提高ORV海水管線運(yùn)行穩(wěn)定性的方法

林建盛，林素輝，邊 遠(yuǎn)

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100)

開(kāi)架式海水汽化器(Open Rack Vaporizer，簡(jiǎn)稱ORV)是使用海水作為熱交換介質(zhì)來(lái)氣化LNG。工作時(shí)利用頂部的海水噴淋裝置將海水噴淋在管束板外表面，依靠重力作用自上而下流動(dòng)，而LNG在傳熱管內(nèi)向上流動(dòng)時(shí)與海水換熱氣化成NG外輸。因此ORV也稱為液膜下落式汽化器。氣化所需海水由海水泵加壓輸送，海水泵有一級(jí)葉輪，工藝參數(shù)為流量7 140 m3/h、揚(yáng)程41.8 m、設(shè)計(jì)壓力0.7 MPa、操作壓力0.3 MPa。由于海水泵的工作壓力為0.3 MPa，而ORV的工作壓力為0.05 MPa，將致ORV進(jìn)口壓力過(guò)高，不僅影響ORV海水管線，而且影響ORV的使用壽命。為使得進(jìn)入ORV的海水壓力盡量接近其工作壓力，需對(duì)ORV海水系統(tǒng)的相應(yīng)閥門進(jìn)行一系列的調(diào)整，使得調(diào)節(jié)閥門的前后壓力發(fā)生較大變化，同時(shí)，由于ORV海水管線布置的特點(diǎn)的影響而使得ORV海水管線發(fā)生較大震動(dòng)(水錘)，長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)可導(dǎo)致ORV海水管線出現(xiàn)裂紋漏水(海水流量控制閥后管線)、ORV海水分配蝶閥受損嚴(yán)重和ORV海水分布器脫落等情況，并且過(guò)大震動(dòng)使海水分布槽對(duì)每根翅片管的海水量分布不同，比較容易使翅片管發(fā)生變形。文章提出了消除ORV海水管線產(chǎn)生水錘的方法，以達(dá)到提高ORV海水管線運(yùn)行穩(wěn)定的目的。

1 LNG接收站海水流程簡(jiǎn)介及ORV基本情況

圖1是LNG接收站海水流向簡(jiǎn)圖，由海水泵輸送的海水通過(guò)兩條海水管線(一備一用)經(jīng)閥門調(diào)節(jié)后進(jìn)入海水分布器，分配成薄膜狀沿翅片式換熱管的外部從上向下流動(dòng)，LNG從翅片管底部進(jìn)入，在翅片管內(nèi)部從下往上流動(dòng)，兩種介質(zhì)做逆流式熱交換，使得LNG氣化成為常溫天然氣從ORV頂部輸出，海水進(jìn)入海水渠排回大海。

ORV工藝參數(shù)如表1所示。

表1 ORV工藝參數(shù)

2 ORV海水管線產(chǎn)生水錘的原因分析

2.1 水錘的危害［1］

水錘是壓力管道中一種重要的非恒定流。在壓力管道中，因某種外界原因使得水的流速突然變化，并且由于液體的慣性作用，引起液體內(nèi)部壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種交替變化的壓強(qiáng)作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水錘或水擊。

水錘引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾倍，甚至數(shù)百倍，輕微時(shí)表現(xiàn)為噪聲和管路震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)則造成閥門損壞、管道接頭斷開(kāi)，甚至引起管道嚴(yán)重變形和爆裂等重大事故。反之，壓強(qiáng)過(guò)低會(huì)導(dǎo)致管道癟塌，還會(huì)損壞閥門和固定件，影響生產(chǎn)。

2.2 水錘的基本理論

產(chǎn)生水錘的內(nèi)因是液體的可壓縮性和管道中流體的慣性，水錘發(fā)生時(shí)出現(xiàn)水錘波，在發(fā)生的部位水錘以波的形式向外傳播，其水錘大小的計(jì)算公式可表示為:

其中:ΔH—水錘的壓力水頭增加值，m;ΔV—水流速度的變化值，m/s;C—水錘波傳播速度，m/s;g—重力加速度，m/s2。

由公式(1)可知，產(chǎn)生水錘的根本原因是水流速度的突然變化，只要系統(tǒng)的壓力發(fā)生變化，水的流速必然發(fā)生變化;水錘的大小與水錘波的波速成正比。

