LNG低溫過(guò)程控制先導(dǎo)式安全閥的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)①

李 河 張周衛(wèi),2 汪雅紅,2 丁世文 郭舜之 趙 麗

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

LNG低溫過(guò)程控制先導(dǎo)式安全閥的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)①

李 河1張周衛(wèi)1,2汪雅紅1,2丁世文1郭舜之1趙 麗1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

根據(jù)LNG低溫高壓系統(tǒng)安全減壓技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了先導(dǎo)式LNG安全閥。該閥用于控制變壓、變溫、變流量的LNG生產(chǎn)過(guò)程，使LNG安全裝置結(jié)構(gòu)更精巧，安全性更高。

LNG安全閥 彈簧 靈敏度 壓力

安全生產(chǎn)技術(shù)一直是制約LNG發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸，直到20世紀(jì)60年代以后，LNG安全生產(chǎn)技術(shù)才得以解決，大規(guī)模工業(yè)化得以實(shí)現(xiàn)，LNG工業(yè)開(kāi)始迅猛發(fā)展。LNG液化溫度一般在-162℃以下，相對(duì)環(huán)境溫度有很大差別，液化和儲(chǔ)存系統(tǒng)具有復(fù)雜的傳熱工質(zhì)，LNG一般處于激烈的相變和多相流動(dòng)狀態(tài)，并伴隨有壓力和溫度的劇烈變化，不斷產(chǎn)生大量的飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽、過(guò)熱液體和汽液兩相流，在變壓變溫過(guò)程中不斷發(fā)生相變并伴隨嚴(yán)重的安全問(wèn)題。如果系統(tǒng)密閉，液化后的LNG 很容易過(guò)臨界并引起爆炸。由于LNG在輸運(yùn)過(guò)程中容易產(chǎn)生多相流引起過(guò)熱沸騰，導(dǎo)致管道內(nèi)溫度和壓力發(fā)生劇變，因此，LNG過(guò)程控制裝備必須具備控制多相流的能力。相應(yīng)的，與系統(tǒng)連接的過(guò)程控制安全閥須具備以下條件：能夠承受劇烈的壓力和溫度的瞬間變化，嚴(yán)格控制飽和壓力和過(guò)臨界壓力；動(dòng)密封盡可能少，能夠承受劇烈的振動(dòng)，連接件不脫落，不泄漏；需穩(wěn)定控制過(guò)程壓力，在壓力突變的情況下可有效降低并維持系統(tǒng)壓力；安裝維護(hù)方便。由于傳統(tǒng)LNG安全閥沒(méi)有導(dǎo)閥，采用獨(dú)立的主閥控制，系統(tǒng)承受壓力較大，安全閥體積龐大，維護(hù)操作困難，安裝不方便，存在反應(yīng)遲鈍、靈敏度差及控制壓力范圍太寬等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的LNG工業(yè)過(guò)程需求。

筆者針對(duì)LNG低溫流體過(guò)程控制和輸運(yùn)過(guò)程中存在的節(jié)流效率和動(dòng)密封泄漏問(wèn)題，提出LNG低溫過(guò)程控制安全閥技術(shù)，用于控制LNG壓力，進(jìn)而控制LNG飽和溫度，提高過(guò)程控制反應(yīng)速度，滿(mǎn)足LNG生產(chǎn)和輸運(yùn)壓力控制要求，同時(shí)減少由于變壓、變溫出口和表面熱流密度不穩(wěn)定造成的壓力突變問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)LNG安全生產(chǎn)和輸運(yùn)過(guò)程控制目的[1]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LNG低溫過(guò)程控制先導(dǎo)式安全閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LNG主閥與導(dǎo)閥并列安裝于閥體內(nèi)，閥體底部和右側(cè)均連接管道和法蘭。主閥壓蓋螺紋連接閥體，連接處有端面密封圈，主閥墊片裝于壓蓋內(nèi)，一端與壓蓋接觸，一端與彈簧接觸；主閥閥桿螺紋連接閥瓣，閥瓣上部安裝墊片，下部與閥體主閥進(jìn)氣通道形成錐形密封面，錐面和柱面密封槽內(nèi)分別安裝密封圈。導(dǎo)閥壓蓋螺紋連接閥體，連接處有端面密封圈。壓蓋內(nèi)安裝T形彈簧支座，支座上安裝彈簧， 彈簧下部為導(dǎo)閥閥芯，閥芯安裝于閥體導(dǎo)閥氣缸內(nèi)。

