仇德朋 張華偉 鹿曉斌 曲順利 中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟南 250101

設(shè)計技術(shù)

LNG接收站中熱力安全閥的探討

*仇德朋 張華偉 鹿曉斌 曲順利 中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟南 250101

LNG接收站中會有大量的熱力安全閥(thermal safety valve簡稱TSV)使用，由于大多此類安全閥所需尺寸較小，規(guī)范也建議最小口徑的安全閥即可滿足要求。而TSV實際的泄放過程比較復(fù)雜。本文對熱力安全閥的分析，將有助于對TSV作用的理解及設(shè)計。

LNG接收站 熱力安全閥 阻塞 泄放

1 LNG簡介

液化天然氣(簡稱：LNG)是1960年前后發(fā)展起來的一種新能源，氣態(tài)天然氣在脫硫、脫水處理后，利用低溫工藝冷凍液化而成的低溫液體混合物，通常其常壓下沸點約為-160oC。與氣態(tài)天然氣相比，LNG體積減少到原來的約六百分之一。

LNG接收站的功能是接卸由LNG船舶運來的LNG并儲存在LNG儲罐內(nèi)，再經(jīng)高壓泵加壓氣化后將天然氣通過輸氣管線外輸，或直接利用低壓泵將LNG通過槽車外運，提供下游用戶使用。

由于LNG低溫、體積膨脹大的特性，如果接收站中出現(xiàn)緊急關(guān)斷的工況，則關(guān)斷閥門之間管道內(nèi)的LNG會由于吸熱發(fā)生膨脹，導(dǎo)致管道超壓。而熱力安全閥就安裝于潛在阻塞的LNG管道上，以防超壓，達到保護管道的目的。

2 LNG接收站中熱力安全閥計算工況分析

根據(jù)TSV受熱條件及LNG所處的條件，可對其計算工況進行分類。

2.1 從環(huán)境中吸熱液體膨脹

如果LNG接收站出現(xiàn)緊急情況，發(fā)生ESDV閥門關(guān)斷，此時被阻塞的LNG就會從環(huán)境中吸熱。計算公式如下：

(1) 泄放量計算

(1)

式中，Q 為液體泄放速率，m3/h; H 為總吸熱速率，kW; G 為LNG的相對密度;C為定壓比熱，kJ/(kg·K)；αv為LNG的體積膨脹系數(shù)， K-1。

(2) 喉徑計算

(2)

式中，A 為需要的喉徑面積，mm2;Q 為液體泄放速率，L/min;G 為LNG的相對密度;Kd 為安全閥的排放系數(shù)；Kv為粘度修正系數(shù)；Kw為背壓修正系數(shù)；Kp為超壓修正系數(shù)；Kc為爆破片修正系數(shù)；Ps為安全閥設(shè)定壓力，kPa(G)，TSV一般允許超壓10%；P2為安全閥背壓，kPa(G)，背壓不超過整定壓力10%。各個系數(shù)取值原則見API 520 (2000版) 第54頁。

(3)熱力安全閥保護的范圍

H=π(D+2e)ΦL×10-6

(3)

式中，H 為總吸熱速率，kW;D 為管道外徑，mm; e 為保溫厚度，mm; L為管道長度，m; Φ為熱流，W/m2。

結(jié)合以上方程(1)～(3)，則可得：

(4)

根據(jù)API 526選擇最小喉徑面積的安全閥1D2(喉徑尺寸進出口分別為1”和2”)，其喉徑面積約為71mm2。結(jié)合某項目的數(shù)據(jù)：Φ =30W/m2; D =1067mm;C=3.43kJ/(kg·K); G =0.43；αv=0.003K-1; Kd =0.62; Kv =1; Kw =1; Kp =1;

1.25Ps-P2=1.25×1.89-15%×1.89

=2.08 MPa(G)。

利用以上數(shù)據(jù)計算可得，L約為8800 m。由此可見，如果僅考慮液體膨脹來選用TSV的尺寸，那么即使最小的安全閥1D2也可以滿足要求，并且余量較大(目前國內(nèi)最長的LNG棧橋約2100 m)。

