船用LNG供氣系統(tǒng)安全閥設(shè)計與分析

陳奕瑄，戴 冰，趙 超，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

近年來，國際海事組織針對船舶廢氣排放的要求日趨嚴(yán)格，至2020年法規(guī)要求：船舶在NECA區(qū)和NECA區(qū)以外海域航行時，發(fā)動機(jī)NOx排量需分別符合TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)和TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)；在SECA區(qū)和全球范圍內(nèi)，船用燃料的硫含量需分別不低于0.1%和0.5%。在此背景下，由于LNG燃料能夠?qū)崿F(xiàn)無SOx排放且大大降低NOx的排放量，故LNG動力船已成為當(dāng)下最主流的船型之一，而LNG供氣系統(tǒng)是為LNG動力船發(fā)動機(jī)提供氣體燃料的配套設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)LNG加注、燃料存儲、汽化加熱及蒸發(fā)汽(BOG)處理等過程。目前，國外廠家如TGE、瓦錫蘭、三星和現(xiàn)代等均擁有成熟的供氣系統(tǒng)方案，而國內(nèi)僅少數(shù)廠家能夠提供供氣系統(tǒng)設(shè)備配套，相關(guān)產(chǎn)業(yè)整體處于發(fā)展階段。

鑒于液化天然氣具有低溫、易燃、易爆等特性，在船用LNG供氣系統(tǒng)工藝設(shè)計階段需充分考慮其安全性，而安全閥作為LNG供氣系統(tǒng)超壓后最后的安全保障，對整個系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。本文將結(jié)合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗對船用LNG供氣系統(tǒng)中安全閥進(jìn)行設(shè)計，對安全的選型計算進(jìn)行分析，以便為工程人員在工藝設(shè)計和安全閥選型的相關(guān)工作上提供參考。

2 LNG供氣系統(tǒng)安全閥設(shè)計

李洋博[1]和裘春華[2]等對船用LNG供氣系統(tǒng)組成及相關(guān)設(shè)備做出了詳細(xì)說明，LNG供氣系統(tǒng)一般包括加注站、LNG儲罐、汽化加熱單元、壓縮機(jī)單元幾個主要模塊及其它輔助單元設(shè)備。船用LNG供氣系統(tǒng)的設(shè)計主要依據(jù)國際海事組織的IGF規(guī)則，各大船級社規(guī)范均是在IGF的基礎(chǔ)上做出了補(bǔ)充規(guī)定，而安全閥的設(shè)置與選型則主要參照美國石油學(xué)會API安全閥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和與之等效的國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 安全閥設(shè)計

LNG儲罐是供氣系統(tǒng)中最重要的單元，船舶在航行過程中儲罐內(nèi)的LNG會不斷蒸發(fā)產(chǎn)生BOG蒸汽，當(dāng)儲罐內(nèi)BOG蒸汽積累到一定壓力時，系統(tǒng)會啟動壓縮機(jī)處理單元對BOG進(jìn)行處理，然后供給發(fā)動機(jī)和鍋爐燃燒，但考慮到特殊情況如控制系統(tǒng)失效或火災(zāi)狀況，應(yīng)在LNG儲罐上加裝安全閥作為保障。一般來說，LNG儲罐上應(yīng)設(shè)置兩個安全閥，并處于一用一備的狀態(tài)，同時還應(yīng)在兩個安全閥之間加裝互鎖切換閥，以實現(xiàn)安全閥發(fā)生故障或泄露時快速切換備用安全閥并隔離故障安全閥。

IGF規(guī)范要求所有可能在滿液狀態(tài)下被隔離的管系和部件均應(yīng)設(shè)有釋放閥。在LNG供氣系統(tǒng)中，可能在滿液狀態(tài)下被隔離的管系主要包括加注管線和LNG輸送管線。當(dāng)LNG管線因故障切斷時，管路中的液態(tài)LNG受熱氣化膨脹，將導(dǎo)致管路超壓，因此需要在管路上設(shè)置安全閥。一般來說，在加注管線上需要分別在靠近加注站的入口處和靠近儲罐的出口處各設(shè)置一個安全閥，LNG輸送管線上的安全閥可視情況設(shè)置于燃料艙處所或燃料準(zhǔn)備間。

