內(nèi)河LNG岸基加注站船岸LNG輸送速度研究

魯亮　劉淼兒　盧俊　劉小波

摘 要：在內(nèi)河LNG岸基加注站設(shè)計(jì)與建造中，岸基到水面的LNG輸送是LNG輸送系統(tǒng)的主要功能，考慮不同地理環(huán)境的水位變化不同，受注船舶離岸基式LNG加注站的距離通常較遠(yuǎn)，將LNG從岸基輸送到受注船舶時(shí)如何保證一定的加注速度是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。本文通過(guò)計(jì)算分析，針對(duì)內(nèi)河流域、近海LNG燃料動(dòng)力船的加注要求，研究了LNG加注系統(tǒng)管路特征，為L(zhǎng)NG岸基加注方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河LNG岸基站加注系統(tǒng);

中圖分類號(hào)：U653? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）04-0044-02

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江沿江省市LNG水上加注站規(guī)劃與建設(shè)情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)部分省市已有布點(diǎn)考慮，國(guó)內(nèi)幾大油企和動(dòng)力研發(fā)企業(yè)開(kāi)始了各自在長(zhǎng)江上的布點(diǎn)行動(dòng) 。如四川省編制了《長(zhǎng)江沿岸水域（四川段）LNG項(xiàng)目專項(xiàng)規(guī)劃》，提出2015-2020年達(dá)到7座，2020-2030年達(dá)到9座;重慶市提出到2020年達(dá)到30%以上;中石化、中石油、中海油等能源巨頭紛紛與長(zhǎng)航集團(tuán)簽署合作協(xié)議，提出了各自的發(fā)展目標(biāo)，布局在長(zhǎng)江干線建水上加注站。[1-3]

將LNG從岸基輸送? 到受注船舶時(shí)如何保證一定的加注速度是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。本文通過(guò)計(jì)算分析，針對(duì)內(nèi)河流域、近海LNG燃料動(dòng)力船的加注要求，研究了LNG加注系統(tǒng)管路特征，為后續(xù)方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1加注量分析

本文主要針對(duì)的是內(nèi)河流域和部分近海區(qū)域利用岸基式LNG加注方式進(jìn)行研究，因此選取的船型主要是長(zhǎng)江中上游地區(qū)的LNG動(dòng)力或柴油-LNG雙燃料動(dòng)力的工程船、散貨船、滾裝船等百噸級(jí)至千噸級(jí)的船舶，主機(jī)功率涵蓋范圍在100kW～1000kW。

1.1 船舶日耗油量

按目標(biāo)船舶主機(jī)功率100～1000kW，各類船舶、不同工況耗油量差別較大，按照一般油耗150～160g/hp.h，船舶日耗油量：

1.2 等熱值LNG日耗量

以0#柴油熱值，天然氣熱值，天然氣密度為，LNG氣化系數(shù)為625，柴油與LNG熱效率比約為1.1計(jì)，日均LNG消耗量：

1.3 LNG加注流量選取

按一般補(bǔ)氣周期3～7天計(jì)，單次LNG補(bǔ)給量為：

參考國(guó)內(nèi)外LNG船舶的加注情況，為降低船舶加注期間的風(fēng)險(xiǎn)，宜縮短加注時(shí)間，因此主機(jī)功率為1000kW的船舶一般加注時(shí)間不宜超過(guò)1h，另外結(jié)合船舶實(shí)際情況考慮，以內(nèi)河流域?yàn)橹鞯腖NG燃料動(dòng)力船以及部分近海LNG燃料動(dòng)力船中LNG燃料儲(chǔ)存量在留有余量的同時(shí)一般控制在50m3以內(nèi)[4-9]，因此為將加注時(shí)間控制在1h以內(nèi)，可將最大加注流量控制在50m?/h進(jìn)行計(jì)算分析。

1.4 管徑分析

流通管徑直接決定了管道系統(tǒng)的輸送能力大小，在流量一定的情況下，管徑又直接決定了流速，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)阻力有著顯著影響。管徑計(jì)算條件如下：

（1）由2.3可知，管道最大加注流量在50m3/h以內(nèi)即可基本控制加注時(shí)間;

（2）標(biāo)準(zhǔn)EN1474中規(guī)定LNG管道允許流速為不超過(guò)12m/s。

根據(jù)HG/T20570-95《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，可采用預(yù)定介質(zhì)流速或者預(yù)定管道壓降值來(lái)設(shè)計(jì)管徑。本文按預(yù)定介質(zhì)流速來(lái)確定管徑：D=18.81×Q 0.5 ×u（-0.5）

式中，D—管道內(nèi)徑，mm;Q—管內(nèi)介質(zhì)體積流量，m3/h;u—介質(zhì)在管道內(nèi)平均流速，m/s。

管道介質(zhì)流量為Q=50m3/h，當(dāng)LNG流速為12m/s時(shí)，則管徑

即在滿足最大允許加注流量50m?/h并不超過(guò)最高流速12m/s條件下，管道直徑不應(yīng)小于38.4mm。具體管徑的確定需結(jié)合管道阻力分析及管系剛度、水擊分析等因素進(jìn)行。

