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提高天然气管道输运能力的新方案：直接加压液化天然气注入及热混合优化研究
邓雅军|刘振明|张天天|周琳|余波
中国武汉长江大学石油工程学院低碳催化与二氧化碳利用国家重点实验室，430100
摘要
推进管道传输技术对于确保稳定的能源供应至关重要。本研究提出了一种创新方案，即直接将加压液化天然气（LNG）注入管道。该方案简化了传统的再气化过程，并利用管道气体的热能来提高传输能力。在低温LNG注入过程中，如果热混合不足，可能会导致局部低温和管道材料损坏等风险。因此，研究注入后的热混合特性和温度分布非常重要。基于数值模拟方法，本研究探讨了LNG注入后的扩散模式及其对管道壁温度的影响。采用更换低温耐受材料管道段和控制支管结构参数等策略来解决局部低温问题。结果表明，LNG注入比例对混合动态和壁温度有显著影响。将注入比例从0.5%提高到5%，可使最低出口温度降低67.9%。对于注入比例低于5%的运行条件，仅对最初的10米管道段进行改造即可。关于支管配置，在管道直径的四分之一处进行改造时，最低壁温和出口温度分别提高了21.09°C和4.76°C。此外，增加支管直径可以有效减轻LNG对管道壁的热影响。本研究为提高现有管道网络的传输能力提供了一种经济且可靠的解决方案。
引言
随着全球能源需求的持续增长，作为清洁能源的天然气在世界能源结构中的地位日益突出。由于其清洁、高效和低碳的特性，天然气正在逐渐取代煤炭和石油，从而导致需求持续增长[1]。作为重要的国家基础设施和关键民生项目，天然气管道网络是连接和协调上下游开发的关键纽带，也是现代能源系统和综合运输系统的重要组成部分[2]。近年来，中国在天然气管道建设方面取得了显著进展。预计到2025年，全国管道网络的总长度将达到163,000公里，逐步形成一个具有多个天然气供应源的“综合网络”[3]。然而，天然气需求也在增加。据预测，到2025年，天然气消费量将达到4200亿立方米，约占总能源消费量的12%[4]。目前天然气管道的传输能力越来越难以满足不断增长的能源供应需求。这种供需不平衡在冬季高峰期尤为明显。因此，提高天然气管道的输送能力对于保证稳定和安全的能源供应至关重要。
目前，提高管道输送能力的常见工业技术主要包括提高管道压力、减少阻力技术以及优化传输和分配系统[5]、[6]、[7]。在提高压力的技术中，通过增加压力来提高输送能力的本质在于增强气体动能并优化流动效率，这需要平衡压力增加、管道强度和运营成本[8]、[9]。Zheng等人[10]和Botros等人[11]采用的压力控制策略旨在提高管道容量。值得注意的是，Botros等人开发的阶段性加压方法通过逐步调整压力来抑制节流引起的相变不稳定性，从而可以将气体输送能力提高15%至20%。在减少阻力技术方面，常用的方法包括向管道中注入减阻剂和应用内部管道涂层技术[12]、[13]。尽管这些方法在减少流体流动阻力方面显示出显著效果，但减阻剂和涂层会受到管道内湍流的影响，导致其在管道中的分布不均匀，从而降低减阻效果[14]。此外，在实际应用中，减阻剂和涂层面临使用寿命短、可能对管道造成腐蚀、环境污染和成本高等问题。这些因素显著影响了它们的经济可行性和实际应用效果[15]、[16]。传输和分配系统的优化主要涉及管道网络布局、流量和压力调节、运营策略以及控制系统优化。合理的规划可以提高管道传输效率，同时降低能源消耗和运营成本[17]、[18]、[19]。上述常见的管道输送能力提升技术已经相对成熟。面对日益增长的天然气运输需求，迫切需要开发新的概念和解决方案。
液化天然气（LNG）作为一种替代的天然气资源载体，其能量密度高于气态形式。统计数据显示，2022年中国对天然气的依赖程度达到了42%，其中LNG进口占总量的60%以上[20]、[21]、[22]。将LNG转化为高压气态天然气以进行远距离管道运输需要几个关键步骤，包括接收和储存、加压、蒸发、压力调节和注入[23]。到达接收终端后，LNG被储存在约-162°C的低温罐中[24]。然后通过泵将其压力提升到管道网络所需的输送压力，通过蒸发器将其蒸发为气态天然气，并通过系统监测其质量以确保进入管道网络的气体安全和稳定。最后，通过管道输送到接收终端，在那里减压并分配给最终用户。显然，将低温LNG转化为高压天然气的过程非常复杂。在LNG蒸发和加压过程中会产生大量的热损失、冷能浪费和压缩能耗[25]、[26]、[27]。尽管可以通过优化热交换器和压缩机来减少这些能量损失，但在整个运输过程中这些损失仍然不可避免。
