LNG接收站双码头卸料工况的水击分析_陈营.pdf

油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENT收稿日期:2022-08-16基金项目:教育部产学合作协同育人项目“基于 MOOC 和 SPOC 的大学物理课程翻转课堂教学模式研究”(201802136031)作者简介:陈营(1978-)，男，山东济阳人，高级工程师，硕士，主要从事 LNG 接收站工艺系统专业方向的研究工作。Email:chenying10 cnooccomcnLNG 接收站双码头卸料工况的水击分析陈营1郭振国1于淑云21 中海油石化工程有限公司，山东济南250100;2 山东大学物理学院，山东济南250100摘要:中国 LNG 进口量已跃居世界第一位，LNG 接收站的建设规模及周转量也逐年增加，单一码头已不能够满足LNG 接收站的接卸要求，因此多个码头建设对LNG 接收站工程提出了新的要求，从双码头双卸料管线的设计出发进行水击分析，提出了 LNG 接收站建设双码头的必要性。以解决双码头卸料水击压力及不平衡力为目的，利用管道波速方程、运动方程、连续方程为理论依据，搭建计算模型，采用 PIPENET 专业流体水击计算软件为计算工具，以实际操作工况为设计条件输入进行计算分析。计算结果合理可行，可为下一步管道及应力计算提供设计依据，最终满足整个卸料管线设计要求。关键词:水击分析;LNG 接收站;双码头卸料;工况分析DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.003Analysis on water hammer during unloading at dual wharfs of LNG receiving terminalCHEN Ying1，GUO Zhenguo1，YU Shuyun21 CNOOC Petrochemical Engineering Co，Ltd，Jinan，Shandong，250100，China;2 School of Physics，Shandong University，Jinan，Shandong，250100，ChinaAbstract:Chinas LNG import volume has ranked first in the world As the scale of development andturnover of the LNG receiving terminals have increased year by year，a single terminal can no longer meetthe loading and unloading requirements of the receiving terminal Therefore，the construction of multiplewharfs has put forward new requirements for the LNG terminal project Water hammer analysis has beencarried out from the design of dual wharfs and dual unloading pipelines，and the necessity of building dualwharfs has been put forward In this paper，for the purpose of solving the water hammer pressure andunbalanced force in the unloading of dual wharfs，the calculation model is built based on the theoreticalbasis of the wave velocity equation，motion equation and continuity equation of the pipeline Theprofessional water hammer calculation software PIPENET is used as the tool to calculate and analyze，taking the actual operating conditions as the design conditions The calculation result is reasonablypracticable，which provides a design basis for the pipeline and stress calculation in the next step，and canfinally meet the design requirements of the entire unloading pipelinesKeywords:Water hammer analysis;LNG receiving terminal;Unloading at dual wharfs;Workingcondition analysis51天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月0前言经过 20 多年的发展，中国 LNG 接收站的建设规模大踏步向前迈进，LNG 接收站周转能力向着千万吨及以上规模建设发展，单一码头的接卸能力已不能够满足LNG 接收站的要求，国家管网天津 LNG 接收站、中国石化天津 LNG 接收站和中国海洋石油江苏 LNG 接收站均实施或准备实施双码头卸料功能，满足最大周转量要求15。