另外，LNG供氣系統(tǒng)中其它單元設(shè)備如壓縮機(jī)出口和緩沖罐上也應(yīng)設(shè)置安全閥，這些安全閥均屬于生產(chǎn)操作類的安全閥，只需考慮因操作故障導(dǎo)致的超壓狀況。

2.2 安全閥選型

在安全閥選型時應(yīng)考慮使用環(huán)境、壓力、背壓和壓損等因素的影響，常見的安全閥包括彈簧載荷式安全閥、平衡波紋管式安全閥和先導(dǎo)式安全閥。彈簧載荷式安全閥是最常用的安全閥，利用彈簧載荷使安全閥保持密封并在達(dá)到整定壓力后起跳泄壓；平衡波紋管式安全閥則是在彈簧式安全閥的基礎(chǔ)上在閥盤上方增加了一段波紋管用于平衡背壓，同時防止介質(zhì)外漏并保護(hù)彈簧等內(nèi)件免受介質(zhì)腐蝕；先導(dǎo)式安全閥由一個主閥和一個導(dǎo)閥組成，由導(dǎo)閥驅(qū)動主閥開啟泄壓，其工作原理如圖1所示。閥前介質(zhì)壓力未達(dá)整定壓力前，導(dǎo)閥關(guān)閉，閥前介質(zhì)壓力通過引壓管直接作用于主閥活塞上方，因活塞上方面積大于活塞下方面積，所以主閥活塞緊閉；當(dāng)閥前介質(zhì)壓力達(dá)到整定壓力時，導(dǎo)閥首先開啟，切斷引壓管通路并打開排氣口排出主閥活塞上方及導(dǎo)閥內(nèi)介質(zhì)，使得活塞壓力迅速減小，主閥活塞開啟泄壓，對于危險介質(zhì)，導(dǎo)閥排氣口應(yīng)與主閥出口相連通，先導(dǎo)式安全閥適用于高背壓、大口徑的場合。

圖1 先導(dǎo)式安全閥工作原理

LNG供氣系統(tǒng)的安全閥選型主要考慮以下幾點因素：

(1)溫度：LNG及BOG蒸汽介質(zhì)溫度一般在-130～-162℃之間，低溫條件下不能使用微啟式安全閥，以免泄放時出口結(jié)冰堵塞。另外，在背壓較大的場合應(yīng)避免使用波紋管平衡安全閥，因為這種結(jié)構(gòu)的安全閥閥蓋直接與空氣相通，一旦安全閥開啟或出現(xiàn)泄漏，波紋管內(nèi)腔在低溫介質(zhì)作用下可能會冷凝空氣中的水分出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致安全閥無法動作。

(2)操作壓力：安全閥的整定壓力值需大于設(shè)備的操作壓力，通常取設(shè)備的設(shè)計壓力或最大允許工作壓力，但LNG儲罐正常使用時其操作壓力可能大于設(shè)計壓力的90%，一般的彈簧式安全閥在該壓力條件下可能會產(chǎn)生慢泄漏現(xiàn)象因此無法選用，而先導(dǎo)式安全閥能夠在操作壓力達(dá)整定壓力98%時仍保持密封，因此選用先導(dǎo)式安全閥能提高LNG儲罐操作壓力范圍，增加儲罐蓄壓時間。

(3)背壓：彈簧載荷式安全閥、平衡波紋管式安全閥和先導(dǎo)式安全閥分別適合于背壓不超過整定壓力10%、30%和50%的情況。船上壓力釋放閥及其他液貨設(shè)備所排放的貨物氣體均需集中至透氣桅排放，因此安全閥后管線通常較長，加之LNG儲罐安全閥整定壓力較低、火災(zāi)狀況下泄放量大，泄放背壓通常會超出10%整定壓力的限值。由于低溫狀況下無法選用平衡波紋管式安全閥，因此LNG儲罐安全閥一般均選擇先導(dǎo)式安全閥。

