RU2761148C1 - Method for transporting cryogenic liquids - Google Patents
Method for transporting cryogenic liquids Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761148C1 RU2761148C1 RU2021114128A RU2021114128A RU2761148C1 RU 2761148 C1 RU2761148 C1 RU 2761148C1 RU 2021114128 A RU2021114128 A RU 2021114128A RU 2021114128 A RU2021114128 A RU 2021114128A RU 2761148 C1 RU2761148 C1 RU 2761148C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipeline
- temperature
- cryogenic liquid
- pressure
- cryogenic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L9/00—Rigid pipes
- F16L9/12—Rigid pipes of plastics with or without reinforcement
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
- F17D1/00—Pipe-line systems
- F17D1/08—Pipe-line systems for liquids or viscous products
- F17D1/14—Conveying liquids or viscous products by pumping
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу транспортирования криогенных жидкостей, в особенности сжиженных газов, и может быть использовано при проектировании и сооружении трубопроводов, транспортирующих криогенные жидкости. The invention relates to a method for transporting cryogenic liquids, in particular liquefied gases, and can be used in the design and construction of pipelines transporting cryogenic liquids.
Известен способ транспортирования сжиженных газов (Патент SU № 903650, опубл. 07.02.1982), содержащий двустенный теплоизолированный трубопровод, межтрубное пространство которого разделено на герметичные секции, в них подают промежуточный газ, при давлении равном среднему давлению транспортируемой среды на данном участке трубопровода. Трубопровод содержит слоистую изоляцию, содержащую эластичный адсорбент, пространство между которыми вакуумировано. A known method of transportation of liquefied gases (Patent SU No. 903650, publ. 02/07/1982), containing a double-walled heat-insulated pipeline, the annular space of which is divided into sealed sections, they are supplied with intermediate gas at a pressure equal to the average pressure of the transported medium in this section of the pipeline. The pipeline contains a laminated insulation containing an elastic adsorbent, the space between which is evacuated.
Основными недостатками этого способа являются, что при первоначальном заполнении трубопровода происходит неравномерное сжатие его участков, что приводит к возникновению значительных напряжений, вызванных разницей температур между криогенной жидкостью и трубопроводом, а также из-за сложности поддержания вакуума по всей длине трубопровода возникают ограничения по протяженности и диаметру таких трубопроводов. Помимо этого, происходит постепенная потеря поглощающих свойств адсорбента. The main disadvantages of this method are that during the initial filling of the pipeline, uneven compression of its sections occurs, which leads to the occurrence of significant stresses caused by the temperature difference between the cryogenic liquid and the pipeline, as well as due to the difficulty of maintaining vacuum along the entire length of the pipeline, there are restrictions on the length and the diameter of such pipelines. In addition, there is a gradual loss of the absorbing properties of the adsorbent.
Известен способ подготовки к транспортированию смеси сжиженных углеводородов по магистральным трубопроводам в охлажденном состоянии (Патент RU № 2584628, опубл. 20.05.2016), включающий очистку природного газа, многоступенчатое охлаждение его до температуры от -30 до -50°С с добавлением охлажденного до температуры от -20 до -50°С конденсата в количестве от 3 до 10 вес. %. Полученную углеводородную смесь охлаждают до температуры от -40 до -50°С при давлении от 10 до 12 МПа до однофазного жидкого состояния и транспортируют по магистральному трубопроводу. A known method of preparation for transportation of a mixture of liquefied hydrocarbons through main pipelines in a cooled state (Patent RU No. 2584628, publ. 05/20/2016), including the purification of natural gas, its multistage cooling to a temperature from -30 to -50 ° C with the addition of cooled to a temperature from -20 to -50 ° C condensate in an amount of 3 to 10 wt. %. The resulting hydrocarbon mixture is cooled to a temperature of -40 to -50 ° C at a pressure of 10 to 12 MPa to a single-phase liquid state and transported through the main pipeline.
Основным недостатком данного способа является, что для столь значительного снижения температуры перекачки сжиженного природного газа, дополнительно вводится конденсат, содержащий тяжелые углеводородные фракции (пентан, гексан), что значительно ухудшает качество поступаемого потребителю сжиженного природного газа.The main disadvantage of this method is that for such a significant decrease in the temperature of pumping liquefied natural gas, condensate containing heavy hydrocarbon fractions (pentane, hexane) is additionally introduced, which significantly worsens the quality of liquefied natural gas supplied to the consumer.
