管道的预冷和保冷措施详解

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：温度下降的速率与低温介质输入的状态、流量有关,同时与被冷却的管道的质量有关。根据有关操作的经验,冷却速率在50℃/min左右是比较安全的。对于一特定的管道,则主要取决于冷却速度。系统在预冷期间,如果忽略内外温差引起的传热,LNG由液体转变为气体并排出管路的过程中,所吸收的热量是来自于固体材料。通常需要维持少量的LNG在管内循环,使管道一直处于低温状态。

1.预冷

在预冷时,为了防止因温度变化过快、热应力过大而使材料或连接部位产生损坏,应控制预冷时温度下降的速率。温度下降的速率与低温介质输入的状态、流量有关,同时与被冷却的管道的质量有关。根据有关操作的经验,冷却速率在50℃/min左右是比较安全的。预冷所需要的低温介质的数量与材料的质量、比热容及冷却速度有关。对于一特定的管道,则主要取决于冷却速度。

预冷所需要的时间,可以通过热力分析进行大致的估计。如果把管道作为一个热力系统来考虑,可对系统进行热动力学分析。系统在预冷期间,如果忽略内外温差引起的传热,LNG由液体转变为气体并排出管路的过程中,所吸收的热量是来自于固体材料。按照热力学系统能量平衡原理,总的热量传递可按式(5-15)计算:

式中,Q为热量传递的总量;m_i、m_s为起始状态和终了状态时系统中所具有的质量;u_i、u_s为起始状态和终了状态时系统中比热力学能;t为冷却所需时间;q_m,g2为流体流出系统的质量流量;h_g2为流体流出系统时(气态)的比焓;q_m,L1为液体进入系统的质量流量;h_L1为液体进入系统时(液态)的比焓;下标s为终了状态;下标i为起始状态;下标g2为出口气体状态;下标L1为进口液体状态。

传递给系统的总热量可以表达为各种热量之和,即

式中,Q_s为从环境传入的热量;m_w为需要冷却的系统质量;c_w为需要冷却的物体的平均比热容。

假设在冷却时的传热速率是稳态时的一半,式(5-16)可以写成:

式中,Q_s为传热温差不变的情况下的传热量。

根据系统质量平衡,冷却期间冷却介质的质量变化,等于进入管线的质量减去t时间内流出管线的气体的平均质量,即

m_s-m_i=(q_m,L1-q_m,g2)t

气体出口时流速为

式中,C_d为传输管线一端相连特定连接物的排出系数;γ为比热[容]比;R为气体常数。

流出气体的平均比焓h_g2可以定义为

也可由气体出口状态的T-S图和管道平均温度(T_s+T_i)/2确定。

初始质量m_i可以写成气体体积V和初始密度的乘积,即

m_i=Vρ_gi

最终的质量为m_s=Vρ_s,由此得出:

式中,v_L为饱和液体比体积;v_g为饱和蒸气比体积。

冷却时间为

管线冷却所需的低温流体需求量的下限可按式(5-19)估算;

2.保冷

有些输送LNG的管道并不是连续工作的,而是间歇性地工作,例如LNG汽车加气站的LNG加注管路,有汽车来加LNG时才工作。还有LNG接收站的卸液管路,只有在LNG卸船时才工作。为了做到能随时加液或随时卸货,需要对管道进行保冷(维持低温状态)。通常需要维持少量的LNG在管内循环,使管道一直处于低温状态。当然,也不是所有管道都需要进行这种操作的,主要取决于管道不工作的周期与管道预冷所需要的周期。

管道的预冷和保冷措施详解

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