LNG 卸料系統(tǒng)水錘力計(jì)算及研究

劉潔，袁良霄(中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

LNG 接收站是屬于大型工程項(xiàng)目，設(shè)備、管道要求高，運(yùn)行工況復(fù)雜。LNG 具有較高的飽和壓力，極易發(fā)生氣化。當(dāng)LNG 接收系統(tǒng)進(jìn)行日常操作，如泵的啟動(dòng)停止或者閥門的開啟關(guān)閉等操作時(shí)，會(huì)在泵或閥門的前后出現(xiàn)十分劇烈的壓力波動(dòng)。當(dāng)波動(dòng)瞬間的壓力低于LNG 飽和壓力時(shí)會(huì)發(fā)生氣化，而LNG 的氣液比約為600∶1，一旦發(fā)生這種情況，如不加以控制大量的氣體將瞬間充滿管道，管道受到極大的壓力沖擊，從而引起管道爆裂，后果嚴(yán)重。另一方面，由于瞬態(tài)壓力波動(dòng)，彎頭之間受到的壓力不平衡，形成水錘力瞬間沖擊管道、支架或管口，可能導(dǎo)致管道偶然應(yīng)力超標(biāo)，管口和支架瞬時(shí)推力過(guò)大，支架失效和管口失效等嚴(yán)重后果[1]。

因此在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須采取一定的措施來(lái)減少水錘對(duì)系統(tǒng)和管道的危害。其中，比較有效的方法是防止系統(tǒng)壓力發(fā)生突然增大或減小，從而降低系統(tǒng)內(nèi)的最大壓力及壓力波動(dòng)范圍。

1 理論依據(jù)

水錘又稱水擊。水(或其他液體) 在輸送過(guò)程中，由于閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停止、驟然啟閉導(dǎo)葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時(shí)壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。

水錘的理論基礎(chǔ)為約克夫斯基公式：

式中：ΔH為壓力升高；ΔV為水流速度的變化率；C為水錘波的波速；g為重力加速度。

水錘波的波速大小與管壁材料、厚度、管徑、管道的支承方式以及介質(zhì)的彈性模量等有關(guān)。對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，通過(guò)計(jì)算可得，在DN600 的LNG 管道中，水錘波的波速為1 096.7 m/s，在DN1050 的卸船總管中，水錘波的波速為1 115.94 m/s。

2 項(xiàng)目背景

本研究基于某LNG 接收站。對(duì)于整個(gè)LNG 接收站來(lái)講，水擊現(xiàn)象是普遍存在的，但嚴(yán)重程度不一。對(duì)接收站中水錘現(xiàn)象較為嚴(yán)重的幾個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析考慮，碼頭裝載卸載系統(tǒng)閥門操作頻繁，且存在快速關(guān)斷閥門，所受到的水錘最為頻繁和嚴(yán)重。因此在本課題中選取LNG 接收站中的卸料系統(tǒng)進(jìn)行LNG 低溫管道的水力計(jì)算研究[2]。

本課題考慮從卸料臂至儲(chǔ)罐的一段管道。該段管道包括3 個(gè)24”的卸料臂，一條42”的卸船總管以及由卸船總管至三個(gè)儲(chǔ)罐的30”管道組成。該段管道距離長(zhǎng)，高度落差大，易發(fā)生水錘，因此此段管道的水力計(jì)算十分重要。

3 建模分析過(guò)程及結(jié)果

本課題將利用AFT Impluse 對(duì)以上管路系統(tǒng)在不同工況下進(jìn)行水錘模擬和計(jì)算，并對(duì)其產(chǎn)生的最大壓力及水錘力進(jìn)行圖形和數(shù)據(jù)分析，從而校核管線的設(shè)計(jì)壓力，合理選擇閥門的關(guān)閉方式。

3.1 邊界條件定義

根據(jù)該接收站的實(shí)際運(yùn)行情況，確定以下輸入條件

(1) 卸載速率：4 700 m3/h(總卸載速率14 000 m3/h)。

(2) 儲(chǔ)罐壓力。

儲(chǔ)罐壓力=操作壓力+靜壓(儲(chǔ)罐LNG充裝量按30 m計(jì)算)=119.3 kPa+ρgh=119.3+431×9.8×30/1 000=0.246 MPa。

(3) 定壓點(diǎn)壓力。本研究的邊界設(shè)于卸料臂與船的管道交界處的EPRC 閥門處，EPRC 閥門前的定壓點(diǎn)的壓力，根據(jù)管道的流速、管徑，以及儲(chǔ)罐的壓力，通過(guò)GSC 目標(biāo)求解方法可以求出，經(jīng)AFT Fathom 計(jì)算可得，定壓點(diǎn)的壓力P=1.309 MPa。

