低温lng管道热力安全泄压阀热力学分析

低温lng管道热力安全泄压阀热力学分析

液化天然气（lkg）是中国乃至世界上最经济的能源。它具有清洁、高效、优质的特点。为了满足对清洁能源的需求,我国近年来建设了大量LNG接收站、LNG卫星站、天然气液化工厂等生产储运LNG的设施。LNG的储运温度一般在-160~-140℃,为低温液化气体,受热易汽化,且密度受温度影响较大。当LNG输送管道发生阻塞,封闭的低温液体从环境中吸收热量将发生膨胀、汽化,进而导致封闭管段超压,发生危险。因此,在可能被阻塞的LNG管段上应安装热力安全泄压阀。封闭的低温LNG管段超压泄放过程一般分为几个不同的阶段,且涉及到气液2种相态,这些都会影响热力安全泄压阀的选型计算;而现在工程上一般仅对LNG热膨胀量或汽化量进行粗略估算,由于未考虑整个泄放过程物性数据的变化,因而导致计算不完整而且偏差较大。HYSYS软件是一款在油气加工技术领域占主导地位的大型专家系统软件,经过国内外研究机构和工程公司的大量应用,普遍认为其内置的修正PR状态方程应用于LNG储运工程计算方面的计算结果与实际数据较吻合,能够满足工程要求。采用HYSYS软件对热力安全泄压阀的整个泄放过程进行热力学分析,将为工程上热力安全泄压阀的准确选型提供一种较为完整的程序和方法。1lng的组成、特点结合实例对热力安全泄压阀的泄放工况进行热力学分析。假设LNG的输送温度-158.87℃;输送压力1000kPa(A);LNG组成(物质的量分数):N20.15%,CH499.84%,C2H60.01%(密度420.8kg/m3,相对分子质量16.06);LNG输送管道直径DN800(外径813.0mm);保温厚度170mm;封闭管段长度20m;封闭管段上装有一个热力安全泄压阀,管道设计压力和安全阀设定压力为1.79MPa(G),安全阀超压取10%。1.1初始泄压阀泄放的初始阶段封闭管段超压可能由低温液体受热膨胀引起,也可能由低温液体吸热汽化引起,这取决于温度对液体膨胀压力及饱和蒸汽压的影响情况。笔者利用HYSYS流程模拟软件,对上述封闭管段内LNG在泄放过程中膨胀压力和饱和蒸汽压随温度的变化情况进行了计算,如图1所示。由图1可见:管道内LNG的初始状态在A点[-158.87℃,1000kPa(A)],而温度升高不到1℃,其膨胀压力就迅速达到了安全阀的起跳压力(B点);相对而言,管内LNG的饱和蒸汽压却随温度变化较缓慢,因此热力安全泄压阀泄放的初始阶段是过冷液体泄放。随着液态LNG的不断泄放,管道压力将维持在安全阀的泄放压力下,图1中的膨胀压力曲线将逐渐向右移动,当LNG温度升至-106.9℃时(D点),管道内LNG达到饱和状态,此时其膨胀压力对温度仍然非常敏感,微小的温度升高便会导致管段超压泄放,因此热力安全泄压阀泄放的第二个阶段是饱和液体泄放。随着温度的继续升高,管道内LNG将过饱和并发生汽化,由于LNG汽化后体积膨胀约600倍,将导致管道超压泄放,因此热力安全泄压阀泄放的第三个阶段为气体泄放。1.2安全阀出口过冷泄放阶段c以安全阀排放至封闭系统(如火炬管网)为例。假设出口背压200kPa(A),且泄放过程近似等焓过程,则可从相图上分析安全阀出口的相态变化。采用HYSYS软件生成LNG混合组分相图,如图2所示。当安全阀进口为过冷液体泄放阶段时,其出口相态有2种情况:在管道中LNG从开始超压泄放(B点)至泄放温度达-153.9℃(C点)的过程中,安全阀出口仍为液相;而随着泄放温度的不断升高,在泄放温度从-153.9℃(C点)到-106.9℃(D点)的过程中,LNG在安全阀出口将发生闪蒸,变为气液两相。当安全阀进口转为气相泄放的阶段(E点)时,其出口仍为气相。2受热膨胀导致的超压泄放封闭管段的超压泄放是由管道漏热造成的,LNG管道漏热主要由管道吸收太阳辐射热和管道与外界大气之间的热交换2部分组成,根据工程设计要求,取管道漏热通量25W/m2,则封闭管段漏热速率6516.8kJ/h。在过冷液体及饱和液体膨胀泄放阶段,泄放量的大小主要取决于LNG的膨胀系数及封闭管段内液体的温升速率。利用HYSYS软件对LNG的膨胀系数和比热容进行了计算,LNG在泄放条件下的体积膨胀系数为0.0035~0.0085,且随着温度的升高而增大,如图3所示;泄放条件下质量比热容为3.5~5.5kJ/(kg·℃),也随温度的升高而增大,如图4所示。封闭管段内液体受热膨胀造成的超压泄放量可由如下公式进行计算:式中:W1———液相泄放量,kg/h;β———体积膨胀系数,℃-1(见图3);Q———封闭管段漏热速率,kJ/h;C———比热,kJ/(kg·℃)封闭管段液相泄放量W1随温度的变化趋势为先增大后减小(如图5中B-D所示),在泄放过程中出现最大值。气相泄放量W2可以由如下公式进行计算,计算结果见图5(E点)。式中:W2———气相泄放量,kg/h;R———LNG汽化热,由于本例中LNG组成较单一,在泄放过程中汽化热变化不大,所以取336.5kJ/kg。由图5可见:热力安全泄压阀泄放过程中由热膨胀导致的液相最大泄放量为10.5kg/h,泄放温度-112.3℃,所需安全阀的有效泄放面积0.13mm2;由低温液体汽化导致的气相最大泄放量为19.4kg/h,泄放温度-106.9℃,所需安全阀的有效泄放面积0.84mm2。综上所述,在热力安全泄压阀选型计算时应充分考虑不同的相态,取有效泄放面积0.84mm2作为热力安全泄压阀的选型依据,可以保证所选安全阀能够满足液相和气相2种相态的最大泄放要求