基于Aspen Flare的LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)安全閥釋放管路背壓計(jì)算

王怡，康嘉倫，顧天予，莊士超，王瞾文

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船相比，LNG動(dòng)力船在船舶航行過(guò)程中所產(chǎn)生的硫氧化物及顆粒排放量能減少約99%、氮氧化物排放量減少約85%，二氧化碳排放量減少約20%，滿(mǎn)足能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)第三階段的要求，對(duì)節(jié)能減排具有顯著效果。LNG作為船用燃料，一旦發(fā)生泄漏，可能造成人員窒息、火災(zāi)和爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)周?chē)h(huán)境、人員和設(shè)備等造成極大的危害。同時(shí)，LNG在加注、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中容易產(chǎn)生自然蒸發(fā)氣(boiling off gas，BOG)，其氣化時(shí)體積增加約600倍，從而易使得系統(tǒng)壓力顯著增加。因此，在船用LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)(fuel gas spply system, FGSS)工藝設(shè)計(jì)階段需充分考慮系統(tǒng)的安全性，安全閥作為系統(tǒng)超壓后最后的安全防護(hù)裝置，可以在系統(tǒng)過(guò)壓情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備或管路的壓力釋放，以防止在控制和操作系統(tǒng)故障情況下設(shè)備和管路發(fā)生機(jī)械破壞。

以20萬(wàn)t級(jí)紐卡斯?fàn)栯p燃料散貨船為研究對(duì)象，通過(guò)Aspen Flare System Analyzer仿真軟件對(duì)LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)安全閥釋放系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)模型搭建，基于不同場(chǎng)景進(jìn)行仿真計(jì)算，提出FGSS安全閥釋放管路背壓計(jì)算的基本思路，從而選取合適的安全閥釋放管路管徑，為后續(xù)雙燃料船舶的FGSS工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)

LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)采用LNG天然氣作為燃料，向船上的雙燃料主機(jī)、雙燃料發(fā)電機(jī)組和雙燃料蒸汽鍋爐提供滿(mǎn)足其使用要求的燃?xì)狻Ｄ?0萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船配置1臺(tái)雙燃料二沖程低速主機(jī)、3臺(tái)雙燃料中速發(fā)電機(jī)和1臺(tái)雙燃料組合鍋爐。其中推進(jìn)主機(jī)選用的是德國(guó)曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)夤?yīng)壓力為30 MPa，為其配套的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)為高壓供氣系統(tǒng)；雙燃料發(fā)電機(jī)和雙燃料組合鍋爐的燃?xì)夤?yīng)壓力為1 MPa以下，為其配套的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)為低壓供氣系統(tǒng)。

該雙燃料散貨船的LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)主要包括LNG加注站、LNG燃料艙、LNG供給泵、高壓泵氣化單元(pump vaporizer unit，PVU)、低壓LNG氣化/加熱單元、BOG壓縮機(jī)，以及低壓緩沖罐等設(shè)備撬塊。其中，LNG加注站左右對(duì)稱(chēng)布置在開(kāi)敞的貨艙區(qū)域主甲板兩舷側(cè)位置， LNG燃料艙位于主甲板上的開(kāi)敞區(qū)域，沿船長(zhǎng)方向?qū)ΨQ(chēng)布置在船舶上層建筑左右兩側(cè)，其余燃?xì)馓幚碓O(shè)備則位于主甲板機(jī)艙棚后的燃?xì)鉁?zhǔn)備間內(nèi)。

LNG經(jīng)LNG燃料艙內(nèi)的LNG供給泵加壓輸出后分為兩路：一路經(jīng)高壓泵氣化單元增壓和加熱氣化后供向雙燃料主機(jī)；另一路直接輸送至低壓LNG氣化器/加熱單元。經(jīng)過(guò)對(duì)LNG的強(qiáng)制氣化和燃料氣體升溫后，符合燃燒要求的燃?xì)夤┫虻蛪壕彌_罐，其出口低壓燃?xì)饪偣芊譃閮陕贩謩e輸送至雙燃料發(fā)電機(jī)組雙燃料組合鍋爐。此外，LNG燃料艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG 則通過(guò)BOG壓縮機(jī)輸送至低壓緩沖罐，匯入低壓燃?xì)饪偣芎?，供燃?xì)庥脩?hù)使用，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 大型雙燃料散貨船LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 FGSS安全閥釋放系統(tǒng)布置方案

LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)包括眾多子系統(tǒng)，比如LNG加注及儲(chǔ)存系統(tǒng)、LNG處理系統(tǒng)、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)等，F(xiàn)GSS安全閥釋放系統(tǒng)則是前述子系統(tǒng)超壓后的重要安全保障，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)防止設(shè)備或管路產(chǎn)生超壓破壞以及對(duì)安全釋放裝置釋放出的介質(zhì)進(jìn)行安全處理的目的。FGSS安全閥釋放管路由設(shè)置在LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)相關(guān)管路上的安全閥、釋放管路以及透氣桅等組成。其中，安全閥是燃?xì)忉尫殴芫W(wǎng)的源頭，一旦燃料艙或管路內(nèi)的BOG氣體壓力達(dá)到設(shè)定的釋放壓力，安全閥將自動(dòng)起跳超壓釋放。根據(jù)不同的工藝設(shè)計(jì)原則，可通過(guò)釋放管路排至燃料艙中緩存或至船上的透氣桅排向大氣。大型雙燃料散貨船LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的安全閥釋放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 FGSS安全閥釋放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

從圖2可見(jiàn)，F(xiàn)GSS安全閥釋放主要分為2部分。第一部分為設(shè)置在LNG加注、處理和供給管路的安全閥釋放系統(tǒng)，安裝在管路上的安全閥主要用于滿(mǎn)足LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的超壓保護(hù)。該釋放管為單壁管，除了LNG加注總管上的安全閥釋放管路泄放至LNG燃料艙內(nèi)，管路上的其他安全閥釋放管路一起匯總至釋放總管后連接到船艉主甲板上的FGSS透氣桅排向大氣，其出口設(shè)置滿(mǎn)足IGF要求。

第二部分為設(shè)置在LNG燃料艙上的安全閥釋放系統(tǒng)，根據(jù)規(guī)范要求，需要對(duì)LNG燃料艙罐體上的安全閥設(shè)置專(zhuān)門(mén)的釋壓管路，該釋壓管路將直接通至FGSS透氣桅，以滿(mǎn)足燃料艙罐體本身的泄壓需求。所述大型雙燃料散貨船配置有2個(gè)3 100 m的IMO C型艙作為L(zhǎng)NG燃料艙，設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，燃料艙的壓力釋放系統(tǒng)是避免內(nèi)部超壓、保護(hù)燃料艙及船體安全的重要部分。關(guān)于燃料艙的壓力釋放系統(tǒng)，《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》(IGF Code)提出了相關(guān)要求，“液化氣燃料艙應(yīng)最少設(shè)置 2 個(gè)壓力釋放閥，可在故障或泄漏時(shí)將1個(gè)壓力釋放閥斷開(kāi)，同時(shí)，安裝在燃料艙上的每個(gè)壓力釋放閥應(yīng)與透氣系統(tǒng)相連接?！毙枰f(shuō)明的是，LNG燃料艙作為燃料儲(chǔ)存壓力容器，其內(nèi)部LNG由于航行時(shí)的溫度、壓力等環(huán)境因素變化，在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生自然BOG。結(jié)合所述船型系統(tǒng)本身的運(yùn)行，在使用LNG初步冷卻時(shí)，由于燃?xì)夤艿篮透邏汗庀到y(tǒng)的熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生BOG。在冷卻期間產(chǎn)生的BOG也被收集到LNG燃料艙內(nèi)，均會(huì)導(dǎo)致燃料艙的壓力增大。

