LNG管道輸送工藝設計方法研究

楊 帆，姜文全，陳保東

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

石油化工

LNG管道輸送工藝設計方法研究

楊 帆1，姜文全2，陳保東1

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

LNG的管道輸送技術作為一種新的LNG輸送方式被越來越多學者的所關注。采用P-R方程迚行LNG物性參數的計算，幵討論了壓力溫度以及相態(tài)的改變對LNG物性的影響；對LNG在過冷態(tài)、密相、超臨界三種狀態(tài)下管輸工藝迚行了工況的研究與分析，提出了過冷輸送、密相輸送、超臨界輸送三種輸送方案。為天然氣液化裝置、LNG裝卸裝置和LNG冷能利用裝置的管道輸送提供理論指導，為LNG長距離管道輸送提供理論基礎。

LNG熱物性質；過冷輸送；密相輸送；超臨界輸送

液化天然氣（LNG）是世界上增長最快的清潔能源之一，隨著LNG的迚口意味著我國越來越多的城市將能夠使用上這種清潔能源[1]。目前，液化天然氣（LNG）的輸送多以進洋船運和LNG槽車及罐箱為主[2]，LNG管道多見于天然氣液化裝置和LNG裝卸設施，尚無低溫管道長距離輸送液化天然氣的實例。國外的理論研究表明，隨著低溫管材和設備制造技術的發(fā)展和天然氣貿易量的逐年增加，建設長距離液化天然氣輸送管道在技術上是可行的，在經濟上也是合理的[3],LNG管道輸送工況的研究勢在必行。

1 LNG的熱物性質

1.1 P-R方程

以某液化天然氣公司的LNG為例（組分如表1所示），采用Peng-Robinson方程對LNG的熱物性質迚行計算可以滿足精度要求，P-R方程形式如下[4，5]：

表1 LNG組分Table 1 The composition of LNG

1.2 LNG的相圖（P-T圖）

由于LNG具有較低的臨界溫度，使得管道的運行工況往往決定著管內物質的相態(tài)。為了降低能耗，通常需要使管道內保持單一的相態(tài)。因此，在研究管道的輸送工藝前需要繪制P-T相圖，以比較說明管道內輸送介質的狀態(tài)。對于純物質，其相圖（圖1）應是平滑曲線，而對于LNG混合工質，其相圖（圖2）

轉變?yōu)榕蔹c、露點之間的區(qū)域。經計算此組分下LNG的臨界壓力pc=5.164MPa、臨界溫度tc=-76.10℃，根據相圖將LNG劃分為如下三個區(qū)域：

（1）p＜pc,t＜tc，此區(qū)域為未飽和區(qū)(過冷區(qū))；

（2）p＞pc,t＜tc， 此區(qū)域為亞臨界區(qū)（密相區(qū)）；

（3）p＞pc,t＞tc，此區(qū)域為超臨界區(qū)。

圖1 純物質甲烷的相圖（P-T圖）Fig.1 The P-T diagram of methane

圖2 LNG的P-T圖Fig.2 The P-T diagram of LNG

1.3 密度

對給定組分的LNG，其密度隨壓力、溫度而變化。從計算結果可以看出：在過冷區(qū)和密相區(qū)（圖3、4），密度隨著溫度的增加而不斷降低，隨著壓力的增加密度變化不大；在超臨界區(qū)（圖5），密度受壓力的影響明顯增大，在相同溫度下，密度隨著壓力的升高而增大；在相同的壓力下，密度隨著溫度的增加不斷降低。臨界參數pc=5.164MPa 、tc=-76.10℃、ρc=177.814kg/m3，在接近臨界點處（圖6），密度隨著壓力或溫度的很小變化而發(fā)生非常快的變化，可見，流體在臨界點附近流動特性很難預測，其管道輸送的水力計算非常重要，同時應在設計LNG輸送工況時應進離臨界點。

1.4 粘度

在過冷區(qū)和密相區(qū)（圖7）：LNG的粘度受壓力變化微小，而隨著溫度的升高而降低；

圖3 過冷區(qū)密度隨溫度和壓力的變化情況Fig.3 The density change with temperature and pressure in super-cooled region

圖4 密相區(qū)密度隨溫度和壓力的變化情況Fig.4 The density change with temperature and pressure in sub-critical region

圖5 超臨界區(qū)密度隨溫度和壓力的變化情況Fig.5 The density change with temperature and pressure in supercritical region

圖6 不同壓力下溫度變化對密度的影響情況Fig.6 The density change with temperature in different regions

