轴流式止回阀在LNG接收站中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中海油山东化学工程有限责任公司 作者:马继红

  简述了轴流式止回阀的结构、性能特点,根据LNG 接收站的功能定位和各管路系统特点提出了轴流式止回阀的选择原则,以某工程案例为依据提出了LNG 接收站应用于轴流式止回阀的位置组合,简述了应用于LNG接收站的轴流式止回阀的性能要求和国内外生产现状,提出了国产化的必要性。

  由于具有节能、降噪、低流阻、防水锤、开关迅速等特点,轴流式止回阀被广泛应用于油气集输管线上,而该类型阀门在LNG接收站中的应用鲜有报道。实际上,国内已建或在建的大型LNG接收站如广东大鹏、福建莆田、浙江宁波、粤东、天津等均在关键需要止逆的部位运用了轴流式止回阀。在LNG接收站的设计过程中,在充分考虑工艺技术先进、可靠、安全、稳定等特点的同时,也遵循了消声减震、节能减排等设计原则,轴流式止回阀在接收站中的应用顺势而生。

1、轴流式止回阀的结构形式及性能特点

  1.1、轴流式止回阀的结构形式

  轴流式止回阀结构简单,主要由阀体、阀座、阀瓣、弹簧、导向套及导流罩等零部件组成,其内部结构如图1所示。

轴流式止回阀内部结构零部件图

1———阀体; 2———阀座; 3———阀瓣; 4———弹簧; 5———导向套; 6———导流罩。

图1 轴流式止回阀内部结构零部件图

  轴流式止回阀通过阀门进口端与出口端的压力差来决定阀瓣的开启和关闭。当进口端的压力大与出口端的压力循环展开弹簧力的总和时,阀瓣开启;当出口端压力与弹簧弹力的总和大于进口端压力差时,阀瓣关闭。阀门开启和关闭状态结构如图2和图3所示。

阀门开启状态内部结构图

图2 阀门开启状态内部结构图

阀门关闭状态内部结构图

图3 阀门关闭状态内部结构图

  1.2、轴流式止回阀的结构特点

  传统的升降式或旋启式止回阀是利用铰链或者弹簧固定阀板,流体较少或流速较低时板往往存在阀板不能完全打开的现象,从而造成流体流动不稳定、噪声大、水锤现象严重等工况,而轴流式止回阀的直通轴流式对称结构和过流表面的流线型设计,使得它与传统结构的止回阀相比具有不可比拟的优点,主要如下:

  (1)启闭迅速:轴流式止回阀阀瓣行程短,流线型结构设计阻力小,可以实现快速关闭。

  (2)无噪音:阀瓣的开启与关闭处于动态平衡系统中,阀门运行平衡,关闭瞬间倒流速度小,弹簧复位使得阀门启闭无撞击,降低噪音和水锤效应。

  (3)密封性能优良:阀瓣的质量较轻,轻质量、低惯性的阀瓣经过短行程关闭后对阀座的冲击力小,可有效减少阀座密封面因破坏而导致的泄漏。

  (4)操作能耗低:流经轴流式止回阀的流体只须克服弹簧力就可将阀门全部打开,其要求的临界流速要远小于旋启式止回阀所要求的临界流速,在充份保证流通面积的前提下,可最大限度的降低操作能耗。

  (5)流体阻力小:轴流式结构及过流表面的流线型流道可保证流体处于层流状态,从而使得阀门的流阻系数小,节省能源。

  (6)安装灵活:与同尺寸其他形式止回阀相比,轴流式止回阀长度短、质量轻,安装位置小,可水平、垂直及任意角度安装。

2、轴流式止回阀在LNG接收站的应用

  LNG 接收站的主要功能是接卸LNG船舶运输而来的LNG,通过储存、加压、气化等将天然气通过输气管线或直接将LNG通过槽车输送到下游用户,它主要包括卸料系统、储存系统、蒸发气处理系统、LNG加压及气化系统、天然气外输及计量系统、燃料气系统、槽车装车系统、LNG 排放系统和安全泄放系统等。根据工艺要求,LNG 接收站的各个系统几乎均配置了止回阀以防止流体倒流,但由于目前应用于LNG行业的该类型阀门全部依赖进口,价格相对昂贵,只有在部分关键位置配置轴流式止回阀。