2.2 火災(zāi)中吸熱氣化(低壓系統(tǒng))

如果LNG接收站發(fā)生火災(zāi)，比如：LNG集液池等，都有可能產(chǎn)生池火，一旦火焰影響到了TSV，就會造成TSV在短時間內(nèi)吸收較多熱量，引起TSV起跳。低壓系統(tǒng)下(設(shè)計壓力約1.89MPa(G))，此過程計算如下：

(5)

式中，Φ 為熱流，W/m2; TE 為火焰外表面溫度, 約1200oC; TLNG為氣化溫度, 約 -103oC; e 為總保溫厚度，mm； e1為第一層保溫厚度，mm； e2為第二層保溫厚度，mm； e3為第三層保溫厚度，mm; D 為管道外徑，mm; λ1為0.02，第一層保溫傳熱系數(shù)，W/(m·K)；λ2為0.025，第二層保溫傳熱系數(shù)，W/(m·K)；λ3 為0.04，第三層保溫傳熱系數(shù)W/(m·K); L為管道長度，m。

通過計算可得，從火災(zāi)中吸收的熱流Φ約為1300W/m2。

(6)

式中，qm為氣體泄放速率，kg/h; Φ為熱流，W/m2; D 為管道外徑，mm; e為保溫厚度，mm; L為暴露于火災(zāi)的管道長度，m; Hv 為LNG的潛熱，kJ/kg。

利用公式(6)計算出在火災(zāi)情況下的泄放量，就可以根據(jù)API 520計算得到安全閥尺寸。

2.3 從火災(zāi)中吸熱膨脹(高壓系統(tǒng))

LNG接收站高壓系統(tǒng)操作壓力通常為7.5～9.0MPa(G)，高壓系統(tǒng)設(shè)計壓力為12～15MPa(G)。在高壓系統(tǒng)下，需要按照“單相”火災(zāi)工況的計算方法：

(7)

式中，A 為暴露在火中的管道面積，m2; F 為環(huán)境因子;P1為泄放壓力，psia;Kb為背壓系數(shù);T1為泄放溫度，oR;Tw為管壁溫度，oR;Z 為壓縮因子;M 為分子量，kg/kmol; qm為氣體泄放速率，lb/h。

泄放溫度T1的計算公式：

(8)

式中，T1為泄放溫度，°R;P1為泄放壓力，psia;Pn為操作壓力，psia; T2為操作溫度，°R。

計算出高壓系統(tǒng)在火災(zāi)情況下的泄放量后，就可以根據(jù)API 520計算得到安全閥尺寸。

3 熱力安全閥起跳過程及內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

TSV安裝在管道上后，在TSV入口管道有一段是不保溫的，直接裸露在空氣中。在TSV不起跳時，此部分管道為常溫，內(nèi)部為氣相空間。當(dāng)LNG阻塞之后，隨著LNG溫度升高，液體逐漸膨脹，而后壓縮氣相，直至達到設(shè)定壓力安全閥起跳。而隨著LNG進一步的升溫，也會逐漸達到泡點，產(chǎn)生氣化，導(dǎo)致安全閥起跳。下面舉例說明TSV的起跳過程。

3.1 TSV起跳分析

假設(shè)工況：TSV入口管道為2″，長度1m；阻塞的LNG管道10″，長度40m；正常LNG的壓力0.3MPa(G)，TSV起跳壓力1.86MPa(G)；LNG比熱為3.8kJ/(kg·℃)，膨脹系數(shù)0.0039 1/℃。

根據(jù)公式(1)，計算可得體積膨脹率約為0.0168m3/h，而實際TSV入口的氣相緩沖空間僅為0.00196m3，也就是說在LNG被阻塞后很短的時間內(nèi)(約6min)就會達到起跳壓力。此時，會在TSV入口未保溫管道上結(jié)冰，如果操作人員沒有發(fā)現(xiàn)，那么被阻塞的LNG會繼續(xù)升溫不斷起跳，直至達到LNG的泡點溫度后氣化。