(4) LNG 卸載過(guò)程中包含兩類閥門，這兩類閥門的操作容易導(dǎo)致水擊的發(fā)生。其中一類閥門是用于日常裝載或卸載工作的操作閥，也叫關(guān)斷閥。另一類是緊急切斷閥(PERC)，用于惡劣天氣時(shí)(如風(fēng)暴) 快速關(guān)停并且斷開與船體的連接，通常位于碼頭棧橋的末端[3]。

本研究所涉及到的閥門其關(guān)閉時(shí)間如下：PERC 閥門(12 s)、卸料臂閥門(24 s)、主管閥門(42 s)、儲(chǔ)罐的閥門(30 s)。

3.2 工況分析

在LNG 接收站的卸料過(guò)程中，因?yàn)镃CR、JCR 動(dòng)作、火災(zāi)、天然氣泄漏、卸載臂緊急斷開等情況，可能出現(xiàn)的工況如下：

(1) 關(guān)閉EPRC 閥門(12 s)；

(2) 關(guān)閉卸料臂閥門(24 s)；

(3) ESD 主管閥門關(guān)閉(42 s)；

(4) 關(guān)閉至儲(chǔ)罐的閥門(30 s)。

在每種工況下，管道內(nèi)的壓力以及受力情況如表1 所示。

表1 管道受力表—關(guān)閉EPRC閥門

本項(xiàng)目該段管道的設(shè)計(jì)壓力為1.960 MPa，以上四種工況下管道受到的壓力均未超過(guò)管道的設(shè)計(jì)壓力；LNG 的飽和蒸汽壓為0.112 MPa，以上四種工況下管道受到的最小壓力均未低于LNG 的飽和蒸汽壓，故不會(huì)發(fā)生氣化。

3.3 關(guān)閥方式及時(shí)間對(duì)壓力、水錘力等大小的影響

為研究關(guān)閥方式及時(shí)間對(duì)管道的壓力以及水錘力大小的影響，選取以上第三種工況—關(guān)閉主管閥門進(jìn)行研究。

共采取以下四種不同的關(guān)閥方式：

(1) 均勻關(guān)閉(10 s 關(guān)閥)；

(2) 均勻關(guān)閉(20 s 關(guān)閥)；

(3) 均勻關(guān)閉(40 s 關(guān)閥)；

(4) 分段關(guān)閉(40 s 關(guān)閥)[3]。

由計(jì)算分析可得，四種關(guān)閥方式對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最大水錘力如圖1 所示。

圖1 不同關(guān)閥方式管道最大水錘力分析圖

四種關(guān)閥方式對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最大、最小瞬態(tài)壓力以及水錘力波動(dòng)范圍如表2 所示。

表2 不同關(guān)閥方式及時(shí)間下管道受力表

由圖1 及表中數(shù)據(jù)可以看出，水錘力的大小和閥門的關(guān)閉時(shí)間及方式有密切的關(guān)系。閥門關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，水錘力越?。环侄侮P(guān)閥方式可以有效地緩解水錘，約為前20% 的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉80%，后80% 的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉20%。

4 結(jié)語(yǔ)

在LNG 管道中，閥門的關(guān)閉對(duì)管道受力有十分大的影響，通過(guò)對(duì)LNG 管道不同的工況進(jìn)行計(jì)算，可以看出對(duì)于該LNG卸料系統(tǒng)，在以上幾種工況下，閥門關(guān)閉時(shí)管道的瞬態(tài)壓力均未超過(guò)管道的設(shè)計(jì)壓力，且不低于LNG 的飽和蒸汽壓。同時(shí)，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)采取以下措施來(lái)減小水錘：

(1) 延長(zhǎng)閥門關(guān)閉時(shí)間，避免產(chǎn)生直接水擊并可降低間接水擊壓力。

(2) 控制閥門的關(guān)閉方式，分段關(guān)閉閥門可以減小水錘，使水錘力在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。理論及實(shí)踐證明，在前20%的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉80% 的閥門，在后80% 的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉20% 的閥門可以有效地抑制水錘。

(3) 由于水擊壓力與管內(nèi)流速成正比，應(yīng)適當(dāng)加大管徑，控制管內(nèi)流速不超過(guò)最大流速限制范圍。

此外，在工程實(shí)踐中，在閥門前設(shè)置止回閥、排氣閥或者破真空閥等，以及安裝泄壓閥、蓄能器等，也都能夠有效地減小水錘。