  2.1、LNG接收站配置轴流式止回阀的原则

  LNG 接收站中是否需要配置轴流式止回阀主要按照如下原则:

  (1) 容易产生“水锤效应”的系统

  “水锤效应”是指在压力管路中,由于液体流速的急剧变化,从而造成管中的液体压力显著、反复、迅速地变化,压力的冲击将使管壁受力而产生噪声,犹如锤子敲击管子一般,称为“水锤效应”。水锤效应的主要危害是管路系统压力变化将引起管道和设备的剧烈振动,管壁受力超过正常允许范围,从而造成管道及相关设施的破坏,容易发生泄露、火灾等安全事故。

  轴流式止回阀启闭迅速,阀瓣行程短,弹簧复位时阀瓣对阀体和阀座无撞击,过流表面的流线型设计等特点可有效降低“水锤效应”。

  (2)开关相对频繁的间歇操作系统

  通常情况下,LNG 接收站均是按照一年365日连续操作工况进行设计的,接收站必须满足对城市管网不间断供气的要求(除不可抗拒力意外),但是根据站内各个系统的功能特点以及工程所在地的市场情况,部分系统在运营过程中不是连续运行的。间歇操作系统中阀门的突然关闭或打开,很容易使得后续流体在惯性作用下产生水锤。因此,在LNG接收站设计止回阀选型时,间歇操作系统考虑采用轴流式止回阀。

  (3)流体压力较高的系统

  流体压力较高,阀门突然关闭或者开启时阀门前后瞬时压差更大。管路的压力越高,阀门忽然关闭时流体惯性越大,流体冲击波对管路系统的危害也越大。因此,在LNG接收站设计止回阀选型时,间高压系统考虑采用轴流式止回阀。

  (4)泵出口管线

  止回阀的主要作用是防止介质倒流引起泵及驱动电动机反转,因此,在LNG接收站设计过程中,LNG输送泵的出口考虑采用轴流式止回阀。

  2.2、LNG接收站应用轴流式止回阀的位置组合

  根据第2.1中的选择原则,LNG接收站应用轴流式止回阀的主要位置组合如表1所示。

表1 LNG接收站应用轴流式止回阀的主要位置组合

LNG接收站应用轴流式止回阀的主要位置组合

  备注: 管路系统是否易产生“水锤效应”,以中海油某个接收站为案例,运用AFTimpulse模拟计算的理论结果,其他指标如操作特性、流体压力等也是以该案例为依据。

3、应用于LNG接收站的轴流式止回阀生产现状

  应用于LNG接收站的轴流式止回阀,不但在性能上满足常温阀门的优良特性,而且阀体及零部件的机械性能、强度和刚度等也必须满足在-196℃ 工况下安全运行的要求。

  目前应用于LNG行业的低温轴流式止回阀的制造技术主要集中在国外,如英国的GOODWININTERNATIONALLTd. 、韩国的S&SVALVECO.LIMTED和法国的MalbranqueSAS等,这些公司的产品在国内外LNG行业均具有良好的应用业绩,阀门的设计、制造、检验、试验等均采用欧标或美标。

  经过多年的研究和实践,国内厂家在轴流式止回阀的设计、制造、检验、实验等方面已经积累了成熟经验,部分厂家已经成功制造出该类型的阀门,如苏州纽威阀门有限公司、自贡高压阀门有限公司等,但上述厂家的该类型阀门应用于常温管路系统中的业绩较多,在LNG行业到目前为止没有应用案例。

4、结术语

  随着中石油、中石化以及中海油等能源公司对LNG 行业的介入,中国的LNG接收站建设越来越多,与LNG接收站配套的卫星站、中转站的建设速度也将逐渐加快,轴流式止回阀的需求量也将越来越大,进口阀门不但价格昂贵、运输和售后服务繁琐,合同执行过程中一旦出现变更也将给项目建设造成很大的麻烦,应用于LNG接收站的轴流式止回阀的国产化势在必行。

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