卸油裝卸鶴管氣阻的產(chǎn)生及預(yù)防對(duì)策？

     卸油裝卸鶴管氣阻的產(chǎn)生及預(yù)防對(duì)策？分析了鐵路卸油裝卸鶴管氣阻產(chǎn)生的原因和影響因素，并給出了分析計(jì)算實(shí)例。根據(jù)國(guó)內(nèi)石油設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀，提出了幾種新的氣阻防治措施。為了消除裝卸鶴管氣阻，推薦采用潛油泵卸油工藝。
     目前我國(guó)在鐵路卸油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用上部卸油工藝，裝卸鶴管虹吸管路通常處于負(fù)壓工作狀態(tài)，當(dāng)管路某一點(diǎn)的剩余壓力小于油品操作溫度下的飽和蒸氣壓時(shí)，油品便大量汽化，造成不連續(xù)流或斷流現(xiàn)象，這就是氣阻。夏季高溫或地處高原低氣壓地區(qū)，在鐵路油槽車(chē)卸油后期，容易發(fā)生氣阻。氣阻產(chǎn)生后，不僅延長(zhǎng)接卸時(shí)間，增大油品揮發(fā)損耗，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷流而無(wú)法卸油。因此，在鐵路油槽車(chē)上部卸油工藝設(shè)計(jì)中，防止氣阻至關(guān)重要。
1裝卸鶴管氣阻產(chǎn)生的原因
     鐵路油槽車(chē)卸油系統(tǒng)如圖1所示。氣阻通常發(fā)生在卸油裝卸鶴管高點(diǎn)。造成裝卸鶴管氣阻的原因主要與輸送介質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境溫度和卸油系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)等因素有關(guān)。
     (1)車(chē)用汽油、航空汽油等輕質(zhì)油品，餾程溫度低，分子量小，汽化能力強(qiáng)，飽和蒸氣壓高，這是造成裝卸鶴管氣阻的直接原因。隨著環(huán)境溫度升高，油品的溫度隨之升高，油品汽化能力增強(qiáng)，飽和蒸氣壓提高，因此夏季高溫鐵路油槽車(chē)上卸作業(yè)時(shí)極易發(fā)生氣阻。
     (2)在鐵路油槽車(chē)傳統(tǒng)卸油工藝流程中，由于采用上部卸油，為保證虹吸作用，必須使泵吸入系統(tǒng)(從裝卸鶴管吸入口至卸油泵入口處的管路)內(nèi)任一點(diǎn)的剩余壓力小于大氣壓，裝卸鶴管高點(diǎn)的真空較大，是泵吸入系統(tǒng)中剩余壓力小的部位，在夏季高溫(油品飽和蒸氣壓相對(duì)較高)和卸油后期(吸入系統(tǒng)內(nèi)剩余壓力降低)，就會(huì)使裝卸鶴管高點(diǎn)的剩余壓力小于油品飽和蒸氣壓，導(dǎo)致該處油品迅速汽化，形成氣泡；在系統(tǒng)處于負(fù)壓條件下，原先溶解在油液中的空氣會(huì)從油液中不斷析出形成氣泡；此外，油品在輸轉(zhuǎn)過(guò)程中還會(huì)夾帶空氣。油品中產(chǎn)生的這些氣泡如未及時(shí)被油流帶走，會(huì)隨系統(tǒng)壓力的減少而膨脹。由于氣體的密度比液體小，這些氣泡在浮力和撓流阻力的共同作用下，不斷在裝卸鶴管的高點(diǎn)滯留積聚，形成氣體空間。氣體空間逐漸占據(jù)整個(gè)過(guò)流斷面，導(dǎo)致過(guò)油量減少，直至后斷流。由此可見(jiàn)，在鐵路油槽車(chē)傳統(tǒng)卸油工藝中，難以避免裝卸鶴管發(fā)生氣阻的問(wèn)題。
