摘　要：對(duì)LNG接收站的系統(tǒng)組成和水擊原理進(jìn)行介紹，采用流體力學(xué)軟件AFT hnpulse模擬LNG接收站低壓系統(tǒng)的各種水擊工況。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)LNG接收站的低壓系統(tǒng)提出了建議。

關(guān)鍵詞：LNG接收站；  再冷凝器；　低壓系統(tǒng)；  水擊模擬

Simulation and Analysis of Water Hammer in Low Pressure System in LNG Terminal

Abstract：The system composition in LNG terminal and the principle of water hammer are introduced．The difierent water hammer conditions in low pressure system in LNG terminal are simulated by fluid mechanics software A訂Impulse．The simulation results are analyzed，and some suggestions on the low pressure system in LNG terminal are made．

Keywords：LNG terminal；reeondenser：low pressure system；water hammer simulation

1　LNG接收站及水擊介紹

1.1　LNG接收站

LNG接收站^[1]的功能是接卸由LNG船舶運(yùn)來(lái)的LNG并儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，再經(jīng)高壓泵加壓氣化后，將天然氣通過(guò)輸氣管道外輸或直接利用低壓泵將LNG通過(guò)槽車(chē)外運(yùn)，提供下游用戶(hù)使用。

目前LNG接收站技術(shù)已相當(dāng)成熟，LNG接收站設(shè)計(jì)將充分考慮工藝技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全可靠地向下游供氣。LNG接收站主要由以下系統(tǒng)組成。

①卸船系統(tǒng)

LNG接收站卸船系統(tǒng)具有一根液相總管、一根氣相平衡總管和一根LNG循環(huán)保冷管路，液相總管用于卸料，氣相平衡總管用于儲(chǔ)罐與船艙返氣。無(wú)卸船時(shí)，通過(guò)LNG循環(huán)保冷管路以小流量循環(huán)來(lái)保持液相總管處于低溫狀態(tài)。通常設(shè)計(jì)要求完成卸料作業(yè)的時(shí)間不超過(guò)30h，最大卸船時(shí)(即大船卸料工況)，3條液體卸料臂同時(shí)工作。

②低壓LNG系統(tǒng)

通常LNG接收站的儲(chǔ)罐選用安全、可靠的全容式混凝土頂儲(chǔ)罐。LNG經(jīng)卸料臂送入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，罐內(nèi)設(shè)有低壓泵，可輸送部分LNG至再冷凝器，再冷凝后的LNG與其余來(lái)自?xún)?chǔ)罐的LNG混合，經(jīng)高壓泵加壓后送至氣化器氣化后外輸。

③蒸發(fā)氣(BOG)處理系統(tǒng)

蒸發(fā)氣主要是外界能量輸入產(chǎn)生的，如泵運(yùn)轉(zhuǎn)、外界熱量的傳入等。接收站產(chǎn)生的蒸發(fā)氣會(huì)增加BOG系統(tǒng)的壓力，直至火炬放空。因此，正常情況下BOG需要被液化處理，保證接收站不進(jìn)行火炬放空。

通常LNG接收站采用再冷凝工藝，將蒸發(fā)氣利用壓縮機(jī)壓縮到較低壓力后，與來(lái)自?xún)?chǔ)罐的低壓LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加壓后處于過(guò)冷狀態(tài)，呵以使蒸發(fā)氣再冷凝。

④LNG高壓外輸、氣化及計(jì)量系統(tǒng)

正常情況下，LNG從再冷凝器直接進(jìn)入LNG高壓輸送泵，加壓后輸送至高壓氣化器。高壓輸送泵是輸送系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其啟動(dòng)臺(tái)數(shù)根據(jù)接收站的外輸氣量來(lái)確定。LNG高壓輸送泵外輸流量可通過(guò)泵出口管路上(即氣化器入口)的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，也可根據(jù)外輸天然氣總管的壓力自動(dòng)控制，以保證外輸天然氣總管的壓力穩(wěn)定。