液體膨脹計算只是短期保護管道不超壓，如果被阻塞LNG蒸氣壓有可能超過設(shè)計壓力，則必須要計算飽和壓力下的氣相泄放工況。同時，這種設(shè)計也取決于LNG接收站的運行情況，如果在達到LNG泡點之前能夠及時發(fā)現(xiàn)并解除堵塞，則可以考慮不計算飽和狀態(tài)下的氣相泄放工況。

通常，如果按照數(shù)據(jù)：38″LNG管道長度50m，太陽輻射熱流為45W/m2，LNG比熱為3.4kJ/(kg·℃)，LNG溫度-160℃，TSV設(shè)定壓力1.86MPa(G)(對應(yīng)飽和溫度-105.3℃)。

經(jīng)過粗略計算可知，LNG如果要從-160℃達到飽和溫度-105.3℃，大約需要110h。如果一旦出現(xiàn)緊急情況(ESDV閥門緊急關(guān)斷等)，接收站應(yīng)該有足夠的時間發(fā)現(xiàn)并改正。

3.2 TSV內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

由上述計算可知，在TSV的起跳過程中會先有液相后有氣相的泄放，也就是說TSV必須同時適用于兩種狀態(tài)流體的泄放。而TSV中最關(guān)鍵的部件就是閥芯的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)API 520可知用于氣相或液相泄放的安全閥閥芯結(jié)構(gòu)型式還是差別比較大的，見圖1。

圖1 安全閥閥芯結(jié)構(gòu)

由圖1可見，適用于氣相泄放的閥芯結(jié)構(gòu)是依靠氣相壓縮達到力平衡后，頂起泄放；適用于液相泄放的閥芯結(jié)構(gòu)則是依靠液相與閥門其他部件的反作用力開啟閥門。因此，如果選用氣相的閥芯結(jié)構(gòu)用于泄放液相，因為液相的壓縮性非常小，那么可能就會導(dǎo)致安全閥無法正常起跳，此時會有LNG不斷緩慢流出，進而影響安全閥的正常使用。

所以，在購買TSV安全閥的時候需要明確告知廠家，TSV的閥芯結(jié)構(gòu)必須要適用于氣相泄放也要適用于液相泄放，廠家在設(shè)計的時候必須予以充分考慮。

4 API 521及API 520中有關(guān)TSV部分的探討

API是計算安全閥的重要標(biāo)準(zhǔn)，在TSV部分講述不多，現(xiàn)在對其中幾條特別重要的段落進行分析 。

4.1 TSV設(shè)置原則

TSV一般是設(shè)置在有可能兩個閥門同時關(guān)閉而阻塞LNG的管道，而根據(jù)API 521(2007版) P34，明確指出了有些管道可以不設(shè)置TSV。也就是說在計算TSV時是可以不考慮火災(zāi)工況的，而實際計算如上節(jié)所示。實際上，考慮火災(zāi)與否并不影響TSV尺寸的選型。

在API 521(2007版) P34中還指出：如果封閉區(qū)域內(nèi)的氣相空間能夠足夠容納液體的膨脹，在此工況下也可以考慮不設(shè)置TSV，此段說明同樣適用于LNG接收站的設(shè)計。

4.2 管道設(shè)計壓力

實際工程中，TSV與管道是法蘭連接的，在接收站中LNG低壓系統(tǒng)的TSV法蘭通常為150#。根據(jù)API 521(2007版) P32描述，TSV要保證整個管路系統(tǒng)中的壓力，永遠低于最弱點的允許最高壓力。相比管道法蘭是最弱的點(溫度影響其許用應(yīng)力較大)，通常LNG在較高溫度下(>-100℃)其飽和壓力大于150#等級法蘭的承受能力。LNG接收站為了最大程度提高低壓LNG管道的設(shè)計壓力，同時也要保證法蘭的安全使用，因此就取設(shè)計溫度下150#法蘭的許用應(yīng)力作為LNG低壓系統(tǒng)的設(shè)計壓力。

