LNGC管道在线安全阀计算选型研究

LNGC管道在线安全阀计算选型研究

顾伟,李宁益,丁晟

江南造船研究院液化气技术研究所  上海崇明  201913

[摘要] 本文基于近年来市场大热的液化天然气运输船相关项目，全面系统的介绍了低温液货处理系统在线弹簧式安全阀相关结构，低温系统运用特殊要求，阀门的计算选型等，以便为其它类似的船型正确选用合理的安全阀提供一定的参考，同时也为初涉者能够更好的了解其工作原理以及一些选型参数的计算提供帮助。

[关键词] LNGC; 安全阀；计算选型

0 引言

近年来，随着国际航运市场逐渐回暖，以及新的排放标准的实施，液化天然气作为经济型绿色能源越来越被青睐，相应而生的是液化天然气运输船（LNGC）以及各种双燃料船型（燃油和天然气两种燃料模式切换使用）市场日趋火热。安全阀作为一种过压保护装置在液化天然气运输船（以下简称：LNGC）上也是应用十分广泛的。在线弹簧式安全阀主要是安装于压力管道上，或者受压设备、容器上用于对其进行过压保护的装置。本文针对在线弹簧安全阀在LNG船尤其是低温系统上的应用及选型研究，旨在进一步为如何选择合理的安全阀提供一定的参考。

1 在线弹簧式安全阀基本介绍

弹簧式安全阀是一种直接载荷式自动安全阀，不需要借助任何外力，是通过所保护管道或者设备、容器内部介质压力达到设定值时克服弹簧的作用力而开启释放出一定数量的流体，以防止系统或者设备内部压力过高对设备或者管道可能造船的损坏，当流体被释放掉一部分后，系统或设备内部压力会相应下降直至达到正常值时，安全阀阀瓣又会重新回落实现关闭以防内部介质进一步的流出。

作为弹簧式安全阀，又可以分为常规弹簧安全阀和波纹管平衡式安全阀（见下图1-1/1-2两种安全阀剖面详图）。

    1-1 常规弹簧安全阀                  1-2波纹管平衡式安全阀

在LNG船上的在线安全阀一般采用常规安全阀，不推荐使用波纹管平衡式安全阀。和常规弹簧安全阀相比，波纹管平衡式安全阀主要是用于系统设计存在一定的背压，通过波纹管来抵消背压对阀门起跳的影响。对于LNG船大部分安全阀工作介质为超低温介质，此时不推荐选用带波纹管平衡式安全阀，如图1-2可见，波纹管内腔是与外界大气直接相连的，这样当外部环境中有水汽进入波纹管内腔时，一旦安全阀超压起跳，超低温介质就会进入安全阀内腔，直接接触到波纹管可能会导致波纹管内腔结冰结霜长此累计可能会影响阀门正常起跳，所以对于低温系统安全阀一般是使用常规安全阀。

常规弹簧安全阀的结构如上图1-1所示，主要包含：阀体，上阀盖，阀瓣，弹簧及进口内插管嘴等。

2 在线安全阀计算选型

本文所涉及的安全阀计算选型及相关要求主要参考标准为：IMO-IGC Code-2016; API 520-尺寸确定，选型及压力释放装置的安装；API 521-压力释放及降压系统。

2.1 安全阀最小空气排量计算

安全阀排量的计算是作为安全阀整个计算选型中首先必须进行的步骤，也是后续提供给相关产品供应厂家进行产品选型的重要参数之一。此处所说的排量指的是标准工况下（一个标准大气压101.3kPa abs,以及温度0℃）空气排量。

此处假定每个低温系统在线安全阀所安装保护的管路为一段暴露于露天甲板上的带绝缘保护的独立储罐，两端以主管路上的隔离阀或控制调节阀或其它隔断装置为界，那么根据标准要求，安全阀的释放最小空气排量按如下公式2.1.1：

Q=F.G. (     （2.1.1）

其中，

Q=在273.15K温度和1.013 bara 的标准状况下所需要的空气最小排量，（）；

F=适用于不同类场合的火灾波及系数：

=1.0 对于甲板上无绝热层的液货管段；

=0.5 对于甲板上带绝热层的液货管段，且其绝缘系经主管机关认可的，包括其防火材料，绝热层导热性能以及在火灾波及时的稳定性进行认可，针对LNG船大部分液货管路可以视作此类情况，计算时取0.5；

=0.5 对于安装在货物处所内非绝热独立液货管段；

=0.2 对于安装在货物处所内的独立液货管段（或安装在绝热舱内非绝热独立液货管段）；

=0.1 对于惰化货舱处所内的绝热独立液货管段；

=0.1 对于薄膜或半薄膜液货管段；

A=过火面积（）;

G=气体系数，按下列公式：G=      (2.1.2)

其中，

L=在释放状态下，物质被气化时的潜热 （KJ/Kg）;

Z=释放条件下的气体压缩系数；

T=释放时的温度 （K）;

M=释放介质的摩尔质量；

D=根据比热比κ决定的常数，如公式：

D=          (2.1.3)

=, 为释放状态下定压比热，为定容比热，如果为未知数时，应取D=0.606。

相关介质物性参数可参照如下表格2-1或者查阅其它相关资料

2-1 物性表

2.2 有效排放面积计算

2.2.1流动状态判定

计算安全阀有效释放面积前，首先需要判定流体状态，分为临界流动和亚临界流动。这里要提到一个概念就是临界流动压力。对于给定进口压力条件的阀嘴，通过的质量流量不断增加，一直达到极限速度（喷嘴处的流动介质达到的声速）。此时对应的流量就是临界流量，对应的压力称之为临界流动压力，一般用

