呼吸阀在工艺海水系统中的应用

王乾，余伟明，张强强，牛超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

前言

近十年来，随着我国经济的快速发展和对环保要求越来越严格，对天然气的需求量与日俱增，国内气田的天然气生产量远远满足不了工业生产和人们日常生活的需求，我国不得不从天然气的富产国进口天然气。由于天然气以气态的形式运输时，都是采用管道输送的方式，成本非常昂贵，尤其是进口天然气多数都是采用海运的方式，所以气态的天然气不太适宜远距离运输。天然气液化后，气体体积约为液体体积的600倍，因此运输液化天然气（LNG）是比较经济的方式。不论是工业生产还是人们的日常生活，直接使用的依然是气态的天然气，因此在输送到生产车间或千家万户前，需要将液化天然气转换为气态的天然气。转换液化天然气的工艺比较多，但多数采用工艺海水作为热介质将液化天然气转化为气态。海水成分复杂，对普通钢管和不锈钢管道都具有严重的腐蚀性，用GRP玻璃钢管道输送海水就成为了必然选择。GRP管道各向异性，尤其是大口径管道，抗负压能力较弱，必须考虑工艺海水管线由于停泵关阀导致的水锤压力的对管道的影响。本篇文章将使用AFTImpulse软件对工艺海水管道停泵关阀导致的水锤事件进行分析，及评估呼吸阀的作用。

1 呼吸阀分类

根据阀门的功能，分类如下：

◇ 呼吸阀：既允许气体进入也允许气体排出；

◇ 真空破坏阀：仅允许气体进入；

◇ 排气阀：仅允许气体排出；

◇ 3阶段呼吸阀：既允许气体进入也允许气体排出，当气体进入时与普通呼吸阀一样，但当气体排出时，可以设定压差或体积流量基准来指派选择使用哪个孔口。当实际值小于设定值时，使用正常截面积的孔口流出。当实际值大于设定值时，使用中间孔口流出。中间孔口有效通流截面积通常比正常流出孔口有效通流截面积要小得多。

2 呼吸阀工作原理

呼吸阀为高差变化较大的管道系统的低压条件提供了保护。当管道内部压力低于开启压力（通常为大气压）时，它会打开以允许空气（或指定的任何气体）进入管道，这可以避免管道内部压力降低到远低于大气压力的问题出现；当管道内部压力上升到大气压以上时，管道内的空气将被排出。为防止管道内出现较大的压力波动，通常都使用比流入通流面积更小的排出通流面积，即排出流量经常保持小于进入流量。

3 水锤分析的基本原理

当前水锤分析的方法主要有特征线法和波法。波法计算速度快，计算精度不高；特征线法计算精度高，计算速度较慢。随着计算机技术的快速发展，计算速度不再是人们考虑的问题，所以当前水锤分析软件多数都是采用特征线法。本文章使用的AFTImpulse软件也是采用特征线法。

正(C+)和负(C-)的特征线方程如下：

其中：

P：压力

t：时间

V：流速

a：压力波速度

D：管道内径

ρ：流体密度

正向的特征线方程乘以adt可得：

(1/ρ) dP+adV+fV|V|/2D dx+g sin(α)dx=0

sin(α)简化为dz/dt可得：

(1/ρ)dP+adV+fV|V|/2D dx+gdz=0

为更方便计算，用质量流量代替流速，并乘以ρ可得：

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

该方程可以沿正向特征线积分。

如下图特征线网格，图形中某点P受到来自A点的正向特征线和来自B点的负向特征线的影响[1]。

图 特征线网格

在一段时间 dt 后，点P受到来自点A和B的影响，其具有相等的dx/a

沿正特征线建立积分：

定义阻抗：

B=a/A

R=fΔx/(2DρA2)

可得P点的压力：

同样可获得负向特征线的压力：

4 压力波计算方法

计算水锤压力时，压力波速度是非常关键的因素，压力波速度的大小直接决定了水锤压力的大小。瞬时水锤压力关系式：

ΔP=-ρaΔv

从上面瞬时水锤压力关系式可直观看出，水锤压力与压力波速度成正比，且压力波速度数值较大，若是在输水钢管中压力波速度约为1200m/s，在输水的GRP管道中压力波速度约为600m/s。该关系式虽然直观的表示了水锤压力与压力波速度的关系[2]，但目前对GRP管道输送工艺海水系统进行水锤分析时，不能直接采用该关系式计算，因为该关系式没有考虑工艺海水GRP管道系统中其它的必要因素，比如管道和管件的摩擦阻力的影响；汽蚀的影响；压力波在复杂管网中的波相互干涉的影响等。因此在对工艺海水系统进行水锤分析时，须使用专业的特征线法水锤分析软件。

