LNG 卸料系統水錘力計算及研究

劉潔，袁良霄(中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

LNG 接收站是屬于大型工程項目，設備、管道要求高，運行工況復雜。LNG 具有較高的飽和壓力，極易發生氣化。當LNG 接收系統進行日常操作，如泵的啟動停止或者閥門的開啟關閉等操作時，會在泵或閥門的前后出現十分劇烈的壓力波動。當波動瞬間的壓力低于LNG 飽和壓力時會發生氣化，而LNG 的氣液比約為600∶1，一旦發生這種情況，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，后果嚴重。另一方面，由于瞬態壓力波動，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，可能導致管道偶然應力超標，管口和支架瞬時推力過大，支架失效和管口失效等嚴重后果[1]。

因此在進行工程設計的過程中，必須采取一定的措施來減少水錘對系統和管道的危害。其中，比較有效的方法是防止系統壓力發生突然增大或減小，從而降低系統內的最大壓力及壓力波動范圍。

1 理論依據

水錘又稱水擊。水(或其他液體) 在輸送過程中，由于閥門突然開啟或關閉、水泵突然停止、驟然啟閉導葉等原因，使流速發生突然變化，同時壓強產生大幅度波動的現象。

水錘的理論基礎為約克夫斯基公式：

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的彈性模量等有關。對于本項目來說，通過計算可得，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 項目背景

本研究基于某LNG 接收站。對于整個LNG 接收站來講，水擊現象是普遍存在的，但嚴重程度不一。對接收站中水錘現象較為嚴重的幾個系統進行綜合分析考慮，碼頭裝載卸載系統閥門操作頻繁，且存在快速關斷閥門，所受到的水錘最為頻繁和嚴重。因此在本課題中選取LNG 接收站中的卸料系統進行LNG 低溫管道的水力計算研究[2]。

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

3 建模分析過程及結果

本課題將利用AFT Impluse 對以上管路系統在不同工況下進行水錘模擬和計算，并對其產生的最大壓力及水錘力進行圖形和數據分析，從而校核管線的設計壓力，合理選擇閥門的關閉方式。

3.1 邊界條件定義

根據該接收站的實際運行情況，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) 儲罐壓力。

儲罐壓力=操作壓力+靜壓(儲罐LNG充裝量按30 m計算)=119.3 kPa+ρgh=119.3+431×9.8×30/1 000=0.246 MPa。

(3) 定壓點壓力。本研究的邊界設于卸料臂與船的管道交界處的EPRC 閥門處，EPRC 閥門前的定壓點的壓力，根據管道的流速、管徑，以及儲罐的壓力，通過GSC 目標求解方法可以求出，經AFT Fathom 計算可得，定壓點的壓力P=1.309 MPa。

(4) LNG 卸載過程中包含兩類閥門，這兩類閥門的操作容易導致水擊的發生。其中一類閥門是用于日常裝載或卸載工作的操作閥，也叫關斷閥。另一類是緊急切斷閥(PERC)，用于惡劣天氣時(如風暴) 快速關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閉時間如下：PERC 閥門(12 s)、卸料臂閥門(24 s)、主管閥門(42 s)、儲罐的閥門(30 s)。

3.2 工況分析

在LNG 接收站的卸料過程中，因為CCR、JCR 動作、火災、天然氣泄漏、卸載臂緊急斷開等情況，可能出現的工況如下：

(1) 關閉EPRC 閥門(12 s)；

(2) 關閉卸料臂閥門(24 s)；

(3) ESD 主管閥門關閉(42 s)；

(4) 關閉至儲罐的閥門(30 s)。

在每種工況下，管道內的壓力以及受力情況如表1 所示。

表1 管道受力表—關閉EPRC閥門

本項目該段管道的設計壓力為1.960 MPa，以上四種工況下管道受到的壓力均未超過管道的設計壓力；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，故不會發生氣化。

3.3 關閥方式及時間對壓力、水錘力等大小的影響

為研究關閥方式及時間對管道的壓力以及水錘力大小的影響，選取以上第三種工況—關閉主管閥門進行研究。

共采取以下四種不同的關閥方式：

(1) 均勻關閉(10 s 關閥)；

(2) 均勻關閉(20 s 關閥)；

(3) 均勻關閉(40 s 關閥)；

(4) 分段關閉(40 s 關閥)[3]。

由計算分析可得，四種關閥方式對應的系統最大水錘力如圖1 所示。

圖1 不同關閥方式管道最大水錘力分析圖

四種關閥方式對應的系統最大、最小瞬態壓力以及水錘力波動范圍如表2 所示。

表2 不同關閥方式及時間下管道受力表

由圖1 及表中數據可以看出，水錘力的大小和閥門的關閉時間及方式有密切的關系。閥門關閉時間越長，水錘力越小；分段關閥方式可以有效地緩解水錘，約為前20% 的時間內關閉80%，后80% 的時間內關閉20%。

4 結語

在LNG 管道中，閥門的關閉對管道受力有十分大的影響，通過對LNG 管道不同的工況進行計算，可以看出對于該LNG卸料系統，在以上幾種工況下，閥門關閉時管道的瞬態壓力均未超過管道的設計壓力，且不低于LNG 的飽和蒸汽壓。同時，在實際設計的過程中，應采取以下措施來減小水錘：

(1) 延長閥門關閉時間，避免產生直接水擊并可降低間接水擊壓力。

(2) 控制閥門的關閉方式，分段關閉閥門可以減小水錘，使水錘力在一個較小的范圍內波動。理論及實踐證明，在前20%的時間內關閉80% 的閥門，在后80% 的時間內關閉20% 的閥門可以有效地抑制水錘。

(3) 由于水擊壓力與管內流速成正比，應適當加大管徑，控制管內流速不超過最大流速限制范圍。

此外，在工程實踐中，在閥門前設置止回閥、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。