摘　要：对LNG接收站的系统组成和水击原理进行介绍，采用流体力学软件AFT hnpulse模拟LNG接收站低压系统的各种水击工况。对模拟结果进行分析，对LNG接收站的低压系统提出了建议。

关键词：LNG接收站；  再冷凝器；　低压系统；  水击模拟

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订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接收站及水击介绍

1.1　LNG接收站

LNG接收站^[1]的功能是接卸由LNG船舶运来的LNG并储存在LNG储罐内，再经高压泵加压气化后，将天然气通过输气管道外输或直接利用低压泵将LNG通过槽车外运，提供下游用户使用。

目前LNG接收站技术已相当成熟，LNG接收站设计将充分考虑工艺技术的先进性和可靠性，确保长期稳定、安全可靠地向下游供气。LNG接收站主要由以下系统组成。

①卸船系统

LNG接收站卸船系统具有一根液相总管、一根气相平衡总管和一根LNG循环保冷管路，液相总管用于卸料，气相平衡总管用于储罐与船舱返气。无卸船时，通过LNG循环保冷管路以小流量循环来保持液相总管处于低温状态。通常设计要求完成卸料作业的时间不超过30h，最大卸船时(即大船卸料工况)，3条液体卸料臂同时工作。

②低压LNG系统

通常LNG接收站的储罐选用安全、可靠的全容式混凝土顶储罐。LNG经卸料臂送入储罐储存，罐内设有低压泵，可输送部分LNG至再冷凝器，再冷凝后的LNG与其余来自储罐的LNG混合，经高压泵加压后送至气化器气化后外输。

③蒸发气(BOG)处理系统

蒸发气主要是外界能量输入产生的，如泵运转、外界热量的传入等。接收站产生的蒸发气会增加BOG系统的压力，直至火炬放空。因此，正常情况下BOG需要被液化处理，保证接收站不进行火炬放空。

通常LNG接收站采用再冷凝工艺，将蒸发气利用压缩机压缩到较低压力后，与来自储罐的低压LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加压后处于过冷状态，呵以使蒸发气再冷凝。

④LNG高压外输、气化及计量系统

正常情况下，LNG从再冷凝器直接进入LNG高压输送泵，加压后输送至高压气化器。高压输送泵是输送系统中的重要设备，其启动台数根据接收站的外输气量来确定。LNG高压输送泵外输流量可通过泵出口管路上(即气化器入口)的流量调节阀进行控制，也可根据外输天然气总管的压力自动控制，以保证外输天然气总管的压力稳定。

⑤小结

在整个LNG接收站的运行中，再冷凝器是至关重要的工艺设备，其上接低压LNG系统，下连高压外输系统。因此，再冷凝器对LNG系统乃至整个接收站的运行都非常重要。

本文以再冷凝器为核心，模拟LNG接收站低压系统水击工况并予以分析，为接收站的稳定运行提供技术支持。

1.2　水击

水击是由于管道中水流速度突然发生变化，从而引起管内一系列急剧的压力交替升降，并以波的形式在管中往返传播的水力冲击现象，因其发出的声音如锤敲击管道，因此也称之为水锤^[2]。

造成水锤的外因主要是突然停泵、迅速关闭或开启阀门、管道坡度不足或倒坡、管道中流体自身具有惯性。在压力管道中，当水流速度发生变化时，管道中水压就会升高或降低，当压力低于水的气化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔，空腔外的水流再弥合时会产生强烈的撞击，管道中的水升压，形成断流弥合水锤。弥合水锤因为升压很大，所以引起的灾害也很大。

在LNG接收站中，有众多的LNG管道，涉及各种功能的紧急切断阀、动力设备等。如果出现水击现象，所产生的水击压力可能较大，会危及安全运行。

1.3　水击模拟软件

本文中水击模拟软件采用AFT Impulse 4.0(applied flow technology)，AFT为专业流体分析软件，在国内有众多用户。与其他类似计算软件相比，当计算时间步长较小时，水击压力脉冲峰值不会变化巨大，更接近于实际运行情况。

2　 LNG接收站中的低压系统水击分析

2.1　低压LNG系统

低压LNG系统见图1。来自储罐的低压LNG分为两部分，一部分进入再冷凝器，达到冷凝处理BOG的目的；另一部分与从再冷凝器出来的LNG汇合后，进入高压泵组(图1中高压泵均并联)，加压后高压LNG外输，进入气化器。

再冷凝器在本系统中可以为高压泵组提供入口液位，同时也可以为高压泵启动提供一定的缓冲体积，通常设计再冷凝器的缓冲体积为单台高压泵以额定流量运行5min的流体体积。

高压泵为筒袋式离心泵，电机放置在筒内。当高压泵运行时，由于电机发热产生的BOG需要汇集输送至再冷凝器。

2.2　再冷凝器

由图l可知，再冷凝器联系着接收站的高、低压LNG系统，同时直接影响着高压泵组的正常运行，而高压泵组直接决定接收站能否外输。因此，再冷凝器对LNG接收站至关重要。因此，尽管目前LNG接收站均未设置备用的再冷凝器，但是在工艺设计上都考虑了再冷凝器无法运行的工况。

