[发明专利]液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源管道设计方法

摘要

本发明公开了一种液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道设计方法，该方法通过满足了复合能源传输管道内的最大允许压降、最大允许温升和最大允许真空度变化率这三个运行限制条件，避免了因真空、绝热结构设计不合理而造成的真空维护时间过短或管道漏热过大的安全隐患。同时，本发明直接将液氮传输管道设置在液化页岩气传输管道内，不仅降低了整个复合能源管道的研制成本，还降低了液氮传输管道的漏热功率，进而节省设置在复合能源管道外的低温制冷机的运行成本。

主权项

1.一种液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道设计方法，其特征在于，包括以下步骤，1)确定液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道的构造；其中，超导直流电缆同轴设置在液氮传输管道的内部，所述液氮传输管道同轴设置在液化页岩气传输管道的内部；而且，所述液化页岩气传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述液氮传输管道包括内管、外管、内管与外管之间的真空夹层以及所述真空夹层内的绝热材料；所述超导直流电缆包括金属铜骨架和绕制在金属铜骨架上的超导导线；其中，所述液化页岩气传输管道的内管通过若干个金属支撑架与所述液氮传输管道的外管相连，而且所述液氮传输管道的内管通过若干个非金属支撑架与所述超导直流电缆的金属铜骨架相连；且所述液化页岩气传输管道和所述液氮传输管道的内管与外管均由不锈钢制成；2)确定液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道的预设性能参数和允许工作条件；包括：液氮的初始压强为P₁，单位传输长度内液氮的最大允许压降为液氮的初始温度为T₁，单位传输长度内液氮的最大允许温差为单位运行时间内液氮传输管道的最大允许真空度变化率为单位传输时间内液化页岩气的流量质量为液化页岩气的初始压强为P₂，单位传输长度内液化页岩气的最大允许压降为液化页岩气的初始温度为T₂，单位传输长度内液化页岩气的最大允许温差为单位运行时间内液化页岩气传输管道的最大允许真空度变化率为复合能源管道外的大气压强为P₃，复合能源管道外的大气温度为T₃，所述超导直流电缆的损耗功率为q₁，所述液氮传输管道泄漏到所述液化页岩气传输管道中的漏热功率为q₂；3)确定液化页岩气‑液氮‑超导直流电缆复合能源管道的设计参数；包括：所述液氮传输管道的内管的内径D₀、外径D₁和厚度S₁，所述液氮传输管道的外管的内径D₂、外径D₃和厚度S₂，所述液氮传输管道的真空夹层的厚度δ₁，所述液氮传输管道的绝热材料的厚度δ₂，所述液化页岩气传输管道的内管的内径D₄、外径D₅和厚度S₃，所述液化页岩气传输管道的外管的内径D₆、外径D₇和厚度S₄，所述液化页岩气传输管道的真空夹层的厚度δ₃，所述液化页岩气传输管道的绝热材料的厚度δ₄，单位传输时间内液氮的流量质量所述液化页岩气传输管道泄漏到外界大气中的漏热功率q₃；根据D₀与函数关系，确定D₀与的第一个数值关系方程：其中，ρ1为液氮的密度；f1为液氮的摩擦系数，而且，其中，μ1为液氮的动力粘度；v1为液氮的传输速度；根据与q₁、q₂、D₀的函数关系，确定D₀与的第二个数值关系方程：其中，C₁为液氮的比热容；联立D₀与的两个数值关系方程，求解出D₀与的数值大小；根据S1与P1、D0的函数关系，确定S1的数值：其中，σ为不锈钢材料的许应应力；为不锈钢材料的焊缝系数；所述液氮传输管道的内管的外径D₁等于D₀+2S₁；根据δ1与T1、T2、q2、D1的函数关系，确定δ1的数值：其中，λ为绝热材料的热导率；根据δ₂与δ₁、D₁的函数关系，确定δ₂的数值：其中，g1为绝热材料的放气率；g2为不锈钢管的放气率；当δ1≤δ2时，绝热材料的实际厚度设置为δ1，且真空夹层的实际厚度设置为δ2，所述液氮传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ2；当δ1>δ2时，绝热材料的实际厚度设置为δ1，且真空夹层的实际厚度也设置为δ1，所述液氮传输管道的外管的内径D2等于D1+2δ1；根据S2与P2、D2的函数关系，确定S2的数值：其中，m为不锈钢材料的稳定系数；E为不锈钢材料的弹性模量；L为不锈钢管的长度；所述液氮传输管道的外管的外径D3等于D2+2S2；根据D₄与D₃函数关系，确定D₄的数值：其中，ρ2为液化页岩气的密度；f2为液化页岩气的摩擦系数，而且，其中，μ2为液化页岩气的动力粘度；v2为液化页岩气的传输速度；根据q₃与q₂、D₃、D₄的函数关系，确定q₃的数值：其中，C2为液化页岩气的比热容；根据S3与P2、D4的函数关系，确定S3的数值：所述液化页岩气传输管道的内管的外径D5等于D4+2S3；根据δ3与T2、T3、q3、D5的函数关系，确定δ3的数值：根据δ₄与δ₃、D₅的函数关系，确定δ₄的数值：当δ3≤δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度设置为δ4，此时所述液化页岩气传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ4；当δ3>δ4时，绝热材料的实际厚度设置为δ3，且真空夹层的实际厚度也设置为δ3，此时所述液化页岩气传输管道的外管的内径D6等于D5+2δ3；根据S4与P3、D6的函数关系，确定S4的数值：所述液化页岩气传输管道的外管的外径D7等于D6+2S4。