将LNG直接注入远距离天然气管道目前还没有实际应用案例，但它与新能车辆领域的液化压缩天然气（L-CNG）加注站具有类似的优点。传统的CNG站使用多级往复压缩机逐步加压管道天然气，消耗大量能量，最终将高压气态天然气储存在20-25 MPa的储罐中以备后续加注操作[28]、[29]。相比之下，L-CNG站将LNG储存在罐中，并使用低温高压泵将其压力提升到20-25 MPa的目标压力。然后通过蒸发器将LNG蒸发以完成加注。与CNG站相比，L-CNG站通过用耗能较低的液体泵替代能耗较高的多级气体压缩机，简化了工艺流程。尽管两种过程都涉及加压步骤，但CNG站存在明显的局限性：设备投资大、运营能耗高、占地面积大，以及多级压缩产生的振动和噪音对选址有严格限制[30]、[31]、[32]。在本研究中，LNG的输送目的地是高压远距离管道，新方案用低功率液体泵替代了气体压缩机进行加压，这与L-CNG站的优点类似。Kang等人[33]也提出了在LNG工艺优化领域使用低功率泵替代高功率压缩机的想法，进一步验证了新方案的优势和可行性。
本研究提出的创新工艺流程如图1所示。LNG通过低温高压泵加压后直接注入远距离天然气管道，在那里通过与管道气体的热交换实现蒸发。与目前LNG蒸发站使用的两种常见工艺流程相比，新方案具有某些优势。在第一种工艺中，LNG通过蒸发器后，需要使用压缩机重新加压以满足远距离管道的注入压力要求（10-15 MPa）。新方案通过消除高功率气体压缩机和蒸发器的建设和运营成本简化了工艺。在第二种工艺中，LNG在进入蒸发器之前被加压到更高水平，然后进行蒸发和注入。这对蒸发器提出了特定的压力承受要求。新方案减少了与高压蒸发器相关的建设和运营成本。此外，除了直接简化设备和工艺外，注入的LNG产生的低温可以在一定程度上降低天然气的粘度，从而减少流动阻力。这样可以有效利用这部分潜在的冷能。然而，在注入的低温LNG与环境温度管道气体之间的混合和热交换过程中，可能会出现局部低温区域，这可能严重威胁管道材料的安全性和使用寿命。
本研究提出了一种直接将LNG注入管道的技术方案。为了解决LNG注入引起的局部低温问题，将通过调整注入速率和优化支管结构来控制管道内部温度，同时用低温耐受材料替换混合段管道。基于数值模拟，分析了注入后的耦合热和质量传递，以评估可行性并确定所需材料替换的长度。研究了高压和宽温度范围内天然气的物理特性，并建立了经过验证的数值模型。研究了不同注入速率下的扩散和温度演变，从而确定了需要替换的管道长度。此外，还优化了结构参数（支管长度和直径）以增强热混合并提高最低壁温度。这项工作为提高天然气运输能力提供了新的解决方案，并为该领域的技术发展提供了参考。
章节摘录
控制方程
本研究采用数值模拟方法来描述LNG注入天然气管道后的耦合热和质量传递行为。LNG和天然气的主要成分都是甲烷。模拟过程假设甲烷是一种弱可压缩流体，其物理特性的变化将在后面详细说明。根据质量守恒定律，天然气流动的连续性方程可以表示为：
LNG注入比例对混合过程的影响
本节主要分析LNG注入比例对管道内混合和热交换过程的影响，以及其对管道内部温度分布和管道壁的影响。支管从主管道的顶部延伸到主管道直径的一半处，使支管出口与主管道的中心轴对齐。不同LNG注入比例下的各种监测平面上的温度分布如图8所示。
结论
本研究采用数值模拟来评估直接将LNG注入天然气管道的可行性。研究了LNG注入后的扩散行为及其对管道壁温度的影响，考察了LNG注入比例和关键支管设计参数对内部热场的影响，并提出了实际实施指南。结论如下：
(1)LNG注入比例对...
CRediT作者贡献声明
邓雅军：撰写——原始草案，资金获取，概念构思。刘振明：撰写——原始草案，验证，方法论，数据整理。余波：监督，资源提供，调查。张天天：项目管理，方法论。周琳：撰写——审阅与编辑，可视化，形式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：51906018）的支持。
