基于Aspen Flare的LNG燃氣供應系統安全閥釋放管路背壓計算

王怡，康嘉倫，顧天予，莊士超，王瞾文

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.同濟大學，上海 200092)

與傳統燃油動力船相比，LNG動力船在船舶航行過程中所產生的硫氧化物及顆粒排放量能減少約99%、氮氧化物排放量減少約85%，二氧化碳排放量減少約20%，滿足能效設計指數(EEDI)第三階段的要求，對節能減排具有顯著效果。LNG作為船用燃料，一旦發生泄漏，可能造成人員窒息、火災和爆炸等風險，對周圍環境、人員和設備等造成極大的危害。同時，LNG在加注、儲存和使用過程中容易產生自然蒸發氣(boiling off gas，BOG)，其氣化時體積增加約600倍，從而易使得系統壓力顯著增加。因此，在船用LNG燃氣供應系統(fuel gas spply system, FGSS)工藝設計階段需充分考慮系統的安全性，安全閥作為系統超壓后最后的安全防護裝置，可以在系統過壓情況下實現設備或管路的壓力釋放，以防止在控制和操作系統故障情況下設備和管路發生機械破壞。

以20萬t級紐卡斯爾雙燃料散貨船為研究對象，通過Aspen Flare System Analyzer仿真軟件對LNG燃氣供應系統安全閥釋放系統進行管網模型搭建，基于不同場景進行仿真計算，提出FGSS安全閥釋放管路背壓計算的基本思路，從而選取合適的安全閥釋放管路管徑，為后續雙燃料船舶的FGSS工藝設計提供技術參考。

1 LNG燃氣供應系統

LNG燃氣供應系統采用LNG天然氣作為燃料，向船上的雙燃料主機、雙燃料發電機組和雙燃料蒸汽鍋爐提供滿足其使用要求的燃氣。某20萬t級雙燃料散貨船配置1臺雙燃料二沖程低速主機、3臺雙燃料中速發電機和1臺雙燃料組合鍋爐。其中推進主機選用的是德國曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料發動機，燃氣供應壓力為30 MPa，為其配套的燃氣供應系統為高壓供氣系統；雙燃料發電機和雙燃料組合鍋爐的燃氣供應壓力為1 MPa以下，為其配套的燃氣供應系統為低壓供氣系統。

該雙燃料散貨船的LNG燃氣供應系統主要包括LNG加注站、LNG燃料艙、LNG供給泵、高壓泵氣化單元(pump vaporizer unit，PVU)、低壓LNG氣化/加熱單元、BOG壓縮機，以及低壓緩沖罐等設備撬塊。其中，LNG加注站左右對稱布置在開敞的貨艙區域主甲板兩舷側位置， LNG燃料艙位于主甲板上的開敞區域，沿船長方向對稱布置在船舶上層建筑左右兩側，其余燃氣處理設備則位于主甲板機艙棚后的燃氣準備間內。

LNG經LNG燃料艙內的LNG供給泵加壓輸出后分為兩路：一路經高壓泵氣化單元增壓和加熱氣化后供向雙燃料主機；另一路直接輸送至低壓LNG氣化器/加熱單元。經過對LNG的強制氣化和燃料氣體升溫后，符合燃燒要求的燃氣供向低壓緩沖罐，其出口低壓燃氣總管分為兩路分別輸送至雙燃料發電機組雙燃料組合鍋爐。此外，LNG燃料艙內產生的BOG 則通過BOG壓縮機輸送至低壓緩沖罐，匯入低壓燃氣總管后，供燃氣用戶使用，設計方案見圖1。

圖1 大型雙燃料散貨船LNG燃氣供應系統設計方案

2 FGSS安全閥釋放系統布置方案

LNG燃氣供應系統包括眾多子系統，比如LNG加注及儲存系統、LNG處理系統、燃氣供應系統等，FGSS安全閥釋放系統則是前述子系統超壓后的重要安全保障，通過該系統可實現防止設備或管路產生超壓破壞以及對安全釋放裝置釋放出的介質進行安全處理的目的。FGSS安全閥釋放管路由設置在LNG燃氣供應系統中各子系統相關管路上的安全閥、釋放管路以及透氣桅等組成。其中，安全閥是燃氣釋放管網的源頭，一旦燃料艙或管路內的BOG氣體壓力達到設定的釋放壓力，安全閥將自動起跳超壓釋放。根據不同的工藝設計原則，可通過釋放管路排至燃料艙中緩存或至船上的透氣桅排向大氣。大型雙燃料散貨船LNG燃氣供應系統的安全閥釋放系統結構見圖2。

