摘　要：對LNG接收站的系統組成和水擊原理進行介紹，采用流體力學軟件AFT hnpulse模擬LNG接收站低壓系統的各種水擊工況。對模擬結果進行分析，對LNG接收站的低壓系統提出了建議。

關鍵詞：LNG接收站；  再冷凝器；　低壓系統；  水擊模擬

Simulation and Analysis of Water Hammer in Low Pressure System in LNG Terminal

Abstract：The system composition in LNG terminal and the principle of water hammer are introduced．The difierent water hammer conditions in low pressure system in LNG terminal are simulated by fluid mechanics software A訂Impulse．The simulation results are analyzed，and some suggestions on the low pressure system in LNG terminal are made．

Keywords：LNG terminal；reeondenser：low pressure system；water hammer simulation

1　LNG接收站及水擊介紹

1.1　LNG接收站

LNG接收站^[1]的功能是接卸由LNG船舶運來的LNG并儲存在LNG儲罐內，再經高壓泵加壓氣化后，將天然氣通過輸氣管道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。

目前LNG接收站技術已相當成熟，LNG接收站設計將充分考慮工藝技術的先進性和可靠性，確保長期穩定、安全可靠地向下游供氣。LNG接收站主要由以下系統組成。

①卸船系統

LNG接收站卸船系統具有一根液相總管、一根氣相平衡總管和一根LNG循環保冷管路，液相總管用于卸料，氣相平衡總管用于儲罐與船艙返氣。無卸船時，通過LNG循環保冷管路以小流量循環來保持液相總管處于低溫狀態。通常設計要求完成卸料作業的時間不超過30h，最大卸船時(即大船卸料工況)，3條液體卸料臂同時工作。

②低壓LNG系統

通常LNG接收站的儲罐選用安全、可靠的全容式混凝土頂儲罐。LNG經卸料臂送入儲罐儲存，罐內設有低壓泵，可輸送部分LNG至再冷凝器，再冷凝后的LNG與其余來自儲罐的LNG混合，經高壓泵加壓后送至氣化器氣化后外輸。

③蒸發氣(BOG)處理系統

蒸發氣主要是外界能量輸入產生的，如泵運轉、外界熱量的傳入等。接收站產生的蒸發氣會增加BOG系統的壓力，直至火炬放空。因此，正常情況下BOG需要被液化處理，保證接收站不進行火炬放空。

通常LNG接收站采用再冷凝工藝，將蒸發氣利用壓縮機壓縮到較低壓力后，與來自儲罐的低壓LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加壓后處于過冷狀態，呵以使蒸發氣再冷凝。

④LNG高壓外輸、氣化及計量系統

正常情況下，LNG從再冷凝器直接進入LNG高壓輸送泵，加壓后輸送至高壓氣化器。高壓輸送泵是輸送系統中的重要設備，其啟動臺數根據接收站的外輸氣量來確定。LNG高壓輸送泵外輸流量可通過泵出口管路上(即氣化器入口)的流量調節閥進行控制，也可根據外輸天然氣總管的壓力自動控制，以保證外輸天然氣總管的壓力穩定。

⑤小結

在整個LNG接收站的運行中，再冷凝器是至關重要的工藝設備，其上接低壓LNG系統，下連高壓外輸系統。因此，再冷凝器對LNG系統乃至整個接收站的運行都非常重要。

本文以再冷凝器為核心，模擬LNG接收站低壓系統水擊工況并予以分析，為接收站的穩定運行提供技術支持。

1.2　水擊

水擊是由于管道中水流速度突然發生變化，從而引起管內一系列急劇的壓力交替升降，并以波的形式在管中往返傳播的水力沖擊現象，因其發出的聲音如錘敲擊管道，因此也稱之為水錘^[2]。

造成水錘的外因主要是突然停泵、迅速關閉或開啟閥門、管道坡度不足或倒坡、管道中流體自身具有慣性。在壓力管道中，當水流速度發生變化時，管道中水壓就會升高或降低，當壓力低于水的氣化壓力時，水柱就被拉斷，出現斷流空腔，空腔外的水流再彌合時會產生強烈的撞擊，管道中的水升壓，形成斷流彌合水錘。彌合水錘因為升壓很大，所以引起的災害也很大。

