液化天然气长输管道输送技术-.pdf

。8 lNA天TUR然AL号GAS与AN石DOI油L 。 2年 4月 液化天然气长输管道输送技术 冯若飞 李学新 焦光伟 张坤 刘献强 1 ． 中国航空油料有限责任公司珠海分公司。 广东珠海5 1 9 0 0 0 2 ． 后勤工程学院 ， 重庆4 0 1 3 1 1 摘 要 各 国对液化天 然气 L N G 的重视使得 L N G需求量逐 年增加 ， 为满足 L N G长输管道建设 需求 ， 有必要对 L N G长输 管道输送技术进行研 究。 分析 了L N G 的应用现状和现行 L N G管道面 临的问题 ， 阐明 了L N G长输管道建设 的必要性和可行性。对 L N G长输管道 的工 艺设 计标准和方 法进行 了介 绍 ， 阐述 了 L N G长输管道 采用 的密相 输送工艺原理 ， 对管道 中间加设冷却 站的方法进行 了分析 并 给 出 了冷泵站 间距 的计算公式 。 管道需安装绝热保冷层， 介 绍 了管材和绝热材料 等绝热保冷技 术 以 及保冷层厚度 的计算方 法。最 后提 出了 L N G长输 管道设计 中可 能遇到 的管道 预冷 、 冷收缩和停 输 以及 L N G冷量利用等 问题的解决方法。 关 键词 液化天然气 ； 输送技 术； 工 艺； 保冷 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 2 0 2 0 0 0 8 0 3 0前言 液化天然气 L N G 的长距离 输送 目前多见于远 洋运输 ， 以油轮和 L N G运输船运送为主 ， 陆地上长距 离运送 L N G主要用 L NG槽车和 L N G罐箱。 而现有的 L N G管道 主要用 于天 然气 液化 厂和城 市调 峰站 内 C N G短距离转运管道；另外 ， L N G装卸设施的附属配 套设备也设有 L N G管道 ，目前尚没有采用低温长输 管道 输送 L N G的实 例 也 ] 。 随着世界范围内对 L N G应用 的重视 ， L N G需求 量也在逐年增加 。据统计 ， 1 9 9 5年至今 ， 全球 L N G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 L N G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 6 0 0 倍 ，故输送相 同体积 的天然气 ， L N G管道直径较小 ， L N G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 ， L N G长输 管道建设势在必行[ 2 - 3 1 。 摆在 L N G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 L N G沿管道运输 时会不断升温 ， 长距离管道 中间需要设置 L N G冷却站。所 以， L N G长输管道的初 期投资比较大 ， 建设也较困难。 1 L NG长输管道输送 工艺技 术 1 ． 1 工艺设计 L N G长距 离输 送 管道 的设 计一 般 可参 照 美 国 怍 工 测 检 量 贡 和 量 存 储 品 油 事 从 耍 主 士 学 师 程 工 人 功 武 西 陕 男 ． 一 日 简 飞 稿 者 若 收 加 作 冯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 2期 OI L AND GAS TR ANSP OR T ATI ON AND S T ORAGE N F P A 5 9 A一 2 0 0 1 液化天然气 L N G 生产 、 储存和装运 标 准 S t a n d a r d P r o d u c t i o n ， S t o r a g e a n d H a n d l i n g o f L i q u e fi e d N a t u r a l G a s L N G 。2 0 0 6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 L N G 生产 、 储存 和装运 P r o d u c t i o n ， S t o r a g e a n d Ha n d l i n g o f L i q u e fi e d N a t u r a l Ga s L N G ， 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H ] 。 L N G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 L N G长输管道的工 艺计算 中， L N G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 _ 1 ] 。 L N G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 L N G 的密 相输 送 工艺 L N G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 L NG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_ 3 ] ， 见 图 l 。 