LNG廠站安全閥背壓和天然氣放散管道計算

李建勛， 邢少郡

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381；2.吉林市大地技術咨詢有限公司，吉林吉林132000)

1 問題的提出

在LNG氣化站設計中，當進行LNG儲罐安全閥選型計算時，一些設計人員將安全閥的背壓取某個確定的值，未與天然氣放散管道聯系起來。實際上，安全閥的背壓等于天然氣放散管道的起點壓力。該起點壓力取決于放散量、天然氣組成、安全閥前天然氣的壓力和溫度、環境溫度、放散管道各管段的長度和管徑等許多因素，參數之間的關系比較復雜。因此，有必要對天然氣放散管道計算進行研究。

經過對實例LNG氣化站適當簡化，將EAG加熱器視為一段管段，得到天然氣放散管道的物理模型，見圖1。放散管道共有6個節點，5個管段。圖1中圓圈內的編號為節點編號，管段上的編號為管段編號。節點6是儲罐安全閥的出口，節點1通向大氣。

圖1 天然氣放散管道的物理模型

2 放散管道的數學模型

2.1 放散管道中天然氣的流動過程

LNG儲罐發生火災時，LNG迅速氣化，LNG儲罐內氣相空間天然氣壓力迅速升高。當天然氣壓力達到安全閥整定壓力時，安全閥開啟；當天然氣壓力達到安全閥排放壓力時，安全閥全開[1]。天然氣流經安全閥是一個節流過程，安全閥前后天然氣的比焓相等。天然氣流入放散管道后，吸收環境的熱量，溫度逐步升高。由于存在沿程摩擦阻力和局部阻力，壓力逐步降低。在放散管道出口，天然氣排入大氣。

2.2 已知參數和待求參數

① 已知參數

天然氣的組成。始端節點的質量流量、比焓。環境溫度。各管段的傳熱系數。各管段的內直徑、外直徑、長度、局部阻力系數。

② 待求參數

各節點的壓力、溫度。

③ 判斷參數

a.考慮到放散天然氣溫度較低，在參考GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》相關條文基礎上，對末端節點，出口密度與環境空氣密度的比值應小于等于0.85。

b.始端節點的壓力(按表壓計)，應小于排放壓力的10%。

2.3 各管段的流量關系

低溫天然氣從節點6流入，從節點1流出，中間節點無天然氣流入或流出，因此管段1～5的質量流量是相同的。

2.4 各管段的壓力關系

對于第i管段，為簡化計算，天然氣的溫度取該管段起點溫度和終點溫度的平均值。基于有關文獻[2]425，采用質量流量，起點和終點的壓力關系為：

(Ts,i+Te,i)

(1)

式中ps,i——第i管段起點天然氣絕對壓力，Pa

pe,i——第i管段終點天然氣絕對壓力，Pa

λi——第i管段的摩擦阻力系數

qm——各管段天然氣質量流量，kg/s

di——第i管段的內直徑，m

ρ0——標準狀態下天然氣的密度，kg/m3

p0——標準狀態下的大氣壓力(絕對壓力)，Pa，取101 325 Pa

T0——標準狀態下的溫度，K，取273.15 K

Li——第i管段的長度，m

ζi——第i管段的局部阻力系數

Ts,i——第i管段起點天然氣溫度，K

Te,i——第i管段終點天然氣溫度，K

令：

式中βi——系數

將式(2)代入式(1)得：

將1～5管段的壓力關系分別記為f1～f5。以管段4為例，f4為：

式中p5——節點5的天然氣絕對壓力，Pa

p4——節點4的天然氣絕對壓力，Pa

T5——節點5的天然氣溫度，K

T4——節點4的天然氣溫度，K

2.5 各管段的溫度關系

由于放散管道壓力低，不考慮節流效應。

將管段i分成若干個微元管段。由于從環境吸熱，微元管段存在關系[1]：

qmcpdT=πKiDidx(Tsur-T)

(5)

式中cp——天然氣比定壓熱容，J/(kg·K)

T——天然氣溫度，K

Ki——第i管段的傳熱系數,W/(m2·K)

Di——第i管段的外直徑，m

x——與該管段起點的距離，m

Tsur——環境溫度，K

經過積分運算，得到[1]：

Te,i=Tsur+(Ts,i-Tsur)e-αiLi

(6)

式(6)整理得：

e-αiLiTs,i-Te,i+Tsur-e-αiLiTsur=0

(8)

將1～5管段的起點、終點的溫度關系分別記為f6～f10。以管段4為例，f9為：

e-α4L4T5-T4+Tsur-e-α4L4Tsur=0

(9)

2.6 邊界條件

① 始端節點的比焓關系

始端節點，即節點6，是安全閥的出口。安全閥閥前的壓力、溫度可由相平衡計算得到，即比焓已知。安全閥放散前后，天然氣的比焓相等。將始端節點的比焓關系記為f11，即：

h6-hval=0

(10)

式中h6——節點6的天然氣比焓，kJ/kg

hval——儲罐處安全閥進口天然氣比焓，kJ/kg

② 末端節點的壓力關系

末端節點，即節點1，與大氣相通。將末端節點的壓力關系記為f12，即：

p1-pa=0

(11)

式中p1——節點1天然氣絕對壓力，Pa

pa——大氣壓力(絕對壓力)，Pa，取101 325 Pa

3 數學模型的求解

3.1 封閉性分析

氣體狀態方程采用BWRS方程，因此，變量為節點1～6的密度、溫度，12個。管段的壓力關系有5個方程，管段的溫度關系有5個方程，始端節點的比焓關系有1個方程，末端節點的壓力關系有1個方程，共12個方程。方程數量與變量數量相等，滿足封閉性要求。

