提高ORV海水管线运行稳定性的方法

林建盛，林素辉，边 远

(中海福建天然气有限责任公司，福建 莆田 351100)

开架式海水汽化器(Open Rack Vaporizer，简称ORV)是使用海水作为热交换介质来气化LNG。工作时利用顶部的海水喷淋装置将海水喷淋在管束板外表面，依靠重力作用自上而下流动，而LNG在传热管内向上流动时与海水换热气化成NG外输。因此ORV也称为液膜下落式汽化器。气化所需海水由海水泵加压输送，海水泵有一级叶轮，工艺参数为流量7 140 m3/h、扬程41.8 m、设计压力0.7 MPa、操作压力0.3 MPa。由于海水泵的工作压力为0.3 MPa，而ORV的工作压力为0.05 MPa，将致ORV进口压力过高，不仅影响ORV海水管线，而且影响ORV的使用寿命。为使得进入ORV的海水压力尽量接近其工作压力，需对ORV海水系统的相应阀门进行一系列的调整，使得调节阀门的前后压力发生较大变化，同时，由于ORV海水管线布置的特点的影响而使得ORV海水管线发生较大震动(水锤)，长时间的震动可导致ORV海水管线出现裂纹漏水(海水流量控制阀后管线)、ORV海水分配蝶阀受损严重和ORV海水分布器脱落等情况，并且过大震动使海水分布槽对每根翅片管的海水量分布不同，比较容易使翅片管发生变形。文章提出了消除ORV海水管线产生水锤的方法，以达到提高ORV海水管线运行稳定的目的。

1 LNG接收站海水流程简介及ORV基本情况

图1是LNG接收站海水流向简图，由海水泵输送的海水通过两条海水管线(一备一用)经阀门调节后进入海水分布器，分配成薄膜状沿翅片式换热管的外部从上向下流动，LNG从翅片管底部进入，在翅片管内部从下往上流动，两种介质做逆流式热交换，使得LNG气化成为常温天然气从ORV顶部输出，海水进入海水渠排回大海。

ORV工艺参数如表1所示。

表1 ORV工艺参数

2 ORV海水管线产生水锤的原因分析

2.1 水锤的危害［1］

水锤是压力管道中一种重要的非恒定流。在压力管道中，因某种外界原因使得水的流速突然变化，并且由于液体的惯性作用，引起液体内部压强急剧升高和降低的交替变化，这种交替变化的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水锤或水击。

水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至数百倍，轻微时表现为噪声和管路震动，严重时则造成阀门损坏、管道接头断开，甚至引起管道严重变形和爆裂等重大事故。反之，压强过低会导致管道瘪塌，还会损坏阀门和固定件，影响生产。

2.2 水锤的基本理论

产生水锤的内因是液体的可压缩性和管道中流体的惯性，水锤发生时出现水锤波，在发生的部位水锤以波的形式向外传播，其水锤大小的计算公式可表示为:

其中:ΔH—水锤的压力水头增加值，m;ΔV—水流速度的变化值，m/s;C—水锤波传播速度，m/s;g—重力加速度，m/s2。

由公式(1)可知，产生水锤的根本原因是水流速度的突然变化，只要系统的压力发生变化，水的流速必然发生变化;水锤的大小与水锤波的波速成正比。

2.3 ORV海水管线水锤成因

1)海水流量大且流速快。每台ORV所需海水的设计流量为6 883 t/h，ORV海水管线的尺寸为36″，海水密度为1.03 g/cm3，由连续性方程m=V·A·ρ可知，海水在海水管线中的流速(未发生节流)V=m/(A·ρ)=6 883 000/［3.14 ×(18 ×0.025 4)2×1 030 ×3 600］=2.83 m/s。

2)海水压力发生快速变化。在ORV运行时，为了控制和平衡每台ORV的海水流量，在海水管道上设有流量控制阀门，当海水在管道中流动时，虽然没有阀门的快速开关动作，但是海水在流经流量控制阀门前后压力发生了较大变化，从0.3 MPa左右降至0.05 MPa左右。

2.4 ORV海水管线水锤成因分析

伯努利方程［2］是理想流体定常流动的动力学方程。它表明，在作定常流动的流体中，沿同一流线的每单位体积流体的动能、势能和该处的压强之和是一个常量，即:

式中:P—压强;ρ—流体密度;V—流体流速;h—距地面高度。

对于同一水平高度的流体则:

如图2所示，海水流经FV阀时，可建立方程:

由于阀门的节流作用，阀门前后的压力发生了变化，假设海水泵出口至ORV海水流量控制阀FV间未发生节流作用，PA=0.3 MPa＞PB=0.05 MPa，由方程(4)可得:

即:VB=22.21 m/s

由计算可知，海水由 A处的2.83 m/s瞬间升高到B处的22.21 m/s，海水从B处进入海水分配管，由于惯性速度不变，在海水管道弯头处及分配管处海水流向发生了巨大的变化，同时由于高度和各个海水分配阀门的节流作用，海水流速迅速降低，相当于在C点处产生了快速关闭阀门的效应，形成水锤，从而导致ORV海水进口汇管出现裂纹漏水(海水流量控制阀FV阀后管线)、ORV海水分布蝶阀受损严重和ORV海水分布器脱落等现象的发生。