(4)壓力損失：LNG儲罐安全閥入口管線較長，其壓損通常大于規(guī)范所要求的3%整定壓力值，先導(dǎo)式安全閥可通過引壓管于入口管線較低位置或直接于儲罐上遠(yuǎn)程取壓，能夠有效減輕閥前壓損的影響[3]。

綜上所述，在船用LNG供氣系統(tǒng)中，LNG儲罐上通常選用先導(dǎo)式安全閥，其余位置泄放量較少故一般選用彈簧載荷式安全閥。

3 LNG供氣系統(tǒng)安全閥計算

安全閥選型中最重要的是安全閥最大泄放量和泄放面積的計算，系統(tǒng)中安全閥所需泄放量應(yīng)由工程人員計算得出后交與安全閥廠家，然后廠家根據(jù)所需泄放量、溫度、泄放壓力等工藝參數(shù)計算出泄放面積，由泄放面積確定安全閥口徑和流道面積并按照AIP526標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計取值，再對照產(chǎn)品手冊就可初步確定安全閥型號。此后，還需根據(jù)實際泄放量和背壓對所選安全閥進(jìn)行核算與修正，最終完成選型。下面將分別對LNG供氣系統(tǒng)中各位置安全閥的選型計算加以說明。

3.1 安全閥排量計算

3.1.1 LNG儲罐安全閥

LNG儲罐需考慮火災(zāi)狀況下安全閥的最大泄放能力，相關(guān)排量計算公式在IGF、API521、GB150和SH3009上均有說明，國標(biāo)與IGF規(guī)范和API521標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別主要在于修正系數(shù)及比熱率的選取[4]。此處以IGF的計算公式為準(zhǔn)，LNG儲罐安全閥火災(zāi)狀況下的蒸氣生成量按如下公式計算[5]：

式中：Q——在273.15 K和0.1013MPa的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所要求的空氣最小排放率m3/s；

F——用于不同類型液化氣燃料艙的火災(zāi)波及系數(shù)；A——燃料艙外表面積m2；

G——氣體系數(shù)；T——釋放狀態(tài)下的絕對溫度K(即1.2倍整定壓力下溫度)；

L——釋放狀態(tài)下物質(zhì)汽化潛熱kJ/kg；Z——釋放狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù)；

M——物質(zhì)分子量kg/kmol；k——釋放狀態(tài)下的比熱率；D——比熱率k決定的常數(shù)；

Mair——釋放狀態(tài)下要求的空氣質(zhì)量流kg/s(ρa(bǔ)ir=1.293kg/m3)。

3.1.2 液態(tài)LNG管路安全閥

液態(tài)LNG管路主要考慮兩端切斷后，管道內(nèi)LNG受熱膨脹超壓。張立寧[6]等通過HYSYS動態(tài)模擬研究了LNG管路安全閥的泄放過程的三個階段，其中第一階段為液態(tài)LNG的受熱膨脹后的單相泄放，通常發(fā)生時間較短；第二階段為溫度升高至LNG飽和溫度后的氣液兩相泄放；第三階段為純氣相排放，需溫度升至-70℃左右，一般不予考慮。當(dāng)安全閥開啟泄壓時，因出口壓力較低，故LNG在安全閥出口會發(fā)生閃蒸，所以LNG液態(tài)管路的泄放實際上是一個氣液兩相的泄放過程，API521標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)計算公式如下[7]：

式中：q——釋放狀態(tài)下的液態(tài)泄放量kg/h；

αν——液體膨脹系數(shù)1/℃；

Q——總傳熱速率kJ/h；c——比熱容kJ/(kg·℃)；

F——環(huán)境因子；Aws——總傳熱面積m2。

3.1.3 其它安全閥

其余位置的安全閥如壓縮機(jī)出口安全閥、緩沖罐上安全閥主要考慮因操作故障導(dǎo)致出口切斷而出現(xiàn)的超壓狀況，其泄放量由壓縮機(jī)排量和緩沖罐進(jìn)口物料流量確定。

