提高ORV海水管線運行穩定性的方法

林建盛，林素輝，邊 遠

(中海福建天然氣有限責任公司，福建 莆田 351100)

開架式海水汽化器(Open Rack Vaporizer，簡稱ORV)是使用海水作為熱交換介質來氣化LNG。工作時利用頂部的海水噴淋裝置將海水噴淋在管束板外表面，依靠重力作用自上而下流動，而LNG在傳熱管內向上流動時與海水換熱氣化成NG外輸。因此ORV也稱為液膜下落式汽化器。氣化所需海水由海水泵加壓輸送，海水泵有一級葉輪，工藝參數為流量7 140 m3/h、揚程41.8 m、設計壓力0.7 MPa、操作壓力0.3 MPa。由于海水泵的工作壓力為0.3 MPa，而ORV的工作壓力為0.05 MPa，將致ORV進口壓力過高，不僅影響ORV海水管線，而且影響ORV的使用壽命。為使得進入ORV的海水壓力盡量接近其工作壓力，需對ORV海水系統的相應閥門進行一系列的調整，使得調節閥門的前后壓力發生較大變化，同時，由于ORV海水管線布置的特點的影響而使得ORV海水管線發生較大震動(水錘)，長時間的震動可導致ORV海水管線出現裂紋漏水(海水流量控制閥后管線)、ORV海水分配蝶閥受損嚴重和ORV海水分布器脫落等情況，并且過大震動使海水分布槽對每根翅片管的海水量分布不同，比較容易使翅片管發生變形。文章提出了消除ORV海水管線產生水錘的方法，以達到提高ORV海水管線運行穩定的目的。

1 LNG接收站海水流程簡介及ORV基本情況

圖1是LNG接收站海水流向簡圖，由海水泵輸送的海水通過兩條海水管線(一備一用)經閥門調節后進入海水分布器，分配成薄膜狀沿翅片式換熱管的外部從上向下流動，LNG從翅片管底部進入，在翅片管內部從下往上流動，兩種介質做逆流式熱交換，使得LNG氣化成為常溫天然氣從ORV頂部輸出，海水進入海水渠排回大海。

ORV工藝參數如表1所示。

表1 ORV工藝參數

2 ORV海水管線產生水錘的原因分析

2.1 水錘的危害［1］

水錘是壓力管道中一種重要的非恒定流。在壓力管道中，因某種外界原因使得水的流速突然變化，并且由于液體的慣性作用，引起液體內部壓強急劇升高和降低的交替變化，這種交替變化的壓強作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水錘或水擊。

水錘引起的壓強升高，可達管道正常工作壓強的幾倍，甚至數百倍，輕微時表現為噪聲和管路震動，嚴重時則造成閥門損壞、管道接頭斷開，甚至引起管道嚴重變形和爆裂等重大事故。反之，壓強過低會導致管道癟塌，還會損壞閥門和固定件，影響生產。

2.2 水錘的基本理論

產生水錘的內因是液體的可壓縮性和管道中流體的慣性，水錘發生時出現水錘波，在發生的部位水錘以波的形式向外傳播，其水錘大小的計算公式可表示為:

其中:ΔH—水錘的壓力水頭增加值，m;ΔV—水流速度的變化值，m/s;C—水錘波傳播速度，m/s;g—重力加速度，m/s2。

由公式(1)可知，產生水錘的根本原因是水流速度的突然變化，只要系統的壓力發生變化，水的流速必然發生變化;水錘的大小與水錘波的波速成正比。

2.3 ORV海水管線水錘成因

1)海水流量大且流速快。每臺ORV所需海水的設計流量為6 883 t/h，ORV海水管線的尺寸為36″，海水密度為1.03 g/cm3，由連續性方程m=V·A·ρ可知，海水在海水管線中的流速(未發生節流)V=m/(A·ρ)=6 883 000/［3.14 ×(18 ×0.025 4)2×1 030 ×3 600］=2.83 m/s。

2)海水壓力發生快速變化。在ORV運行時，為了控制和平衡每臺ORV的海水流量，在海水管道上設有流量控制閥門，當海水在管道中流動時，雖然沒有閥門的快速開關動作，但是海水在流經流量控制閥門前后壓力發生了較大變化，從0.3 MPa左右降至0.05 MPa左右。

2.4 ORV海水管線水錘成因分析

伯努利方程［2］是理想流體定常流動的動力學方程。它表明，在作定常流動的流體中，沿同一流線的每單位體積流體的動能、勢能和該處的壓強之和是一個常量，即:

式中:P—壓強;ρ—流體密度;V—流體流速;h—距地面高度。

對于同一水平高度的流體則:

如圖2所示，海水流經FV閥時，可建立方程:

由于閥門的節流作用，閥門前后的壓力發生了變化，假設海水泵出口至ORV海水流量控制閥FV間未發生節流作用，PA=0.3 MPa＞PB=0.05 MPa，由方程(4)可得:

即:VB=22.21 m/s

由計算可知，海水由 A處的2.83 m/s瞬間升高到B處的22.21 m/s，海水從B處進入海水分配管，由于慣性速度不變，在海水管道彎頭處及分配管處海水流向發生了巨大的變化，同時由于高度和各個海水分配閥門的節流作用，海水流速迅速降低，相當于在C點處產生了快速關閉閥門的效應，形成水錘，從而導致ORV海水進口匯管出現裂紋漏水(海水流量控制閥FV閥后管線)、ORV海水分布蝶閥受損嚴重和ORV海水分布器脫落等現象的發生。

