CN107631104A - 液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道设计方法 - Google Patents
液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道设计方法，该方法通过满足了复合能源传输管道内的最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个运行限制条件，避免了因真空、绝热结构设计不合理而造成的真空维护时间过短或管道漏热过大的安全隐患。同时，由于设置在液氮传输管道内的超导直流电缆直径较大，有利于降低电缆运行电流产生的磁场，进而提高超导直流电缆的电能传输容量。
Description
技术领域
本发明涉及油气储存与运输技术领域和电力传输技术领域，特别涉及一种大容量液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输管道设计方法。
背景技术
近年来出于缓解日趋严重的能源危机和环保压力的动机，除压缩页岩气和液化页岩气的远距离运输方式以外，页岩气还被直接用作发电应用。在页岩气开采当地直接建设大容量页岩气发电站，再通过传统的高压输电线路输送至远距离电力用户。由于页岩气开采地区往往与集中用电的大中城市区域相距较远，传统的高压输电方式将不可避免地带来高压架空输电线路的建设和维护的成本问题。
中国专利CN2015106342153公开了一种液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其一方面将液化页岩气传输管道设置在液氮传输管道内，利用具有更低运行温度的液氮(65-75K)使液化页岩气(110-120K)始终维持在正常运行温区，消除了液化页岩气的温升及气化安全隐患；另一方面将超导直流电缆设置在液氮传输管道内，利用具有更低运行温度的液氮制冷超导直流电缆，使其具有更高的电能传输容量。但是，该专利并没有综合考虑最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个限制条件，来实现远距离、大容量的液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种综合考虑最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个限制条件，且能够实现远距离、大容量的液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输的管道设计方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道设计方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的构造；其中，液化页岩气传输管道同轴设置在超导直流电缆的内部，所述超导直流电缆同轴设置在液氮传输管道的内部；而且，所述液化页岩气传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述液氮传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述超导直流电缆包括金属铜骨架和绕制在金属铜骨架上的超导导线；其中，所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个金属支撑架与所述液氮传输管道的内管相连，而且所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个非金属支撑架与所述超导直流电缆的金属铜骨架相连；且所述液化页岩气传输管道和所述液氮传输管道的内管与外管均由不锈钢制成；
2)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的预设性能参数和允许工作条件；包括：单位传输时间内液化页岩气的流量质量为液化页岩气的初始压强为P1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许压降为液化页岩气的初始温度为T1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许温差为单位运行时间内液化页岩气传输管道的最大允许真空度变化率为液氮的初始压强为P2，单位传输长度内液氮的最大允许压降为液氮的初始温度为T2，单位传输长度内液氮的最大允许温差为单位运行时间内液氮传输管道的最大允许真空度变化率为复合能源管道外的大气压强为P3，复合能源管道外的大气温度为T3，液氮传输管道泄漏到外界大气中的漏热功率为q1，超导直流电缆的损耗功率为q2；
3)确定大容量液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的设计参数；包括：所述液化页岩气传输管道的内管的内径D0、外径D1和厚度S1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2、外径D3和厚度S2，所述液化页岩气传输管道的真空夹层的厚度δ1，所述液化页岩气传输管道的绝热材料的厚度δ2，所述液氮传输管道的内管的内径D4、外径D5和厚度S3，所述液氮传输管道的外管的内径D6、外径D7和厚度S4，所述液氮传输管道的真空夹层的厚度δ3，所述液氮传输管道的绝热材料的厚度δ4，单位传输时间内液氮的流量质量所述液氮传输管道泄漏到所述液化页岩气传输管道中的漏热功率q3；
根据D0与 函数关系，确定D0的数值：
其中，ρ1为液化页岩气的密度；f1为液化页岩气的摩擦系数；
根据q3与D0的函数关系，确定q3的数值：
其中，C1为液化页岩气的比热容；
根据S1与P1、D0的函数关系，确定S1的数值：
其中，σ为不锈钢材料的许应应力；为不锈钢材料的焊缝系数；所述液化页岩气传输管道的内管的外径D1等于D0+2S1；
根据δ1与T1、T2、q3、D1的函数关系，确定δ1的数值：
其中，λ为绝热材料的热导率；
根据δ2与δ1、D1的函数关系，确定δ2的数值：
其中，g1为绝热材料的放气率；g2为不锈钢管的放气率；
当δ1≤δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度设置为δ2，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ2；当δ1>δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度也设置为δ1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ1；