Известен способ перекачки СПГ по магистральным трубопроводам (Магистральные трубопроводы охлажденного и сжиженного природного газа. Ответственный редактор А.Е. Полозов / Н.П. Акульшина, В.А. Андрианов, В.И. Зоркальцев и др. УРО РАН, Коми НЦ. СЫКТЫВКАР, 1988, с. 158), включающий в себя насосно-перекачивающие станции, станции охлаждения перекачиваемого продукта и линейные пункты контроля его температуры. Перекачка производится по трубопроводам диаметром от 1220 до 1420 мм, при давлении 5,5 МПа и температурном интервале 153К – 173 К. A known method of pumping LNG through main pipelines (Main pipelines of cooled and liquefied natural gas. Executive editor AE Polozov / NP Akulshina, VA Andrianov, VI Zorkaltsev and other URO RAS, Komi Science Center. SYKTYVKAR, 1988, p. 158), which includes pumping stations, cooling stations for the pumped product and linear points for controlling its temperature. Pumping is carried out through pipelines with a diameter of 1220 to 1420 mm, at a pressure of 5.5 MPa and a temperature range of 153K - 173K.
Основным недостатком описанного способа является необходимость охлаждения большой массы металла, для чего необходим большой объем охлажденного газа и в дальнейшем сжиженного природного газа, поступаемого с головного завода сжижения. Суммарное время процесса захолаживания для трубопровода диаметром 1420 мм, длиной 100 км составляет более суток. Кроме того, предлагаемая для сооружения специально-разработанная экономлегированная сталь 10ХГНМАЮ является дефицитной, на данный момент в мире отсутствует ее промышленное производство. The main disadvantage of the described method is the need to cool a large mass of metal, which requires a large volume of cooled gas and subsequently liquefied natural gas supplied from the head liquefaction plant. The total time of the cool-down process for a pipeline with a diameter of 1420 mm and a length of 100 km is more than a day. In addition, the specially designed economical alloy steel 10KhGNMAYU, offered for construction, is in short supply, at the moment there is no industrial production in the world.
Известен способ транспортирования (Патент WO2012127261A1, опубл. 27.09.2012) сжиженных газов, в особенности СПГ, при температуре ниже температуры насыщения. В предлагаемом способе сжиженный газ охлаждается перед загрузкой в цистерны судна-носителя (например, корабль, автомобиль, железнодорожный вагон) до температуры ниже температуры насыщения при расчетном давлении в цистернах во время транспортировки. При транспортировке поступление тепла из окружающей среды поглощается за счет свободного повышения температуры сжиженного газа от переохлажденной жидкости до насыщенного жидкого состояния. The known method of transportation (Patent WO2012127261A1, publ. 09/27/2012) liquefied gases, especially LNG, at a temperature below the saturation temperature. In the proposed method, the liquefied gas is cooled before loading into the tanks of the carrier vessel (for example, a ship, a car, a railway carriage) to a temperature below the saturation temperature at the design pressure in the tanks during transportation. During transportation, the flow of heat from the environment is absorbed due to the free increase in the temperature of the liquefied gas from a supercooled liquid to a saturated liquid state.
Данный способ неприменим для условий трубопроводного транспорта криогенных жидкостей, так как трубопровод представляет собой протяженное сооружение, то транспортировка со свободным повышением температуры при атмосферном давлении (0,103 МПа) неизбежно приведет к кипению СПГ. This method is inapplicable for the conditions of pipeline transport of cryogenic liquids, since the pipeline is an extended structure, then transportation with a free rise in temperature at atmospheric pressure (0.103 MPa) will inevitably lead to boiling of LNG.
Известен способ транспортирования криогенных жидкостей и трубопровод для его осуществления (Патент RU № 2156400, опубл. 20.09.2000), включающий создание запаса длины трубопровода, захолаживание внутренней трубы трубопровода до температуры перекачки продукта, закачивание транспортируемого продукта и регулирование температурных режимов и давления трубопровода. Трубопровод для транспортирования криогенных жидкостей состоит из двух концентрично установленных труб, неподвижных опор и технических средств для регулирования температуры и давления. Наружная и внутренняя трубы трубопровода установлены с возможностью перемещения относительно друг друга, наружная труба снабжена двумя патрубками, а по меньшей мере на двух опорах каждого линейного участка трубопровода размещены герметичные камеры длиной, равной продольному перемещению этого участка при температуре эксплуатации, при этом камеры соединены с наружной трубой трубопровода при помощи телескопических компенсаторов. There is a known method for transporting cryogenic liquids and a pipeline for its implementation (Patent RU No. 2156400, publ. 09/20/2000), including creating a reserve of the length of the pipeline, cooling the inner pipe of the pipeline to the temperature of pumping the product, pumping the transported product and regulating the temperature and pressure of the pipeline. The pipeline for transportation of cryogenic liquids consists of two concentrically installed pipes, fixed supports and technical means for regulating temperature and pressure. The outer and inner pipes of the pipeline are installed with the ability to move relative to each other, the outer pipe is equipped with two nozzles, and at least two supports of each linear section of the pipeline are sealed chambers with a length equal to the longitudinal displacement of this section at the operating temperature, while the chambers are connected to the outer pipeline pipe using telescopic expansion joints.
