一种LNG船液货管道水锤防护系统及方法与流程

本发明属于船舶建造，具体涉及到一种lng船液货管道水锤防护系统及方法。

背景技术：

1、作为一种经济高效、清洁环保、安全可靠的能源，lng在近年来迅速发展。在整个lng产业链中，lng的水上生产、储存、运输等占据着至关重要的地位，而lng卸货系统是天然气运输过程重要的一部分。在lng船卸货过程中，由于泵的关闭或阀门调节会导致流体速度发生骤然变化，管道内的压力产生急剧升降，这个压力的变化称为水锤。若lng管道系统瞬态压力大于管道的设计压力，管道很容易出现破裂、阀门损坏、lng泄露事故等现象，lng的泄露还会使人员冻伤，造成严重的人身财产损失；若lng管道系统瞬态压力小于管道中lng的饱和蒸汽压，lng会气化导致管道气蚀的产生，严重时产生的断流弥合水锤会造成管道压力急剧升高，其危害远远大于水击波高压。

2、目前关于lng船水锤防护系统研究主要存在以下问题：(1)相比较于工质水，lng工质易燃易爆，一旦管道系统发生水锤问题，很容易引发安全事故，但目前关于水锤防护系统的研究主要集中在供水系统，有关lng管道系统的水锤研究较少，部分关于lng管道系统的水锤研究也主要集中在岸站，有关实船的管道系统水锤研究基本没有；(2)在整个lng卸货管道系统中，主要包含启泵水锤、停泵水锤、关阀水锤三种，现有的水锤防护系统主要针对某一水锤问题进行研究，缺乏一个比较全面的可以应对各种水锤问题的防护系统；(3)关于水泵水锤防护部分，现有船舶液货泵后主要通过安装普通的缓闭式止回阀来预防水锤，缓闭式止回阀可以起到止回阀和水锤消除器的作用，但是水锤严重时，该阀容易出现关闭不严和阀板破碎的现象，水锤严重时不能够很好的预防停泵水锤；(4)现有的水锤防护系统不能够实时监测管道正压和负压情况，水锤发生时也无法准确预知水锤发生的位置，水锤防护监测系统不够完善。

3、因此，目前亟需一种全面的智能化的lng船液货管道水锤防护系统，能够有效抑制各种类型的水锤，并且可以根据实际情况实时监测管道水锤情况，有效预防水锤。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种lng船液货管道水锤防护系统及方法，本发明的系统及方法通过在液货管道上设置多功能水泵控制阀和调压塔预防液货管道的水锤发生，同时通过测量模块和监控模块的设置能快速计算出发生水锤的具体位置，提高了液货系统的处理水锤的效率。

2、为了实现上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

3、一种lng船液货管道水锤防护系统，该系统包括液货输送模块、测量模块和监控模块；

4、所述液货输送模块包括lng液货舱、液货泵、多功能水泵控制阀、调压塔、应急切断阀和快速接头，所述lng液货舱内设置液货泵，所述液货泵与所述调压塔进口通过液货管道连通，所述液货泵与所述调压塔之间的液货管道上设置有所述多功能水泵控制阀，所述调压塔出口与所述快速接头通过液货管道连通，所述调压塔与所述快速接头之间的液货管道上设置有所述应急切断阀，所述液货输送模块通过快速接头将lng液货舱内的液货卸载到岸站lng储罐内或将岸站lng储罐内的液货输送到lng液货舱内；

5、所述测量模块包括数据采集仪、计算机、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一流量计、第二流量计和第三流量计，所述液货泵与所述多功能水泵控制阀之间的液货管道上设置有第一压力传感器和第一流量计，所述多功能水泵控制阀与所述调压塔之间的液货管道上设置有第二压力传感器和第二流量计，所述应急切断阀与所述快速接头之间的液货管道上设置有第三压力传感器和第三流量计，所述数据采集仪用于采集设置在液货管道上的压力传感器和流量计反馈的液货管道的压力值和流量值；所述计算机用于接收所述采集仪收集的压力值和流量值并与设定的压力值与流量值进行比较并将结果反馈至监控模块；

