低溫lng管道熱力安全泄壓閥熱力學(xué)分析

低溫lng管道熱力安全泄壓閥熱力學(xué)分析

液化天然氣（lkg）是中國乃至世界上最經(jīng)濟(jì)的能源。它具有清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)。為了滿足對清潔能源的需求,我國近年來建設(shè)了大量LNG接收站、LNG衛(wèi)星站、天然氣液化工廠等生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)LNG的設(shè)施。LNG的儲(chǔ)運(yùn)溫度一般在-160~-140℃,為低溫液化氣體,受熱易汽化,且密度受溫度影響較大。當(dāng)LNG輸送管道發(fā)生阻塞,封閉的低溫液體從環(huán)境中吸收熱量將發(fā)生膨脹、汽化,進(jìn)而導(dǎo)致封閉管段超壓,發(fā)生危險(xiǎn)。因此,在可能被阻塞的LNG管段上應(yīng)安裝熱力安全泄壓閥。封閉的低溫LNG管段超壓泄放過程一般分為幾個(gè)不同的階段,且涉及到氣液2種相態(tài),這些都會(huì)影響熱力安全泄壓閥的選型計(jì)算;而現(xiàn)在工程上一般僅對LNG熱膨脹量或汽化量進(jìn)行粗略估算,由于未考慮整個(gè)泄放過程物性數(shù)據(jù)的變化,因而導(dǎo)致計(jì)算不完整而且偏差較大。HYSYS軟件是一款在油氣加工技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的大型專家系統(tǒng)軟件,經(jīng)過國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司的大量應(yīng)用,普遍認(rèn)為其內(nèi)置的修正PR狀態(tài)方程應(yīng)用于LNG儲(chǔ)運(yùn)工程計(jì)算方面的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)較吻合,能夠滿足工程要求。采用HYSYS軟件對熱力安全泄壓閥的整個(gè)泄放過程進(jìn)行熱力學(xué)分析,將為工程上熱力安全泄壓閥的準(zhǔn)確選型提供一種較為完整的程序和方法。1lng的組成、特點(diǎn)結(jié)合實(shí)例對熱力安全泄壓閥的泄放工況進(jìn)行熱力學(xué)分析。假設(shè)LNG的輸送溫度-158.87℃;輸送壓力1000kPa(A);LNG組成(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)):N20.15%,CH499.84%,C2H60.01%(密度420.8kg/m3,相對分子質(zhì)量16.06);LNG輸送管道直徑DN800(外徑813.0mm);保溫厚度170mm;封閉管段長度20m;封閉管段上裝有一個(gè)熱力安全泄壓閥,管道設(shè)計(jì)壓力和安全閥設(shè)定壓力為1.79MPa(G),安全閥超壓取10%。1.1初始泄壓閥泄放的初始階段封閉管段超壓可能由低溫液體受熱膨脹引起,也可能由低溫液體吸熱汽化引起,這取決于溫度對液體膨脹壓力及飽和蒸汽壓的影響情況。筆者利用HYSYS流程模擬軟件,對上述封閉管段內(nèi)LNG在泄放過程中膨脹壓力和飽和蒸汽壓隨溫度的變化情況進(jìn)行了計(jì)算,如圖1所示。由圖1可見:管道內(nèi)LNG的初始狀態(tài)在A點(diǎn)[-158.87℃,1000kPa(A)],而溫度升高不到1℃,其膨脹壓力就迅速達(dá)到了安全閥的起跳壓力(B點(diǎn));相對而言,管內(nèi)LNG的飽和蒸汽壓卻隨溫度變化較緩慢,因此熱力安全泄壓閥泄放的初始階段是過冷液體泄放。