Недостатком данного способа является то, что при захолаживании сжиженный газ подается в межтрубное пространство и, не смотря на использование системы телескопических компенсаторов, внутренняя труба будет испытывать сильные сжимающие нагрузки, так как сжиженный газ будет резко охлаждать магистраль. Таким образом, не удается избежать образования двухфазного потока и кипения жидкости, что также будет приводит к повышенным нагрузкам на материал стенки труб, что может привести к аварийной ситуации. Помимо этого, сложность создания и поддержания вакуума по всей длине трубопровода накладывает ограничения на протяженность и диаметр таких трубопроводов, а также происходит постепенная потеря поглощающих свойств адсорбента.The disadvantage of this method is that during chilling, liquefied gas is fed into the annular space and, despite the use of a telescopic expansion joint system, the inner pipe will experience strong compressive loads, since the liquefied gas will sharply cool the line. Thus, it is not possible to avoid the formation of a two-phase flow and boiling of the liquid, which will also lead to increased loads on the pipe wall material, which can lead to an emergency. In addition, the complexity of creating and maintaining a vacuum along the entire length of the pipeline imposes restrictions on the length and diameter of such pipelines, and there is a gradual loss of the adsorbent's absorbing properties.
Известен способ транспортировки сжиженного природного газа (Патент JPH05141599A, , опубл. 08.06.1993), принятый за прототип, в котором СПГ транспортируется по трубопроводам и охлаждается жидким воздухом, полученным с использованием энергии холода сжиженного природного газа в отдельном процессе, перед транспортировкой или после нее (непосредственно перед загрузкой). СПГ хранящийся в резервуаре, нагнетается насосом и перекачивается к потребителю по двустенному трубопроводу, пространство между которыми заполнено перлитом и вакуумирвоано. Повышение давления с учетом роста температуры во время транспортировки регулируется до такой степени, чтобы поддерживать СПГ в сжиженном состоянии.A known method of transportation of liquefied natural gas (Patent JPH05141599A, publ. 06/08/1993), taken as a prototype, in which LNG is transported through pipelines and cooled by liquid air obtained using the cold energy of liquefied natural gas in a separate process, before or after transportation (just before downloading). LNG stored in the tank is pumped in and pumped to the consumer via a double-walled pipeline, the space between which is filled with perlite and evacuated. The pressure rise in response to the temperature rise during transport is controlled to such an extent as to keep the LNG in a liquefied state.
Недостатком данного способа является перемешивание потока СПГ и сжиженного воздуха, что ухудшает качественные показатели СПГ и может привести к образованию взрывоопасной смеси. Как уже было отмечено выше применение вакуумной изоляции накладывает ограничения на протяженность и диаметр таких трубопроводов, а также происходит постепенная потеря поглощающих свойств адсорбента.The disadvantage of this method is the mixing of the flow of LNG and liquefied air, which degrades the quality of LNG and can lead to the formation of an explosive mixture. As noted above, the use of vacuum insulation imposes restrictions on the length and diameter of such pipelines, and there is also a gradual loss of the absorbing properties of the adsorbent.
Техническим результатом является снижение гидравлических сопротивлений при движении жидкости путем применения труб, изготовленных из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). The technical result is a decrease in hydraulic resistance during fluid movement by using pipes made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
Технический результат достигается тем, что трубопровод изготовляют из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, сверху покрывают несколькими слоями изоляции, включающей как минимум один теплоизоляционный слой, затем не менее двух пароизоляционных слоев и покровный слой, рабочее давление в трубопроводе должно быть выше давления упругости паров криогенной жидкости, при этом в движении допускают рост температуры криогенной жидкости до температуры, которая не превышает температуру насыщения криогенной жидкости при данном рабочем давлении, а охлаждение трубопровода производят инертным газом, в качестве которого используют азот, в газообразном состоянии с температурой сжижения ниже, чем у криогенной жидкости.The technical result is achieved by the fact that the pipeline is made of ultra-high molecular weight polyethylene, the top is covered with several layers of insulation, including at least one heat-insulating layer, then at least two vapor barrier layers and a cover layer, the working pressure in the pipeline must be higher than the vapor pressure of the cryogenic liquid, while in motion, the temperature of the cryogenic liquid is allowed to rise to a temperature that does not exceed the saturation temperature of the cryogenic liquid at a given operating pressure, and the pipeline is cooled with an inert gas, which is nitrogen, in a gaseous state with a liquefaction temperature lower than that of a cryogenic liquid.