6、所述监控模块包括控制器和变频器，所述控制器通过调节变频器的输出频率实现对液货泵的控制，所述控制器用于控制液货管道上的阀门开启与关闭。

7、上述多功能水泵控制阀包括第一旁通管、进液控制阀、第一过滤器、微止回阀、第二旁通管、第二过滤器、出液控制阀、膜片、缓闭阀板和主阀板；所述主阀板一端与进液口一侧管道连接，所述主阀板上方设置有缓闭阀板，所述缓闭阀板上方与膜片连通，所述膜片下腔与进液口还通过第一旁通管连通，所述第一旁通管上设置有进液阀、第一过滤器和微止回阀，所述膜片上腔与与出液口通过第二旁通管连通，所述第二旁通管上设置有出液控制阀和第二过滤器。

8、上述调压塔为箱式双向调压塔，所述调压塔入口与液货管道连通，所述调压塔入口上部设置有活塞，所述调压塔入口下部设置有单向密封板，所述单向密封板通过弹簧连接在调压塔入口，所述调压塔上部并联设置两条卸载液货出口，一条卸载液货出口与主机或发电机通过液货管道连通，另一条卸载液货出口与lng液货舱通过液货管道连通，所述调压塔与主机或发电机之间的液货管道上设置有第一控制阀，所述调压塔与与lng液货舱之间的液货管道上设置有第二控制阀；所述第一控制阀和所述第二控制阀通过控制器控制开启与关闭；当液货管道压力大于调压塔内压力时，所述单向封闭板向上移动，使液货管道与调压塔内部连通，当液货管道压力小于调压塔内压力时，所述单向封闭板向下移动，使液货管道与调压塔内部连通。

9、上述液货输送模块中的液货管道沿线上设置有多个压力传感器和流量计，所述液货输送模块中的液货管道沿线设置的压力传感器和流量计通过采集仪获取压力传感器和流量计的测量值。

10、上述lng液货舱内安装液位传感器，所述液货泵设置在所述所述lng液货舱底部，所述lng液货舱顶部设置有蒸发气输送管道，所述液位传感器用于实时监测lng液货舱内液位高度，所述蒸发气输送管道用于将所述lng液货舱内的蒸发的液货气体排出lng液货舱。

11、一种lng船液货管道水锤防护方法，该方法具体包括如下步骤：

12、第一步，准备一种lng船液货管道水锤防护，该系统包括液货输送模块、测量模块和监控模块；所述液货输送模块通过快速接头将lng液货舱内的液货卸载到岸站lng储罐内或将岸站lng储罐内的液货输送到lng液货舱内，所述测量模块用于采集设置在液货管道上的压力传感器和流量计反馈的液货管道的压力值和流量值，并与设定的压力值与流量值进行比较并将结果反馈至监控模块，所述监控模块通过从所述测量模块接收的反馈结果控制液货管道上的控制阀的开启与关闭；

13、第二步，将快速接头与岸站lng储罐连通并启动液货泵，同时监控器通过调整变频器的输出频率控制液货泵的出口压力在设定值范围内；同时控制器开启多功能水泵控制阀进行lng液货舱的卸货或进货；

14、第三步，液货输送过程中，采集仪采集所述液货输送模块中的液货管道沿线上设置的压力传感器和流量计的测量值，并将采集数据反馈至计算机，计算机将接收的液货管道沿线上的压力传感器和流量计的测量值与设定的压力值和流量值进行比较，并将比较结果传输至监控器；