     (3)油槽車(chē)中油品溫度的分布是不均勻的，油槽車(chē)內(nèi)部油溫是上層高、下層低，如圖2所示。傳統(tǒng)卸油工藝是將裝卸鶴管插入罐車(chē)底部，油自下而上卸出，上層油隨著下層油的卸出而逐漸下降，這樣在卸油后期，就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)油溫高和位能低這兩個(gè)不利因素，易產(chǎn)生氣阻。因此，油槽車(chē)內(nèi)油溫分布不均勻也是造成裝卸鶴管氣阻的一個(gè)重要因素。
2裝卸鶴管氣阻的影響因素
圖2槽車(chē)油溫隨液位高度分布圖
實(shí)驗(yàn)表明，在圖1所示的裝卸鶴管高點(diǎn)k-k斷面處易發(fā)生氣阻斷流。因此，以槽車(chē)內(nèi)液面o-o為基準(zhǔn)，對(duì)液面o-o和裝卸鶴管高點(diǎn)k-k列能量平衡方程式：Pa=Pk＋pg(+k＋＋hf)(1)=Pk＋pg(+k＋＋iLk)上式中，Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?Pa)，Pk為裝卸鶴管k-k斷面處的壓力(Pa)，+k為裝卸鶴管k-k斷面處與槽車(chē)內(nèi)液面0-0的高度差(m)，vk為裝卸鶴管k-k斷面處的平均流速(m/s)，Lk為由管路進(jìn)口到k-k斷面的計(jì)算管長(zhǎng)(m)，hf為總摩阻損失(m)，g為重力加速度(m/s2)，p為油品密度(kg/m3)，i為水力坡度值，可根據(jù)式(2)計(jì)算[2]：其中，0為泵的額定流量(m3/s)，d為管子直徑(m)，v為液體運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)，入為沿程阻力系數(shù)，可根據(jù)雷諾數(shù)Re確定：Pa-pg(Hk＋＋h/)>P1上式是在系統(tǒng)剩余壓力小于油品飽和蒸氣壓時(shí)油品汽化而發(fā)生氣阻這一條件下得出的。實(shí)際上，產(chǎn)生氣阻的條件比較復(fù)雜。油品是烴類(lèi)混合物，其蒸汽壓P1與各餾分的蒸汽壓Pn和摩爾濃度Xn有關(guān)，當(dāng)壓力不高時(shí)，根據(jù)道爾頓和拉烏爾定律，它們的關(guān)系式是：P1=5PnXn(8)混合液中較輕餾分的蒸汽壓高于混合液的蒸汽壓，因此，當(dāng)吸入系統(tǒng)的剩余壓力等于或小于較輕餾分的蒸汽壓時(shí)(此時(shí)系統(tǒng)的剩余壓力尚未降至混合液的蒸汽壓)，這些輕質(zhì)餾分就開(kāi)始汽化，使系統(tǒng)的氣阻提前發(fā)生。此外，前面分析的油品中溶解氣體和夾帶空氣的影響，以及油槽車(chē)中油溫分布不均勻等因素，也都將使氣阻提前發(fā)生，使校核理論與實(shí)際偏離。故應(yīng)對(duì)式(7)進(jìn)行如下修正：Pa-pg(Hk＋＋h/)>P1+4P4P為汽化安全余量，有關(guān)家推薦為14-17kPa。由式(9)可見(jiàn)，鶴管氣阻受油品飽和蒸氣壓、大氣壓力、流速、管路摩阻、裝卸鶴管安裝高度等因素的影響。因此從理論上說(shuō)，通過(guò)調(diào)整這些因素，可以控制和消除氣阻。現(xiàn)以某油庫(kù)接卸90號(hào)汽油為例進(jìn)行分析。表2給出了90號(hào)汽油在不同溫度下的粘度、密度和飽和蒸氣壓[3]。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a=9.8x104Pa，裝卸鶴管流量0=100m3/h，DN100鐵路裝卸鶴管內(nèi)徑d=0.1m，槽車(chē)底到裝卸鶴管高點(diǎn)的高度差Hk=3.7m，管路進(jìn)口到裝卸鶴管高點(diǎn)的計(jì)算管長(zhǎng)Lk=7.4m，夏季高溫度為40℃，取重力加速度g=9.8m/s2裝卸鶴管高點(diǎn)流速Vk====3.54m/s由表2查得90號(hào)汽油在40℃時(shí)的粘度v=0.505mm2/s，密度p=702.4kg/m3。雷諾數(shù)Re===700707沿程阻力系數(shù)入=(1.8321oRe-1.7)2=(1.832x1og7100707-1.7)2=0.0123故由式(2)，得DN100鐵路裝卸鶴管的水力坡降i為8入028x0.0123x(100/36002i=m2d5g=3.142x0.15x9.8=0.0787裝卸鶴管摩阻損失hf=i·L億=0.0787x7.4=0.58m，