压力波速度公式：

其中：

K：介质的体积弹性模量，MPa

ρ：介质密度，kg/m3

E：管道的杨氏模量，MPa

D：管道内径，mm

e：管道壁厚，mm

c_1：管道约束形式的校核系数，

从该关系式可以看出，压力波速度是由流体介质，管道及管道约束形式共同作用的结果。

5 汽蚀模型

在进行水锤分析时，工艺海水管网系统中常会出现负压现象，当压力小于海水饱和蒸汽压力时，海水就会汽化，出现汽穴，这时海水就不连续了，出现空腔，这就需要汽穴模型来校核模型。使用Discrete Vapor Cavity Model模型，使计算得出的水锤压力更加接近实际。

Discrete Vapor Cavity Model模型如下：

DVCM 认为气腔内的固定压力等于海水饱和蒸气压。固定压力有效地在计算节点创建了一个新的边界条件。这将阻止任何压力波通过计算节点传输，并在整个节点内造成质量流量的不连续性。

Pnew=Pvapor

当某节点发生了汽蚀，存在蒸汽体积，其体积变化率等于进入（向上）和离开（向下）节点的流量差。

以离散形式，并使用质量流量：

使用新旧结果的平均值：

当蒸汽体积变为负值时，空腔坍塌，压力上升到饱和蒸汽压力以上。计算节点不再被视为固定压力，正常方法再次适用[3]。

6 计算结果

本文章的计算工况和计算结果是基于国内某一LNG接收站的工艺海水系统获得的。该系统共有7台（最大负荷时，6运1备）海水泵通过两条主管道输送到汽化器。

该系统一共分析了6个工况，下表是6个工况的有呼吸阀和无呼吸阀的管道中最大的水锤压力。

表1 工艺海水管道上的水锤压力

从上面表格中的数据可得出，海水管道上安装了呼吸阀后，最大的水锤压力为0.3747MPa，稍大于该系统的正常运行压力，远小于管道的设计压力0.68MPa；最小的水锤压力为0.01420MPa，远大于海水该温度下的饱和蒸汽压0.002321MPa。海水管道没有安装呼吸阀时，最大的水锤压力为5.213MPa，远大于管道的设计压力，约为管道设计压力的8倍，这种工况下，管道肯定会发生爆管；最小水锤压力为0.002321MPa，等于海水该温度下的饱和蒸汽压0.002321MPa，该压力远小于大气压0.1MPa，几乎处在真空状态，发生可严重的汽蚀现象，管道中出现了较大的空腔，发生了较为严重断柱弥合水锤，因此这种工况下，管道还要能抗负压。

下面两图是工况5安装有呼吸阀和没有安装呼吸阀的工艺海水系统的最大水锤压力随时间的变化曲线。图1是安装有呼吸阀的工艺海水系统的最大水锤压力随时间的变化曲线；

图1

从上图可以得出，停泵后，管道内的压力快速减小，当减小到0.145MPa后，压力缓慢升高。上图中的最小压力远大于海水的饱和蒸汽压力，没有发生汽蚀，压力的波动很小。

图2是没有安装呼吸阀的工艺海水系统的最大水锤压力随时间的变化曲线。

图2

从上个图可得，该点在14秒开始出现汽蚀，压力波动幅度逐渐加大，当在43秒时，该压力达到最大，为5.213MPa，45秒后，该店压力逐渐平稳，波动幅度减小。可以看出，若管道中出现汽蚀，水锤压力就会发生严重的波动，为了让工艺海水系统可以平稳安全运行，一定要避免出现汽蚀。

7 结论

通过该工艺海水系统在安装呼吸阀和无安装呼吸阀的6个工况的结果对比可得出，有该系统有较大的高差变化，没有安装呼吸阀时，管道内容易发生汽蚀，并发生严重的断柱弥合水锤，导致管道爆管，且需要管道能抗负压；安装呼吸阀后，管道内压力低于一个大气压时，空气就会进入管道，从而避免了压力继续降低，即也就避免了汽蚀的发生，且水锤压力波动很小，不会超过管道的设计压力，也就不会发生爆管的问题。因此在工艺海水系统中，若存在较大的高差，一定要安装合适的呼吸阀。