隨著液態(tài)LNG的不斷泄放,管道壓力將維持在安全閥的泄放壓力下,圖1中的膨脹壓力曲線將逐漸向右移動(dòng),當(dāng)LNG溫度升至-106.9℃時(shí)(D點(diǎn)),管道內(nèi)LNG達(dá)到飽和狀態(tài),此時(shí)其膨脹壓力對溫度仍然非常敏感,微小的溫度升高便會(huì)導(dǎo)致管段超壓泄放,因此熱力安全泄壓閥泄放的第二個(gè)階段是飽和液體泄放。隨著溫度的繼續(xù)升高,管道內(nèi)LNG將過飽和并發(fā)生汽化,由于LNG汽化后體積膨脹約600倍,將導(dǎo)致管道超壓泄放,因此熱力安全泄壓閥泄放的第三個(gè)階段為氣體泄放。1.2安全閥出口過冷泄放階段c以安全閥排放至封閉系統(tǒng)(如火炬管網(wǎng))為例。假設(shè)出口背壓200kPa(A),且泄放過程近似等焓過程,則可從相圖上分析安全閥出口的相態(tài)變化。采用HYSYS軟件生成LNG混合組分相圖,如圖2所示。當(dāng)安全閥進(jìn)口為過冷液體泄放階段時(shí),其出口相態(tài)有2種情況:在管道中LNG從開始超壓泄放(B點(diǎn))至泄放溫度達(dá)-153.9℃(C點(diǎn))的過程中,安全閥出口仍為液相;而隨著泄放溫度的不斷升高,在泄放溫度從-153.9℃(C點(diǎn))到-106.9℃(D點(diǎn))的過程中,LNG在安全閥出口將發(fā)生閃蒸,變?yōu)闅庖簝上?。?dāng)安全閥進(jìn)口轉(zhuǎn)為氣相泄放的階段(E點(diǎn))時(shí),其出口仍為氣相。2受熱膨脹導(dǎo)致的超壓泄放封閉管段的超壓泄放是由管道漏熱造成的,LNG管道漏熱主要由管道吸收太陽輻射熱和管道與外界大氣之間的熱交換2部分組成,根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求,取管道漏熱通量25W/m2,則封閉管段漏熱速率6516.8kJ/h。在過冷液體及飽和液體膨脹泄放階段,泄放量的大小主要取決于LNG的膨脹系數(shù)及封閉管段內(nèi)液體的溫升速率。利用HYSYS軟件對LNG的膨脹系數(shù)和比熱容進(jìn)行了計(jì)算,LNG在泄放條件下的體積膨脹系數(shù)為0.0035~0.0085,且隨著溫度的升高而增大,如圖3所示;泄放條件下質(zhì)量比熱容為3.5~5.5kJ/(kg·℃),也隨溫度的升高而增大,如圖4所示。封閉管段內(nèi)液體受熱膨脹造成的超壓泄放量可由如下公式進(jìn)行計(jì)算:式中:W1———液相泄放量,kg/h;β———體積膨脹系數(shù),℃-1(見圖3);Q———封閉管段漏熱速率,kJ/h;C———比熱,kJ/(kg·℃)封閉管段液相泄放量W1隨溫度的變化趨勢為先增大后減小(如圖5中B-D所示),在泄放過程中出現(xiàn)最大值。氣相泄放量W2可以由如下公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖5(E點(diǎn))。式中:W2———?dú)庀嘈狗帕?kg/h;R———LNG汽化熱,由于本例中LNG組成較單一,在泄放過程中汽化熱變化不大,所以取336.5kJ/kg。由圖5可見:熱力安全泄壓閥泄放過程中由熱膨脹導(dǎo)致的液相最大泄放量為10.5kg/h,泄放溫度-112.3℃,所需安全閥的有效泄放面積0.13mm2;由低溫液體汽化導(dǎo)致的氣相最大泄放量為19.4kg/h,泄放溫度-106.9℃,所需安全閥的有效泄放面積0.84mm2。綜上所述,在熱力安全泄壓閥選型計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮不同的相態(tài),取有效泄放面積0.84mm2作為熱力安全泄壓閥的選型依據(jù),可以保證所選安全閥能夠滿足液相和氣相2種相態(tài)的最大泄放要求