图 1 天 然 气 相 包 线 图 此外 ，为降低流动摩擦 和过泵剪切带来 的 L N G 温升 ， L N G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 冷却站工艺 L N G长输管道的冷泵站工艺与原油输 送管道 的 油亏 储运 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 ， L N G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 L N G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 ，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 G c 一 0 ． O 0 1 Q G u p 1 - p 2 1 式中 G 液体质量流量 ， k g ／ s ； c 液体 比热， J ／ k g K ； 液体 比容 ， J 1T I S 2 ； 9 站 间管 道冷 损 ， W ； P l - p 广站间预定压差 ； 一 站间预定温升 ； Q和 p 。 叩 均可以表示为管长 的函数 ， 故由式 1 可以算出站间距 。使用式 1 时 ， 要综合考虑最大流 量 和最小流量 的情况 ； 若 只按最大流量计算 ， 则 在最 小流量情况下仍可能出现两相流。 1 ． 4绝热保 冷 在 L N G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 保冷技术 L N G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 L NG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 状空问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 09 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 I 2 0 1 2 年 4 月 小 ， 在长输管道建设 中有明显优势 。 L N G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 P U H、 P U B ， 这种 材 料可 适 用 于一 1 9 6 ～ 9 0℃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 。 该改性材 料 主要 特点有 a 导热系数小 ， 尤其在一 6 0℃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9 0％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。 P U H、 P U B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 l 6 ] 。 1 ． 4 ． 2 保冷层厚度 低温管道保冷层厚度的计算公式基本一致 ， 忽 略管道 内介质与金属、 金属的热阻， 保冷材料 的导热 q 2 P l T s _ _ _ - T 1 2 U一 一 、 ， I n D 0 一 D 、 式中f 保冷材料导热系数 ， W／ m K ； 低温介质温度 ， K； 保冷层外边面温度 ， K； D 厂保冷层外径 ， 1 1 1 ； D 厂 __ 保冷层 内径 ， 1 1 1 。 保冷层外壁与空气的放热 q 2 P a d D 0 一 3 式中 保冷层外边面对空气的放热系数 ， W／ m K ； 厂环境温度 ， K。 将式 2 ～ 3 右边相等得保冷层厚度计算的基本 公 式 玎 4 玎 一 【 斗 J 1 ／ D0＼ 2 l -4- d D o D ／ 2 5 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 ， 限定金属壁 面温度 t ， 限定散热热流 量损失 ， 限定 内部介质温升 眈 ， 限定内部介质冻结 或 凝固的温度 ， 最佳经济效果 即年当量费用最小 [ 5 ,7 J 。 2 L NG长输 管道 设计 中的问题 2 ． 1 L N G 管道 的预 冷 为避免管道结构被破坏 ， L N G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 5 0 C ／ m i n左右是 比 较安全的⋯。 在预冷过程中， 为使 L N G管道、 保冷层和 周围土壤降温 ， 就需要蒸发掉一定量的 L N G， 而且要 经 过相 当长 的一 段时 间才 能达 到稳 定状 态 l2 I 。 预冷时， 可以利用 L N G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 L N G需 液量随显热的利用程度而变化。关于 L N G需液量的 计算 ， 主要分两种情况 ] a L N G 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 L N G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 L N G管 道 系统 预 冷 过程 很 慢 ， 但 为 保证 L NG管道 的安全和不断冷却 ，沿线需要不断放 出气体 ， L N G的显热无法得到充分利用 ；凶此 ，实际 L N G需 液量 介 于最 大和最 小需 液量 之 问 。 