3 背壓計(jì)算

以往的FGSS安全閥釋放管路設(shè)計(jì)一般采用簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)管路背壓進(jìn)行計(jì)算，主要集中于管路壓降的校核。當(dāng)多個(gè)安全閥基于不同場(chǎng)景同時(shí)釋放時(shí)，形成的附加背壓是變化的，并且由于排放氣體的可壓縮性，其密度和流速在流動(dòng)中也是很難用函數(shù)公式計(jì)算的。Aspen Flare System Analyzer (Flarenet)是由Aspen公司基于火炬泄放標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的一款用于穩(wěn)態(tài)網(wǎng)狀泄放系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，能夠?qū)Ω黝?lèi)火炬管網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。針對(duì)所述的計(jì)算場(chǎng)景，使用Flarenet根據(jù)FGSS安全閥釋放系統(tǒng)實(shí)際管路布置進(jìn)行模擬，并根據(jù)用戶(hù)定義的操作特性(設(shè)定壓力、釋放壓力和釋放排量)進(jìn)行計(jì)算，核算不同場(chǎng)景下從釋放點(diǎn)到透氣桅的管路背壓。

3.1 計(jì)算情況分類(lèi)

1)火災(zāi)情況。當(dāng)FGSS相關(guān)設(shè)備布置區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大量熱量被釋放，LNG燃料艙或相關(guān)LNG管路將從外部火災(zāi)中吸收熱量，導(dǎo)致LNG液體氣化。當(dāng)氣化程度較高，管路內(nèi)流體體積變化較大時(shí)，蒸汽膨脹會(huì)導(dǎo)致LNG燃料艙或相關(guān)LNG管路超壓，相應(yīng)的安全閥將立即響應(yīng)開(kāi)啟以釋放燃料艙內(nèi)或相應(yīng)管段壓力，超壓氣體直接通過(guò)透氣桅排放至大氣。

2)管路堵塞情況。在LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)設(shè)備出口閥門(mén)異?；蛘弑徊徽ｊP(guān)閉情況下，會(huì)發(fā)生超壓，設(shè)備出口管路上的相應(yīng)安全閥將開(kāi)啟，以釋放管段壓力，超壓氣體直接通過(guò)透氣桅排放至大氣。

3)熱膨脹情況。在LNG加注過(guò)程中，LNG加注管路可能吸收來(lái)自外界的環(huán)境熱量，如太陽(yáng)輻射熱、大氣傳熱、海水傳熱等，LNG管路內(nèi)的液態(tài)LNG可能發(fā)生氣化，當(dāng)氣化程度較高，氣化量較大時(shí)，將導(dǎo)致加注管路系統(tǒng)超壓，相應(yīng)安全閥將響應(yīng)開(kāi)啟，以釋放管段壓力，超壓氣體直接通過(guò)透氣桅排放至大氣。值得注意的是，通常考慮熱膨脹場(chǎng)景而設(shè)置的安全閥釋放管路不需要通過(guò)調(diào)整尺寸來(lái)滿(mǎn)足背壓限制，但是考慮到所述雙燃料散貨船的加注站內(nèi)所設(shè)置的安全閥容量較大，因而需要計(jì)算進(jìn)行核算。

3.2 FGSS安全閥釋放系統(tǒng)具體釋放場(chǎng)景

所述FGSS安全閥釋放系統(tǒng)不同釋放場(chǎng)景見(jiàn)表1。

表1 雙燃料大型散貨船F(xiàn)GSS安全閥釋放系統(tǒng)釋放場(chǎng)景假設(shè)

3.3 FGSS安全閥釋放管網(wǎng)模型搭建

在搭建管網(wǎng)模型時(shí)，需對(duì)每一段釋放管段進(jìn)行上下游連接對(duì)象的選取，之后根據(jù)實(shí)船的FGSS安全閥釋放管路布置，依次對(duì)管段的長(zhǎng)度、高程差、管材、管徑，以及壁厚進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)圖3。

圖3 管段參數(shù)設(shè)定界面

為了使管段各方面計(jì)算更加地精確，還可對(duì)管段的閥附件進(jìn)行選取，以計(jì)算閥附件帶來(lái)的損耗。也可以對(duì)管段的傳熱屬性進(jìn)行定義，以得到更加接近實(shí)船的管段傳熱結(jié)果。

