船用LNG供气系统安全阀设计与分析

陈奕瑄，戴 冰，赵 超，王廷勇

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101)

近年来，国际海事组织针对船舶废气排放的要求日趋严格，至2020年法规要求：船舶在NECA区和NECA区以外海域航行时，发动机NOx排量需分别符合TierⅢ标准和TierⅡ标准；在SECA区和全球范围内，船用燃料的硫含量需分别不低于0.1%和0.5%。在此背景下，由于LNG燃料能够实现无SOx排放且大大降低NOx的排放量，故LNG动力船已成为当下最主流的船型之一，而LNG供气系统是为LNG动力船发动机提供气体燃料的配套设备，能够实现LNG加注、燃料存储、汽化加热及蒸发汽(BOG)处理等过程。目前，国外厂家如TGE、瓦锡兰、三星和现代等均拥有成熟的供气系统方案，而国内仅少数厂家能够提供供气系统设备配套，相关产业整体处于发展阶段。

鉴于液化天然气具有低温、易燃、易爆等特性，在船用LNG供气系统工艺设计阶段需充分考虑其安全性，而安全阀作为LNG供气系统超压后最后的安全保障，对整个系统设计至关重要。本文将结合相关规范和设计经验对船用LNG供气系统中安全阀进行设计，对安全的选型计算进行分析，以便为工程人员在工艺设计和安全阀选型的相关工作上提供参考。

2 LNG供气系统安全阀设计

李洋博[1]和裘春华[2]等对船用LNG供气系统组成及相关设备做出了详细说明，LNG供气系统一般包括加注站、LNG储罐、汽化加热单元、压缩机单元几个主要模块及其它辅助单元设备。船用LNG供气系统的设计主要依据国际海事组织的IGF规则，各大船级社规范均是在IGF的基础上做出了补充规定，而安全阀的设置与选型则主要参照美国石油学会API安全阀的相关标准和与之等效的国家标准。

2.1 安全阀设计

LNG储罐是供气系统中最重要的单元，船舶在航行过程中储罐内的LNG会不断蒸发产生BOG蒸汽，当储罐内BOG蒸汽积累到一定压力时，系统会启动压缩机处理单元对BOG进行处理，然后供给发动机和锅炉燃烧，但考虑到特殊情况如控制系统失效或火灾状况，应在LNG储罐上加装安全阀作为保障。一般来说，LNG储罐上应设置两个安全阀，并处于一用一备的状态，同时还应在两个安全阀之间加装互锁切换阀，以实现安全阀发生故障或泄露时快速切换备用安全阀并隔离故障安全阀。

IGF规范要求所有可能在满液状态下被隔离的管系和部件均应设有释放阀。在LNG供气系统中，可能在满液状态下被隔离的管系主要包括加注管线和LNG输送管线。当LNG管线因故障切断时，管路中的液态LNG受热气化膨胀，将导致管路超压，因此需要在管路上设置安全阀。一般来说，在加注管线上需要分别在靠近加注站的入口处和靠近储罐的出口处各设置一个安全阀，LNG输送管线上的安全阀可视情况设置于燃料舱处所或燃料准备间。

另外，LNG供气系统中其它单元设备如压缩机出口和缓冲罐上也应设置安全阀，这些安全阀均属于生产操作类的安全阀，只需考虑因操作故障导致的超压状况。

2.2 安全阀选型

在安全阀选型时应考虑使用环境、压力、背压和压损等因素的影响，常见的安全阀包括弹簧载荷式安全阀、平衡波纹管式安全阀和先导式安全阀。弹簧载荷式安全阀是最常用的安全阀，利用弹簧载荷使安全阀保持密封并在达到整定压力后起跳泄压；平衡波纹管式安全阀则是在弹簧式安全阀的基础上在阀盘上方增加了一段波纹管用于平衡背压，同时防止介质外漏并保护弹簧等内件免受介质腐蚀；先导式安全阀由一个主阀和一个导阀组成，由导阀驱动主阀开启泄压，其工作原理如图1所示。阀前介质压力未达整定压力前，导阀关闭，阀前介质压力通过引压管直接作用于主阀活塞上方，因活塞上方面积大于活塞下方面积，所以主阀活塞紧闭；当阀前介质压力达到整定压力时，导阀首先开启，切断引压管通路并打开排气口排出主阀活塞上方及导阀内介质，使得活塞压力迅速减小，主阀活塞开启泄压，对于危险介质，导阀排气口应与主阀出口相连通，先导式安全阀适用于高背压、大口径的场合。