Способ поясняется следующими фигурами: The method is illustrated by the following figures:
фиг. 1 – принципиальная схема перекачки СПГ по трубопроводам;fig. 1 is a schematic diagram of LNG pumping through pipelines;
фиг. 2 – поперечный разрез сечения трубопровода;fig. 2 - cross-section of the pipeline;
фиг. 3 – график падения давления в трубопроводе, изготовленном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и аналогичном из стали;fig. 3 is a graph of the pressure drop in a pipeline made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and similar steel;
фиг. 4 – график распределения температуры СПГ в трубопроводе, изготовленном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и аналогичном из стали, где:fig. 4 is a graph of the temperature distribution of LNG in a pipeline made of ultra-high molecular weight polyethylene and similar steel, where:
1 – завод сжижения; 1 - liquefaction plant;
2 – перекачивающая насосная станция; 2 - transfer pumping station;
3 – станция дополнительного охлаждения;3 - additional cooling station;
4 – установка регазификации; 4 - regasification unit;
5 – низкотемпературное хранилище; 5 - low-temperature storage;
6 – потребитель; 6 - consumer;
7 – газовоз;7 - gas carrier;
8 – трубопровод из СВМПЭ;8 - UHMWPE pipeline;
9 – теплоизоляционный слой; 9 - heat-insulating layer;
10 – пароизоляционный слой; 10 - vapor barrier layer;
11 – покровный слой.11 - cover layer.
Способ осуществляется следующим образом. Криогенная жидкость поступает на заполнение с завода сжижения 1 (фиг. 1), в предварительно охлажденный жидким азотом трубопровод. При заполнении трубопровода криогенной жидкостью, она неравномерно заполняет его сечение и скапливается в нижней части трубы, из-за этого возникают неравномерные напряжения по сечению трубопровода. Нижняя часть трубы испытывает сильные нагрузки на сжатие. С целью сокращения таких нагрузок трубопровод предварительно охлаждается инертным охлажденным газом, чья температура сжижения ниже температуры криогенной жидкости, например, азотом. Охлажденный газ равномерно распространяется по всему предоставленному ему объему трубопровода. Таким образом, при заполнении достигается снижение температурных напряжений по осевому сечению трубопровода, что позволяет сократить вероятность образования двухфазного потока и связанных с этим неблагоприятных газогидродинамических эффектов, таких как пульсации давления, гидравлические удары, а также гейзерные эффекты при последующем заполнении криогенной жидкостью. Для предотвращения перемешивания СПГ и азота можно использовать газонепроницаемый поршень-разделитель, выполненный из материала, стойкого к криогенным температурам. Источником охлажденного азота может служить газ с завода сжижения, используемый в циклах охлаждения при сжижении либо мобильные установки с сжиженным азотом, который испаряется в испарителе и охлажденный поступает на заполнение через мобильные компрессорные агрегаты. The method is carried out as follows. The cryogenic liquid is fed for filling from the liquefaction plant 1 (Fig. 1), into a pipeline pre-cooled with liquid nitrogen. When a pipeline is filled with a cryogenic liquid, it irregularly fills its cross-section and accumulates in the lower part of the pipe, because of this, uneven stresses arise along the cross-section of the pipeline. The lower part of the pipe is subjected to strong compressive loads. In order to reduce such loads, the pipeline is pre-cooled with an inert cooled gas, whose liquefaction temperature is lower than the temperature of a cryogenic liquid, for example, nitrogen. The cooled gas is evenly distributed throughout the entire volume of the pipeline provided to it. Thus, during filling, a decrease in temperature stresses along the axial section of the pipeline is achieved, which makes it possible to reduce the likelihood of a two-phase flow and associated unfavorable gas-hydrodynamic effects, such as pressure pulsations, hydraulic shocks, as well as geyser effects during subsequent filling with a cryogenic liquid. To prevent mixing of LNG and nitrogen, a gastight piston separator made of cryogenic temperature resistant material can be used. The source of cooled nitrogen can be gas from a liquefaction plant, used in refrigeration cycles during liquefaction, or mobile units with liquefied nitrogen, which evaporates in the evaporator and cooled down is fed for filling through mobile compressor units.