3 消除水錘的方法

由水錘大小計算公式(1)可知，若減緩水在ORV海水系統中的流速變化即降低海水流速增量ΔV，降低機械波的傳遞速度，水錘就可以得到控制。因此，可通過降低FV閥前后的壓差達到消除水錘的目的，有兩種方式，一是適當降低FV閥前即A處的壓力，二是適當增大FV閥后即B處的壓力。

3.1 適當減小A處的壓力

3.1.1 增加限流孔板［3］

1)工作原理。限流孔板設置在管道中主要用于流體輸送過程中的降壓、限流。流體通過孔板就會產生壓力降，通過孔板的流量則隨壓力降的增大而增大。但當壓力降超過一定數值，即超過臨界壓力降時，不論出口壓力如何降低，流量將維持一定的數值而不再增加。

2)選型原則。限流孔板按孔板上開孔數分為單孔板和多孔板，按板數可分為單級和多級。

板數的選擇:a.當液體壓降小于或等于2.5 MPa時，選擇單級孔板;b.當液體壓降大于2.5 MPa時，選擇多級孔板，且使每塊孔板的壓降小于2.5 MPa。結合海水管線的實際運行情況，由于壓降小于2.5 MPa，故可選擇單級孔板。

孔數的選擇:a.管道公稱直徑小于或等于150 mm的管路，通常采用單孔孔板;大于150 mm時，采用多孔孔板;b.多孔孔板的孔徑一般可選用 12.5、20、25、40 mm。

因此，結合LNG項目ORV海水管線的情況，海水管道的公稱直徑914.4 mm(36×25.4 mm)大于150 mm，故可選擇多孔孔板。

3)孔板數的確定。對于液體單級孔板的計算，可按下式進行:

其中:Q—工作狀態下體積流量，m3/h;C—孔板流量系數;d0—孔板孔徑，m;ΔP—通過孔板的壓降，Pa;γ—工作狀態下的相對密度。

由上式代入相關數據即可得出單級孔板的孔徑。

多孔孔板數的計算，可按下式進行:

式中:N—多孔孔板孔數，個;d0—單孔孔板孔徑，m;d—多孔孔板的孔徑，m;

由(5)(6)式根據孔徑即可確定單級孔板的孔數。

3.1.2 減小海水泵出口蝶閥的開度

在生產操作過程中，在滿足海水最小流量要求的情況下，可適當關小海水泵出口管道上的調節閥，以降低海水泵的流量，從而降低A處壓力，達到降低ORV進口壓力的目的。

3.1.3 減小海水泵的揚程

在設計海水泵時可以在保證海水泵流量的情況下，減小海水泵的揚程使海水泵出口壓力減小。

3.2 適當增大B處的壓力

通過觀察ORV的實際運行情況，發現在海水分配閥門的開度下若海水流量大于ORV的設計海水流量6 883 t/h，則ORV海水分配閥存在調整的余度。因此，在滿足ORV設計的海水流量下，可調整關小海水分配閥的開度并保持海水分配平衡，從而達到增大B處壓力的目的。

3.3 適當減小A處壓力，同時適當增大B處的壓力

根據工藝和設備要求對海水泵出口蝶閥(圖1中C、D)、ORV進口蝶閥(圖1中A、B)和ORV海水分配碟閥(圖1中E)進行合理控制調節。表3是ORV進行海水測試的信息統計。從表3可知，當閥門D開度為35%，閥門B開度為45%，海水流量控制閥FV開度為60%和海水分配蝶閥開度為40% ～45%的情況下，滿足ORV在設計的海水流量下運行，并可將ORV的進口壓力從240 kPa降至105 kPa，接近ORV的工作壓力，同時對海水主管、匯管和海水槽產生的負面影響較小，但會導致海水泵至海水泵出口碟閥(C或D)間的海水管線產生劇烈震動，也將影響海水泵的性能。

表3 ORV系統海水運行測試表

綜合以上分析并結合ORV海水管線的實際運行情況，為避免對海水泵及海水管線產生負面影響，可采用保持海水泵出口碟閥和ORV進口蝶閥全開的情況下，在ORV進口蝶閥前增加限流孔板，同時在滿足海水最小流量要求和ORV海水進口壓力盡量接近其工作壓力的前提下，適當調整關小海水分配碟閥的開度，減小海水流量控制閥門前后壓差，進而達到避免水錘現象的發生，同時，在布置ORV海水管線時，我們也應考慮盡量避免出現駝峰或坡度劇變的情況。

4 結論

ORV及其海水管線是LNG接收站重要的設備，其能否正常平穩運行關系著整個接收站能否正常向下游供氣。文章通過對LNG接收站ORV海水管線運行過程中出現的問題進行深入分析，找出了形成水錘現象的原因(材料自身缺陷外)，并提出了在ORV進口蝶閥前增加限流孔板，同時適當調整海水分配蝶閥的開度，減小海水流量控制閥前后壓差以消除水錘效應的解決方法，以希望對ORV海水管線的操作運行、維護保養提供一些可行性的建議。

［1］李愛茹，董文明.淺談“水錘效應”的危害與消除措施［J］.科技信息，2010，239(9):731.

［2］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(第三版)［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［3］化學工程學會.工藝系統工程設計技術規定［S］.HG/T20570.15.1995.