预冷时问取决于需要冷却的系统质 蹙 、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 冷 收缩 问题 低温引起钢制管道 的收缩 ，在 L N G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 L NG管道的停输 L N G管道停输时 ， 由于没有制冷补偿 ， 周 围热量 的渗入将导致 L N G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 ] 。 下 转 第 1 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6l 2012年 4月 图 2硫 化 氢 腐 蚀 后 发 生 自燃 的安 全 阀 液压安全阀、 阻火器等附件处聚积 了大量的硫化亚铁 和单质硫 图 1和图 2为某油 田呼吸阀下方阻火器 的 现场照片 ， 在收发油流量较小时， 由于呼吸的速率较 低 ， 氧气较少 ， 发生如文 中 1 ． 4节反应的可能性不大 ， 不会产生热量聚积 ， 一般也不会造成直接危害。但是 ， 当发油流量较大时 ， 将有大量的新鲜空气通过以上附 件进入罐 内进行补充 ， 从而导致 呼吸阀、 液压安全阀、 阻火器等位置 的硫化亚铁迅速氧化 ] ， 放出的热量将 迅速 聚积 ， 进一步促使单质硫发生氧化燃烧 ， 从而导 致 火灾 。 因此， 在进行 收发油作业时 ， 应严格控制流速 ， 同 时定期对储罐附件进行保养 ， 清除附件上的氧化物和 单质硫。在拆卸时 ， 应采取防范硫化亚铁 自燃 的措施 ， 例如提前注水等。必要时 ， 应清除储罐附件及其附近 周边的氧化物 、 单质硫等杂物 ， 并进行防腐处理 ， 最好 是在设计时采用抗硫化氢腐蚀材质的储罐附件。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘 伟 ， 蒲晓林 ， 白小东， 等． 油 田硫 化氢腐蚀机理和防护的 研 究现状及进展 [ J ] ． 石油钻探技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 8 3 8 6 ． [ 2 ]熊光德 ， 谢箴， 曾亮泉． 含硫 气体 处理 中硫 化铁 的利与弊 [ J ] ． 天然气与石 油， 2 0 1 1 ， 2 9 4 3 2 3 6 ． [ 3 ]陈 明， 崔 琦． 硫化氢腐蚀机理和 防护 的研 究现状及进展 [ J ] ． 石油工程 建设 ， 2 0 1 0 ， 3 6 5 卜 s ． [ 4 ] 王 澎． H s对天然气处理设备的腐蚀及相应对策【 1 ] ． 天然 气与 石 油 ， 2 0 1 0， 2 8 4 3 4 -3 6 ． [ 5 ] 王素芳 ， 张振华 ， 赵杉林 ， 等． 含硫油品储 罐腐蚀原 因分析及 防护措施[ J ] ． 化工科技 ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 6 8 7 1 ． [ 6 ] 李建 东， 李 萍 ， 张振华 ， 等． 含硫油品储 罐 自燃性的影响 因 素[ J ] ． 辽 宁石油化工大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 4 1 3 ． 上接第 1 0页 2 ． 4 L N G 冷 量的 利用 L N G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。 L N G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 L N G长输管道设计中应加以考虑。 3 L NG长输管道输送技 术的应 用前 景 随着我国能源结构的调整 ， L N G作为清洁能源 的 代表必定会得到长足应用和发展 ， L N G长输管道也将 步入新 的发展阶段 。因此 ， 在总结和吸取国外技术和 经验基础上 ，国内应加强 L N G长输管道输送技术 的 研究和实践 ， 在管道结构、 材料 、 输送工艺和施工技术 以及控制检测等方面尽量形成 自主路线和成果 ， 推动 我国 L N G长输管道的健康发展。 参考文献 [ 1 ] 陈 雪 ， 马 国光 ， 谢剑 飞 L NG 长输管道输送技 术研 究l } ] ． 石 油 化 工 设计 ， 2 0 0 6， 2 3 2 5 6 5 8 ． [ 2 ] 梁光 川， 郑云萍， 李又绿 ， 等． 液化 天然气 L NG 长距 离管道 输送技术[ J ] ． 天然气与石油， 2 0 0 3 ， 1 2 2 8 1 0 ． 【 3 ] 施林 圆 ，马剑林． L NG 液化流程及 管道 输送 工艺综述 [ J ] ． 天 然 气与 石 油 ， 2 0 1 0， 2 8 5 3 7 4 0 ． [ 4 ] G B ／ T 2 0 3 6 8 2 0 0 6 ， 液化天然气 L NG 生产、 储存和装运[ s ] ． [ 5 ] 龙 海英 ， 马 国光 ， 黄 孟 ， 等． L NG 长距 离管道输送 保冷层 厚度的计算方法[ J ] ． 管道技术与设备 ， 2 0 0 8 ， 1 5 1 1 1 1 3 ． [ 6 ]张敏 丹 ． L NG低 温输 送 管路 的 绝热 保 冷 [ 1 j _ 深 冷技 术 ， 2 0 0 5， 3 0 5 1 8 - 2 1 ． [ 7 ]彭晓顺． 对低温管道保冷计算方法的探讨[ J ] ． 深冷技术， 1 9 9 8 ， 2 3 6 1 3 -1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m