目前，國內(nèi)LNG接收站低壓LNG系統(tǒng)的設(shè)計壓力均在1.79～1.89MPa(G)，此值即為150#法蘭在設(shè)計溫度35～65℃之間的許用應(yīng)力。

4.3 TSV其他的計算方法

API 521(2007版) P33指出，有些TSV的計算可以不考慮泄放氣相(達到泡點氣化)的工況，也就是說可以按照液相(過冷狀態(tài))泄放工況計算TSV的尺寸。但是，LNG雖然過冷但是在經(jīng)過TSV喉徑的時候可能會有閃蒸(根據(jù)公式判別LNG狀態(tài)是高過冷/低過冷)。所以如果要較為精確計算，可根據(jù)API 520 appendix D 2.2，主要計算過程：

(1) 計算飽和參數(shù)ωs。

(2) 根據(jù)ωs確定泄放LNG的過冷狀態(tài)。

(3) 確定流體泄放是臨界還是亞臨界狀態(tài)。

(4) 計算質(zhì)量流率lb/(s·ft2)。

(5) 結(jié)合公式(1)的體積膨脹量，最終計算所得所需泄放面積A。

在上述計算過程中，LNG的泄放溫度較難確定，作者認為可以根據(jù)公式(1)計算各個溫度下LNG的液態(tài)膨脹量，取最大膨脹量下對應(yīng)的溫度即可?；蛘甙凑詹煌脑O(shè)計理念及運行經(jīng)驗，根據(jù)發(fā)現(xiàn)并改正問題所允許的最長時間，取在該段時間內(nèi)由環(huán)境吸熱后的LNG溫度。

以上計算幾乎不會影響TSV尺寸的選擇，但是可以有助于對于TSV泄放的理解。而且，對于兩相泄放的安全閥，ASME是無法認證的，API 520 P55中也對此有敘述，也就是說對于兩相的安全閥，實際上沒有額定流量，因此，在計算此類安全閥背壓的時候用需求泄放量應(yīng)該是可以的。

對于兩相泄放的安全閥，其背壓也要予以充分考慮。API 520 P55中對此也有提示，由于兩相流的壓降可能會較大，因此在計算背壓時需要特別注意，并且據(jù)此對安全進行選型。

5 結(jié)語

在LNG接收站中，1D2型的安全閥可以滿足絕大多數(shù)TSV的需求(部分高磅級的TSV除外)。因此目前對于TSV的計算相對簡略，實際上TSV的內(nèi)部泄放過程以及流體狀態(tài)較為復(fù)雜。而且，國內(nèi)計算安全閥的標(biāo)準(zhǔn)對此部分介紹較少，相比而言，API標(biāo)準(zhǔn)對此有較深入的探討。在API標(biāo)準(zhǔn)中，有些地方給出了嚴格判別或計算的方程，而有些地方只是提醒，并沒有給人完全強制性的觀點。這除了API規(guī)范的性質(zhì)(協(xié)會)以外，實際上API也給設(shè)計預(yù)留了相對寬泛的思路。筆者認為對于TSV的深入分析，可以有效幫助我們對于低溫管道以及LNG接收站的深入理解。同時，對于我們的設(shè)計理念也有幫助。

1 API 521(2007版), Pressure-relieving and Depressuring Systems. 第五版[S].

2 API 520(2000版), Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries, Part I—Sizing and Selection. 第七版[S].

3 常 征. 油品管道設(shè)置熱膨脹安全閥探討[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2009, 39(8): 58-61.

2014-02-03)

*仇德朋：工程師。2004年畢業(yè)于山東大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位。主要從事化工設(shè)計。電話：(0531)55697406，E-mail：atuanna@163.com。