3 消除水锤的方法

由水锤大小计算公式(1)可知，若减缓水在ORV海水系统中的流速变化即降低海水流速增量ΔV，降低机械波的传递速度，水锤就可以得到控制。因此，可通过降低FV阀前后的压差达到消除水锤的目的，有两种方式，一是适当降低FV阀前即A处的压力，二是适当增大FV阀后即B处的压力。

3.1 适当减小A处的压力

3.1.1 增加限流孔板［3］

1)工作原理。限流孔板设置在管道中主要用于流体输送过程中的降压、限流。流体通过孔板就会产生压力降，通过孔板的流量则随压力降的增大而增大。但当压力降超过一定数值，即超过临界压力降时，不论出口压力如何降低，流量将维持一定的数值而不再增加。

2)选型原则。限流孔板按孔板上开孔数分为单孔板和多孔板，按板数可分为单级和多级。

板数的选择:a.当液体压降小于或等于2.5 MPa时，选择单级孔板;b.当液体压降大于2.5 MPa时，选择多级孔板，且使每块孔板的压降小于2.5 MPa。结合海水管线的实际运行情况，由于压降小于2.5 MPa，故可选择单级孔板。

孔数的选择:a.管道公称直径小于或等于150 mm的管路，通常采用单孔孔板;大于150 mm时，采用多孔孔板;b.多孔孔板的孔径一般可选用 12.5、20、25、40 mm。

因此，结合LNG项目ORV海水管线的情况，海水管道的公称直径914.4 mm(36×25.4 mm)大于150 mm，故可选择多孔孔板。

3)孔板数的确定。对于液体单级孔板的计算，可按下式进行:

其中:Q—工作状态下体积流量，m3/h;C—孔板流量系数;d0—孔板孔径，m;ΔP—通过孔板的压降，Pa;γ—工作状态下的相对密度。

由上式代入相关数据即可得出单级孔板的孔径。

多孔孔板数的计算，可按下式进行:

式中:N—多孔孔板孔数，个;d0—单孔孔板孔径，m;d—多孔孔板的孔径，m;

由(5)(6)式根据孔径即可确定单级孔板的孔数。

3.1.2 减小海水泵出口蝶阀的开度

在生产操作过程中，在满足海水最小流量要求的情况下，可适当关小海水泵出口管道上的调节阀，以降低海水泵的流量，从而降低A处压力，达到降低ORV进口压力的目的。

3.1.3 减小海水泵的扬程

在设计海水泵时可以在保证海水泵流量的情况下，减小海水泵的扬程使海水泵出口压力减小。

3.2 适当增大B处的压力

通过观察ORV的实际运行情况，发现在海水分配阀门的开度下若海水流量大于ORV的设计海水流量6 883 t/h，则ORV海水分配阀存在调整的余度。因此，在满足ORV设计的海水流量下，可调整关小海水分配阀的开度并保持海水分配平衡，从而达到增大B处压力的目的。

3.3 适当减小A处压力，同时适当增大B处的压力

根据工艺和设备要求对海水泵出口蝶阀(图1中C、D)、ORV进口蝶阀(图1中A、B)和ORV海水分配碟阀(图1中E)进行合理控制调节。表3是ORV进行海水测试的信息统计。从表3可知，当阀门D开度为35%，阀门B开度为45%，海水流量控制阀FV开度为60%和海水分配蝶阀开度为40% ～45%的情况下，满足ORV在设计的海水流量下运行，并可将ORV的进口压力从240 kPa降至105 kPa，接近ORV的工作压力，同时对海水主管、汇管和海水槽产生的负面影响较小，但会导致海水泵至海水泵出口碟阀(C或D)间的海水管线产生剧烈震动，也将影响海水泵的性能。

表3 ORV系统海水运行测试表

综合以上分析并结合ORV海水管线的实际运行情况，为避免对海水泵及海水管线产生负面影响，可采用保持海水泵出口碟阀和ORV进口蝶阀全开的情况下，在ORV进口蝶阀前增加限流孔板，同时在满足海水最小流量要求和ORV海水进口压力尽量接近其工作压力的前提下，适当调整关小海水分配碟阀的开度，减小海水流量控制阀门前后压差，进而达到避免水锤现象的发生，同时，在布置ORV海水管线时，我们也应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变的情况。

4 结论

ORV及其海水管线是LNG接收站重要的设备，其能否正常平稳运行关系着整个接收站能否正常向下游供气。文章通过对LNG接收站ORV海水管线运行过程中出现的问题进行深入分析，找出了形成水锤现象的原因(材料自身缺陷外)，并提出了在ORV进口蝶阀前增加限流孔板，同时适当调整海水分配蝶阀的开度，减小海水流量控制阀前后压差以消除水锤效应的解决方法，以希望对ORV海水管线的操作运行、维护保养提供一些可行性的建议。

［1］李爱茹，董文明.浅谈“水锤效应”的危害与消除措施［J］.科技信息，2010，239(9):731.

［2］陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理(第三版)［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［3］化学工程学会.工艺系统工程设计技术规定［S］.HG/T20570.15.1995.