Сжиженный природный газ перекачивается по низкотемпературному теплоизолированному трубопроводу перекачивающей насосной станцией 2 (фиг. 1). Для транспортировки используется трубопровод из СВМПЭ 8 (фиг. 2), изготовленный из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Предлагаемый в качестве материала трубопровода СВМПЭ обладает значительно меньшими шероховатостью поверхности стенки трубопровода и коэффициентом теплопроводности в сравнении с широко используемой никельсодержащей сталью. СВМПЭ способен работать при температурах до -269 °С с сохранением высоких показателей ударной вязкости. Это основные характеристики, обеспечивающие увеличение протяженности трубопровода, что также достигается за счет сокращения количества перекачивающих насосных станций для поддержания давления и станций дополнительного охлаждения жидкости. Liquefied natural gas is pumped through a low-temperature insulated pipeline by a pumping station 2 (Fig. 1). For transportation, a pipeline made of UHMWPE 8 (Fig. 2) is used, made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE). UHMWPE proposed as a pipeline material has significantly lower pipeline wall surface roughness and thermal conductivity coefficient in comparison with widely used nickel-containing steel. UHMWPE is capable of operating at temperatures down to -269 ° C while maintaining high impact toughness. These are the main characteristics that provide an increase in the length of the pipeline, which is also achieved by reducing the number of pumping stations for maintaining pressure and stations for additional liquid cooling.
Изоляционное покрытие состоит из как минимум одного теплоизоляционного слоя 9 (фиг. 2), который выполнен, например, из пенополиуретана, вспученного перлитного песка, разновидностей минеральной ваты или базальтового волокна, разрешенных к применению при температуре транспортировки криогенной жидкости.The insulating coating consists of at least one heat-insulating layer 9 (Fig. 2), which is made, for example, of polyurethane foam, expanded pearlite sand, varieties of mineral wool or basalt fiber, approved for use at the temperature of cryogenic liquid transportation.
Поверх теплоизоляционного слоя 9 монтируют не менее двух пароизоляционных слоев 10, которые могут быть изготовлены, например, из полиэтиленовой пленки либо фольги. On top of the thermal insulation layer 9, at least two
Затем устанавливают покровный слой 11, изготовленный, например, из композиционных материалов либо из металлических листов. Then the cover layer 11 is installed, made, for example, of composite materials or metal sheets.
Параметры транспортировки определяются по нижеприведенным формулам, описывающим процесс движения криогенной жидкости, в частности сжиженного природного газа, по трубопроводу. Потери давления в рассматриваемом участке трубопровода определяются из выражения Дарси-Вейсбаха: The transportation parameters are determined by the formulas below, describing the process of movement of a cryogenic liquid, in particular liquefied natural gas, through a pipeline. The pressure loss in the considered section of the pipeline is determined from the Darcy-Weisbach expression:
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления; where λ is the coefficient of hydraulic resistance;
x – длина участка трубопровода; x is the length of the pipeline section;
dint – внутренний диаметр, d int - inner diameter,
v – скорость потока, v is the flow rate,
ρ - плотность. ρ is the density.
В формуле (1) влияние местных сопротивлений учитывается путем увеличения потерь давления на 1,5%.In formula (1), the effect of local resistances is taken into account by increasing the pressure loss by 1.5%.
Изменение давление в любой точке потока: Pressure change at any point in the flow:
pi – давление в начале участка трубопровода, Δpi – падение давления на рассматриваемой участке трубопроводаp i - pressure at the beginning of the pipeline section, Δp i - pressure drop in the considered section of the pipeline
При движении через рассматриваемый участок сжиженный природный газ изменяет свою температуру вследствие увеличения теплосодержания, которое происходит за счет теплопритока из окружающей среды, например, грунта, а также вследствие совершения работы при перемещении криогенной жидкости с массовым расходом G с преодолением сопротивления idx. Изменением температуры вследствие изменения скорости движения потока пренебрегается из-за ее незначительной величины, так как предполагается, что в трубопроводе имеет место стационарное установившееся течение. В области криогенных температур имеет место явление инверсии коэффициента Джоуля-Томсона, т.е. смена его знака, и в этом случае он будет способствовать не охлаждению сжиженного газа, а его нагреву. Таким образом, уравнение теплового баланса с учетом эффекта Джоуля-Томсона принимает вид: When moving through the section under consideration, liquefied natural gas changes its temperature due to an increase in heat content, which occurs due to heat input from the environment, for example, soil, as well as due to the performance of work when moving a cryogenic liquid with a mass flow rate G with overcoming the resistance idx. The change in temperature due to a change in the flow rate is neglected due to its insignificant value, since it is assumed that a stationary steady flow takes place in the pipeline. In the region of cryogenic temperatures, the phenomenon of inversion of the Joule-Thomson coefficient takes place, i.e. a change in its sign, and in this case it will contribute not to the cooling of the liquefied gas, but to its heating. Thus, the heat balance equation taking into account the Joule-Thomson effect takes the form:
G – массовый расход криогенной жидкости; G is the mass flow rate of the cryogenic liquid;
cp — коэффициент теплоемкости СПГ; c p - coefficient of heat capacity of LNG;
K – полный коэффициент теплопередачи; K is the total heat transfer coefficient;
dint – внутренний диаметр трубопровода; d int - internal diameter of the pipeline;
T – температура СПГ на участке трубопровода x; T is the LNG temperature at the pipeline section x;
T0 - температура грунта на глубине заложения трубопровода; g – ускорение свободного падения, T 0 - soil temperature at the depth of the pipeline; g - acceleration of gravity,
i – гидравлический уклон, pi, pi+1 – давления в начале и в конце участка трубопровода, соответственно; i - hydraulic slope, p i , p i + 1 - pressures at the beginning and at the end of the pipeline section, respectively;
x – протяженность участка трубопровода, Dh – коэффициент Джоуля-Томсона.x is the length of the pipeline section, D h is the Joule-Thomson coefficient.