3.2 安全閥泄放面積計算

對于氣液兩相泄放的安全閥來說，目前尚沒有計算公式能夠很好地計算出所需的泄放面積。由于無法很好地判斷氣相和液相所占比例，工程上一般按照全氣相來計算選型，以確保最大泄放面積。氣體或蒸汽安全閥泄放面積計算公式如下[8]：

式中：pb——背壓力MPaA；pd——泄放壓力MPaA；k——氣體絕熱指數(shù)；

A——有效排放面積mm2；W——所需排量kg/h；C——由k確定的系數(shù)；

Kd——有效排量系數(shù)；Kb——背壓修正系數(shù)；Kc——綜合修正系數(shù)；

T——泄放溫度K；Z——壓縮系數(shù)；M——分子量kg/kmol；

F2——亞臨界流動時的排量修正系數(shù)。

3.3 安全閥選型計算實例

下面以一C型LNG燃料艙安全閥選型為例，說明LNG供氣系統(tǒng)中設(shè)計階段安全閥的選型計算過程，該燃料艙設(shè)計壓力為4.5barG，設(shè)計直徑φ10m，長度26m，容積約為2000m3。

首先計算安全閥所需排量，安全閥整定壓力取儲罐設(shè)計壓力值P=4.5barG，考慮火災(zāi)狀況允許超壓取20%，故安全閥泄放壓力為P0=6.4barA，泄放溫度T=139.96K，LNG汽化潛熱L=445.24kJ/kg，比熱率k=1.52，壓縮系數(shù)Z=0.87，分子量M=16，燃料艙表面積經(jīng)估算約為A=900m2。根據(jù)公式(1)～(4)可以計算得出，標(biāo)況下安全閥所需空氣排量Q=67724kg/h。相關(guān)計算參數(shù)如表1所示：

表1 C型LNG燃料艙安全閥排量計算參數(shù)

然后依據(jù)所需排量計算泄放面積，這里需要選擇標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的參數(shù)，根據(jù)API520可知氣體絕熱指數(shù)值為k=1.40，對應(yīng)系數(shù)C=356，壓縮系數(shù)取值Z=1，分子量M=29。初步判斷泄放狀態(tài)為臨界流動狀態(tài)，系數(shù)Kb=1、Kd=0.878由廠家提供，綜合修正系數(shù)在不裝防爆膜時通常Kc=1，按公式(7)計算所需泄放面積，得A=97.89cm2，相關(guān)計算參數(shù)見表2。

表2 安全閥泄放面積計算參數(shù)

根據(jù)2.2的分析，LNG儲罐應(yīng)選擇先導(dǎo)式安全閥，查閱API526或GBT24920選擇流道代號為“J”的標(biāo)準(zhǔn)流道(見表3)，對應(yīng)安全閥進(jìn)出口口徑為DN150/200，也可以根據(jù)廠家產(chǎn)品手冊給出的有效流道面積確定選型。由于設(shè)計階段無法準(zhǔn)確判斷安全閥閥前壓損和閥后背壓，因此本計算過程只能作為初步選型的依據(jù)，在工程后期還需要結(jié)合實際管路布置和背壓參數(shù)對所選安全閥進(jìn)行校核，以確保所選安全閥能夠滿足實際工況的需求。

表3 標(biāo)準(zhǔn)流道代號和有效面積[9]

4 結(jié)語

安全閥選型是船用LNG供氣系統(tǒng)設(shè)計中重要的組成部分，工程人員需要在了解安全閥工作原理及計算方法的基礎(chǔ)上與閥門廠家做充分的溝通方能確定選型，還要結(jié)合工程實際對安全閥進(jìn)行校核，以確保所選安全閥能夠滿足實際工況下的使用。本文在研究相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗系統(tǒng)地分析了LNG供氣系統(tǒng)中安全閥的設(shè)計與選型，以及不同位置安全閥排量和泄放面積的計算方法，最后通過計算實例說明了項目設(shè)計階段安全閥初步選型和定徑的過程。期望本文能為工程人員在工藝設(shè)計和安全閥選型方面提供參考。