圖2 FGSS安全閥釋放系統結構示意

從圖2可見，FGSS安全閥釋放主要分為2部分。第一部分為設置在LNG加注、處理和供給管路的安全閥釋放系統，安裝在管路上的安全閥主要用于滿足LNG燃氣供應系統運行時可能產生的超壓保護。該釋放管為單壁管，除了LNG加注總管上的安全閥釋放管路泄放至LNG燃料艙內，管路上的其他安全閥釋放管路一起匯總至釋放總管后連接到船艉主甲板上的FGSS透氣桅排向大氣，其出口設置滿足IGF要求。

第二部分為設置在LNG燃料艙上的安全閥釋放系統，根據規范要求，需要對LNG燃料艙罐體上的安全閥設置專門的釋壓管路，該釋壓管路將直接通至FGSS透氣桅，以滿足燃料艙罐體本身的泄壓需求。所述大型雙燃料散貨船配置有2個3 100 m的IMO C型艙作為LNG燃料艙，設計壓力為0.4 MPa，燃料艙的壓力釋放系統是避免內部超壓、保護燃料艙及船體安全的重要部分。關于燃料艙的壓力釋放系統，《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》(IGF Code)提出了相關要求，“液化氣燃料艙應最少設置 2 個壓力釋放閥，可在故障或泄漏時將1個壓力釋放閥斷開，同時，安裝在燃料艙上的每個壓力釋放閥應與透氣系統相連接。”需要說明的是，LNG燃料艙作為燃料儲存壓力容器，其內部LNG由于航行時的溫度、壓力等環境因素變化，在營運過程中必然會產生自然BOG。結合所述船型系統本身的運行，在使用LNG初步冷卻時，由于燃氣管道和高壓供氣系統的熱傳導而產生BOG。在冷卻期間產生的BOG也被收集到LNG燃料艙內，均會導致燃料艙的壓力增大。

3 背壓計算

以往的FGSS安全閥釋放管路設計一般采用簡化的經驗公式對管路背壓進行計算，主要集中于管路壓降的校核。當多個安全閥基于不同場景同時釋放時，形成的附加背壓是變化的，并且由于排放氣體的可壓縮性，其密度和流速在流動中也是很難用函數公式計算的。Aspen Flare System Analyzer (Flarenet)是由Aspen公司基于火炬泄放標準開發的一款用于穩態網狀泄放系統的專業計算軟件，能夠對各類火炬管網進行模擬計算。針對所述的計算場景，使用Flarenet根據FGSS安全閥釋放系統實際管路布置進行模擬，并根據用戶定義的操作特性(設定壓力、釋放壓力和釋放排量)進行計算，核算不同場景下從釋放點到透氣桅的管路背壓。

3.1 計算情況分類

1)火災情況。當FGSS相關設備布置區域發生火災時，大量熱量被釋放，LNG燃料艙或相關LNG管路將從外部火災中吸收熱量，導致LNG液體氣化。當氣化程度較高，管路內流體體積變化較大時，蒸汽膨脹會導致LNG燃料艙或相關LNG管路超壓，相應的安全閥將立即響應開啟以釋放燃料艙內或相應管段壓力，超壓氣體直接通過透氣桅排放至大氣。

2)管路堵塞情況。在LNG燃氣供應系統運行過程中，當設備出口閥門異常或者被不正常關閉情況下，會發生超壓，設備出口管路上的相應安全閥將開啟，以釋放管段壓力，超壓氣體直接通過透氣桅排放至大氣。

3)熱膨脹情況。在LNG加注過程中，LNG加注管路可能吸收來自外界的環境熱量，如太陽輻射熱、大氣傳熱、海水傳熱等，LNG管路內的液態LNG可能發生氣化，當氣化程度較高，氣化量較大時，將導致加注管路系統超壓，相應安全閥將響應開啟，以釋放管段壓力，超壓氣體直接通過透氣桅排放至大氣。值得注意的是，通常考慮熱膨脹場景而設置的安全閥釋放管路不需要通過調整尺寸來滿足背壓限制，但是考慮到所述雙燃料散貨船的加注站內所設置的安全閥容量較大，因而需要計算進行核算。

