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类型LNG管输保冷层厚度优化设计.pdf

  • 上传人:first2
  • 文档编号:100371955
  • 上传时间:2021-09-07
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    关 键  词:
    LNG 管输保冷层 厚度 优化 设计
    资源描述:
    2 01 1钲 第 1 期 管 道 披 木 P i pe l i n e Te c h n i q u e 设 各 Eq u i p me n t 2 01 1 NO 1 L NG管输保冷层厚度优化设计 尹少慰 , 杨 洋 , 曾从滔 ( 1 西南石油大学石油工程学院, 四川成都6 1 0 5 0 0 ; 2 江西省天然气有限公司, 江西南昌3 3 0 0 0 2 ) 摘要: 对 于低温液化天然气输送管道 , 保冷层厚度的设计是防止管道 内液体气化 , 实现液体单相流 动的关键 。文中以液化天然气管道年保冷层投 资的分摊 费用和运行 费用之和为优化 目标, 同时考虑防 止保冷层外表 面结露 , 允许最大冷损失量, 限制液化天然气进入冷却站温度 3个约束条件 , 建立液化天 然气保冷层厚度计算的优化模型, 并用 V i s u a l B a s i c语言编制相应 的计算机程序 。通过 实例计算, 验证 了模型的合理性和算法的有效性。 关键词 : L N G管道 ; 保冷层厚度 ; 数学模型 中图分类号 : T E 8 3 2 文献标识码 : A 文章编号 : i 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 O l 1 ) O 1 0 0 1 2 0 2 Op t i ma l De s i g n o f Co l d- r e t a i n i ng La y e r f o r LNG Li ne YI N S h a o 。 we i , 一 YANG Ya n g ZENG Co n g t a o ( 1 P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g A c a d e my o f S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 , C h i n a ; 2 J i a n g x i Pr o v i n c i a l Na t u r a l Ga s Co , Lt d , Na n c h a n g 3 3 0 0 0 2, Ch i n a) Ab s t r a c t : F o r a L NG p i p e l i n e , t h e k e y p r o b l e m i s t o p r e v e n t l i q u i d e v a p o r a t i o n, n a me l y t o r e a l i z e t h e s i n g l e p h a s e fl o w T a k i n g t h e t o t a l a n n u a l c o s t a s a n o p t i m a l o b j e c t a n d c o n s i d e r i n g t h e c o n s t r a i n t s a t t h e s a m e t i m e , s u c h a s a v o i d i n g t h e e me r g i n g l i q u i d g l o b u l e, t h e q u a n t i t y o f ma x i ma l c o l d l o s s a n d t h e i n l e t t e mp e r a t u r e o f t h e c o o l i n g s t a t i o n, t h e ma t h e ma t i c mo d e l i s d e v e l o p e d f o r de s i g ni n g t h e c o l d- l a y e r t h i c k n e s s a n d t h e c o mp ut i ng p r o g r a m i s c o mp i l e d b y Vi s ua l Bas i c An a n a l y s i s o f t h e e x a mp l e d e mo n s t r a t e s t h e e f f e c t i v e n e s s a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e e s t a b l i s h e d mo d e l a n d a l g o r i t h m Ke y wor ds: LNG pi pe l i n e; c o l d l a y e r t h i c k n e s s; ma t he ma t i c o p t i ma l 1 目标 函数的建立 示 : 在液化天然气输送 管道 中, 两冷却站距离及输送 压力一定的条件下 , 将年保冷层投资的分摊费用和运 行费用作为优化 目标 , 建立优化 L N G管输保冷层厚 度的数学模型 : F= ( 6 )+ ( 6 ) mi n ( 1 ) 式中: 8为保冷层厚度 , m; ( 为年保冷层投资 的分 摊费用 , 万元 ( 为运行费用 , 万元 。 