根据S2与P2、D2的函数关系，确定S2的数值：
其中，m为不锈钢材料的稳定系数；E为不锈钢材料的弹性模量；L为不锈钢管的长度；所述液化页岩气传输管道的外管的外径D3等于D2+2S2；
根据D4与D3函数关系，确定D4与的第一个数值关系方程：
其中，ρ2为液氮的密度；f2为液氮的摩擦系数；
根据与q1、q2、D3、D4的函数关系，确定D4与的第二个数值关系方程：
其中，C2为液氮的比热容；
联立D3与的两个数值关系方程，求解出D4与的数值大小；
根据S3与P2、D4的函数关系，确定S3的数值：
所述液氮传输管道的内管的外径D5等于D4+2S3；
根据δ3与T2、T3、q1、D5的函数关系，确定δ3的数值：
根据δ4与δ3、D5的函数关系，确定δ4的数值：
当δ3≤δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度设置为δ4，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ4；当δ3>δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度也设置为δ3，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ3；
根据S4与P3、D6的函数关系，确定S4的数值：
所述液氮传输管道的外管的外径D7等于D6+2S4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道设计方法中，通过满足了复合能源传输管道内的最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个运行限制条件，避免了因真空、绝热结构设计不合理而造成的真空维护时间过短或管道漏热过大的安全隐患。同时，由于设置在液氮传输管道内的超导直流电缆直径较大，有利于降低电缆运行电流产生的磁场，进而提高超导直流电缆的电能传输容量。
附图说明：
图1是本发明液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输管道结构图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
结合图1所示的本发明液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输管道结构图。首先，本发明液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道设计方法，包括以下步骤：
1)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的构造。其中，液化页岩气传输管道同轴设置在超导直流电缆的内部，所述超导直流电缆同轴设置在液氮传输管道的内部；而且，所述液化页岩气传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述液氮传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述超导直流电缆包括金属铜骨架和绕制在金属铜骨架上的超导导线；其中，所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个金属支撑架与所述液氮传输管道的内管相连，而且所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个非金属支撑架与所述超导直流电缆的金属铜骨架相连；且所述液化页岩气传输管道和所述液氮传输管道的内管与外管均由不锈钢制成。
2)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的预设性能参数和允许工作条件；包括：单位传输时间内液化页岩气的流量质量为液化页岩气的初始压强为P1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许压降为液化页岩气的初始温度为T1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许温差为单位运行时间内液化页岩气传输管道的最大允许真空度变化率为液氮的初始压强为P2，单位传输长度内液氮的最大允许压降为液氮的初始温度为T2，单位传输长度内液氮的最大允许温差为单位运行时间内液氮传输管道的最大允许真空度变化率为复合能源管道外的大气压强为P3，复合能源管道外的大气温度为T3，液氮传输管道泄漏到外界大气中的漏热功率为q1，超导直流电缆的损耗功率为q2。
3)确定大容量液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的设计参数；包括：所述液化页岩气传输管道的内管的内径D0、外径D1和厚度S1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2、外径D3和厚度S2，所述液化页岩气传输管道的真空夹层的厚度δ1，所述液化页岩气传输管道的绝热材料的厚度δ2，所述液氮传输管道的内管的内径D4、外径D5和厚度S3，所述液氮传输管道的外管的内径D6、外径D7和厚度S4，所述液氮传输管道的真空夹层的厚度δ3，所述液氮传输管道的绝热材料的厚度δ4，单位传输时间内液氮的流量质量所述液氮传输管道泄漏到所述液化页岩气传输管道中的漏热功率q3。
具体的，根据D0与函数关系，确定D0的数值：
其中，ρ1为液化页岩气的密度；f1为液化页岩气的摩擦系数；而且，
其中，μ1为液化页岩气的动力粘度；v1为液化页岩气的传输速度。
根据q3与D0的函数关系，确定q3的数值：
其中，C1为液化页岩气的比热容。
根据S1与P1、D0的函数关系，确定S1的数值：
其中，σ为不锈钢材料的许应应力；为不锈钢材料的焊缝系数；所述液化页岩气传输管道的内管的外径D1等于D0+2S1。
根据δ1与T1、T2、q3、D1的函数关系，确定δ1的数值：
其中，λ为绝热材料的热导率。
根据δ2与δ1、D1的函数关系，确定δ2的数值：
其中，g1为绝热材料的放气率；g2为不锈钢管的放气率；当δ1≤δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度设置为δ2，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ2；当δ1>δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度也设置为δ1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ1。
根据S2与P2、D2的函数关系，确定S2的数值：