3.2 BWRS方程壓力和比焓的計算

3.2.1 BWRS方程計算

① BWRS方程的形式為[3]：

式中p——天然氣絕對壓力，kPa

ρm——天然氣體積物質的量，kmol/m3

R——摩爾氣體常數，kJ/(kmol·K),取8.314 kJ/(kmol·K)

A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ——參數

式(12)變形為：

② 利用式(12)計算p對ρm的偏導數，利用式(13)計算p對T的偏導數。

③ 天然氣密度計算：

ρ=ρmM

(14)

式中ρ——天然氣密度，kg/m3

M——天然氣的摩爾質量，kg/kmol

3.2.2 比焓計算

比焓計算式為[2]：

式中h——天然氣(作為實際氣體)的比焓，kJ/kg

h0——天然氣(作為理想氣體)的比焓，kJ/kg

ΔHm——摩爾焓的差，kJ/kmol

①h0的計算式為[2]59-60：

h0=A+BT+CT2+DT3+ET4+FT5

(16)

式中A、B、C、D、E、F——計算h0的參數

A按下式計算：

式中wi——i組分的質量分數

Ah,i——i組分的常數

同理，可計算出B、C、D、E、F常數。

②h0對T的偏導數為：

③ ΔHm計算式為[3]：

式(19)變形為：

④ 利用式(19)計算ΔHm對ρm的偏導數，利用式(20)計算ΔHm對T的偏導數。

3.3 求解方法

對由上述12個方程構成的方程組，采用牛頓-拉弗森方法求解，其中構建雅克比矩陣是主要步驟。管段的壓力關系f1～f5、管段的溫度關系f6～f10、始端節點的比焓關系f11、末端節點的壓力關系f12，對節點1～6的密度ρ1～ρ6、節點1～6的溫度T1～T6的偏導數是雅克比矩陣的元素。

① 管段壓力關系的偏導數

以管段4為例，將管段壓力關系f4用密度、溫度的函數表示：

[p(ρm,5,T5)]2-[p(ρm,4,T4)]2-

β4(T5+T4)=0

(21)

偏導數為：

② 管段溫度關系的偏導數

以管段4為例，管段溫度關系f9對溫度求偏導數：

③ 始端節點比焓關系的偏導數

始端節點比焓關系f11用密度、溫度的函數表示：

h(ρ6,T6)-hval=0

(28)

偏導數為：

④ 末端節點壓力關系的偏導數

末端節點壓力關系f12用密度、溫度的函數表示：

p(ρm,1,T1)-pa=0

(31)

偏導數為：

3.4 初始密度、初始溫度的確定

設定始端節點(節點6)的絕對壓力為0.11 MPa，依據始端節點的比焓關系,計算得到節點6的初始溫度。根據管段的溫度關系，順著天然氣的流動方向,依次計算得到節點5～1的初始溫度。

根據管段的壓力關系，從末端節點(節點1)開始，逆著天然氣的流動方向，得到節點2～6的初始壓力。當然，計算得到的節點6的初始絕對壓力一般不會恰好是0.11 MPa。根據各節點的初始壓力、初始溫度，利用BWRS方程，得到各節點的初始密度。

4 算例

4.1 計算條件

始端節點天然氣CH4、C2H6、N2的體積分數分別為：73.46%、0.06%、26.48%。天然氣的質量流量為120 kg/h，其比焓與絕對壓力0.66 MPa、135.77 K下的比焓相等。

從安全閥出口到放散塔處的放散管道架空敷設，不進行保冷。室外大氣壓力取101.325 kPa，室外環境空氣溫度取-9 ℃，管內天然氣與環境空氣的傳熱系數取8.141 W/(m2·K)[2]642。管道布置見圖1。EAG加熱器可簡化為由內部并聯帶翅片的4根管道組成，內直徑21 mm，外直徑28 mm，每根管道長度為15 m，局部阻力系數取0.1，其當量傳熱系數取40 W/(m2·K)。

從安全閥出口到EAG加熱器進口的天然氣管道，即管段5和管段4，內直徑均為38 mm，外直徑均為45 mm，局部阻力系數均取0.1，管段5長度為22 m，管段4長度為50 m。EAG加熱器出口以后的天然氣管道，為管段2和管段1。管段2內直徑為81 mm，外直徑為89 mm，局部阻力系數取0.1，長度為20 m。管段1內直徑為207 mm，外直徑為219 mm，局部阻力系數取0.1，長度為15 m。

4.2 計算結果與分析

對管道的數學模型進行編程求解，得到各節點的密度、溫度、絕對壓力，見表1。

表1 管道的數學模型計算結果

從表1可知，LNG儲罐處安全閥背壓(安全閥出口絕對壓力)為127.540 kPa，安全閥出口溫度為125.9 K。當管段2、4、5長度縮短一半時，其他參數不變，經計算，此時LNG儲罐處安全閥背壓減小至117.14 kPa，安全閥出口溫度降低至125.7 K。當管段6起點質量流量從120 kg/h減小至60 kg/h時，其他參數不變，經計算，此時LNG儲罐處安全閥背壓減小至109.49 kPa，安全閥出口溫度降低至125.5 K。因此，安全閥的背壓不是一個確定的值。

5 結論

在LNG氣化站放散系統設計時，設計人員應當考慮安全閥的背壓與放散量、天然氣組成、安全閥前天然氣的壓力和溫度、環境溫度、放散管道各管段的長度和管徑等許多因素有關，通過對天然氣放散管道進行計算，來合理地確定安全閥選型及放散管道的管徑。