Выражение, позволяющее определить температуру в любой точке потока:An expression that allows you to determine the temperature at any point in the flow:
Тепло поступает от грунта к изолированному трубопроводу, затем от изоляционного покрытия к стенке трубы и от стенки трубы к перекачиваемому потоку. Этот процесс математически выражается полным коэффициентом теплопередачи:Heat flows from the ground to the insulated pipeline, then from the insulation coating to the pipe wall and from the pipe wall to the pumped stream. This process is mathematically expressed by the total heat transfer coefficient:
λp, λins - коэффициенты теплопроводности стенки трубы и изоляционного материала трубопровода, соответственно, dext – наружный диаметр трубопровода; dins – диаметр трубопровода с изоляционным покрытием; α1 - внутренний коэффициент теплопередачи, характеризующий движение тепла от внутренний поверхности трубопровода к СПГ:λ p , λ ins are the coefficients of thermal conductivity of the pipe wall and the pipeline insulating material, respectively; d ext is the outer diameter of the pipeline; d ins - diameter of the pipeline with an insulating coating; α 1 - internal heat transfer coefficient characterizing the movement of heat from the inner surface of the pipeline to LNG:
λLNG – коэффициент теплопроводности СПГ;λ LNG - coefficient of thermal conductivity of LNG;
Nu – число Нуссельта.Nu is the Nusselt number.
α2 – внешний коэффициент теплопередачи, характеризующий движение тепла от грунта к внешней поверхности изоляционного покрытия:α 2 - external heat transfer coefficient characterizing the movement of heat from the ground to the outer surface of the insulating coating:
λgr – коэффициент теплопроводности грунта; λ gr - coefficient of soil thermal conductivity;
h0 – эквивалентная глубина заложения трубопровода.h 0 - equivalent depth of the pipeline.
Если неизвестны начальное давление и диаметр трубопровода, то для их определения выполняется гидравлический расчет, полагая, что режим течения стационарный при постоянной температуре, выбранной по диаграмме фазовых состояний для жидкости заданного состава. По ним рассматривается область слева, лежащая выше кривой начала испарения. Исходя из необходимости поддержания потока в однофазном состоянии, расчет для определения начального давления в трубопроводе выполняется по верхней границе выбранного температурного интервала, так как в этом случае существует наибольшая вероятность образования двухфазного потока. Для определения давления в начале участка трубопровода, делается допущение, что давление в конце участка равно давлению насыщения СПГ. Таким образом, давление в начале складывается из потерь давления по длине трубы (формула 1) и давления в конце участка трубопровода.If the initial pressure and diameter of the pipeline are unknown, then a hydraulic calculation is performed to determine them, assuming that the flow regime is stationary at a constant temperature selected from the phase diagram for a liquid of a given composition. They are used to examine the area to the left, which lies above the curve of the beginning of evaporation. Based on the need to maintain the flow in a single-phase state, the calculation to determine the initial pressure in the pipeline is performed along the upper boundary of the selected temperature range, since in this case there is the greatest probability of a two-phase flow formation. To determine the pressure at the beginning of a pipeline section, it is assumed that the pressure at the end of the section is equal to the saturation pressure of the LNG. Thus, the pressure at the beginning is the sum of the pressure loss along the length of the pipe (formula 1) and the pressure at the end of the pipeline section.