閥體內(nèi)部自上而下有4條小直徑水平氣流控制通道：第1通道與導(dǎo)閥閥芯上部氣缸連接，為主閥高壓泄氣通道；第2通道位于導(dǎo)閥右側(cè)，進(jìn)口接導(dǎo)閥閥芯，出口與低壓管道接通；第3通道與導(dǎo)閥閥芯下部氣缸連接，為主閥高壓進(jìn)氣通道；第4通道為導(dǎo)閥高壓進(jìn)氣通道，進(jìn)氣口與主閥底部高壓管道接通，出口與導(dǎo)閥氣缸接通[2,3]。

圖1 LNG低溫過(guò)程控制先導(dǎo)式安全閥

導(dǎo)閥閥芯整體為圓柱形結(jié)構(gòu)，柱面開(kāi)有5道密封槽，分別安裝密封圈。導(dǎo)閥閥芯沿軸向兩端向內(nèi)開(kāi)兩個(gè)孔，沿徑向開(kāi)3個(gè)孔，第1軸向孔與第1徑向孔、第2徑向孔連通，第2軸向孔與第2徑向孔連通。

2 工作原理

設(shè)置導(dǎo)閥彈簧預(yù)應(yīng)力并使之與被控系統(tǒng)壓力一致，主閥開(kāi)啟壓力小于系統(tǒng)壓力。將LNG安全閥安裝于系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)額定壓力為6.4MPa。LNG安全閥正常工作時(shí)，導(dǎo)閥將系統(tǒng)壓力通過(guò)管路引入主閥背面，使主閥承受的正壓力與背壓達(dá)到平衡，減輕彈簧的預(yù)緊力，使主閥彈簧、閥桿及閥瓣等組件承受壓力大幅減小，整個(gè)主閥體積大幅減小。系統(tǒng)壓力增大時(shí)，氣體沿閥體第4水平通道進(jìn)入導(dǎo)閥，推動(dòng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，使閥體第1水平通道與導(dǎo)閥閥芯第1徑向孔連通，第2水平通道與第2徑向孔連通，第3水平通道與第3徑向孔脫離。主閥背部氣流沿閥體第1水平通道、閥芯第1徑向孔、閥芯第1軸向孔、閥芯第2徑向孔、閥體第2水平通道流至管道，主閥背壓降低，閥瓣受向上正壓力壓縮彈簧向上運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)氣流沿高壓管道經(jīng)閥體主氣流通道流向低壓管道，達(dá)到安全減壓的目的。系統(tǒng)壓力降低后，彈簧推動(dòng)導(dǎo)閥閥芯向下運(yùn)動(dòng)，使閥體第1水平通道與導(dǎo)閥閥芯第1徑向孔脫離，閥體第2水平通道與導(dǎo)閥閥芯第2徑向孔脫離并與第1徑向孔接通，第3水平通道與第3徑向孔接通，氣流沿閥體第4通道向上進(jìn)入導(dǎo)閥第2軸向孔，再經(jīng)第3徑向孔、閥體第3水平通道進(jìn)入主閥背部，主閥背壓升高，閥瓣在彈簧作用下向下運(yùn)動(dòng)，安全閥關(guān)閉，系統(tǒng)壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

LNG低溫液化系統(tǒng)(-164℃、6.4MPa)表面接受太陽(yáng)能輻射、空氣對(duì)流換熱、環(huán)境熱輻射和管道內(nèi)摩擦熱以后，系統(tǒng)內(nèi)部流體會(huì)產(chǎn)生大量的過(guò)熱蒸汽并導(dǎo)致系統(tǒng)壓力劇烈變化，如果不能有效排出過(guò)熱蒸汽，可能會(huì)造成一定的安全問(wèn)題。如果系統(tǒng)壓力過(guò)低，低于三相點(diǎn)壓力時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)階段性的液泛現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力劇增給系統(tǒng)帶來(lái)極大安全隱患。所以，筆者著重介紹如何通過(guò)先導(dǎo)式LNG安全閥控制低溫系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)LNG低溫流體的有效管理。LNG低溫過(guò)程控制安全閥，主要由LNG導(dǎo)閥與LNG主閥兩部分組成。其工作原理是：利用導(dǎo)閥控制主閥從而控制LNG低溫系統(tǒng)的壓力，LNG導(dǎo)閥控制壓力為超低溫額定工況下壓力，如果LNG安全閥系統(tǒng)內(nèi)部的壓力超過(guò)主閥系統(tǒng)能承受的極限壓力，則LNG導(dǎo)閥將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)并泄掉主閥背壓力，從而進(jìn)一步打開(kāi)主閥進(jìn)行安全泄壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于新型先導(dǎo)安全閥設(shè)計(jì)壓力時(shí)，導(dǎo)閥則自動(dòng)關(guān)閉，以此循環(huán)，使主閥正面承受壓力與背面承受壓力達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)壓力的要求。