⑤小結(jié)

在整個(gè)LNG接收站的運(yùn)行中，再冷凝器是至關(guān)重要的工藝設(shè)備，其上接低壓LNG系統(tǒng)，下連高壓外輸系統(tǒng)。因此，再冷凝器對(duì)LNG系統(tǒng)乃至整個(gè)接收站的運(yùn)行都非常重要。

本文以再冷凝器為核心，模擬LNG接收站低壓系統(tǒng)水擊工況并予以分析，為接收站的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1.2　水擊

水擊是由于管道中水流速度突然發(fā)生變化，從而引起管內(nèi)一系列急劇的壓力交替升降，并以波的形式在管中往返傳播的水力沖擊現(xiàn)象，因其發(fā)出的聲音如錘敲擊管道，因此也稱(chēng)之為水錘^[2]。

造成水錘的外因主要是突然停泵、迅速關(guān)閉或開(kāi)啟閥門(mén)、管道坡度不足或倒坡、管道中流體自身具有慣性。在壓力管道中，當(dāng)水流速度發(fā)生變化時(shí)，管道中水壓就會(huì)升高或降低，當(dāng)壓力低于水的氣化壓力時(shí)，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔，空腔外的水流再?gòu)浐蠒r(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，管道中的水升壓，形成斷流彌合水錘。彌合水錘因?yàn)樯龎汉艽螅砸鸬臑?zāi)害也很大。

在LNG接收站中，有眾多的LNG管道，涉及各種功能的緊急切斷閥、動(dòng)力設(shè)備等。如果出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，所產(chǎn)生的水擊壓力可能較大，會(huì)危及安全運(yùn)行。

1.3　水擊模擬軟件

本文中水擊模擬軟件采用AFT Impulse 4.0(applied flow technology)，AFT為專(zhuān)業(yè)流體分析軟件，在國(guó)內(nèi)有眾多用戶(hù)。與其他類(lèi)似計(jì)算軟件相比，當(dāng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)較小時(shí)，水擊壓力脈沖峰值不會(huì)變化巨大，更接近于實(shí)際運(yùn)行情況。

2　 LNG接收站中的低壓系統(tǒng)水擊分析

2.1　低壓LNG系統(tǒng)

低壓LNG系統(tǒng)見(jiàn)圖1。來(lái)自?xún)?chǔ)罐的低壓LNG分為兩部分，一部分進(jìn)入再冷凝器，達(dá)到冷凝處理BOG的目的；另一部分與從再冷凝器出來(lái)的LNG匯合后，進(jìn)入高壓泵組(圖1中高壓泵均并聯(lián))，加壓后高壓LNG外輸，進(jìn)入氣化器。

再冷凝器在本系統(tǒng)中可以為高壓泵組提供入口液位，同時(shí)也可以為高壓泵啟動(dòng)提供一定的緩沖體積，通常設(shè)計(jì)再冷凝器的緩沖體積為單臺(tái)高壓泵以額定流量運(yùn)行5min的流體體積。

高壓泵為筒袋式離心泵，電機(jī)放置在筒內(nèi)。當(dāng)高壓泵運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)發(fā)熱產(chǎn)生的BOG需要匯集輸送至再冷凝器。

2.2　再冷凝器

由圖l可知，再冷凝器聯(lián)系著接收站的高、低壓LNG系統(tǒng)，同時(shí)直接影響著高壓泵組的正常運(yùn)行，而高壓泵組直接決定接收站能否外輸。因此，再冷凝器對(duì)LNG接收站至關(guān)重要。因此，盡管目前LNG接收站均未設(shè)置備用的再冷凝器，但是在工藝設(shè)計(jì)上都考慮了再冷凝器無(wú)法運(yùn)行的工況。