当再冷凝器因为检修等原因停运时，高压泵组产生的BOG也需要排出，此时就需要关闭手动阀门。放空的BOG进入缓冲短接(缓冲短接通常是一段粗管道，直径约为40cm)，通过气动调节阀控制缓冲短接内部气相空间，同时维持一定液位。这样此短接就可以基本实现再冷凝器的作用，当然接收站产生的BOG无法处理，只能排往火炬放空。即当再冷凝器停运时，利用短接的作用就可达到不影响接收站外输的目的，虽然存在放火炬的可能性。因此，再冷凝器停运而接收站又外输的工况是可能出现的。

虽然在这种工况下接收站运行基本正常，但是需要接收站管理人员、操作人员密切注意各运行参数。一旦再冷凝器重新运行，整个接收站方可回至最正常的运行工况。

2.3　不同运行工况下的水击模拟

根据低压LNG系统流程，建立了低压LNG系统水击模型。该低压系统设计压力为1.89MPa，输入条件为低压泵流量一扬程性能曲线(即输入一组低压泵的流量和扬程数据)和额定工作流量(450m³／h)；输出为最高水击压力。按照再冷凝器运行与否以及是否停止低压泵电机，可分为4种运行工况。再冷凝器停运是指在模拟开始前就将再冷凝器隔离停运，停低压泵电机是指在运行过程中，关闭紧急切断阀时连锁停运低压泵电机。在不同运行工况运行过程中，同时关闭系统中的4个紧急切断阀，所有的紧急切断阀关闭时间均按照1s／25mm设置(例如DN 250mm的阀门关闭时间为10s)。模拟的不同运行工况下的低压LNG系统最高水击压力见表1。

工况1(再冷凝器停运+不停低压泵电机)：最高水击压力可达3.6MPa，远高于目前LNG接收站低压系统设计压力(1.89MPa)。一旦出现此工况，必将有较多热力安全阀起跳，进而影响接收站正常运行，同时产生的较大水击压力也会对管道等产生较大影响。

工况2(再冷凝器停运+停低压泵电机)：最高水击压力下降至3.2MPa，但是仍高于低压系统设计压力。

工况3(再冷凝器运行+不停低压泵电机)：当再冷凝器正常运行时，其产生的最高水击压力为1.8MPa，略低于低压系统的设计压力。尽管如此，但是由于热力安全阀具有一定的回座压力(一般为90％的设定压力)，热力安全阀极有可能会出现微启漏液，对接收站的稳定运行产生一定影响。

工况4(再冷凝器运行+停低压泵电机)：其最高水击压力为1.4MPa，远低于安全阀起跳的回座压力，因此热力安全阀不会有任何动作，不会对LNG接收站正常运行产生影响。

3　水击模拟结果分析

根据上述模拟结果可知，当再冷凝器停运时，一旦全站紧急关停，不论是否停运低压泵，其最高水击压力都远高于低压LNG系统的设计压力。其主要原因是再冷凝器停运而接收站又要外输，则高压泵产生的BOG只能通过缓冲短接排出，而缓冲短接的气相缓冲空间比再冷凝器小得多(再冷凝器与缓冲短接体积对比见表2)。因此一旦产生水击，根据水击原理，流体波会按照一定速度和方向振荡，会产生较高的水击压力。

由表2可知，缓冲短接体积与再冷凝器差别较大。尽管缓冲短接在某种程度上可以达到再冷凝器的作用，但是其缓冲能力较小，尤其在出现水击工况时，产生的水击压力较大。据此也进一步说明再冷凝器的重要性，不仅可以缓冲液相，吸收处理BOG，而且具有一定的气相缓冲空间，防止较高水击压力出现，这与给水系统中的抗水锤气压罐相似^[3]。

由表l还可知，当出现紧急关断情况，是否停运低压泵也会对水击压力产生一定影响。笔者认为，当出现水击是否应该停运低压泵等动力设备取决于计算水击压力值，同时也要考虑接收站的运行连续性。一旦停运低压泵电机，需要现场重新启动，可能会延误接收站的供气。有些接收站设计为当水击压力满足要求时，可以不停低压泵等动力设备，而是打开低压泵的回流管路。在某种程度上，一旦问题得到解决，这种设计有利于接收站重新运行的连续性。

4　对低压LNG系统的建议

①再冷凝器

再冷凝器停运属于接收站正常运行的范畴(一切以保证接收站正常外输为目的)。一旦出现此工况，需要密切注意各工艺参数，防止发生紧急切断阀关闭等意外工况。虽然本文考虑的水击模拟工况较为严苛，但是有可能发生。

②缓冲体积

根据模拟结果，再冷凝器停运时，由于缓冲短接气相空间较小，缓冲能力不足，所以水击压力较大。在设计再冷凝器或缓冲短接时，需要考虑水击产生的影响，可以适当放大气相空间。

③设计压力

当水击压力超过原来既定的低压系统设计压力时，可以在项目设计过程中修改设计压力时，也可以增设安全阀保护管道不受损坏，或者降低水击发生的可能性等。毕竟水击不是接收站运行的常态工况，一旦水击压力过大，需要设计单位与业主共同沟通协调、统筹考虑，找到最安全、最经济的解决方法。

参考文献：

[1]杜光能．LNG终端接收站工艺及设备[J]．天然气工业，l999，19(5)：82-86．

[2]李穗生．浅谈水击及防护[J]．西部探矿工程，2003(8)：106-107．

[3]刘奕，陈敏．浅议抗水锤气压罐在消减停泵水锤中的应用[J]．有色冶金设计与研究，2003(3)：59-62．

本文作者：仇德朋  孟铁柱  管西龙  付红艳  郭雷  曲顺利

作者单位：中海油山东化学工程有限责任公司