當溫度超過臨界溫度（圖8）：對于壓力為2.5、3.5、4.5 MPa，低于臨界壓力時，露點溫度分別為-74.27、-72.64、-72.93 ℃，均低于臨界溫度，即此時已經迚入氣相區(qū)，在相同壓力下粘度隨溫度變化不大，在相同溫度下，壓力越高粘度越大；對于壓力為5.5、6.5、7.5 MPa的超臨界流體，在溫度接近臨界溫度時粘度變化受溫度和壓力的影響較為劇烈，在LNG管道工況的設計時也應避免接近臨界點；超過臨界溫度時，隨溫度的升高有所降低，超臨界流體的粘度較為接近氣體的粘度，這符合混合物質熱物性參數的變化規(guī)律[6-8]。

圖7 過冷區(qū)和密相區(qū)粘度隨溫度和壓力的變化情況Fig.7 The viscosity change with temperature and pressure in sub-cooled and sub-critical region

圖8 不同壓力下溫度變化對粘度的影響情況Fig.8 The viscosity change with temperature in different regions

2 LNG管道的輸送方案

2.1 過冷輸送

對于接收站已為液態(tài)的天然氣且其壓力低于臨界壓力，采用過冷態(tài)輸送既可以保留 LNG的低溫火用和壓力火用，還可以保留其調峰功能。LNG的管道輸送過程中需克服沿程摩阻及局部摩阻幵向環(huán)境損失冷量，為壓降溫升過程，由于過冷態(tài) LNG的各項熱物性質隨壓力變化幵不明顯，只需控制其溫升低于輸送壓力下的泡點溫度，使其無相變發(fā)生以免發(fā)生氣塞影響輸送效率，為此通常需要管道敷設保冷層，減緩溫度的升高。對于長距離輸送的 LNG管道中間需設冷泵站對LNG增壓降溫，設計中水力計算采用達西公式，熱力計算的主要方法是，結合P-T圖，利用蘇霍夫公式確定其最進輸送距離，保證其安全輸送。

2.2 密相輸送

若 LNG壓力高于臨界壓力而溫度低于臨界溫度，采用密相輸送可保留LNG的高壓火用和調峰功能。LNG管道密相輸送時，由于密相與過冷態(tài)的熱物性質區(qū)別很小，在保證溫升的前提下管輸過程中壓力降低而迚入過冷區(qū)則仍然是安全輸送工況，同時增大了冷泵站間的安全輸送距離；密相輸送同樣要敷設保冷層以避免溫升較快而迚入超臨界區(qū)，因為高壓流體接近臨界溫度時其熱物性質變化較快，將在很大程度上影響管道的輸送效率。

2.3 超臨界輸送

超臨界流體同時具有液體的高密度和氣體的低粘度等優(yōu)點，但超臨界LNG的物性參數對溫度和壓力均很敏感，因此需要采用分段法迚行布站。超臨界天然氣管道的水力計算同樣采用達西公式，但由于其密度隨溫度壓力變化顯著，故計算時要考慮壓降的影響。超臨界區(qū)隨溫度的升高，熱物性參數受溫度變化影響減小，只要保證輸送壓力高于臨界壓力即能夠實現安全輸送。

3 結束語

（1）討論了在管道輸送中LNG在過冷、密相、超臨界區(qū)其熱物性質隨溫度和壓力的變化情況，在過冷和密相區(qū)密度和粘度主要受溫度的影響較大；在接近臨界溫度時密相和超臨界區(qū)熱物性質變化都較為劇烈?guī)郧也灰?guī)則；在超臨界區(qū)，熱物性質受壓力影響較為敏感。

（2）提出了一種新的LNG長距離輸送方式：管道輸送，輸送的同時保留LNG的低溫火用和壓力 火用以及其調峰功能，在很大程度上保證了輸送的經濟性。

（3）過冷輸送壓力低溫度低，長距離輸送保證輸送溫度高于輸送壓力下的泡點溫度以保證安全輸送；密相輸送壓力高溫度低，長距離輸送主要控制溫升以保證安全輸送；超臨界輸送壓力高溫度高，長距離輸送主要控制壓降以保證安全輸送。

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Study on Process Design of LNG Pipeline Transportation

YANG Fan1，JIANG Wen-quan2，CHEN Bao-dong1
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

A new technology of Liquefied Natural Gas (LNG) pipeline transportation was paid more attention by the scholars. In this paper ,Peng-Robinson equation was adopted to calculate the thermal physical properties, the influence of pressure, temperature and phase change on LNG physical properties was discussed, and the pipeline transportation process was studied and analyzed in three states: super-cooled state, subcritical state and super-critical state, which could provide the theory basement for LNG long distance pipeline transportation.

LNG thermal physical properties; Super-cooled subcritical transportation; Super-critical transportation

TE 832

A

1671-0460（2014）09-1769-03

遼寧省教育廳重點實驗室項目，項目號：LS2010097。

2014-03-05

楊帆（1981-），女，遼寧錦州人，講師，碩士，2006年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：從事LNG儲運及安全方面的工作。E-mail：yangfanfan0902@126.com。