15、第四步，监控器根据反馈的比较结果控制多功能水泵控制阀和调压塔预防停泵水锤和关阀水锤；

16、第五步，当液货管道发生火灾或液货泄露的紧急工况时，控制器控制应急切断阀快速关闭，停止液货管道的液货输送。

17、上述多功能水泵控制阀具体工作过程为：当液货舱中的液货泵启动后，液货通过管道到达多功能水泵控制阀进液口时，液货通过第一旁通管进入膜片下腔，膜片下腔压力增加带动阀体向上运动使主阀板向上运动开启主阀板，主阀板开启后，液货通过主阀板进入膜片后，液货通过膜片上腔进入第二旁通管，膜片上腔和下腔的压力通过进液控制阀控制，当液货泵完全开启正常工作时，多功能水泵控制阀的主阀板以及缓闭阀板完全开启；当液货泵停止运行时，进液口压力下降，主阀板在滑杆上下落，关闭进液口。

18、上述监控器根据测量的液货管道的压力值和流量值与设定的压力值和流量值比较计算出液货管道是否发生水锤，并能够计算出水锤发生的具体位置，监控器控制液货管道上的多功能水泵控制阀和调压塔作出相应调整；所述水锤发生的具体计算过程为：计算机根据布置在管道上的压力传感器和流量计的测量值，计算出发生水锤的管道位置距离lng液货舱的管道首端的距离，具体计算公式为：

19、

20、其中，x0为水锤发生点距离lng液货舱的管道首端的距离m，l为lng液货舱与快速接头之间的管道长度m，u为管道内流体的流速m/s，v为负压波的传输速度m/s，δt为水锤管道发生位置和lng液货舱的管道首端的传感器接收到负压波的时间差s。

21、上述调压塔进行液货管道调压的具体步骤为：当液货管道内产生水锤时，液货管道内的压力大于液货管道设定的运行压力，液货管道对调压塔的活塞下部的压力大于调压塔内的液货对活塞上部的压力，活塞向上运动，液货进入调压塔内，并从卸货出口进入液货管道进行卸压，当液货管道压力处于液货管道设定的运行压力时，活塞复位使液货管道不与调压塔连通；当液货管道内为负压时，调压塔内的单向密封板开启，使调压塔内的液货进入液货管道，使液货管道内的压力处于液货管道设定的运行压力。

22、上述调压塔内出现正压水锤时，液货进入调压塔内，监控模块根据液货舱内的液位值以及主机或发电机燃气需求控制调压塔内的液货通过液货出口进入液货舱或通向主机或发电机；当液货舱内的液位值低于98％时，开启第二控制阀，使调压塔内的液货流入液货舱内，当液货舱内的液位值大于98％时，关闭第二控制阀，开启第一控制阀，使调压塔内的液货流向主机或发电机。

23、基于上述技术方案，本发明专利一种lng船液货管道水锤防护系统及方法经过实践应用取得了如下技术优点：

24、1.本发明一种lng船液货管道水锤防护方法通过在液货管道上设置多功能水泵控制阀和调压塔预防液货管道的水锤发生，同时通过测量模块和监控模块的设置能快速计算出发生水锤的具体位置，提高了液货系统的处理水锤的效率。

25、2.本发明一种lng船液货管道水锤防护系统通过变频器控制液货泵的启动频率，使得液货泵平稳运行，避免水锤发生，提高了系统稳定性。

26、3.本发明一种lng船液货管道水锤防护系统中设置的多功能水泵控制阀兼备电动蝶阀、止回阀和水锤消除器三种装置，能自动实现开泵时的缓开，停泵时的速闭与缓闭，无需任何电气控制和其它动力，能有效提高系统安全运行的可靠性，满足自动化的要求，使用寿命长、安装维修方便。

27、4.本发明一种lng船液货管道水锤防护系统中的调压塔为箱式双向调压塔通过不等面积活塞增压理论使得调压塔高度大大降低，不用和货舱液位平齐，同时该设备安装方便、对场地要求低，造价低，经济性强；管道增压时泄流的液货可回流到液货舱内，减少液货浪费。