СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD FOR TRANSPORTING CRYOGENIC LIQUIDS

Изобретение относится к способу транспортирования криогенных жидкостей, в особенности сжиженных газов, и может быть использовано при проектировании и сооружении трубопроводов, транспортирующих криогенные жидкости.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Техническим результатом является снижение гидравлических сопротивлений при движении жидкости путем применения труб, изготовленных из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).
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.
Способ поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 – принципиальная схема перекачки СПГ по трубопроводам;
фиг. 2 – поперечный разрез сечения трубопровода;
фиг. 3 – график падения давления в трубопроводе, изготовленном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и аналогичном из стали;
фиг. 4 – график распределения температуры СПГ в трубопроводе, изготовленном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и аналогичном из стали, где:
1 – завод сжижения;
2 – перекачивающая насосная станция;
3 – станция дополнительного охлаждения;
4 – установка регазификации;
5 – низкотемпературное хранилище;
6 – потребитель;
7 – газовоз;
8 – трубопровод из СВМПЭ;
9 – теплоизоляционный слой;
10 – пароизоляционный слой;
11 – покровный слой.
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.
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.
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.
Поверх теплоизоляционного слоя 9 монтируют не менее двух пароизоляционных слоев 10, которые могут быть изготовлены, например, из полиэтиленовой пленки либо фольги.
Затем устанавливают покровный слой 11, изготовленный, например, из композиционных материалов либо из металлических листов.
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:
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления;
x – длина участка трубопровода;
int
d – внутренний диаметр,
v – скорость потока,
ρ - плотность.
В формуле (1) влияние местных сопротивлений учитывается путем увеличения потерь давления на 1,5%.
Изменение давление в любой точке потока:
i
i
p – давление в начале участка трубопровода, Δp – падение давления на рассматриваемой участке трубопровода
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:
G – массовый расход криогенной жидкости;
p
c — коэффициент теплоемкости СПГ;
K – полный коэффициент теплопередачи;
int
d – внутренний диаметр трубопровода;
T – температура СПГ на участке трубопровода x;
0
T -  температура грунта на глубине заложения трубопровода; g – ускорение свободного падения,
i
i+1
i – гидравлический уклон, p, p– давления в начале и в конце участка трубопровода, соответственно;
h
x – протяженность участка трубопровода, D – коэффициент Джоуля-Томсона.
Выражение, позволяющее определить температуру в любой точке потока:
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:
p
ins
ext
ins
1
λ, λ- коэффициенты теплопроводности стенки трубы и изоляционного материала трубопровода, соответственно, d – наружный диаметр трубопровода; d – диаметр трубопровода с изоляционным покрытием; α -  внутренний коэффициент теплопередачи, характеризующий движение тепла от внутренний поверхности трубопровода к СПГ:
LNG
λ – коэффициент теплопроводности СПГ;
Nu – число Нуссельта.
2
α – внешний коэффициент теплопередачи, характеризующий движение тепла от грунта к внешней поверхности изоляционного покрытия:
gr
λ – коэффициент теплопроводности грунта;
0
h – эквивалентная глубина заложения трубопровода.
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.
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.
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.
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.
4
2
2
6
В качестве примера, подтверждающего работоспособность способа, был выполнен расчет трубопровода СПГ состава (в % об.): СН - 99,8 %; N- 0,13 %; СН - 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.
Таблица 1 – Исходные данные
Параметр
Величина
СВМПЭ
AISI 321
Наружный диаметр трубопровода, d<sub>ext</sub>, мм
350
351
Внутренний диаметр трубопровода, d<sub>int</sub>, мм
286
325
Внешний диаметр трубопровода с изоляционным покрытием, d<sub>ins</sub>, мм
410
411
Протяженность трубопровода, L, м
20000
Шероховатость стенки трубопровода, мм
0,00022
0,2
Массовый расход, G, т/сут
5000
Коэффициент теплопроводности материала трубы, λ<sub>pipe, </sub>Вт/(м·К)
0,3
11
Коэффициент теплопроводности изоляционного покрытия, λ<sub>ins, </sub>Вт/(м·К)
0,03
Коэффициент теплопроводности грунта, λ<sub>gr, </sub>Вт/(м·К)
1,9
Эквивалентная глубина заложения, h<sub>0, </sub>м
2
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.
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.
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.