當(dāng)再冷凝器因?yàn)闄z修等原因停運(yùn)時(shí)，高壓泵組產(chǎn)生的BOG也需要排出，此時(shí)就需要關(guān)閉手動(dòng)閥門(mén)。放空的BOG進(jìn)入緩沖短接(緩沖短接通常是一段粗管道，直徑約為40cm)，通過(guò)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制緩沖短接內(nèi)部氣相空間，同時(shí)維持一定液位。這樣此短接就可以基本實(shí)現(xiàn)再冷凝器的作用，當(dāng)然接收站產(chǎn)生的BOG無(wú)法處理，只能排往火炬放空。即當(dāng)再冷凝器停運(yùn)時(shí)，利用短接的作用就可達(dá)到不影響接收站外輸?shù)哪康?，雖然存在放火炬的可能性。因此，再冷凝器停運(yùn)而接收站又外輸?shù)墓r是可能出現(xiàn)的。

雖然在這種工況下接收站運(yùn)行基本正常，但是需要接收站管理人員、操作人員密切注意各運(yùn)行參數(shù)。一旦再冷凝器重新運(yùn)行，整個(gè)接收站方可回至最正常的運(yùn)行工況。

2.3　不同運(yùn)行工況下的水擊模擬

根據(jù)低壓LNG系統(tǒng)流程，建立了低壓LNG系統(tǒng)水擊模型。該低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為1.89MPa，輸入條件為低壓泵流量一揚(yáng)程性能曲線(即輸入一組低壓泵的流量和揚(yáng)程數(shù)據(jù))和額定工作流量(450m³／h)；輸出為最高水擊壓力。按照再冷凝器運(yùn)行與否以及是否停止低壓泵電機(jī)，可分為4種運(yùn)行工況。再冷凝器停運(yùn)是指在模擬開(kāi)始前就將再冷凝器隔離停運(yùn)，停低壓泵電機(jī)是指在運(yùn)行過(guò)程中，關(guān)閉緊急切斷閥時(shí)連鎖停運(yùn)低壓泵電機(jī)。在不同運(yùn)行工況運(yùn)行過(guò)程中，同時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)中的4個(gè)緊急切斷閥，所有的緊急切斷閥關(guān)閉時(shí)間均按照1s／25mm設(shè)置(例如DN 250mm的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為10s)。模擬的不同運(yùn)行工況下的低壓LNG系統(tǒng)最高水擊壓力見(jiàn)表1。

工況1(再冷凝器停運(yùn)+不停低壓泵電機(jī))：最高水擊壓力可達(dá)3.6MPa，遠(yuǎn)高于目前LNG接收站低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力(1.89MPa)。一旦出現(xiàn)此工況，必將有較多熱力安全閥起跳，進(jìn)而影響接收站正常運(yùn)行，同時(shí)產(chǎn)生的較大水擊壓力也會(huì)對(duì)管道等產(chǎn)生較大影響。

工況2(再冷凝器停運(yùn)+停低壓泵電機(jī))：最高水擊壓力下降至3.2MPa，但是仍高于低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力。

工況3(再冷凝器運(yùn)行+不停低壓泵電機(jī))：當(dāng)再冷凝器正常運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生的最高水擊壓力為1.8MPa，略低于低壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。盡管如此，但是由于熱力安全閥具有一定的回座壓力(一般為90％的設(shè)定壓力)，熱力安全閥極有可能會(huì)出現(xiàn)微啟漏液，對(duì)接收站的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。

工況4(再冷凝器運(yùn)行+停低壓泵電機(jī))：其最高水擊壓力為1.4MPa，遠(yuǎn)低于安全閥起跳的回座壓力，因此熱力安全閥不會(huì)有任何動(dòng)作，不會(huì)對(duì)LNG接收站正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

