LNG低温过程控制先导式安全阀的设计开发①

李 河 张周卫,2 汪雅红,2 丁世文 郭舜之 赵 丽

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

LNG低温过程控制先导式安全阀的设计开发①

李 河1张周卫1,2汪雅红1,2丁世文1郭舜之1赵 丽1

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

根据LNG低温高压系统安全减压技术特点，开发了先导式LNG安全阀。该阀用于控制变压、变温、变流量的LNG生产过程，使LNG安全装置结构更精巧，安全性更高。

LNG安全阀 弹簧 灵敏度 压力

安全生产技术一直是制约LNG发展的一个主要瓶颈，直到20世纪60年代以后，LNG安全生产技术才得以解决，大规模工业化得以实现，LNG工业开始迅猛发展。LNG液化温度一般在-162℃以下，相对环境温度有很大差别，液化和储存系统具有复杂的传热工质，LNG一般处于激烈的相变和多相流动状态，并伴随有压力和温度的剧烈变化，不断产生大量的饱和蒸汽、过热蒸汽、过热液体和汽液两相流，在变压变温过程中不断发生相变并伴随严重的安全问题。如果系统密闭，液化后的LNG 很容易过临界并引起爆炸。由于LNG在输运过程中容易产生多相流引起过热沸腾，导致管道内温度和压力发生剧变，因此，LNG过程控制装备必须具备控制多相流的能力。相应的，与系统连接的过程控制安全阀须具备以下条件：能够承受剧烈的压力和温度的瞬间变化，严格控制饱和压力和过临界压力；动密封尽可能少，能够承受剧烈的振动，连接件不脱落，不泄漏；需稳定控制过程压力，在压力突变的情况下可有效降低并维持系统压力；安装维护方便。由于传统LNG安全阀没有导阀，采用独立的主阀控制，系统承受压力较大，安全阀体积庞大，维护操作困难，安装不方便，存在反应迟钝、灵敏度差及控制压力范围太宽等缺点，已经不能满足日益发展的LNG工业过程需求。

笔者针对LNG低温流体过程控制和输运过程中存在的节流效率和动密封泄漏问题，提出LNG低温过程控制安全阀技术，用于控制LNG压力，进而控制LNG饱和温度，提高过程控制反应速度，满足LNG生产和输运压力控制要求，同时减少由于变压、变温出口和表面热流密度不稳定造成的压力突变问题，最终实现LNG安全生产和输运过程控制目的[1]。

1 结构设计

LNG低温过程控制先导式安全阀的结构如图1所示。

LNG主阀与导阀并列安装于阀体内，阀体底部和右侧均连接管道和法兰。主阀压盖螺纹连接阀体，连接处有端面密封圈，主阀垫片装于压盖内，一端与压盖接触，一端与弹簧接触；主阀阀杆螺纹连接阀瓣，阀瓣上部安装垫片，下部与阀体主阀进气通道形成锥形密封面，锥面和柱面密封槽内分别安装密封圈。导阀压盖螺纹连接阀体，连接处有端面密封圈。压盖内安装T形弹簧支座，支座上安装弹簧， 弹簧下部为导阀阀芯，阀芯安装于阀体导阀气缸内。

阀体内部自上而下有4条小直径水平气流控制通道：第1通道与导阀阀芯上部气缸连接，为主阀高压泄气通道；第2通道位于导阀右侧，进口接导阀阀芯，出口与低压管道接通；第3通道与导阀阀芯下部气缸连接，为主阀高压进气通道；第4通道为导阀高压进气通道，进气口与主阀底部高压管道接通，出口与导阀气缸接通[2,3]。

图1 LNG低温过程控制先导式安全阀

导阀阀芯整体为圆柱形结构，柱面开有5道密封槽，分别安装密封圈。导阀阀芯沿轴向两端向内开两个孔，沿径向开3个孔，第1轴向孔与第1径向孔、第2径向孔连通，第2轴向孔与第2径向孔连通。