軟件中對(duì)安全閥的參數(shù)設(shè)定界面見(jiàn)圖4。

圖4 安全閥參數(shù)設(shè)定界面

對(duì)于每一個(gè)安全閥，由于安全閥作為釋放管網(wǎng)系統(tǒng)的源項(xiàng)，首先需在管網(wǎng)模型搭建的時(shí)候，對(duì)安全閥下游的連接對(duì)象進(jìn)行選取。之后需根據(jù)前面分析得到的每個(gè)場(chǎng)景下安全閥的壓力要求，依次對(duì)安全閥的流量、設(shè)定壓力、泄放壓力、允許背壓、流體泄放溫度進(jìn)行設(shè)定。

根據(jù)FGSS釋放系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，利用Flarenet軟件對(duì)釋放系統(tǒng)管網(wǎng)模型進(jìn)行搭建，搭建的物理模型需完全與實(shí)際圖紙管路設(shè)計(jì)保持一致，以確保模型的正確性和準(zhǔn)確性?；贔larenet軟件的FGSS安全閥釋放系統(tǒng)模型見(jiàn)圖5。其中上部分為釋放至LNG燃料艙的全部透氣管路，下部分為通過(guò)透氣桅釋放至大氣中的全部透氣管路。各獨(dú)立閥泄放參數(shù)見(jiàn)表2。利用該物理模型，可通過(guò)控制安全閥的開(kāi)啟狀況模擬各個(gè)工況場(chǎng)景，計(jì)算管路背壓，判定相應(yīng)管段是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 FGSS安全閥釋放系統(tǒng)Flarenet模型

表2 各獨(dú)立安全閥泄放參數(shù)

3.4 FGSS安全閥釋放管網(wǎng)核算結(jié)果分析

根據(jù)前述場(chǎng)景假設(shè)，利用圖5所示的FGSS安全閥釋放系統(tǒng)Flarenet模型對(duì)所有場(chǎng)景進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)于每一種場(chǎng)景，管路中的管徑選取都是一致的，區(qū)別在于不同場(chǎng)景下安全閥開(kāi)啟狀況的不同導(dǎo)致進(jìn)入釋放管網(wǎng)的源流量的差異。NO.1 LNG燃料艙穹頂區(qū)域發(fā)生火災(zāi)場(chǎng)景下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 NO.1 LNG燃料艙穹頂區(qū)域火災(zāi)場(chǎng)景下仿真結(jié)果

在此工況下，位于NO.1 LNG燃料艙穹頂區(qū)域的安全閥PSV2116、 PSV2117、PSV2118、PSV2119、PSV2147及PSV2150開(kāi)啟泄壓。對(duì)標(biāo)表2各獨(dú)立安全閥泄放參數(shù)可知：各安全閥尾管背壓均低于其最大允許背壓值0.560 MPa，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)均符合低于馬赫數(shù)為0.7的要求；此外，管網(wǎng)中其他管段的壓力值及馬赫數(shù)未超過(guò)規(guī)定的數(shù)值。說(shuō)明在該場(chǎng)景下，各管段的壓力和馬赫數(shù)符合設(shè)計(jì)的要求。類(lèi)似的，對(duì)于其他的各工況，亦可依據(jù)相應(yīng)場(chǎng)景下模擬計(jì)算得到的管路背壓結(jié)果，分析該管段是否符合設(shè)計(jì)要求，并對(duì)存在問(wèn)題的管段進(jìn)行調(diào)整修正。

4 結(jié)論

基于Flarenet軟件的FGSS安全閥管路背壓計(jì)算可以為FGSS安全閥釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。該釋放系統(tǒng)背壓計(jì)算較復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)不同釋放場(chǎng)景考慮安全閥的背壓與排量，該背壓計(jì)算取決于天然氣成分、環(huán)境溫度、釋放管路長(zhǎng)度及管徑等許多因素，并且參數(shù)之間的關(guān)系也比較復(fù)雜。

所述不同管段的釋放場(chǎng)景假設(shè)以及基于Flarenet軟件的FGSS安全閥釋放管路背壓計(jì)算已通過(guò)船級(jí)社認(rèn)可，所述安全閥釋放管路設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足規(guī)范要求以及系統(tǒng)自身泄壓要求。

運(yùn)用Flarenet計(jì)算出的安全閥釋放管路尺寸能符合設(shè)計(jì)要求，在提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的同時(shí)，還能針對(duì)系統(tǒng)提出更為安全可靠的技術(shù)方案。