其中，m为不锈钢材料的稳定系数；E为不锈钢材料的弹性模量；L为不锈钢管的长度；所述液化页岩气传输管道的外管的外径D3等于D2+2S2。
根据D4与D3函数关系，确定D4与的第一个数值关系方程：
其中，ρ2为液氮的密度；f2为液氮的摩擦系数；而且，
其中，μ2为液氮的动力粘度；v2为液氮的传输速度。
根据与q1、q2、D3、D4的函数关系，确定D4与的第二个数值关系方程：
其中，C2为液氮的比热容；联立D3与的两个数值关系方程，求解出D4与的数值大小。
根据S3与P2、D4的函数关系，确定S3的数值：
所述液氮传输管道的内管的外径D5等于D4+2S3。
根据δ3与T2、T3、q1、D5的函数关系，确定δ3的数值：
根据δ4与δ3、D5的函数关系，确定δ4的数值：
当δ3≤δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度设置为δ4，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ4；当δ3>δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度也设置为δ3，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ3；
根据S4与P3、D6的函数关系，确定S4的数值：
所述液氮传输管道的外管的外径D7等于D6+2S4。
因此，本发明通过满足了复合能源传输管道内的最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个运行限制条件，避免了因真空、绝热结构设计不合理而造成的真空维护时间过短或管道漏热过大的安全隐患。同时，由于设置在液氮传输管道内的超导直流电缆直径较大，有利于降低电缆运行电流产生的磁场，进而提高超导直流电缆的电能传输容量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以做出各种修改或改型。
Claims (1)
1.一种液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道设计方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的构造；其中，液化页岩气传输管道同轴设置在超导直流电缆的内部，所述超导直流电缆同轴设置在液氮传输管道的内部；而且，所述液化页岩气传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述液氮传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述超导直流电缆包括金属铜骨架和绕制在金属铜骨架上的超导导线；其中，所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个金属支撑架与所述液氮传输管道的内管相连，而且所述液化页岩气传输管道的外管通过若干个非金属支撑架与所述超导直流电缆的金属铜骨架相连；且所述液化页岩气传输管道和所述液氮传输管道的内管与外管均由不锈钢制成；
2)确定液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的预设性能参数和允许工作条件；包括：单位传输时间内液化页岩气的流量质量为液化页岩气的初始压强为P1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许压降为液化页岩气的初始温度为T1，单位传输长度内液化页岩气的最大允许温差为单位运行时间内液化页岩气传输管道的最大允许真空度变化率为液氮的初始压强为P2，单位传输长度内液氮的最大允许压降为液氮的初始温度为T2，单位传输长度内液氮的最大允许温差为单位运行时间内液氮传输管道的最大允许真空度变化率为复合能源管道外的大气压强为P3，复合能源管道外的大气温度为T3，液氮传输管道泄漏到外界大气中的漏热功率为q1，超导直流电缆的损耗功率为q2；
3)确定大容量液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道的设计参数；包括：所述液化页岩气传输管道的内管的内径D0、外径D1和厚度S1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2、外径D3和厚度S2，所述液化页岩气传输管道的真空夹层的厚度δ1，所述液化页岩气传输管道的绝热材料的厚度δ2，所述液氮传输管道的内管的内径D4、外径D5和厚度S3，所述液氮传输管道的外管的内径D6、外径D7和厚度S4，所述液氮传输管道的真空夹层的厚度δ3，所述液氮传输管道的绝热材料的厚度δ4，单位传输时间内液氮的流量质量所述液氮传输管道泄漏到所述液化页岩气传输管道中的漏热功率q3；
根据D0与 函数关系，确定D0的数值：
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其中，ρ1为液化页岩气的密度；f1为液化页岩气的摩擦系数；
根据q3与 D0的函数关系，确定q3的数值：
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其中，C1为液化页岩气的比热容；
根据S1与P1、D0的函数关系，确定S1的数值：
其中，σ为不锈钢材料的许应应力；为不锈钢材料的焊缝系数；所述液化页岩气传输管道的内管的外径D1等于D0+2S1；
根据δ1与T1、T2、q3、D1的函数关系，确定δ1的数值：
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其中，λ为绝热材料的热导率；
根据δ2与δ1、D1的函数关系，确定δ2的数值：
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其中，g1为绝热材料的放气率；g2为不锈钢管的放气率；
当δ1≤δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度设置为δ2，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ2；当δ1>δ2时，绝热材料的厚度设置为δ1，且真空夹层的厚度也设置为δ1，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ1；
根据S2与P2、D2的函数关系，确定S2的数值：
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其中，m为不锈钢材料的稳定系数；E为不锈钢材料的弹性模量；L为不锈钢管的长度；所述液化页岩气传输管道的外管的外径D3等于D2+2S2；