2 壓損分析

管道兩端的壓力差是LNG在管道中輸送的動(dòng)力。LNG在管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到管道系統(tǒng)的阻力作用，且隨著管道中LNG流速增加、管道長(zhǎng)度增長(zhǎng)、中間彎頭變向越多，阻力越大。因?yàn)楣艿雷枇Φ拇嬖冢瑸楂@得一定的加注速度，需在源頭提供足夠的動(dòng)力即壓頭，用以克服管道阻力。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具體應(yīng)給源頭LNG提供多大的壓頭，由管道動(dòng)力特性和加注需求決定。

依據(jù)管徑分析的結(jié)果，初步選擇管徑DN50，管道內(nèi)徑按50mm簡(jiǎn)化計(jì)算，50m3/h流量時(shí)，計(jì)算流速u(mài)：

管道系統(tǒng)的壓損可分為沿程壓損和局部壓損分別計(jì)算。

假設(shè)管道長(zhǎng)度為100m，90°彎頭4個(gè)，則計(jì)算過(guò)程如下：

2.1 沿程壓力損失計(jì)算

對(duì)于每一米管道，液相流體的壓力損失可按Blasius公式計(jì)算：

其中，r—沿程壓力損失? Pa/m;Fa—摩擦阻力系數(shù);—LNG密度? kg/m3;u—LNG管內(nèi)平均流速? m/s;D—管道內(nèi)徑? m;

對(duì)于管內(nèi)穩(wěn)定流，當(dāng)Re>2500時(shí)，屬于湍流，輸送LNG的管道一般均為奧氏體不銹鋼管道，內(nèi)壁光滑，可按下式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)

其中，雷諾數(shù)， —LNG的動(dòng)力粘度，m2/s。

根據(jù)LNG物性數(shù)據(jù)，將代入計(jì)算，得：

為湍流狀態(tài)，摩擦阻力系數(shù)：

按阻力公式計(jì)算沿程壓損：

若按管道長(zhǎng)度100m計(jì)算，對(duì)應(yīng)的管道沿程壓力損失為：

2.2 局部壓力損失計(jì)算

局部壓力損失計(jì)算公式：

其中，z—局部壓力損失? Pa;—局部阻力系數(shù);—LNG密度，kg/m3;u—LNG管內(nèi)平均流速，m/s。

局部阻力系數(shù)按照90°彎頭計(jì)算，取值，則：

4個(gè)彎頭的局部壓力損失之和為：

2.3 管道系統(tǒng)總壓損

根據(jù)上述分析計(jì)算，估算管道系統(tǒng)總壓力損失為沿程壓力損失與局部壓力損失之和：

因此，在不考慮高度落差因素時(shí)，為保證50m3/h的加注速度，應(yīng)至少選用DN50的真空管，LNG提供動(dòng)力源壓頭至少為2.17bar。

3 管徑及流速選擇

根據(jù)以上壓損的計(jì)算方法，對(duì)30m3/h～80m3/h不同加注量、DN32～DN80不同公稱直徑的管道流速及壓損計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中壓損計(jì)算按照管道長(zhǎng)度100m，4個(gè)90°彎頭計(jì)算，管道內(nèi)徑按內(nèi)管公稱直徑數(shù)值簡(jiǎn)化計(jì)算。因局部壓損相對(duì)沿程壓損較小，當(dāng)管道長(zhǎng)度變化時(shí)，可近似按照線性比例關(guān)系，計(jì)算管道流速及壓損。例如：對(duì)于50m3/h的加注需求，選用DN65的真空管時(shí)，查表得流速為4.19m/s，壓損為0.63bar。當(dāng)管道長(zhǎng)度為150m時(shí)，線性比例為1.5，則對(duì)應(yīng)流速為4.19m/s不變，管道壓損約為1.5×0.63bar=0.95bar。即用150m長(zhǎng)DN65的真空管，輸送50m3/h的LNG時(shí)，至少需提供的動(dòng)力壓頭為0.95bar。

工藝管道的流通能力應(yīng)滿足正常加注作業(yè)所需的最大流量要求。通過(guò)對(duì)表1中不同工況下流速、壓損數(shù)據(jù)對(duì)比，得出流速對(duì)管道阻力影響明顯。而根據(jù)《內(nèi)河液化天然氣加注碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，在不同加注需求下進(jìn)行管徑選取時(shí)，LNG管道設(shè)計(jì)流速不宜大于7m/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算，得到了不同加注流量下管徑及壓損的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為后續(xù)方案設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。同時(shí)，在加注流量一定的前提下，需選擇合適的輸送管徑，以減小管路阻力，提高輸送效率。

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