LNG管道输送工艺计算

李庆杰，陈保东，洪丽娜，马金鹏

（1. 辽宁石油化工大学石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001； 2. 辽河油田公司锦州采油厂，辽宁 锦州 121209；3. 中国石油管道大庆输油气分公司， 黑龙江 大庆 163458）

LNG管道输送工艺计算

李庆杰1，陈保东1，洪丽娜2，马金鹏3

（1. 辽宁石油化工大学石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001； 2. 辽河油田公司锦州采油厂，辽宁 锦州 121209；3. 中国石油管道大庆输油气分公司， 黑龙江 大庆 163458）

以某LNG公司建设的LNG接收站为依托背景，对该地区建设一条6 km长管道的运行参数进行了计算。利用有限容积法对管道截面的温度场分布进行了数值计算，得出了保冷层厚度为95 mm时的外表面温度。通过保冷层厚度和外管道直径的选取，计算出输送到终点的压降和温升，验证了 LNG在“过冷”状态下输送的可行性。

液化天然气； 管中管输送； 保冷层； 过冷

天然气液化后是原来体积的1/600左右，采用液态输送较气态相比，输送相同体积的天然气，LNG的管径要小，泵的能耗也相对较低，输送成本较为理想；相对于居民用户来讲，如果把LNG直接输送到化工企业，这将为企业带来巨大的冷量，节约企业制冷费用。所以采用管道输送LNG具有巨大的优势和发展潜力。

据相关文献介绍，国际上实行LNG管道输送的实例较少而在国内目前尚处于起步阶段。加拿大曾在此方面做过研究，结果表明当LNG输量越大，距离越长，地温越低时，液化输送的经济效果较好。目前制约 LNG管道发展除了输送技术及设备等因素外，在理论上仍缺少相应的研究。

管道敷设方式一般有3种形式：架空敷设、埋地敷设和管沟敷设。由于LNG温度极低，管道输送方式中架空较为理想，但是考虑到建设在人口较为稠密的城区时，此方案较为不可行。其次由于埋地敷设方式可以降低地面的安全隐患，减少对周边人和物的冷损伤，可靠性较好，但是LNG的保冷层收到土壤的挤压后保冷效果迅速下降，不利于管道的无气化输送，所以此方案也有一定的缺点。为了能够解决这一问题，本文选用了管中管敷设的方式，这样既能够保证保冷效果又可以进行直埋敷设降低地面安全隐患。使用管道输送时，为了保持天然气输送到接受终端仍以液态方式存在，需要尽量减少管道与外界的换热量；确保LNG处于一定的压力范围内，使其温度低于相应压力下的饱和温度，让其处于“过冷”状态。本文利用“过冷”态原理进行了无气化管道输送计算。

1 基本参数

本文以某LNG公司为依托背景，在其附近建设一条约6 km的埋地LNG管道。已知参数如下：以进口澳大利亚的LNG成分为例（其成分如表1），气候条件可参照当地气象参数。在计算过程中，泵的扬程根据国外进口 LNG泵的性能提供的 1.194 MPa压力，输送距离为6 km，高程差48.5 m。其保冷层厚度选95 mm，管道材质选取0Cr18Ni9，其导热系数=11.8 W/（m·K），管径为159 mm，壁厚为4.5 mm,空气导热系数为 W/（m·K）。保温材料选取LT/Armaflex（福乐斯）系列产品，根据计算得到该材质平均导热系数为W/（m·K），泵出口温度为-158℃。

表1 LNG组分Table 1 LNG composition

2 管道温度场模拟计算

为了能够更合理计算管道输送过程中沿程的温降，本文将外管道至于年平均温度为9.3 ℃的土壤中。为了尽量减少管道对土壤的温度场影响，并考虑到建设成本，尽量在投资较小的情况下选择保护管道外表面温度与地温近似，通过计算，本文选取的参数相对较为合理。其参数选择如下：输送介质管道的外径为159 mm,保冷层厚度为95 mm，保护管道直径为450 mm，保冷层外径与最外层管道之间充满了空气。利用有限容积法对管道截面处的温度场分布进行了数值计算，得出了保冷层和保护管道的外表面温度。在计算过程中做出如下模型假设：

（1） 输送过程中管道介质温度与管道内壁温度相同；

（2） 输送介质管道放置在保护管中，保冷层与保护管之间的空气为对流换热；

（3） 管道在运行过程中处于稳态导热。

图1 LNG管道截面温度场分布等值线图Fig.1 The contour map of LNG pipeline cross-section temperature distribution

通过计算得出管道保冷层厚度为95 mm时其表面温度为-20.55 ℃，保护管道外表面温度为 6.69℃。

3 管道的水力、热力计算

3.1 管道的水力计算

水力计算由于粘度较小，运行流速较大，其流态一般为混合摩擦区，根据列宾宗公式可得其水力坡降为

沿程摩阻为

式中：i— 水力坡降；

Q— 体积流量，m3/s；

d— 管道内径，m；

v— LNG的运动粘度；

L—管道输送的长度，m。

3.2 管道的热力计算

管道的热力计算可有下式得出：

式中：G— 油品的质量流量，kg/s；

c— 平均温度下输送介质的比热容，J/（kg·℃）；

D— 管道外径，m；

TR— 管道起点输送介质温度，℃；

TL— 距起点L处输送介质温度，℃；

T0— 周围介质温度，℃；

i— 水力坡降；

g— 重力加速度，m/s2。

3.3 总传热系数K

式中：Dw— 管道的结构外径，m；

Di、Di+1— 钢管、防腐绝缘层及绝热层的内径和外径，m；

λi— 与上述各层相对应的导热系数W/（m·℃）；

K— 管道总传热系数，W/（m2·℃）；

α1— 介质至管内壁的放热系数，W/（m2·℃）；

α2— 管外壁至大气的放热系数，W/（m2·℃）；

D— 计算直径，m。对于保冷管道，可取保冷层内外直径平均值。 最终通过计算得出输送到6 km的温度为-153.39 ℃，压降为 0.338 MPa。由于LNG管道输送到终端的压力降到0.856 MPa，相对应的饱和压力为-128 ℃，而此时的温度上升为-153.39℃，故由此得出在1.194 MPa下输送，LNG仍处于液态，从而实现无气化输送。

4 结 论

（1） 通过管道敷设方式的分析得出了在人口较为稠密地区敷设 LNG管线较为理想的方式为管中管埋地敷设；

（2） 通过有限容积法计算得出95 mm的保冷层厚度结果较为理想，在该厚度条件下，能够达到无气化输送；

（3） 通过实例分析，在1.194 MPa下输送，由于输送介质粘度较小，保温层热阻较大，致使整个管道温升较小，其介质仍处于“过冷”状态。

[1] 顾安忠,鲁雪生,汪荣顺,等.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社，2003:18-20.

[2] K.S.佩德森.石油和天然气的性质[M].北京:中国石化出版社，1989:204-207.

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[4] 童景山.流体热物性学基本理论与计算[M].北京:中国石化出版社，2008:155.

[5] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版,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

辽宁省高等学校优秀人才支持计划（2009R37）。

2010-07-16

李庆杰（1984-），男，硕士研究生，江苏赣榆人，辽宁石油化工大学油气储运专业在读，研究方向：从事 LNG管道输送研究。E-mail：liqingjie01@yahoo.com.cn。