG管道在停输期间,由于周围热量的渗入, 将使温度升高而达到饱和状态,甚至进一步汽化而 使管内压力急剧升高,故需在进出站处设置安全阀, 与放空罐相连,以保持管路压力在安全极限内。 313 LNG冷量的再利用 从长输管道来的LNG必须经过再汽化后才能 为用户所使用。由于LNG有可观的冷量储备,为 了有效提高能量的利用效率,这部分冷量应该加以 回收利用。在LNG长输管道项目的规划建设中应 综合加以考虑。 4 建议 随着我国天然气工业的发展,必然会相应发展 LNG工业。特别是 “西气东输” 工程和从俄罗斯以 及土库曼的跨国输气管道工程的启动,我国将可能 建设一批基地型LNG工厂。另外,为了调节上海、 广州等大型城市用气的季节性不均匀性,势必在城 市附近建立大型的低温储气库。这些都为LNG长 输管道的建设提供了可能。我国的石油科技人员应 加强对LNG管道输送技术,特别是在管材、 低温输 送工艺技术、 低温管道的施工技术、 自动控制和检测 技术及设备方面的研究工作。 参考文献 [1] 杨莜蘅,张国忠 1 输油管道设计与管理[M].北京石 油大学出版社,19951 [2] 张月静,阎振奎 1LPG低温管道经济保冷层厚度的计 算[J ].油气储运,1999 ,181 182191 新型多相流含水分析仪问世 据美国 管道与气体工业 报道,霍尼维尔公司Honeywell已开发出商品名称为H2Oil的分析仪系统,可测量油连续相或 水连续相管道中含水量。据霍尼维尔公司称,该系统设计专门用于石油工业,包括油井测试、 计量站、 管道、 石油储运和交接 计量等领域。 该分析仪由一个在线法兰型传感器模块、 一个用作人机接口的远传分析仪和一个标定装置组成。它采用同时导纳计算 法,可精确地测量出多相流系统中0 ～100 的含水量。正是采用该技术,从而实现了一个模型涵盖了全程含水率范围的测 量,且消除了采用几种设备实现含水率测量的必要性。 该分析仪的测量原理是基于确定液流本身所固有的电特性介电常数和导电率。利用水和油混合物的电导纳计算,分 析软件模型就能确定油中精确的含水百分率。其特点和功能包括a.在线实时油水百分率测量;b.对温度和含盐影响的补偿; c. 100 ms修正速度;d.耐砂、 砾和夹带的气体;e对正常结蜡不敏感;f.就地操作员LCD界面;g.远传分析仪距传感器的距离达 1 200 m;h.自动标定,简单;i.多种模拟和数字I/ O选择;j.模拟和/或数字Modbus输出。 胜利油田设计院 王勇 01 天 然 气 与 石 油2003年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m SELECTED ABS TRACTS NATURAL GAS AND OIL QUARTERLY Vol. 21 No. 2Total No. 192Jun. 2003 OIL Water Jacket Heater ; Heat Load; Wellhead flowing temperature Flowing Laws on Eccentric Cylinder2stuff Pipe Flows He Chengcai Southwest Oil College , Department of Computer , Nanchong , Sichuan 637001 ,China NGO, 2003 , 212 5～7 ABSTRACTAfter studying overall domestic and foreign literatures on eccentric cylinder2stuff pipe flows , it is found that hydraulic calculations are almost made by empirical equations and approximate uation , which is not suitable to the wide application of two2 phase flows to oil industry. Based on N2S equations in fluid mechanics and combined with classical mechanics theoretical analysis , put forward are scientific and strict interface coupling equations on eccentric cylinder2stuff pipe flows , and obtained is a partial differential equation group completely describing them. Through computer simulations , obtained are important flowing lawson eccentric cylinder2 stuff pipe flows , which are very important to oil industry. KEY WORDSOil gas gathering and transfer ; Newton fluid; Two2phase flow ; Eccentric annulus flow ; Cylinder2stuff flow ; Mathe2 matical modeling; Computer simulation The Technology of LNGLong2distance Pipeline Transportation Liang Guangchuan , Zheng Yunping , Li Youlu Southwest Oil College , Transportation and Storage Institute , Nanchong , Sichuan , 637001 , China Gao Aihua , Pu Hongbin Zhongyuan Oil Field Sub2company Planning Department , Puyang , Henan , 457001 , China NGO, 2003 , 212 8～10 ABSTRACTAs a kind of clean and high efficient fuel , the ratio of natural gas in the world fuel market will rapid rise. There are more advantages when natural gas is transported as liquid than it is transported as a gas , the progress in new material and new tech2 nology make it possible that natural gas can be transported as liquid and the rapid rising of natural gas regional trade can drop the transportation cost. The research on LNG transportation is in the initial stage in China and there is no mature practical experience abroad. Introduced are the LNG transportation technology , the economic pipe diameter and flow speed , the distance between two pump stations , the economic thermal insulating layer , the pipe material and the start2up and stop transportation technology of LNG pipeline. KEY WORDSLiquified natural gas LNG ; Pipeline transportation; Economic pipe diameter ; Economic flow speed; Thermal insu2 lating layer ; Start2up and stop transportation G as Pipeline Stationary FlowDifferential Equation and Its Application Yu Hancheng China Petroleum Engineering Co. , Ltd. Southwest Company , Chengdu , Sichuan , 610017 , China NGO, 2003 , 21 2 11～13 ABSTRACTWith the rapid development of modern computer technology , more accurate basic calculation equations can be used in process calculations of gas pipelines in order to meet more complex calculation requirements. According to basic equations of heat2iso2 lating stationary flows in circular section pipelines , derived is the applicable differential equation of gas pipeline process calculation and relative equations required for relative computer programs. KEY WORDSGas pipeline; Stationary flow differential equation; Calculation Fault Tree Used in The Analysis of PLG Pipeline Leakage in High2rise Building Fan Kewei Dept. of Urban Management , Suzhou Institute of Sciences Zhang Yixian Dept. of Environment Protection , Suzhou Institute of Sciences LPGpipeline; Leakage; Fault tree 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.