图1 先导式安全阀工作原理

LNG供气系统的安全阀选型主要考虑以下几点因素：

(1)温度：LNG及BOG蒸汽介质温度一般在-130～-162℃之间，低温条件下不能使用微启式安全阀，以免泄放时出口结冰堵塞。另外，在背压较大的场合应避免使用波纹管平衡安全阀，因为这种结构的安全阀阀盖直接与空气相通，一旦安全阀开启或出现泄漏，波纹管内腔在低温介质作用下可能会冷凝空气中的水分出现结冰现象，导致安全阀无法动作。

(2)操作压力：安全阀的整定压力值需大于设备的操作压力，通常取设备的设计压力或最大允许工作压力，但LNG储罐正常使用时其操作压力可能大于设计压力的90%，一般的弹簧式安全阀在该压力条件下可能会产生慢泄漏现象因此无法选用，而先导式安全阀能够在操作压力达整定压力98%时仍保持密封，因此选用先导式安全阀能提高LNG储罐操作压力范围，增加储罐蓄压时间。

(3)背压：弹簧载荷式安全阀、平衡波纹管式安全阀和先导式安全阀分别适合于背压不超过整定压力10%、30%和50%的情况。船上压力释放阀及其他液货设备所排放的货物气体均需集中至透气桅排放，因此安全阀后管线通常较长，加之LNG储罐安全阀整定压力较低、火灾状况下泄放量大，泄放背压通常会超出10%整定压力的限值。由于低温状况下无法选用平衡波纹管式安全阀，因此LNG储罐安全阀一般均选择先导式安全阀。

(4)压力损失：LNG储罐安全阀入口管线较长，其压损通常大于规范所要求的3%整定压力值，先导式安全阀可通过引压管于入口管线较低位置或直接于储罐上远程取压，能够有效减轻阀前压损的影响[3]。

综上所述，在船用LNG供气系统中，LNG储罐上通常选用先导式安全阀，其余位置泄放量较少故一般选用弹簧载荷式安全阀。

3 LNG供气系统安全阀计算

安全阀选型中最重要的是安全阀最大泄放量和泄放面积的计算，系统中安全阀所需泄放量应由工程人员计算得出后交与安全阀厂家，然后厂家根据所需泄放量、温度、泄放压力等工艺参数计算出泄放面积，由泄放面积确定安全阀口径和流道面积并按照AIP526标准的规定设计取值，再对照产品手册就可初步确定安全阀型号。此后，还需根据实际泄放量和背压对所选安全阀进行核算与修正，最终完成选型。下面将分别对LNG供气系统中各位置安全阀的选型计算加以说明。

3.1 安全阀排量计算

3.1.1 LNG储罐安全阀

LNG储罐需考虑火灾状况下安全阀的最大泄放能力，相关排量计算公式在IGF、API521、GB150和SH3009上均有说明，国标与IGF规范和API521标准区别主要在于修正系数及比热率的选取[4]。此处以IGF的计算公式为准，LNG储罐安全阀火灾状况下的蒸气生成量按如下公式计算[5]：

式中：Q——在273.15 K和0.1013MPa的标准状态下所要求的空气最小排放率m3/s；

F——用于不同类型液化气燃料舱的火灾波及系数；A——燃料舱外表面积m2；

G——气体系数；T——释放状态下的绝对温度K(即1.2倍整定压力下温度)；

L——释放状态下物质汽化潜热kJ/kg；Z——释放状态下气体压缩系数；

M——物质分子量kg/kmol；k——释放状态下的比热率；D——比热率k决定的常数；

Mair——释放状态下要求的空气质量流kg/s(ρair=1.293kg/m3)。

3.1.2 液态LNG管路安全阀

液态LNG管路主要考虑两端切断后，管道内LNG受热膨胀超压。张立宁[6]等通过HYSYS动态模拟研究了LNG管路安全阀的泄放过程的三个阶段，其中第一阶段为液态LNG的受热膨胀后的单相泄放，通常发生时间较短；第二阶段为温度升高至LNG饱和温度后的气液两相泄放；第三阶段为纯气相排放，需温度升至-70℃左右，一般不予考虑。当安全阀开启泄压时，因出口压力较低，故LNG在安全阀出口会发生闪蒸，所以LNG液态管路的泄放实际上是一个气液两相的泄放过程，API521标准中相关计算公式如下[7]：