2.3 ORV海水管線水錘成因

1)海水流量大且流速快。每臺(tái)ORV所需海水的設(shè)計(jì)流量為6 883 t/h，ORV海水管線的尺寸為36″，海水密度為1.03 g/cm3，由連續(xù)性方程m=V·A·ρ可知，海水在海水管線中的流速(未發(fā)生節(jié)流)V=m/(A·ρ)=6 883 000/［3.14 ×(18 ×0.025 4)2×1 030 ×3 600］=2.83 m/s。

2)海水壓力發(fā)生快速變化。在ORV運(yùn)行時(shí)，為了控制和平衡每臺(tái)ORV的海水流量，在海水管道上設(shè)有流量控制閥門，當(dāng)海水在管道中流動(dòng)時(shí)，雖然沒(méi)有閥門的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，但是海水在流經(jīng)流量控制閥門前后壓力發(fā)生了較大變化，從0.3 MPa左右降至0.05 MPa左右。

2.4 ORV海水管線水錘成因分析

伯努利方程［2］是理想流體定常流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。它表明，在作定常流動(dòng)的流體中，沿同一流線的每單位體積流體的動(dòng)能、勢(shì)能和該處的壓強(qiáng)之和是一個(gè)常量，即:

式中:P—壓強(qiáng);ρ—流體密度;V—流體流速;h—距地面高度。

對(duì)于同一水平高度的流體則:

如圖2所示，海水流經(jīng)FV閥時(shí)，可建立方程:

由于閥門的節(jié)流作用，閥門前后的壓力發(fā)生了變化，假設(shè)海水泵出口至ORV海水流量控制閥FV間未發(fā)生節(jié)流作用，PA=0.3 MPa＞PB=0.05 MPa，由方程(4)可得:

即:VB=22.21 m/s

由計(jì)算可知，海水由 A處的2.83 m/s瞬間升高到B處的22.21 m/s，海水從B處進(jìn)入海水分配管，由于慣性速度不變，在海水管道彎頭處及分配管處海水流向發(fā)生了巨大的變化，同時(shí)由于高度和各個(gè)海水分配閥門的節(jié)流作用，海水流速迅速降低，相當(dāng)于在C點(diǎn)處產(chǎn)生了快速關(guān)閉閥門的效應(yīng)，形成水錘，從而導(dǎo)致ORV海水進(jìn)口匯管出現(xiàn)裂紋漏水(海水流量控制閥FV閥后管線)、ORV海水分布蝶閥受損嚴(yán)重和ORV海水分布器脫落等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 消除水錘的方法

由水錘大小計(jì)算公式(1)可知，若減緩水在ORV海水系統(tǒng)中的流速變化即降低海水流速增量ΔV，降低機(jī)械波的傳遞速度，水錘就可以得到控制。因此，可通過(guò)降低FV閥前后的壓差達(dá)到消除水錘的目的，有兩種方式，一是適當(dāng)降低FV閥前即A處的壓力，二是適當(dāng)增大FV閥后即B處的壓力。

3.1 適當(dāng)減小A處的壓力

3.1.1 增加限流孔板［3］

1)工作原理。限流孔板設(shè)置在管道中主要用于流體輸送過(guò)程中的降壓、限流。流體通過(guò)孔板就會(huì)產(chǎn)生壓力降，通過(guò)孔板的流量則隨壓力降的增大而增大。但當(dāng)壓力降超過(guò)一定數(shù)值，即超過(guò)臨界壓力降時(shí)，不論出口壓力如何降低，流量將維持一定的數(shù)值而不再增加。

2)選型原則。限流孔板按孔板上開(kāi)孔數(shù)分為單孔板和多孔板，按板數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)。

板數(shù)的選擇:a.當(dāng)液體壓降小于或等于2.5 MPa時(shí)，選擇單級(jí)孔板;b.當(dāng)液體壓降大于2.5 MPa時(shí)，選擇多級(jí)孔板，且使每塊孔板的壓降小于2.5 MPa。結(jié)合海水管線的實(shí)際運(yùn)行情況，由于壓降小于2.5 MPa，故可選擇單級(jí)孔板。

孔數(shù)的選擇:a.管道公稱直徑小于或等于150 mm的管路，通常采用單孔孔板;大于150 mm時(shí)，采用多孔孔板;b.多孔孔板的孔徑一般可選用 12.5、20、25、40 mm。

因此，結(jié)合LNG項(xiàng)目ORV海水管線的情況，海水管道的公稱直徑914.4 mm(36×25.4 mm)大于150 mm，故可選擇多孔孔板。

3)孔板數(shù)的確定。對(duì)于液體單級(jí)孔板的計(jì)算，可按下式進(jìn)行:

其中:Q—工作狀態(tài)下體積流量，m3/h;C—孔板流量系數(shù);d0—孔板孔徑，m;ΔP—通過(guò)孔板的壓降，Pa;γ—工作狀態(tài)下的相對(duì)密度。

由上式代入相關(guān)數(shù)據(jù)即可得出單級(jí)孔板的孔徑。

多孔孔板數(shù)的計(jì)算，可按下式進(jìn)行:

式中:N—多孔孔板孔數(shù)，個(gè);d0—單孔孔板孔徑，m;d—多孔孔板的孔徑，m;

由(5)(6)式根據(jù)孔徑即可確定單級(jí)孔板的孔數(shù)。

3.1.2 減小海水泵出口蝶閥的開(kāi)度

在生產(chǎn)操作過(guò)程中，在滿足海水最小流量要求的情況下，可適當(dāng)關(guān)小海水泵出口管道上的調(diào)節(jié)閥，以降低海水泵的流量，從而降低A處壓力，達(dá)到降低ORV進(jìn)口壓力的目的。

3.1.3 減小海水泵的揚(yáng)程

在設(shè)計(jì)海水泵時(shí)可以在保證海水泵流量的情況下，減小海水泵的揚(yáng)程使海水泵出口壓力減小。

3.2 適當(dāng)增大B處的壓力

通過(guò)觀察ORV的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)在海水分配閥門的開(kāi)度下若海水流量大于ORV的設(shè)計(jì)海水流量6 883 t/h，則ORV海水分配閥存在調(diào)整的余度。因此，在滿足ORV設(shè)計(jì)的海水流量下，可調(diào)整關(guān)小海水分配閥的開(kāi)度并保持海水分配平衡，從而達(dá)到增大B處壓力的目的。

3.3 適當(dāng)減小A處壓力，同時(shí)適當(dāng)增大B處的壓力

根據(jù)工藝和設(shè)備要求對(duì)海水泵出口蝶閥(圖1中C、D)、ORV進(jìn)口蝶閥(圖1中A、B)和ORV海水分配碟閥(圖1中E)進(jìn)行合理控制調(diào)節(jié)。表3是ORV進(jìn)行海水測(cè)試的信息統(tǒng)計(jì)。從表3可知，當(dāng)閥門D開(kāi)度為35%，閥門B開(kāi)度為45%，海水流量控制閥FV開(kāi)度為60%和海水分配蝶閥開(kāi)度為40% ～45%的情況下，滿足ORV在設(shè)計(jì)的海水流量下運(yùn)行，并可將ORV的進(jìn)口壓力從240 kPa降至105 kPa，接近ORV的工作壓力，同時(shí)對(duì)海水主管、匯管和海水槽產(chǎn)生的負(fù)面影響較小，但會(huì)導(dǎo)致海水泵至海水泵出口碟閥(C或D)間的海水管線產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，也將影響海水泵的性能。

表3 ORV系統(tǒng)海水運(yùn)行測(cè)試表

綜合以上分析并結(jié)合ORV海水管線的實(shí)際運(yùn)行情況，為避免對(duì)海水泵及海水管線產(chǎn)生負(fù)面影響，可采用保持海水泵出口碟閥和ORV進(jìn)口蝶閥全開(kāi)的情況下，在ORV進(jìn)口蝶閥前增加限流孔板，同時(shí)在滿足海水最小流量要求和ORV海水進(jìn)口壓力盡量接近其工作壓力的前提下，適當(dāng)調(diào)整關(guān)小海水分配碟閥的開(kāi)度，減小海水流量控制閥門前后壓差，進(jìn)而達(dá)到避免水錘現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)，在布置ORV海水管線時(shí)，我們也應(yīng)考慮盡量避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變的情況。

4 結(jié)論

ORV及其海水管線是LNG接收站重要的設(shè)備，其能否正常平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)接收站能否正常向下游供氣。文章通過(guò)對(duì)LNG接收站ORV海水管線運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，找出了形成水錘現(xiàn)象的原因(材料自身缺陷外)，并提出了在ORV進(jìn)口蝶閥前增加限流孔板，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整海水分配蝶閥的開(kāi)度，減小海水流量控制閥前后壓差以消除水錘效應(yīng)的解決方法，以希望對(duì)ORV海水管線的操作運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)提供一些可行性的建議。

［1］李愛(ài)茹，董文明.淺談“水錘效應(yīng)”的危害與消除措施［J］.科技信息，2010，239(9):731.

［2］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(第三版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］化學(xué)工程學(xué)會(huì).工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.HG/T20570.15.1995.