呼吸閥在工藝海水系統(tǒng)中的應(yīng)用

王乾，余偉明，張強強，牛超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

前言

近十年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和對環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，對天然氣的需求量與日俱增，國內(nèi)氣田的天然氣生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，我國不得不從天然氣的富產(chǎn)國進(jìn)口天然氣。由于天然氣以氣態(tài)的形式運輸時，都是采用管道輸送的方式，成本非常昂貴，尤其是進(jìn)口天然氣多數(shù)都是采用海運的方式，所以氣態(tài)的天然氣不太適宜遠(yuǎn)距離運輸。天然氣液化后，氣體體積約為液體體積的600倍，因此運輸液化天然氣（LNG）是比較經(jīng)濟的方式。不論是工業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活，直接使用的依然是氣態(tài)的天然氣，因此在輸送到生產(chǎn)車間或千家萬戶前，需要將液化天然氣轉(zhuǎn)換為氣態(tài)的天然氣。轉(zhuǎn)換液化天然氣的工藝比較多，但多數(shù)采用工藝海水作為熱介質(zhì)將液化天然氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。海水成分復(fù)雜，對普通鋼管和不銹鋼管道都具有嚴(yán)重的腐蝕性，用GRP玻璃鋼管道輸送海水就成為了必然選擇。GRP管道各向異性，尤其是大口徑管道，抗負(fù)壓能力較弱，必須考慮工藝海水管線由于停泵關(guān)閥導(dǎo)致的水錘壓力的對管道的影響。本篇文章將使用AFTImpulse軟件對工藝海水管道停泵關(guān)閥導(dǎo)致的水錘事件進(jìn)行分析，及評估呼吸閥的作用。

1 呼吸閥分類

根據(jù)閥門的功能，分類如下：

◇ 呼吸閥：既允許氣體進(jìn)入也允許氣體排出；

◇ 真空破壞閥：僅允許氣體進(jìn)入；

◇ 排氣閥：僅允許氣體排出；

◇ 3階段呼吸閥：既允許氣體進(jìn)入也允許氣體排出，當(dāng)氣體進(jìn)入時與普通呼吸閥一樣，但當(dāng)氣體排出時，可以設(shè)定壓差或體積流量基準(zhǔn)來指派選擇使用哪個孔口。當(dāng)實際值小于設(shè)定值時，使用正常截面積的孔口流出。當(dāng)實際值大于設(shè)定值時，使用中間孔口流出。中間孔口有效通流截面積通常比正常流出孔口有效通流截面積要小得多。

2 呼吸閥工作原理

呼吸閥為高差變化較大的管道系統(tǒng)的低壓條件提供了保護(hù)。當(dāng)管道內(nèi)部壓力低于開啟壓力（通常為大氣壓）時，它會打開以允許空氣（或指定的任何氣體）進(jìn)入管道，這可以避免管道內(nèi)部壓力降低到遠(yuǎn)低于大氣壓力的問題出現(xiàn)；當(dāng)管道內(nèi)部壓力上升到大氣壓以上時，管道內(nèi)的空氣將被排出。為防止管道內(nèi)出現(xiàn)較大的壓力波動，通常都使用比流入通流面積更小的排出通流面積，即排出流量經(jīng)常保持小于進(jìn)入流量。

3 水錘分析的基本原理

當(dāng)前水錘分析的方法主要有特征線法和波法。波法計算速度快，計算精度不高；特征線法計算精度高，計算速度較慢。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算速度不再是人們考慮的問題，所以當(dāng)前水錘分析軟件多數(shù)都是采用特征線法。本文章使用的AFTImpulse軟件也是采用特征線法。

正(C+)和負(fù)(C-)的特征線方程如下：

其中：

P：壓力

t：時間

V：流速

a：壓力波速度

D：管道內(nèi)徑

ρ：流體密度

正向的特征線方程乘以adt可得：

(1/ρ) dP+adV+fV|V|/2D dx+g sin(α)dx=0

sin(α)簡化為dz/dt可得：

(1/ρ)dP+adV+fV|V|/2D dx+gdz=0

為更方便計算，用質(zhì)量流量代替流速，并乘以ρ可得：

dP+a/A dm +(fm |m |)/(2DρA2) dx+ρgdz=0

該方程可以沿正向特征線積分。

如下圖特征線網(wǎng)格，圖形中某點P受到來自A點的正向特征線和來自B點的負(fù)向特征線的影響[1]。

圖 特征線網(wǎng)格

在一段時間 dt 后，點P受到來自點A和B的影響，其具有相等的dx/a

沿正特征線建立積分：

定義阻抗：

B=a/A

R=fΔx/(2DρA2)

可得P點的壓力：

同樣可獲得負(fù)向特征線的壓力：

4 壓力波計算方法

計算水錘壓力時，壓力波速度是非常關(guān)鍵的因素，壓力波速度的大小直接決定了水錘壓力的大小。瞬時水錘壓力關(guān)系式：

ΔP=-ρaΔv

從上面瞬時水錘壓力關(guān)系式可直觀看出，水錘壓力與壓力波速度成正比，且壓力波速度數(shù)值較大，若是在輸水鋼管中壓力波速度約為1200m/s，在輸水的GRP管道中壓力波速度約為600m/s。該關(guān)系式雖然直觀的表示了水錘壓力與壓力波速度的關(guān)系[2]，但目前對GRP管道輸送工藝海水系統(tǒng)進(jìn)行水錘分析時，不能直接采用該關(guān)系式計算，因為該關(guān)系式?jīng)]有考慮工藝海水GRP管道系統(tǒng)中其它的必要因素，比如管道和管件的摩擦阻力的影響；汽蝕的影響；壓力波在復(fù)雜管網(wǎng)中的波相互干涉的影響等。因此在對工藝海水系統(tǒng)進(jìn)行水錘分析時，須使用專業(yè)的特征線法水錘分析軟件。