2 工作原理

设置导阀弹簧预应力并使之与被控系统压力一致，主阀开启压力小于系统压力。将LNG安全阀安装于系统中，控制系统额定压力为6.4MPa。LNG安全阀正常工作时，导阀将系统压力通过管路引入主阀背面，使主阀承受的正压力与背压达到平衡，减轻弹簧的预紧力，使主阀弹簧、阀杆及阀瓣等组件承受压力大幅减小，整个主阀体积大幅减小。系统压力增大时，气体沿阀体第4水平通道进入导阀，推动阀芯向上运动，使阀体第1水平通道与导阀阀芯第1径向孔连通，第2水平通道与第2径向孔连通，第3水平通道与第3径向孔脱离。主阀背部气流沿阀体第1水平通道、阀芯第1径向孔、阀芯第1轴向孔、阀芯第2径向孔、阀体第2水平通道流至管道，主阀背压降低，阀瓣受向上正压力压缩弹簧向上运动，系统气流沿高压管道经阀体主气流通道流向低压管道，达到安全减压的目的。系统压力降低后，弹簧推动导阀阀芯向下运动，使阀体第1水平通道与导阀阀芯第1径向孔脱离，阀体第2水平通道与导阀阀芯第2径向孔脱离并与第1径向孔接通，第3水平通道与第3径向孔接通，气流沿阀体第4通道向上进入导阀第2轴向孔，再经第3径向孔、阀体第3水平通道进入主阀背部，主阀背压升高，阀瓣在弹簧作用下向下运动，安全阀关闭，系统压力达到稳定状态。

LNG低温液化系统(-164℃、6.4MPa)表面接受太阳能辐射、空气对流换热、环境热辐射和管道内摩擦热以后，系统内部流体会产生大量的过热蒸汽并导致系统压力剧烈变化，如果不能有效排出过热蒸汽，可能会造成一定的安全问题。如果系统压力过低，低于三相点压力时，则会出现阶段性的液泛现象，导致压力剧增给系统带来极大安全隐患。所以，笔者着重介绍如何通过先导式LNG安全阀控制低温系统压力，实现LNG低温流体的有效管理。LNG低温过程控制安全阀，主要由LNG导阀与LNG主阀两部分组成。其工作原理是：利用导阀控制主阀从而控制LNG低温系统的压力，LNG导阀控制压力为超低温额定工况下压力，如果LNG安全阀系统内部的压力超过主阀系统能承受的极限压力，则LNG导阀将会自动打开并泄掉主阀背压力，从而进一步打开主阀进行安全泄压，当系统压力低于新型先导安全阀设计压力时，导阀则自动关闭，以此循环，使主阀正面承受压力与背面承受压力达到平衡，从而实现控制系统压力的要求。

具体过程如下：导阀中弹簧控制导阀阀芯的运动，当导阀阀芯所受压力大于弹簧的预紧力时阀芯向上运动，运动一定行程后导阀低压端打开，主阀背部高压气体通过导阀低压端泄掉，从而把主阀打开进行安全泄压，当系统压力小于安全阀设计极限压力时导阀阀芯向下运动，打开高压进气端把高压端气体通过毛细孔引入主阀背部关闭主阀，从而使主阀承受正压力与承受背压力达到平衡。主阀中弹簧负责主阀关闭时主阀瓣的复位，其预紧力大小为主阀瓣的重力。主阀瓣上两道密封圈分别密封主阀背部和从高压端进来的高压气体以免泄漏到低压端。导阀阀芯上的密封圈密封进入导阀的高压气体以免漏气，从而达到安全泄压的目的。

3 结束语

LNG安全阀利用导阀控制主阀从而控制LNG液化低温系统压力，可实现低温高压(-164℃、6.4MPa)工况下LNG安全生产和储运过程控制要求。主阀预紧力小，导阀控制压力点高，可用于控制LNG多相流。能够承受剧烈的压力和温度瞬间变化过程，可严格控制饱和压力或过临界压力，主阀与导阀拥有同一阀体，所有连接管路内置于阀体内，静密封大幅减少。动密封内置于阀体，能够承受剧烈的振动，保证连接件不脱落，不泄漏。在压力突变的情况下可有效降低并维持系统压力，LNG安全阀具有体积小、灵敏度高、结构精巧、运用灵活以及安装维护方便等优点。

[1] 张周卫,赵想平,汪雅红,等. LNG低温过程控制安全阀[P].中国: CN201110302781.6, 2012-07-04.

[2] 陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社.1994:1～6.

[3] GB/T 24925-2010，低温阀门技术条件[S].北京：中国标准出版社，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

国家自然科学基金项目(51666008)；甘肃省财政厅基本科研业务费(214137)。

李河(1990-)，硕士研究生，从事LNG超低温阀门的研究开发工作。

联系人：张周卫(1974-)，副教授，高级工程师，从事空间低温制冷技术和多股流多相流超低温换热技术的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ051.8+4

A

0254-6094(2017)01-0054-03

2016-05-09，

2016-12-15)