国内在建的 LNG 接收站越来越多地设置了 2 座以上的 LNG 专用泊位或者码头，相应的需要建设 2 条卸料管线和 2 条管线的部分路由，尤其是罐下管廊部分需要重合，对管道应力提出了新的要求。在以往案例中，由于水击力过大，造成管道支架滑落、接收站停产610。水击分析需要考虑的工况更加复杂，对水击计算提出了新的要求。双码头卸料产生的水击力更大，因此需要进行详细的计算分析。1数学模型与软件LNG 管道的水击数学模型由管道波速方程、运动方程、连续方程和定解条件1120 组成，在此基础上建立了水击基本偏微分方程，水击基本微分方程见式(1)。1gwQt+VQx()+Hx+fQ Q1mHt+VHx+a2gwQx()=0(1)式中:g 为重力加速度，m/s2;w 为管道直径，m;Q 为流量，m3/s;V 为流速;m/s;x 为步长，m;H 为扬程，m;f 为沿程阻力系数;a 为水击波速，m/s;t 为时间，s。对式(1)进行求解采用特征线法，通过时间和管道步长划分，得到不同时间及管段的水击压力及不平衡力的计算结果。模型利用上述理论及求解方法，通过 PIPNET 专业流体水击计算软件进行计算，PIPNET 采用式(1)时征线对水力模型，根据输入流体单元的水力设备及物性条件，进行边界条件的确定。水击现象的产生是因为管路系统中由于某些事件发生而导致流体由稳态转变为瞬态，并在瞬态过程中对管路及其附件产生了更大的冲击力。对 LNG 卸料管线的各种可能激发水锤的工况进行了假设，这些假设主要依据联锁因果图中的触发事件、各紧急切断阀的快速关断、卸船泵跳车以及紧急切断阀关断与卸船泵跳车的组合情况。下面是对 LNG 卸料管线从 LNG 船到 LNG 储罐的简要描述。LNG 船上设置 5 个 LNG 舱室，每个 LNG 舱室配置 2 台 LNG 卸船泵。LNG 船在码头通过 3 台液相臂、1 台气相臂与 LNG 接收站相连。每台卸料臂在靠船的一端 设有 快 速 脱 离接头(Powered Emergency ReleaseCoupler，PERC)。LNG 经船泵加压后由码头卸料臂汇合至码头 LNG 卸料总管，沿码头、栈桥管廊进入 LNG 接收站，再经各支管分别进入各 LNG 卸料储罐。LNG 接送站建设 LNG1 号码头和 LNG2 号码头，码头均设有卸料臂与 LNG 卸料总管相连。LNG1 号码头卸料臂尺寸为 500 mm，LNG2 号码头的卸料臂为 400 mm。码头及 LNG 储罐模型见图 1。图 1码头及储罐模型图Fig1Model diagram of wharf and storage tank61油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENT2物性及边界条件2.1流体特性本次模拟主要采用的 LNG 相关物性见表 1。表 1LNG 物性表Tab1Fluid physical properties密度/(kg m3)LNG 蒸汽压/MPaLNG 黏度/(Pa s)温度/体积模量/MPa477.40.1050.0 001 687160.46002.2卸船泵及卸料臂数据2.2.1卸船泵数据卸船泵数据见表 2。表 2卸船泵相关数据表Tab2Relevant data of ship unloading pump单台泵额定流量/(m3 h1)压差/m最大关闭压头/m泵的转动惯量/(kg m2)船舷处压头/m1 4001651889.2796卸船泵扬程流量数据及曲线见表 3 和图 2。表 3卸船泵扬程流量数据表Tab3Flow head-flow data of ship unloading pump流量/(m3 h1)扬程/m2 025661 890861 7551241 6001361 5631401 5001441 4001521 3001581 2001626001760188图 2卸船泵扬程流量曲线图Fig2Head-flow curve of ship unloading pump2.2.2卸料臂数据卸料臂阻力降数据见表 4。表 4卸料臂阻力降数据表Tab4Resistance drop data of unloading arm流量/(m3 h1)阻力降/MPa5 0630.2504 7250.2294 3880.2094 0000.1883 7500.1753 5000.1643 2500.1533 0000.1431 5000.09900.085根据流量阻力降推出的阻力因子见图 3。图 3卸料臂流量阻力降曲线图Fig3Resistance drop-flow curve of unloading arm2.2.3阀门数据在 LNG 卸料管线中，主要阀门尺寸及关闭时间见表 5。表 5阀门尺寸及关闭时间表Tab5Valve size and closing time阀门类型位置尺寸/mm关闭时间/s备注球阀LNG1 号码头卸料臂紧急脱离50010PERC 双球阀球阀LNG2 号码头卸料臂紧急脱离40010PERC 双球阀蝶阀LNG1 号码头卸料总管紧急切断阀1 05042紧急切断阀蝶阀LNG2 号码头卸料总管紧急切断阀1 05042紧急切断阀蝶阀储罐 T-0212 前紧急切断阀90036紧急切断阀蝶阀储罐 T-0212 罐顶进料 HV 阀90036紧急切断阀71天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月2.2.4管道数据在输入管路模型中，管线规格根据项目文件选择对应标准尺寸。模拟中忽略了主管管线中尺寸很小的分支和气相管线，低压系统管线设计压力 1.79 MPa。LNG卸料管道数据见表 6。