年保冷层投资分摊 费用 及运行 费用 计算公式 见式 ( 2 ) 、 式 ( 3 ) : ( )=N( M6 + Ms ) ( 2 ) ( = M + M, ( 3 ) 式中: 为保冷层 工程年投资分摊率 ; M 为保 冷层材 料费用 , 万元 ; Ms 为施工费用, 万元 ; 为动力 费用 , 万元 ; 为制冷费用 , 万元 保冷层材料费用和施工费用可用式 ( 4 ) 、 式 ( 5 ) 表 示 , 管道的动力费用和制冷费用可用式 ( 6 ) 、 式 ( 7 ) 表 收稿 日期 : 2 0 1 0一O 1 2 2 收修改稿 日期 : 2 0 1 00 81 9 M = ( 一 ( ) L B Ms= M M , =q L S A p = 0 0 2 4 6p g ( ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) t a - t o _ + 式中: d为管道 内径 , m; L为管长, m; B为保温材料价 格 , m ; 为施工 费用 系数 ; O L 为 电价 , 元 ( k W h ) ; p为管道总压降, P a ; Q 为管内流体的体积流量, m s ; 为管道年运行时间 , s ; 叼为泵机组效率 ; q为管 道 单 位 长 度 的 冷 损 失 , W m; S 为 冷 量 价 格 , ( k W h ) ; p为 L N G密度 , k g m ; 2 为 L N G运动黏度 , 第1 期 尹少慰等: L N G管输保冷层厚度优 妻 m s ; 。 为环境温度 , ; t o 为保冷层 内表 面温度 , ; A为绝热材料平均导热系数 , ( m K) ; 为管道外 表面换热系数 , W ( m - K) 。 2 约束条件的确定 2 1 防止保冷层外表面结露 保冷结构 的外表 面温度要高于水蒸 气 的露点 温 度 。埋地 L N G管道保冷材料易吸收土壤 中的水分而 受潮 , 导致保冷层的导热率增加数倍 , 外部热量将 大 量传人管道 , 而 L N G吸 收少量热量便 会造成部分 气 化 , 产生大量气体。因此, 需防止保冷层外表面结露。 t t ( 1 0 ) 式中: 为保冷层 的外表面温度 , q C; t 。 为水蒸 汽的露 点温度 , 将管道简化为单层保冷结构 , 在 L N G管输过程中 的热传导分解为: 外界对保冷层表面换热 和保冷结构 至内表面导热两个过程。即: 表面换热 : q : ( t 。 一t ) ( 1 1 ) 内表面导热 : l q l =- E( t 一 t 0 ) ( 1 2 ) U 式 中 q 为热量。 在稳定传热条件下 , 其保冷结构表面换热与 内部 导热量相等 。因此 : l ( t 。 一 )= ( t 一 t o ) ( 1 3 ) U 2 2允 许最大 冷损 失 国内对喷涂聚 氨酯 泡体保 温材料最 大冷损失 的 相关规定 J : q q 0 ( 1 4) 式中 g 。 为管道单位长度允许最大冷损失 , W m 2 3 L N G 进 冷却 站 的温度 假设两冷却 站 ( 从 A站到 B站 ) 站 间距离一定 。 L N G从 A站流出后 , 沿管线流动过程 中, 吸收管道 周 围传人的热量 , 温度逐渐升高, 在 B站入 口处温度 达 到最高。所以, 要防止 L N G发生气化 , 避 免管道 内出 现两相流的情况 , 必须限制 B站的进站温度。 t f 0 i =1 , 2 , , M ( 2 1 ) 式中 ) 为 目标 函数的一般形式 ; ( ) 为不等式约 束条件 ; 为不等式约束条件数 。 以 F为优化 目标 , 以式 ( 1 ) 为 目标函数 , 结合约束 条件式 ( 1 0 )式 ( 1 9 ) , 建立 L N G管输保冷层厚度设 计的优化模型 , 该模 型是非线性 的 , 采用混合离散变 量优化方法 进行求解 。 3应用 实例 某 L N G长输管线 , 管径为 2 5 0 H I LT 1 , 管材为不锈钢 管。已知两冷却站 A、 B之间的距离为 1 0 k m, 采用聚 氨酯作为保冷层的绝热材料 , 其平均导热系数为 0 0 3 W ( m K) , 管道外表 面换 热系数为 8 1 4 W ( I l l K) , 管道的总传热系数 K为 0 1 W ( m K) , 周 围环 境温度为 2 5 , 当地水蒸气的露点温度为 2 3 o C L N G 的定压 比热容为 1 6 k J ( k g K) , 动力黏度为0 1 2 2 3 m P a S , 密度为 4 6 9 k g I l l 。 , 流速为 1 5 m s 泵机组效 率为 8 0 , 电价为 1 6元 ( k W h )。保冷材料 费用 为1 0 0 0 11 3 。 , 施工费用系数取 0 2 , 投资偿还年限为 1 0年, 市场冷量价格为 2元 ( k W h ) , 有关标准规定 单位长度允许最大冷损失为 2 5 m 利用 V i s u a l B a s i c编制的计算机程序 , 对该 L N G管道保冷层厚度进行 优化设计。优化计算结果见表 1 。 表 1 L NG 管输保 冷层厚度优化设计结果 ( 下转第 5 7页) 第1 期 刘亚征等: 热网管道在冬季焊接产生冷裂纹 僵 丝 垫 ! 应严格执行相关施工规范。 4 1 施工规范的执行 对于在较低温度下 焊接 的管道 , 要严格按 照 城 镇供热管网工程施工及验 收规 范 C J J 2 82 0 0 4以及 现场设备 、 工业管道工程施工及验 收规范 G B 5 0 2 3 6 9 8中的要求对焊接材料进行烘干处理。 4 2 预 热温 度 的控 制 在低温环境下进行户外管道焊接 , 预热方式将 影 响到工程 的施工进度 和焊缝 的质量 。常用 的预热 方 式有中频加热器预 热和环形火焰加 热器预热。使 用 中频加热器施 工成 本较 高 , 一般选 择环 形火 焰加 热 器 。 焊前预热能起到降低热影响区硬度 、 减缓冷却速 度 、 有 利于扩散氢 的充分逸出 、 防止产 生冷裂纹和改 善接头塑性 的作用 , 整 体预 热还 能减小 焊接 残余 应 力。在低温环境下进行户外管道施工 , 由于风和环境 温度的影响, 预热温度很难保证 。为 了确实保证 预热 温度 , 把对好的焊 口放在防风棚 内, 将焊点两侧各 1 0 0 mm范 围进行预热和焊接 , 这样可对预热温度进行 有 效控制 。由于环境 温度低 , 管材 的散热速度快 , 而 根 焊焊接还需要一定的时间, 不能保证根焊的焊接过程 中预热温度达到焊接工 艺的要求。为了保证在根 焊 焊接过程中预热温度都能达到焊接工 艺规程 的要求 , 将对不同环境下预热温度
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