根据D4与 D3函数关系，确定D4与的第一个数值关系方程：
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<mi>D</mi>
<mn>4</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>D</mi>
<mn>3</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，ρ2为液氮的密度；f2为液氮的摩擦系数；
根据与q1、q2、D3、D4的函数关系，确定D4与的第二个数值关系方程：
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;T</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;X</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>8</mn>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
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<msubsup>
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<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mrow>
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<mi>D</mi>
<mn>4</mn>
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<mi>D</mi>
<mn>3</mn>
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<mi>D</mi>
<mn>4</mn>
<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
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<mi>D</mi>
<mn>3</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>&pi;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msubsup>
<mi>&rho;</mi>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
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<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>1</mn>
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<mo>+</mo>
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<mi>q</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msub>
<mover>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，C2为液氮的比热容；
联立D3与的两个数值关系方程，求解出D4与的数值大小；
根据S3与P2、D4的函数关系，确定S3的数值：
所述液氮传输管道的内管的外径D5等于D4+2S3；
根据δ3与T2、T3、q1、D5的函数关系，确定δ3的数值：
<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
根据δ4与δ3、D5的函数关系，确定δ4的数值：
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;G</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;t</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>g</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>g</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>D</mi>
<mn>5</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
当δ3≤δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度设置为δ4，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ4；当δ3>δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度也设置为δ3，所述液氮传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ3；
根据S4与P3、D6的函数关系，确定S4的数值：
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mi>D</mi>
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<mn>0.6</mn>
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<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mn>3</mn>
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</mrow>
<mrow>
<mn>2.59</mn>
<mi>E</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>0.4</mn>
</msup>
</mrow>
所述液氮传输管道的外管的外径D7等于D6+2S4。
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