表 6LNG 卸料管道数据表Tab6Data sheet of LNG unloading pipeline公称直径/mm标准壁厚400ASME B36.19M不锈钢管道SCH10S500ASME B36.19M不锈钢管道SCH10S900ASME B36.10M焊接及无缝锻造钢管STD1 000ASME B36.10M焊接及无缝锻造钢管XS2.2.5工况假设发生工况主要包括每个紧急切断阀(ESD)的关断、卸船跳车以及阀的关闭和泵跳车的组合工况，部分工况属于假设存在的人为或者意外情况，以确保分析的完整性。不同码头和不同卸料管线的组合有 4 种:LNG2 号码头+卸料管线 A，LNG2 号码头+卸料管线 B，LNG1 号码头+卸料管线 A，LNG1 号码头+卸料管线 B。基于不同码头和卸料管线的组合，考虑 LNG 卸料管线管网的特性，产生水击现象的工况表。LNG2 号码头+卸料管线 A卸船系统工况及运行状态见表 79。表 7LNG2 号码头+卸料管线 A 卸船系统工况表Tab7Working conditions of unloading system of LNG2 wharf+unloading pipeline A工况工况描述工况 1仅卸船泵跳车，阀门全部打开工况 2仅 PERC 快速脱离接头关闭工况 3仅卸料总管 ESD 阀关闭工况 4仅储罐 T-0212 进料总管 ESD 阀关闭工况 5仅储罐 T-0212 进料调节阀关闭工况 6SDV-1 关闭、SDV-2 关闭工况 7PERC 关闭、SDV-1 关闭、SDV-2 关闭工况 8卸船泵跳车、PERC 关闭、SDV-1 关闭、SDV-2 关闭工况 9卸船泵跳车、PERC 关闭、SDV-1 关闭工况 10卸船泵跳车、PERC 关闭表 8LNG2 号码头+卸料管线 A 阀门和泵初始状态表Tab8Initial state of valve and pump of LNG2 wharf+unloadingpipeline A位置状态卸船泵(运行)PERC 双球阀(开启)SDV-1(开启)SDV-2(开启)HV-3(开启)表 9LNG2 号码头+卸料管线 A 阀门和泵动作表Tab9Valve and pump action of LNG2 wharf+unloading pipeline A工况船泵PERC 双球阀SDV-1SDV-2HV-3工况 1工况 2工况 3工况 4工况 5工况 6工况 7工况 8工况 9工况 10注:表中表示运行或开启状态，表示停止或关闭状态。3案例分析3.1LNG2 号码头+卸料管线 A 组合LNG2 号码头+卸料管线 A 组合，该组合不同工况下的水击压力见表 10。表 10LNG2 号码头+卸料管线 A 组合不同工况下的水击压力表Tab10Water hammer pressure under different working conditions ofLNG2 wharf+unloading pipeline A combination工况最大水击压力/MPa对应管道位置工况 10.737装船泵出口工况 20.908卸料臂双球阀入口工况 31.000SDV-1 入口工况 41.134LNG2 号码头卸料臂总管与 SDV-1 之间工况 51.143LNG2 号码头卸料臂总管与 SDV-1 之间工况 61.106SDV-1 出口第一个弯头工况 70.908卸料臂双球阀入口工况 80.737装船泵出口工况 90.957卸料臂出口工况 10 1.675卸料臂出口止回阀的出口81油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENT低压系统设计压力 1.79 MPa，该组合不同工况下的最大水击压力为 1.675 MPa，均在允许压力范围内。LNG2 号码头+卸料管线 A 组合下不同工况下的最大水击力表见表 11，最大水击压力出现在工况 10，此时SDV-1 进出口压力随时间变化曲线见图 4。表 11LNG2 号码头+卸料管线 A 组合不同工况下的最大水击力表Tab11Maximum water hammer force under different workingconditions of LNG2 wharf+unloading pipeline A combination工况水击力最大值/N管道位置工况 1241 861.7LNG2 号码头栈桥，卸料臂总管与 SDV-1 之间管线工况 266 618.8储罐 T-0212 上罐管线工况 313 826.4SDV-1 后卸料总管工况 412 196.6SDV-1 后卸料总管工况 512 576.2SDV-1 后卸料总管工况 611 558.0SDV-1 后卸料总管工况 739 886.3LNG2 号码头栈桥，卸料臂总管与 SDV-1 之间管线工况 8241 862.2LNG2 号码头栈桥，卸料臂总管与 SDV-1 之间管线工况 9296 503.9LNG2 号码头栈桥，卸料臂总管与 SDV-1 之间管线工况 10278 922.5LNG2 号码头栈桥，卸料臂总管与 SDV-1 之间管线图 4SDV-1 进出口压力随时间变化曲线图Fig4Curve of inlet pressure and outlet pressureof SDV-1 Changing with time3.2LNG1 号码头+卸料管线 B 组合LNG1 号码头+卸料管线 B 组合，该组合不同工况下的水击压力见表 12。低压系统设计压力 1.79 MPa，该组合不同工况下的最大水击压力为 1.091 MPa，均在允许压力范围内。LNG1 号码头+卸料管线 B 组合下不同工况下的最大水击力表见表 13，最大水击压力出现在工况 5，此时SDV-01003 进出口压力随时间变化曲线见图 5。