具體過(guò)程如下：導(dǎo)閥中彈簧控制導(dǎo)閥閥芯的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)閥閥芯所受壓力大于彈簧的預(yù)緊力時(shí)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一定行程后導(dǎo)閥低壓端打開(kāi)，主閥背部高壓氣體通過(guò)導(dǎo)閥低壓端泄掉，從而把主閥打開(kāi)進(jìn)行安全泄壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力小于安全閥設(shè)計(jì)極限壓力時(shí)導(dǎo)閥閥芯向下運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)高壓進(jìn)氣端把高壓端氣體通過(guò)毛細(xì)孔引入主閥背部關(guān)閉主閥，從而使主閥承受正壓力與承受背壓力達(dá)到平衡。主閥中彈簧負(fù)責(zé)主閥關(guān)閉時(shí)主閥瓣的復(fù)位，其預(yù)緊力大小為主閥瓣的重力。主閥瓣上兩道密封圈分別密封主閥背部和從高壓端進(jìn)來(lái)的高壓氣體以免泄漏到低壓端。導(dǎo)閥閥芯上的密封圈密封進(jìn)入導(dǎo)閥的高壓氣體以免漏氣，從而達(dá)到安全泄壓的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

LNG安全閥利用導(dǎo)閥控制主閥從而控制LNG液化低溫系統(tǒng)壓力，可實(shí)現(xiàn)低溫高壓(-164℃、6.4MPa)工況下LNG安全生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程控制要求。主閥預(yù)緊力小，導(dǎo)閥控制壓力點(diǎn)高，可用于控制LNG多相流。能夠承受劇烈的壓力和溫度瞬間變化過(guò)程，可嚴(yán)格控制飽和壓力或過(guò)臨界壓力，主閥與導(dǎo)閥擁有同一閥體，所有連接管路內(nèi)置于閥體內(nèi)，靜密封大幅減少。動(dòng)密封內(nèi)置于閥體，能夠承受劇烈的振動(dòng)，保證連接件不脫落，不泄漏。在壓力突變的情況下可有效降低并維持系統(tǒng)壓力，LNG安全閥具有體積小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)精巧、運(yùn)用靈活以及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 張周衛(wèi),趙想平,汪雅紅,等. LNG低溫過(guò)程控制安全閥[P].中國(guó): CN201110302781.6, 2012-07-04.

[2] 陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1994:1～6.

[3] GB/T 24925-2010，低溫閥門(mén)技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

DesignandDevelopmentofPilotOperatedSafetyValvesforLNGCryogenicProcessControl

LI He1, ZHANG Zhou-wei1, 2, WANG Ya-hong1, 2, DING Shi-wen1, GUO Shun-zhi1, ZHAO Li1

(1.SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity; 2.GansuZhongyuanEnergyandPowerEngineeringCo.,Ltd.)

According to characteristics of pressure relief technology for the LNG cryogenic high-pressure system, the pilot LNG safety valve was developed to control variable pressure, temperature and flow in the LNG production so that the structure of LNG safety device can become more compact along with high safety.

LNG safety valve, spring, sensitivity, pressure

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51666008)；甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(214137)。

李河(1990-)，碩士研究生，從事LNG超低溫閥門(mén)的研究開(kāi)發(fā)工作。

聯(lián)系人：張周衛(wèi)(1974-)，副教授，高級(jí)工程師，從事空間低溫制冷技術(shù)和多股流多相流超低溫?fù)Q熱技術(shù)的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ051.8+4

A

0254-6094(2017)01-0054-03

2016-05-09，

2016-12-15)