式中：q——释放状态下的液态泄放量kg/h；

αν——液体膨胀系数1/℃；

Q——总传热速率kJ/h；c——比热容kJ/(kg·℃)；

F——环境因子；Aws——总传热面积m2。

3.1.3 其它安全阀

其余位置的安全阀如压缩机出口安全阀、缓冲罐上安全阀主要考虑因操作故障导致出口切断而出现的超压状况，其泄放量由压缩机排量和缓冲罐进口物料流量确定。

3.2 安全阀泄放面积计算

对于气液两相泄放的安全阀来说，目前尚没有计算公式能够很好地计算出所需的泄放面积。由于无法很好地判断气相和液相所占比例，工程上一般按照全气相来计算选型，以确保最大泄放面积。气体或蒸汽安全阀泄放面积计算公式如下[8]：

式中：pb——背压力MPaA；pd——泄放压力MPaA；k——气体绝热指数；

A——有效排放面积mm2；W——所需排量kg/h；C——由k确定的系数；

Kd——有效排量系数；Kb——背压修正系数；Kc——综合修正系数；

T——泄放温度K；Z——压缩系数；M——分子量kg/kmol；

F2——亚临界流动时的排量修正系数。

3.3 安全阀选型计算实例

下面以一C型LNG燃料舱安全阀选型为例，说明LNG供气系统中设计阶段安全阀的选型计算过程，该燃料舱设计压力为4.5barG，设计直径φ10m，长度26m，容积约为2000m3。

首先计算安全阀所需排量，安全阀整定压力取储罐设计压力值P=4.5barG，考虑火灾状况允许超压取20%，故安全阀泄放压力为P0=6.4barA，泄放温度T=139.96K，LNG汽化潜热L=445.24kJ/kg，比热率k=1.52，压缩系数Z=0.87，分子量M=16，燃料舱表面积经估算约为A=900m2。根据公式(1)～(4)可以计算得出，标况下安全阀所需空气排量Q=67724kg/h。相关计算参数如表1所示：

表1 C型LNG燃料舱安全阀排量计算参数

然后依据所需排量计算泄放面积，这里需要选择标准状况下空气的参数，根据API520可知气体绝热指数值为k=1.40，对应系数C=356，压缩系数取值Z=1，分子量M=29。初步判断泄放状态为临界流动状态，系数Kb=1、Kd=0.878由厂家提供，综合修正系数在不装防爆膜时通常Kc=1，按公式(7)计算所需泄放面积，得A=97.89cm2，相关计算参数见表2。

表2 安全阀泄放面积计算参数

根据2.2的分析，LNG储罐应选择先导式安全阀，查阅API526或GBT24920选择流道代号为“J”的标准流道(见表3)，对应安全阀进出口口径为DN150/200，也可以根据厂家产品手册给出的有效流道面积确定选型。由于设计阶段无法准确判断安全阀阀前压损和阀后背压，因此本计算过程只能作为初步选型的依据，在工程后期还需要结合实际管路布置和背压参数对所选安全阀进行校核，以确保所选安全阀能够满足实际工况的需求。

表3 标准流道代号和有效面积[9]

4 结语

安全阀选型是船用LNG供气系统设计中重要的组成部分，工程人员需要在了解安全阀工作原理及计算方法的基础上与阀门厂家做充分的沟通方能确定选型，还要结合工程实际对安全阀进行校核，以确保所选安全阀能够满足实际工况下的使用。本文在研究相关规范和标准的基础上，结合设计经验系统地分析了LNG供气系统中安全阀的设计与选型，以及不同位置安全阀排量和泄放面积的计算方法，最后通过计算实例说明了项目设计阶段安全阀初步选型和定径的过程。期望本文能为工程人员在工艺设计和安全阀选型方面提供参考。