При движении криогенной жидкости по трубопроводу допускается повышение ее температуры до температуры промежуточного уровня, но не превышающей температуру насыщения при данном давлении. Рабочее давление перекачиваемой криогенной жидкости должно быть выше давления насыщенных паров при данной температуре.When a cryogenic liquid moves through a pipeline, its temperature can be increased to an intermediate temperature, but not exceeding the saturation temperature at a given pressure. The working pressure of the pumped cryogenic liquid must be higher than the saturated vapor pressure at a given temperature.
После заполнения линии криогенной жидкостью и выхода на рабочие параметры в зависимости от необходимого расстояния транспортировки, выбранного давления и температурного интервала перекачки по трассе трубопровода могут быть установлены промежуточные станции поддержания давления и охлаждения. Стоит отметить, что установка промежуточных станцией может потребоваться в случаях, если расстояние транспортировки будет 50-100 км. Однако пока транспортировка СПГ на такие расстояния почти не используется. Расчетом обеспечивается необходимый режим транспортировки на расстояние порядка 20 км. After filling the line with cryogenic liquid and reaching operating parameters, depending on the required transportation distance, the selected pressure and the temperature interval of pumping, intermediate pressure maintenance and cooling stations can be installed along the pipeline route. It should be noted that the installation of intermediate stations may be required in cases where the transportation distance is 50-100 km. However, so far, the transportation of LNG over such distances is almost never used. The calculation provides the necessary mode of transportation over a distance of about 20 km.
На конечном участке трубопровода в зависимости от нужд конечного потребителя устанавливается станция дополнительного охлаждения 3 (фиг. 1) либо СПГ напрямую поступает на установку регазификации 4. На станции дополнительного охлаждения криогенная жидкость охлаждается до температуры ниже температуры нормального кипения, в тех случаях, если криогенная жидкость хранится в низкотемпературном хранилище 5 при атмосферном давлении, поступает напрямую к потребителю 6 или на дальнейшую погрузку в газовоз 7. At the final section of the pipeline, depending on the needs of the end user, an additional cooling station 3 (Fig. 1) is installed, or LNG is fed directly to the regasification unit 4. At the additional cooling station, the cryogenic liquid is cooled to a temperature below the normal boiling point, in cases where the cryogenic liquid stored in a low-
В качестве примера, подтверждающего работоспособность способа, был выполнен расчет трубопровода СПГ состава (в % об.): СН4 - 99,8 %; N2 - 0,13 %; С2Н6 - 0,07 %, по указанным выше формулам 1-7 для трубопровода, изготовленного из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и стали AISI 321, аналога 12Х18Н10Т. Давление и температура на входе составили 2 МПа и -160°С соответственно. В качестве теплоизоляционнного слоя применен пенополиуретан, покровный слой выполнен из рулонного стеклопластика и два слоя пароизоляционного материала из полиэтиленовой термоусадочной пленки. Исходные характеристики трубопровода представлены в виде таблицы 1. As an example, confirming the efficiency of the method, the calculation of the LNG pipeline was performed with the composition (in% vol.): СН 4 - 99.8%; N 2 - 0.13%; C 2 H 6 - 0.07%, according to the above formulas 1-7 for a pipeline made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and
Таблица 1 – Исходные данныеTable 1 - Initial data
На фиг. 3 представлен график падения давления в подземном трубопроводе СПГ, изготовленного из стали (пунктирная линия) и СВМПЭ (сплошная линия) в зависимости от его длины, полученный по результатам выполненного расчета. Потери давления в стальном трубопроводе значительно превышают аналогичный из СВМПЭ, что очевидно объясняется более высокими значениями шероховатости стали. Как видно из графика падение давления происходит почти линейно. FIG. 3 shows a graph of the pressure drop in an underground LNG pipeline made of steel (dashed line) and UHMWPE (solid line) depending on its length, obtained from the results of the calculation performed. The pressure loss in the steel pipeline is much higher than that of the UHMWPE, which is obviously explained by the higher roughness values of the steel. As you can see from the graph, the pressure drop is almost linear.