在LNG接收站中，有眾多的LNG管道，涉及各種功能的緊急切斷閥、動力設備等。如果出現水擊現象，所產生的水擊壓力可能較大，會危及安全運行。

1.3　水擊模擬軟件

本文中水擊模擬軟件采用AFT Impulse 4.0(applied flow technology)，AFT為專業流體分析軟件，在國內有眾多用戶。與其他類似計算軟件相比，當計算時間步長較小時，水擊壓力脈沖峰值不會變化巨大，更接近于實際運行情況。

2　 LNG接收站中的低壓系統水擊分析

2.1　低壓LNG系統

低壓LNG系統見圖1。來自儲罐的低壓LNG分為兩部分，一部分進入再冷凝器，達到冷凝處理BOG的目的；另一部分與從再冷凝器出來的LNG匯合后，進入高壓泵組(圖1中高壓泵均并聯)，加壓后高壓LNG外輸，進入氣化器。

再冷凝器在本系統中可以為高壓泵組提供入口液位，同時也可以為高壓泵啟動提供一定的緩沖體積，通常設計再冷凝器的緩沖體積為單臺高壓泵以額定流量運行5min的流體體積。

高壓泵為筒袋式離心泵，電機放置在筒內。當高壓泵運行時，由于電機發熱產生的BOG需要匯集輸送至再冷凝器。

2.2　再冷凝器

由圖l可知，再冷凝器聯系著接收站的高、低壓LNG系統，同時直接影響著高壓泵組的正常運行，而高壓泵組直接決定接收站能否外輸。因此，再冷凝器對LNG接收站至關重要。因此，盡管目前LNG接收站均未設置備用的再冷凝器，但是在工藝設計上都考慮了再冷凝器無法運行的工況。

當再冷凝器因為檢修等原因停運時，高壓泵組產生的BOG也需要排出，此時就需要關閉手動閥門。放空的BOG進入緩沖短接(緩沖短接通常是一段粗管道，直徑約為40cm)，通過氣動調節閥控制緩沖短接內部氣相空間，同時維持一定液位。這樣此短接就可以基本實現再冷凝器的作用，當然接收站產生的BOG無法處理，只能排往火炬放空。即當再冷凝器停運時，利用短接的作用就可達到不影響接收站外輸的目的，雖然存在放火炬的可能性。因此，再冷凝器停運而接收站又外輸的工況是可能出現的。

雖然在這種工況下接收站運行基本正常，但是需要接收站管理人員、操作人員密切注意各運行參數。一旦再冷凝器重新運行，整個接收站方可回至最正常的運行工況。

2.3　不同運行工況下的水擊模擬

根據低壓LNG系統流程，建立了低壓LNG系統水擊模型。該低壓系統設計壓力為1.89MPa，輸入條件為低壓泵流量一揚程性能曲線(即輸入一組低壓泵的流量和揚程數據)和額定工作流量(450m³／h)；輸出為最高水擊壓力。按照再冷凝器運行與否以及是否停止低壓泵電機，可分為4種運行工況。再冷凝器停運是指在模擬開始前就將再冷凝器隔離停運，停低壓泵電機是指在運行過程中，關閉緊急切斷閥時連鎖停運低壓泵電機。在不同運行工況運行過程中，同時關閉系統中的4個緊急切斷閥，所有的緊急切斷閥關閉時間均按照1s／25mm設置(例如DN 250mm的閥門關閉時間為10s)。模擬的不同運行工況下的低壓LNG系統最高水擊壓力見表1。

工況1(再冷凝器停運+不停低壓泵電機)：最高水擊壓力可達3.6MPa，遠高于目前LNG接收站低壓系統設計壓力(1.89MPa)。一旦出現此工況，必將有較多熱力安全閥起跳，進而影響接收站正常運行，同時產生的較大水擊壓力也會對管道等產生較大影響。