表示，将其与入口的绝对压力的比值称之为临界压力比。相关的计算可用下列公式：

                  (2.2.1.1)

式中，

=临界流动压力， （Pa）;

=入口绝对压力， （Pa）;

κ=比热比（定压比热/定容比热）；

一般，当下游释放压力＜时，判定为临界流动，反之则判定为亚临界流动。

2.2.2 临界流动状态时有效排放面积计算

  如上述已判定为临界流动时，参照API 520 – PART I 安全阀尺寸确定，对于临界流动采用SI单位制的计算公式如下：

(2.2.2.1)

或，

               (2.2.2.2)

式中，

A=需求排量下的有效排放面积，（）；

W=需要通过安全阀排放的质量流量，（）；

V=需要通过安全阀排放的体积流量，（）；

T=进口介质释放温度，（K）；

M=介质摩尔质量；          Z=气体压缩因子；

=阀门入口释放压力=安全阀设定压力+允许超压+1个标准大气压，（kPa abs）；

C=由释放状态下入口气体比热比κ确定的系数，在SI单位制下可通过如下公式获得：

        (2.2.2.3)

上式中对于无法确定κ的理想气体，建议取值C=0.0239(SI单位制)；

=有效释放系数，对于初步选型时，可参照如下取值：

  =0.975，当安全阀与或者不与爆破片组合安装时；

  =0.62，当不按照安全阀，而是按规定确定爆破片尺寸时；

=背压修正系数，可由供应商确定，对于常规非平衡式及先导式安全阀，可采用=1.0；

=安全阀进口带爆破片装置的组合校正系数：

  =1.0，进口未安装爆破片时；

  =0.9，爆破片与安全阀组合安装；

2.2.3 亚临界流动状态时有效排放面积计算

当背压与进口压力比超过临界压力比时，可视为亚临界流动，此时需要调整设定弹簧来补偿叠加背压的常规安全阀可参照API 520 – PART I 安全阀尺寸确定，按下列公式计算：

(2.2.3.1)

或，

        (2.2.3.2)

式中，

A, W, V, M,,,,=具体含义参见2.2.2；

=背压，（kPa abs）;

=背压与进口释放压力的比，背压比；

=亚临界流动系数，按如下公式计算：
(2.2.3.3)

2.2.4 阀门最小设计尺寸的确定

如上，一旦安全阀最小需求排放面积确定以后，接下来便需要进一步确定安全阀的流道代号以及进出口最小设计管口尺寸。标准流道和相对应的字母代号如下表2-2：

表2-2 安全阀标准流道代号对照表

前文中计算出的需求最小空气排量A，对照上表选取流道型号接近且大于A值的一档确定为所需求最小流道代号，然后根据系统要求安全阀材质结合所选取的流道代号并查找API526中不同流道对应的阀门规格对照表即可确定安全阀的进出口最小设计尺寸要求。

3 计算示例

以某LNG运输船为例，已知在线安全阀进口端所连接主管路管径外径406.4mm，表面包覆绝热层厚度80mm，以主管路两端隔离阀为界，管长1.5m, 经计算可得此安全阀所涉及的过火面积为A=2.668 , 考虑到此管段所处位置为露天甲板以上带绝热层，故，参照上述2.1节，F取值0.5。参照公式（2.1.2），相关物性参数查2-1物性表，最终可得G=0.196。通过公式（2.1.1）可得此安全阀标况下的最小空气排量Q=788.8 N/h。

已知进口释放压力=设定压力+允许超压10%+1个标准大气压=10+1+1.013=12.013 bara, 比热比κ=1.4（此时为空气），因此参照公式(2.2.1.1)可得，=6.35 bara, 另外已知安全阀出口背压1.5 bara＜,故，判定此工况为临界流动。另外已知参数：T=273.15k,气体压缩系数Z=0.999，标况下空气M=28.964。由公式(2.2.2.3)计算可得C=0.027, 有效释放系数=0.975，背压修正系数=1.0，带爆破片组合校正系数=1.0，最后根据公式(2.2.2.2)可算得需求有效排放面积A=0.99 。

对照上述表2-2，可首先确定此安全阀流道代号为‘E’，然后参照API 526 第5节 表3-弹簧载荷式泄压阀 “E”流道（有效流通面积=0.196），另外，因本该船型低温安全阀要求材质奥氏体不锈钢，管道系统压力等级CL150,故最终选取阀门标准尺寸: 1” x E x 2”。

最终得出此在线弹簧式安全阀选型：最小空气排量Q=788.8 N/h，有效流道面积：A=0.99 ，选取标准流道面积代号E=1.3，最终确定此阀门最小设计尺寸1” x E x 2”，

其中设定起跳压力10barg。

4 结语

在线弹簧式安全阀是保护系统管道免于可能超压带来的破坏及损失的最后一道防线，尤其在LNG船低温系统中也应用非常广泛，通过对在线安全阀的正确设计选型研究，对于防止液化天然气管道因超压造成破坏，并可能由此造成泄露等问题十分有意义，也同时可以对类似船型的应用提供相应参考。

[参考文献]

[1] 《API RP 520-1-2000 Sizing, Selecting and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries – Part I – Sizing and Selection》

[2] 《API 521 Pressure-Relieving and Depressuring System》

[3] 《API 526 Steel FLG Connection Pressure-Relieving Valves》

[4]《阀门设计手册》，杨源泉主编，北京机械工业出版社，1992