LNG管路试验探索与实验

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：LNG系统的管路,通常在绝热施工之前,先要进行低温状态的考验,检查所有的焊缝、接口和连接处是否有泄漏及管路在低温状态下收缩情况等。绝热材料及其外保护层施工完成后,可以对管路的保温性进行试验,考核单位管长或管路总的漏热是否符合要求。与LNG管路有关的另一个重要事项是冷却过程。如果LNG突然流入常温的管道,管道会迅速地收缩。由于收缩不一致,可能引起管路、支撑和膨胀节的损坏。一般是在-95～-118℃范围内方可输送LNG。

LNG系统的管路,通常在绝热施工之前,先要进行低温状态的考验(也称为“冷试”或“裸冷”),检查所有的焊缝、接口和连接处是否有泄漏及管路在低温状态下收缩情况等。“冷试”合格后才能进行绝热材料的安装施工。

绝热材料及其外保护层施工完成后,可以对管路的保温性进行试验,考核单位管长或管路总的漏热是否符合要求。

试验一般采用LNG蒸气或是LN₂蒸气作为传热流体,虽然LN₂的温度比LNG低,但测试结果可以换算。实际上,材料在-162℃和-196℃区间内的特性变化不大,因而测试结果不修正也可以使用。常用方法是用气化器产生LN₂蒸气或LNG蒸气,冷蒸气被输送到测试段,使管路冷却。首先设定好流量,用适当的仪表测量蒸气的流量和温升,温升的范围是3～6℃。蒸气所吸收的热量,相当于从隔热材料传入的热量。包括支撑装置和膨胀节的漏热,根据热平衡的热流计算。参考面是外表的平均面积。

图5-34显示了试验的传热状态,温度曲线被认为与冷凝相同,如果简化一下,稳态的热平衡能随着热流体吸收的热量建立起来,即

q=c_pq_m(T_o-T_i) (5-20)式中,c_p为流体比定压热容[J/(kg·K)];q_m为流体的质量流量(kg/s);T_i为蒸气进口温度(K);T_o为蒸气出口温度(K)。

在平衡条件下,根据热流量相等,则

Q=KDπLΔT_m (5-21)式中,K为传热系数[W/(m²·K)];D为测试段的外径(m);L为测试段的长度(m);ΔT_m为对数平均温差(K)。

其中,ΔT₁=T_a-T_iΔT₂=T_a-T_o

式中,T_a为环境温度(K);T_i为流体进入管段的温度(K);T_o为流体流出管段的温度(K)。

如果忽略隔热材料和不锈钢管壁的温降,总的传热系数可按式(5-23)计算:

式中,λ为隔热材料的平均热导率[W/(m·K)];d为管路内径(m);h_i为管内的表面传热系数[W/(m·K)];h_a为隔热材料外表与空气的表面传热系数[W/(m·K)]。

用氮气进行试验测得的典型结果为:T_a=25℃,T_i=-196℃;T_o=-190℃,则ΔT_m=213.88℃。流体的温升可选择6℃左右,流量用孔板测试。

隔热材料的有效平均热导率λ(包括支撑和膨胀节的漏热)可以按式(5-16)和式(5-18)计算,以外表面积为基准的单位面积的平均热流量为

测试数据应在稳定后读取,也就是在管道和隔热材料横截面都已经充分冷却的条件下读取数据,达到稳定可能要花好几天的时间。

达到稳态以后,管道中的流量保持不变,有时难度比较大。尤其是使用环境空气或水加热的气化器,流量的变化可能引起很大的误差。气化器如果结冰,气化量减少,流量降低,图5-34中的曲线就往上翘,结果是蒸气温度升高超过管道温度。这是因为管道的质量和热容量大的缘故,有大量的热流从蒸气流向管道。蒸气温度曲线开始重新往回移动。直到达到新的平衡。由此引起的结果使测得的热量和有效热导率比实际的要小得多。因此,在测试期间,蒸气流量要保持始终稳定。

与LNG管路有关的另一个重要事项是冷却过程。LNG管道要进入运行,必须要先做好冷却过程,也就是常说的预冷过程。为了避免管路结构损坏,预冷过程非常重要。如果LNG突然流入常温的管道,管道会迅速地收缩。管路的底部与沸腾的LNG直接接触,而顶部相对较热,因顶部温度相对较高,这种结果便是所谓的香蕉效应。由于收缩不一致,可能引起管路、支撑和膨胀节的损坏。因此冷却必须慢慢地进行,首先用冷的蒸气在管路中循环,有时还需用干燥氮气吹除管路,去除管路中残留的水蒸气,使管路达到一定温度。一般是在-95～-118℃范围内方可输送LNG。