壓力波速度公式：

其中：

K：介質(zhì)的體積彈性模量，MPa

ρ：介質(zhì)密度，kg/m3

E：管道的楊氏模量，MPa

D：管道內(nèi)徑，mm

e：管道壁厚，mm

c_1：管道約束形式的校核系數(shù)，

從該關(guān)系式可以看出，壓力波速度是由流體介質(zhì)，管道及管道約束形式共同作用的結(jié)果。

5 汽蝕模型

在進(jìn)行水錘分析時，工藝海水管網(wǎng)系統(tǒng)中常會出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，當(dāng)壓力小于海水飽和蒸汽壓力時，海水就會汽化，出現(xiàn)汽穴，這時海水就不連續(xù)了，出現(xiàn)空腔，這就需要汽穴模型來校核模型。使用Discrete Vapor Cavity Model模型，使計算得出的水錘壓力更加接近實際。

Discrete Vapor Cavity Model模型如下：

DVCM 認(rèn)為氣腔內(nèi)的固定壓力等于海水飽和蒸氣壓。固定壓力有效地在計算節(jié)點創(chuàng)建了一個新的邊界條件。這將阻止任何壓力波通過計算節(jié)點傳輸，并在整個節(jié)點內(nèi)造成質(zhì)量流量的不連續(xù)性。

Pnew=Pvapor

當(dāng)某節(jié)點發(fā)生了汽蝕，存在蒸汽體積，其體積變化率等于進(jìn)入（向上）和離開（向下）節(jié)點的流量差。

以離散形式，并使用質(zhì)量流量：

使用新舊結(jié)果的平均值：

當(dāng)蒸汽體積變?yōu)樨?fù)值時，空腔坍塌，壓力上升到飽和蒸汽壓力以上。計算節(jié)點不再被視為固定壓力，正常方法再次適用[3]。

6 計算結(jié)果

本文章的計算工況和計算結(jié)果是基于國內(nèi)某一LNG接收站的工藝海水系統(tǒng)獲得的。該系統(tǒng)共有7臺（最大負(fù)荷時，6運1備）海水泵通過兩條主管道輸送到汽化器。

該系統(tǒng)一共分析了6個工況，下表是6個工況的有呼吸閥和無呼吸閥的管道中最大的水錘壓力。

表1 工藝海水管道上的水錘壓力

從上面表格中的數(shù)據(jù)可得出，海水管道上安裝了呼吸閥后，最大的水錘壓力為0.3747MPa，稍大于該系統(tǒng)的正常運行壓力，遠(yuǎn)小于管道的設(shè)計壓力0.68MPa；最小的水錘壓力為0.01420MPa，遠(yuǎn)大于海水該溫度下的飽和蒸汽壓0.002321MPa。海水管道沒有安裝呼吸閥時，最大的水錘壓力為5.213MPa，遠(yuǎn)大于管道的設(shè)計壓力，約為管道設(shè)計壓力的8倍，這種工況下，管道肯定會發(fā)生爆管；最小水錘壓力為0.002321MPa，等于海水該溫度下的飽和蒸汽壓0.002321MPa，該壓力遠(yuǎn)小于大氣壓0.1MPa，幾乎處在真空狀態(tài)，發(fā)生可嚴(yán)重的汽蝕現(xiàn)象，管道中出現(xiàn)了較大的空腔，發(fā)生了較為嚴(yán)重斷柱彌合水錘，因此這種工況下，管道還要能抗負(fù)壓。

下面兩圖是工況5安裝有呼吸閥和沒有安裝呼吸閥的工藝海水系統(tǒng)的最大水錘壓力隨時間的變化曲線。圖1是安裝有呼吸閥的工藝海水系統(tǒng)的最大水錘壓力隨時間的變化曲線；

圖1

從上圖可以得出，停泵后，管道內(nèi)的壓力快速減小，當(dāng)減小到0.145MPa后，壓力緩慢升高。上圖中的最小壓力遠(yuǎn)大于海水的飽和蒸汽壓力，沒有發(fā)生汽蝕，壓力的波動很小。

圖2是沒有安裝呼吸閥的工藝海水系統(tǒng)的最大水錘壓力隨時間的變化曲線。

圖2

從上個圖可得，該點在14秒開始出現(xiàn)汽蝕，壓力波動幅度逐漸加大，當(dāng)在43秒時，該壓力達(dá)到最大，為5.213MPa，45秒后，該店壓力逐漸平穩(wěn)，波動幅度減小?？梢钥闯觯艄艿乐谐霈F(xiàn)汽蝕，水錘壓力就會發(fā)生嚴(yán)重的波動，為了讓工藝海水系統(tǒng)可以平穩(wěn)安全運行，一定要避免出現(xiàn)汽蝕。

7 結(jié)論

通過該工藝海水系統(tǒng)在安裝呼吸閥和無安裝呼吸閥的6個工況的結(jié)果對比可得出，有該系統(tǒng)有較大的高差變化，沒有安裝呼吸閥時，管道內(nèi)容易發(fā)生汽蝕，并發(fā)生嚴(yán)重的斷柱彌合水錘，導(dǎo)致管道爆管，且需要管道能抗負(fù)壓；安裝呼吸閥后，管道內(nèi)壓力低于一個大氣壓時，空氣就會進(jìn)入管道，從而避免了壓力繼續(xù)降低，即也就避免了汽蝕的發(fā)生，且水錘壓力波動很小，不會超過管道的設(shè)計壓力，也就不會發(fā)生爆管的問題。因此在工藝海水系統(tǒng)中，若存在較大的高差，一定要安裝合適的呼吸閥。