工況2(再冷凝器停運+停低壓泵電機)：最高水擊壓力下降至3.2MPa，但是仍高于低壓系統設計壓力。

工況3(再冷凝器運行+不停低壓泵電機)：當再冷凝器正常運行時，其產生的最高水擊壓力為1.8MPa，略低于低壓系統的設計壓力。盡管如此，但是由于熱力安全閥具有一定的回座壓力(一般為90％的設定壓力)，熱力安全閥極有可能會出現微啟漏液，對接收站的穩定運行產生一定影響。

工況4(再冷凝器運行+停低壓泵電機)：其最高水擊壓力為1.4MPa，遠低于安全閥起跳的回座壓力，因此熱力安全閥不會有任何動作，不會對LNG接收站正常運行產生影響。

3　水擊模擬結果分析

根據上述模擬結果可知，當再冷凝器停運時，一旦全站緊急關停，不論是否停運低壓泵，其最高水擊壓力都遠高于低壓LNG系統的設計壓力。其主要原因是再冷凝器停運而接收站又要外輸，則高壓泵產生的BOG只能通過緩沖短接排出，而緩沖短接的氣相緩沖空間比再冷凝器小得多(再冷凝器與緩沖短接體積對比見表2)。因此一旦產生水擊，根據水擊原理，流體波會按照一定速度和方向振蕩，會產生較高的水擊壓力。

由表2可知，緩沖短接體積與再冷凝器差別較大。盡管緩沖短接在某種程度上可以達到再冷凝器的作用，但是其緩沖能力較小，尤其在出現水擊工況時，產生的水擊壓力較大。據此也進一步說明再冷凝器的重要性，不僅可以緩沖液相，吸收處理BOG，而且具有一定的氣相緩沖空間，防止較高水擊壓力出現，這與給水系統中的抗水錘氣壓罐相似^[3]。

由表l還可知，當出現緊急關斷情況，是否停運低壓泵也會對水擊壓力產生一定影響。筆者認為，當出現水擊是否應該停運低壓泵等動力設備取決于計算水擊壓力值，同時也要考慮接收站的運行連續性。一旦停運低壓泵電機，需要現場重新啟動，可能會延誤接收站的供氣。有些接收站設計為當水擊壓力滿足要求時，可以不停低壓泵等動力設備，而是打開低壓泵的回流管路。在某種程度上，一旦問題得到解決，這種設計有利于接收站重新運行的連續性。

4　對低壓LNG系統的建議

①再冷凝器

再冷凝器停運屬于接收站正常運行的范疇(一切以保證接收站正常外輸為目的)。一旦出現此工況，需要密切注意各工藝參數，防止發生緊急切斷閥關閉等意外工況。雖然本文考慮的水擊模擬工況較為嚴苛，但是有可能發生。

②緩沖體積

根據模擬結果，再冷凝器停運時，由于緩沖短接氣相空間較小，緩沖能力不足，所以水擊壓力較大。在設計再冷凝器或緩沖短接時，需要考慮水擊產生的影響，可以適當放大氣相空間。

③設計壓力

當水擊壓力超過原來既定的低壓系統設計壓力時，可以在項目設計過程中修改設計壓力時，也可以增設安全閥保護管道不受損壞，或者降低水擊發生的可能性等。畢竟水擊不是接收站運行的常態工況，一旦水擊壓力過大，需要設計單位與業主共同溝通協調、統籌考慮，找到最安全、最經濟的解決方法。

參考文獻：

[1]杜光能．LNG終端接收站工藝及設備[J]．天然氣工業，l999，19(5)：82-86．

[2]李穗生．淺談水擊及防護[J]．西部探礦工程，2003(8)：106-107．

[3]劉奕，陳敏．淺議抗水錘氣壓罐在消減停泵水錘中的應用[J]．有色冶金設計與研究，2003(3)：59-62．

本文作者：仇德朋  孟鐵柱  管西龍  付紅艷  郭雷  曲順利

作者單位：中海油山東化學工程有限責任公司