3　水擊模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)再冷凝器停運(yùn)時(shí)，一旦全站緊急關(guān)停，不論是否停運(yùn)低壓泵，其最高水擊壓力都遠(yuǎn)高于低壓LNG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。其主要原因是再冷凝器停運(yùn)而接收站又要外輸，則高壓泵產(chǎn)生的BOG只能通過(guò)緩沖短接排出，而緩沖短接的氣相緩沖空間比再冷凝器小得多(再冷凝器與緩沖短接體積對(duì)比見(jiàn)表2)。因此一旦產(chǎn)生水擊，根據(jù)水擊原理，流體波會(huì)按照一定速度和方向振蕩，會(huì)產(chǎn)生較高的水擊壓力。

由表2可知，緩沖短接體積與再冷凝器差別較大。盡管緩沖短接在某種程度上可以達(dá)到再冷凝器的作用，但是其緩沖能力較小，尤其在出現(xiàn)水擊工況時(shí)，產(chǎn)生的水擊壓力較大。據(jù)此也進(jìn)一步說(shuō)明再冷凝器的重要性，不僅可以緩沖液相，吸收處理BOG，而且具有一定的氣相緩沖空間，防止較高水擊壓力出現(xiàn)，這與給水系統(tǒng)中的抗水錘氣壓罐相似^[3]。

由表l還可知，當(dāng)出現(xiàn)緊急關(guān)斷情況，是否停運(yùn)低壓泵也會(huì)對(duì)水擊壓力產(chǎn)生一定影響。筆者認(rèn)為，當(dāng)出現(xiàn)水擊是否應(yīng)該停運(yùn)低壓泵等動(dòng)力設(shè)備取決于計(jì)算水擊壓力值，同時(shí)也要考慮接收站的運(yùn)行連續(xù)性。一旦停運(yùn)低壓泵電機(jī)，需要現(xiàn)場(chǎng)重新啟動(dòng)，可能會(huì)延誤接收站的供氣。有些接收站設(shè)計(jì)為當(dāng)水擊壓力滿足要求時(shí)，可以不停低壓泵等動(dòng)力設(shè)備，而是打開(kāi)低壓泵的回流管路。在某種程度上，一旦問(wèn)題得到解決，這種設(shè)計(jì)有利于接收站重新運(yùn)行的連續(xù)性。

4　對(duì)低壓LNG系統(tǒng)的建議

①再冷凝器

再冷凝器停運(yùn)屬于接收站正常運(yùn)行的范疇(一切以保證接收站正常外輸為目的)。一旦出現(xiàn)此工況，需要密切注意各工藝參數(shù)，防止發(fā)生緊急切斷閥關(guān)閉等意外工況。雖然本文考慮的水擊模擬工況較為嚴(yán)苛，但是有可能發(fā)生。

②緩沖體積

根據(jù)模擬結(jié)果，再冷凝器停運(yùn)時(shí)，由于緩沖短接氣相空間較小，緩沖能力不足，所以水擊壓力較大。在設(shè)計(jì)再冷凝器或緩沖短接時(shí)，需要考慮水擊產(chǎn)生的影響，可以適當(dāng)放大氣相空間。

③設(shè)計(jì)壓力

當(dāng)水擊壓力超過(guò)原來(lái)既定的低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可以在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中修改設(shè)計(jì)壓力時(shí)，也可以增設(shè)安全閥保護(hù)管道不受損壞，或者降低水擊發(fā)生的可能性等。畢竟水擊不是接收站運(yùn)行的常態(tài)工況，一旦水擊壓力過(guò)大，需要設(shè)計(jì)單位與業(yè)主共同溝通協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌考慮，找到最安全、最經(jīng)濟(jì)的解決方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜光能．LNG終端接收站工藝及設(shè)備[J]．天然氣工業(yè)，l999，19(5)：82-86．

[2]李穗生．淺談水擊及防護(hù)[J]．西部探礦工程，2003(8)：106-107．

[3]劉奕，陳敏．淺議抗水錘氣壓罐在消減停泵水錘中的應(yīng)用[J]．有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2003(3)：59-62．

本文作者：仇德朋  孟鐵柱  管西龍  付紅艷  郭雷  曲順利

作者單位：中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司