3.2 FGSS安全閥釋放系統具體釋放場景

所述FGSS安全閥釋放系統不同釋放場景見表1。

表1 雙燃料大型散貨船FGSS安全閥釋放系統釋放場景假設

3.3 FGSS安全閥釋放管網模型搭建

在搭建管網模型時，需對每一段釋放管段進行上下游連接對象的選取，之后根據實船的FGSS安全閥釋放管路布置，依次對管段的長度、高程差、管材、管徑，以及壁厚進行設置，見圖3。

圖3 管段參數設定界面

為了使管段各方面計算更加地精確，還可對管段的閥附件進行選取，以計算閥附件帶來的損耗。也可以對管段的傳熱屬性進行定義，以得到更加接近實船的管段傳熱結果。

軟件中對安全閥的參數設定界面見圖4。

圖4 安全閥參數設定界面

對于每一個安全閥，由于安全閥作為釋放管網系統的源項，首先需在管網模型搭建的時候，對安全閥下游的連接對象進行選取。之后需根據前面分析得到的每個場景下安全閥的壓力要求，依次對安全閥的流量、設定壓力、泄放壓力、允許背壓、流體泄放溫度進行設定。

根據FGSS釋放系統圖紙設計，利用Flarenet軟件對釋放系統管網模型進行搭建，搭建的物理模型需完全與實際圖紙管路設計保持一致，以確保模型的正確性和準確性。基于Flarenet軟件的FGSS安全閥釋放系統模型見圖5。其中上部分為釋放至LNG燃料艙的全部透氣管路，下部分為通過透氣桅釋放至大氣中的全部透氣管路。各獨立閥泄放參數見表2。利用該物理模型，可通過控制安全閥的開啟狀況模擬各個工況場景，計算管路背壓，判定相應管段是否符合設計要求。

圖5 FGSS安全閥釋放系統Flarenet模型

表2 各獨立安全閥泄放參數

3.4 FGSS安全閥釋放管網核算結果分析

根據前述場景假設，利用圖5所示的FGSS安全閥釋放系統Flarenet模型對所有場景進行仿真計算，對于每一種場景，管路中的管徑選取都是一致的，區別在于不同場景下安全閥開啟狀況的不同導致進入釋放管網的源流量的差異。NO.1 LNG燃料艙穹頂區域發生火災場景下的計算結果見圖6。

圖6 NO.1 LNG燃料艙穹頂區域火災場景下仿真結果

在此工況下，位于NO.1 LNG燃料艙穹頂區域的安全閥PSV2116、 PSV2117、PSV2118、PSV2119、PSV2147及PSV2150開啟泄壓。對標表2各獨立安全閥泄放參數可知：各安全閥尾管背壓均低于其最大允許背壓值0.560 MPa，對應的馬赫數均符合低于馬赫數為0.7的要求；此外，管網中其他管段的壓力值及馬赫數未超過規定的數值。說明在該場景下，各管段的壓力和馬赫數符合設計的要求。類似的，對于其他的各工況，亦可依據相應場景下模擬計算得到的管路背壓結果，分析該管段是否符合設計要求，并對存在問題的管段進行調整修正。

4 結論

基于Flarenet軟件的FGSS安全閥管路背壓計算可以為FGSS安全閥釋放系統設計提供參考。該釋放系統背壓計算較復雜，設計人員需根據不同釋放場景考慮安全閥的背壓與排量，該背壓計算取決于天然氣成分、環境溫度、釋放管路長度及管徑等許多因素，并且參數之間的關系也比較復雜。

所述不同管段的釋放場景假設以及基于Flarenet軟件的FGSS安全閥釋放管路背壓計算已通過船級社認可，所述安全閥釋放管路設計完全滿足規范要求以及系統自身泄壓要求。

運用Flarenet計算出的安全閥釋放管路尺寸能符合設計要求，在提高設計準確度的同時，還能針對系統提出更為安全可靠的技術方案。