其他组合工况计算的方法与工况 1 计算相同，计算结果不再进行罗列和阐述。表 12LNG1 号码头+卸料管线 B 组合不同工况下的水击压力表Tab12Water hammer pressure under different working conditions ofLNG1 wharf+unloading pipeline B combination工况最大水击压力/MPa管道位置工况 10.736装船泵出口工况 20.910卸料臂 UA-0101 A 双球阀入口工况 30.999SDV-2 入口工况 41.084LNG1 号码头卸料臂总管与 SDV-2 之间工况 51.091LNG1 号码头卸料臂总管与 SDV-2 之间工况 61.068SDV-3 出口工况 70.910卸料臂 UA-0101 A 双球阀入口工况 80.736装船泵出口工况 90.736装船泵出口工况 10 0.736装船泵出口表 13LNG1 号码头+卸料管线 B 组合不同工况下的最大水击力表Tab 13Maximum water hammer force under different workingconditions of LNG1 wharf+unloading pipeline B combination工况最大水击力/N管道位置工况 1236 538.0LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线工况 253 641.1储罐 T-0213 上罐管线工况 328 462.7储罐 T-0213 上罐管线工况 49 828.7储罐 T-0212 和 T-0213 间卸料总管工况 59 673.2储罐 T-0212 和 T-0213 间卸料总管工况 69 465.6LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线工况 725 993.7LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线工况 8236 538.0LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线工况 9236 538.0LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线工况 10236 538.0LNG1 号码头栈桥，卸料臂总管与SDV-2 之间管线91天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月图 5切断阀 SDV-2 进出口压力与时间变化曲线图Fig5Curve of inlet pressure and outlet pressure ofSDV-2 Changing with time4结论和建议本文对双码头卸料及双卸料管线水击模型进行了分析，考虑了不同工况下产生的不平衡力及水击压力。1)双码头与双卸料管道组成力 4 种不同工况，需要分别进行分析计算，对应管道支架的最大允许推力不小于 296 503.9 N，管道的设计压力不小于 1.675 MPa。2)双卸料码头的设计中船泵、阀门的关闭时间及曲线对产生的不平衡力及最大水击压力均有影响，因此在设计中需要对相应的订货资料进行准确输入。3)所有的假设是基于 SIS 系统的控制和动作;SIS 等级的确定是基于 HAZOP 和 SIS 分析确定的，因此在前期需要对卸料系统的分析准确合理。参考文献:1王玮，马贵阳，孙志民输油管网水击危害及其防治 J 油气田地面工程，2010，29(3):45-46WANG Wei，MA Guiyang，SUN Zhimin Water hammerhazard and preventions in oil pipeline network J Oil andGas Field Surface Engineering，2010，29(3):45-46 2华晔压力管道中水击的介绍J 中国科技财富，2008(10):113HUA Ye Introduction of water hammer in pressure pipeline J China Science and Technology Fortune 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万吨/年乙烯装置投料试车一次成功，炼化一体化项目流程打通。中国石油广东石化项目位于广东省揭阳市，处于“沿海经济带”的关键位置。该项目是国内外唯一可全部加工劣质重油的炼化基地，是中国石油实现国内炼化业务向产业链和价值链中高端迈进的成功实践。该项目应用国内外先进工艺技术，年加工原油能力 2 000 万吨，乙烯产品 120 万吨、芳烃产品 260 万吨。作为中国石油一次性投资最大的炼化一体化项目，广东石化项目 2018 年全面启动建设以来，各方建设单位运用大国重器和先进工法，创造出多项国内、亚洲乃至世界的施工纪录。如使用世界最大的 5 000 吨门式起重机和 4 000 吨履带起重机联手整体吊装 4 606 吨的抽余液塔，刷新亚洲最重石化塔器吊装纪录;采用“工厂化预制、模块化安装”创下亚洲安装火炬“口径最大、高度最高、数量最多”新纪录;在蜡油加氢处理装置施工中，创造了中国石油首个方炉整体橇块安装先河。据悉，该项目投产后，仅在华南地区就可增加合成树脂产品供应 250 万吨/年，降低粤港澳大湾区家电、电子等产业化工原料的对外依存度。项目形成的引擎效应更是会带动粤东地区石化产业链的完善，加快当地万亿级绿色石化产业基地的形成，进一步提升广东省内区域协调发展水平。(周舟摘编自中国青年报客户端)12