LNG 卸料系统水锤力计算及研究

刘洁，袁良霄(中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

LNG 接收站是属于大型工程项目，设备、管道要求高，运行工况复杂。LNG 具有较高的饱和压力，极易发生气化。当LNG 接收系统进行日常操作，如泵的启动停止或者阀门的开启关闭等操作时，会在泵或阀门的前后出现十分剧烈的压力波动。当波动瞬间的压力低于LNG 饱和压力时会发生气化，而LNG 的气液比约为600∶1，一旦发生这种情况，如不加以控制大量的气体将瞬间充满管道，管道受到极大的压力冲击，从而引起管道爆裂，后果严重。另一方面，由于瞬态压力波动，弯头之间受到的压力不平衡，形成水锤力瞬间冲击管道、支架或管口，可能导致管道偶然应力超标，管口和支架瞬时推力过大，支架失效和管口失效等严重后果[1]。

因此在进行工程设计的过程中，必须采取一定的措施来减少水锤对系统和管道的危害。其中，比较有效的方法是防止系统压力发生突然增大或减小，从而降低系统内的最大压力及压力波动范围。

1 理论依据

水锤又称水击。水(或其他液体) 在输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突然停止、骤然启闭导叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。

水锤的理论基础为约克夫斯基公式：

式中：ΔH为压力升高；ΔV为水流速度的变化率；C为水锤波的波速；g为重力加速度。

水锤波的波速大小与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及介质的弹性模量等有关。对于本项目来说，通过计算可得，在DN600 的LNG 管道中，水锤波的波速为1 096.7 m/s，在DN1050 的卸船总管中，水锤波的波速为1 115.94 m/s。

2 项目背景

本研究基于某LNG 接收站。对于整个LNG 接收站来讲，水击现象是普遍存在的，但严重程度不一。对接收站中水锤现象较为严重的几个系统进行综合分析考虑，码头装载卸载系统阀门操作频繁，且存在快速关断阀门，所受到的水锤最为频繁和严重。因此在本课题中选取LNG 接收站中的卸料系统进行LNG 低温管道的水力计算研究[2]。

本课题考虑从卸料臂至储罐的一段管道。该段管道包括3 个24”的卸料臂，一条42”的卸船总管以及由卸船总管至三个储罐的30”管道组成。该段管道距离长，高度落差大，易发生水锤，因此此段管道的水力计算十分重要。

3 建模分析过程及结果

本课题将利用AFT Impluse 对以上管路系统在不同工况下进行水锤模拟和计算，并对其产生的最大压力及水锤力进行图形和数据分析，从而校核管线的设计压力，合理选择阀门的关闭方式。

3.1 边界条件定义

根据该接收站的实际运行情况，确定以下输入条件

(1) 卸载速率：4 700 m3/h(总卸载速率14 000 m3/h)。

(2) 储罐压力。

储罐压力=操作压力+静压(储罐LNG充装量按30 m计算)=119.3 kPa+ρgh=119.3+431×9.8×30/1 000=0.246 MPa。

(3) 定压点压力。本研究的边界设于卸料臂与船的管道交界处的EPRC 阀门处，EPRC 阀门前的定压点的压力，根据管道的流速、管径，以及储罐的压力，通过GSC 目标求解方法可以求出，经AFT Fathom 计算可得，定压点的压力P=1.309 MPa。

(4) LNG 卸载过程中包含两类阀门，这两类阀门的操作容易导致水击的发生。其中一类阀门是用于日常装载或卸载工作的操作阀，也叫关断阀。另一类是紧急切断阀(PERC)，用于恶劣天气时(如风暴) 快速关停并且断开与船体的连接，通常位于码头栈桥的末端[3]。

本研究所涉及到的阀门其关闭时间如下：PERC 阀门(12 s)、卸料臂阀门(24 s)、主管阀门(42 s)、储罐的阀门(30 s)。

3.2 工况分析

在LNG 接收站的卸料过程中，因为CCR、JCR 动作、火灾、天然气泄漏、卸载臂紧急断开等情况，可能出现的工况如下：

(1) 关闭EPRC 阀门(12 s)；

(2) 关闭卸料臂阀门(24 s)；

(3) ESD 主管阀门关闭(42 s)；

(4) 关闭至储罐的阀门(30 s)。

在每种工况下，管道内的压力以及受力情况如表1 所示。

表1 管道受力表—关闭EPRC阀门

本项目该段管道的设计压力为1.960 MPa，以上四种工况下管道受到的压力均未超过管道的设计压力；LNG 的饱和蒸汽压为0.112 MPa，以上四种工况下管道受到的最小压力均未低于LNG 的饱和蒸汽压，故不会发生气化。

3.3 关阀方式及时间对压力、水锤力等大小的影响

为研究关阀方式及时间对管道的压力以及水锤力大小的影响，选取以上第三种工况—关闭主管阀门进行研究。

共采取以下四种不同的关阀方式：

(1) 均匀关闭(10 s 关阀)；

(2) 均匀关闭(20 s 关阀)；

(3) 均匀关闭(40 s 关阀)；

(4) 分段关闭(40 s 关阀)[3]。

由计算分析可得，四种关阀方式对应的系统最大水锤力如图1 所示。

图1 不同关阀方式管道最大水锤力分析图

四种关阀方式对应的系统最大、最小瞬态压力以及水锤力波动范围如表2 所示。

表2 不同关阀方式及时间下管道受力表

由图1 及表中数据可以看出，水锤力的大小和阀门的关闭时间及方式有密切的关系。阀门关闭时间越长，水锤力越小；分段关阀方式可以有效地缓解水锤，约为前20% 的时间内关闭80%，后80% 的时间内关闭20%。

4 结语

在LNG 管道中，阀门的关闭对管道受力有十分大的影响，通过对LNG 管道不同的工况进行计算，可以看出对于该LNG卸料系统，在以上几种工况下，阀门关闭时管道的瞬态压力均未超过管道的设计压力，且不低于LNG 的饱和蒸汽压。同时，在实际设计的过程中，应采取以下措施来减小水锤：

(1) 延长阀门关闭时间，避免产生直接水击并可降低间接水击压力。

(2) 控制阀门的关闭方式，分段关闭阀门可以减小水锤，使水锤力在一个较小的范围内波动。理论及实践证明，在前20%的时间内关闭80% 的阀门，在后80% 的时间内关闭20% 的阀门可以有效地抑制水锤。

(3) 由于水击压力与管内流速成正比，应适当加大管径，控制管内流速不超过最大流速限制范围。

此外，在工程实践中，在阀门前设置止回阀、排气阀或者破真空阀等，以及安装泄压阀、蓄能器等，也都能够有效地减小水锤。