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