На фиг. 4 представлено изменение температуры СПГ для трубопровода, изготовленного из СВМПЭ и стали AISI 321, построенный по результатам расчета Из него видно, что темп роста температуры в трубопроводе из СВМПЭ ниже, чем в аналогичном из стали, что связано в первую очередь со значительно меньшим коэффициентом теплопроводности полимерного материала 0,3 Вт/(м·К) в сравнении с 11 Вт/(м·К) для стального трубопровода. FIG. 4 shows the change in the LNG temperature for a pipeline made of UHMWPE and
Однако наиболее показательной является разница в потерях давления при движении, что подтверждается основными формулами гидравлики и различной шероховатостью труб, а также способностью полимеров к самосмазыванию. Исходя из этого, можно сделать вывод о возможности транспортировки криогенных жидкостей на большие расстояния без сооружения дополнительных насосных станций и станций дополнительного охлаждения. However, the most significant is the difference in pressure losses during movement, which is confirmed by the basic formulas of hydraulics and different roughness of pipes, as well as the ability of polymers to self-lubricate. Based on this, it can be concluded that it is possible to transport cryogenic liquids over long distances without the construction of additional pumping stations and additional cooling stations.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114128A RU2761148C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Method for transporting cryogenic liquids |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114128A RU2761148C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Method for transporting cryogenic liquids |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2761148C1 true RU2761148C1 (en) | 2021-12-06 |
Family
ID=79174427
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021114128A RU2761148C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Method for transporting cryogenic liquids |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2761148C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1030611A1 (en) * | 1980-10-29 | 1983-07-23 | Одесский Технологический Институт Холодильной Промышленности | Pipeline for conveying cryogenic liquid |
JPH05141599A (en) * | 1991-11-13 | 1993-06-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Transportation method for liquified natural gas |
RU2156400C1 (en) * | 1999-04-14 | 2000-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Уральский научно-исследовательский институт трубной промышленности" | Method of transportation of cryogenic liquids and pipe line for realization of this method |
US8122914B2 (en) * | 2006-12-11 | 2012-02-28 | Single Buoy Moorings Inc. | Cryogenic transfer hose having a fibrous insulating layer and method of constructing such a transfer hose |
EA018329B1 (en) * | 2007-09-14 | 2013-07-30 | БиЭйчПи БИЛЛИТОН ПЕТРОЛЕУМ ПиТиУай ЛТД. | Pipeline for transporting cryogenic fluid flowing |
-
2021
- 2021-05-19 RU RU2021114128A patent/RU2761148C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1030611A1 (en) * | 1980-10-29 | 1983-07-23 | Одесский Технологический Институт Холодильной Промышленности | Pipeline for conveying cryogenic liquid |
JPH05141599A (en) * | 1991-11-13 | 1993-06-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Transportation method for liquified natural gas |
RU2156400C1 (en) * | 1999-04-14 | 2000-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Уральский научно-исследовательский институт трубной промышленности" | Method of transportation of cryogenic liquids and pipe line for realization of this method |
US8122914B2 (en) * | 2006-12-11 | 2012-02-28 | Single Buoy Moorings Inc. | Cryogenic transfer hose having a fibrous insulating layer and method of constructing such a transfer hose |
EA018329B1 (en) * | 2007-09-14 | 2013-07-30 | БиЭйчПи БИЛЛИТОН ПЕТРОЛЕУМ ПиТиУай ЛТД. | Pipeline for transporting cryogenic fluid flowing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6994104B2 (en) | Modular system for storing gas cylinders | |
RU2200920C2 (en) | Elements of technological processes, containers and pipes for storage and transportation of liquids at cryogenic temperatures | |
KR100740078B1 (en) | Methods and apparatus for compressed gas | |
US7464557B2 (en) | System and method for cold recovery | |
US6047747A (en) | System for vehicular, land-based distribution of liquefied natural gas | |
US20230332744A1 (en) | Compressed natural gas storage and transportation system | |
JP6684789B2 (en) | Device and method for cooling a liquefied gas | |
US3232725A (en) | Method of storing natural gas for transport | |
US6209350B1 (en) | Refrigeration process for liquefaction of natural gas | |
JP2000506591A (en) | Liquefaction method | |
CA2292736A1 (en) | Pipeline distribution network systems for transportation of liquefied natural gas | |
US3246479A (en) | Heat-insulated tank having tank contents refrigerating, foundation warming, and loading and unloading systems | |
RU2761148C1 (en) | Method for transporting cryogenic liquids | |
WO2017201630A1 (en) | Integrated multi-functional pipeline system for delivery of chilled mixtures of natural gas and chilled mixtures of natural gas and ngls | |
RU2639441C1 (en) | Method for transporting hydrocarbon gas in supercritical state | |
Zhmakin et al. | Study of two-phase transportation mode of liquefied natural gas through a pipeline by the gravitational method | |
RU2584628C2 (en) | Method of preparation for transportation of liquefied hydrocarbon mixture via main pipelines under cool conditions | |
US20230085320A1 (en) | Integrated multi-functional pipeline system for delivery of chilled mixtures of natural gas and chilled mixtures of natural gas and ngls | |
JP2675700B2 (en) | Liquefied natural gas transportation method | |
Parker | Selection of methods and facilities for the economic storage, transport and handling of petroleum gases | |
Haselden | Industrial gas liquefaction and separation | |
Wenzel | Cryogenic Systems |