將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，則得裝卸鶴管k-k斷面處的剩余壓力P億為P億=Pa-pg(H億++hf)=9.8x104-702.4x9.8x(3.7++0.58)=98000-33862.56=64137.44(Pa)由表2查得90號(hào)汽油在40℃時(shí)的飽和蒸氣壓Pi為49996.05Pa，取汽化安全余量AP=17000Pa，則Pi+AP為66996.05Pa，上述計(jì)算所得的裝卸鶴管高點(diǎn)k-k斷面處的剩余壓力P億低于Pi+AP，故判斷在40℃時(shí)裝卸鶴管發(fā)生氣阻。由式(1)，(2)知，減少流量0可以使V億2/2g和摩阻hf減少，從而提高裝卸鶴管高點(diǎn)剩余壓力。如通過(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥將流量減小至0=60m3/h，則由計(jì)算得管徑100mm的裝卸鶴管在k-k斷面處的剩余壓力P億為69364.84Pa，大于Pi+AP，氣阻消失，但減少流量會(huì)犧牲工作效率。增大裝卸鶴管管徑d也可以減少V億2/2g和hf，如采用管徑d為150mm的裝卸鶴管，流量0=100m3/h時(shí)，計(jì)算P億為71094.38Pa，同樣可以防止氣阻產(chǎn)生，但增大管徑會(huì)增加建設(shè)成本和接卸難度。
3裝卸鶴管氣阻的防治對(duì)策
     如前所述，通過(guò)減少流量、增大裝卸鶴管直徑，可以增大裝卸鶴管高點(diǎn)的剩余壓力，遏止氣阻的產(chǎn)生。此外在油庫(kù)中，還使用噴淋降溫，夜間卸油，密閉加壓，真空泵輔助卸油，分層卸油和限止裝卸鶴管安裝高度等措施，來(lái)達(dá)到消除和控制裝卸鶴管氣阻的目的。表3為對(duì)各種抗氣阻方法的評(píng)價(jià)。從表3可見(jiàn)，這些方法均存在不同程度的缺陷，若遇夏天高溫天氣，解決裝卸鶴管氣阻的效果往往不理想，故大多未得到推廣應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)石油設(shè)備的發(fā)展和卸油工藝的不斷改進(jìn)，近幾年在中小型油庫(kù)中，已開(kāi)始采用潛油泵、滑片泵和擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵等新型的卸油設(shè)備來(lái)克服裝卸鶴管氣阻。
3.1采用潛油泵
     這是目前在油庫(kù)得到推廣使用的一種正壓卸油工藝。該工藝是將潛油泵安裝在卸油裝卸鶴管端部，潛沒(méi)在油液下工作。由于潛油泵的增壓作用，使進(jìn)油管路在較高的油壓下輸油。潛油泵在輸入動(dòng)力恒定的情況下，能根據(jù)其出口液流壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使泵輸出管路壓力始終保持在一定范圍內(nèi)，這時(shí)裝卸鶴管高點(diǎn)的壓力為Pk=Pa＋pgH揚(yáng)-pg(Hk＋＋sh/)(0)式中，H揚(yáng)為潛油泵揚(yáng)程(m)。由式(10)可知，當(dāng)H揚(yáng)5Hk＋＋sh/，并考慮留有汽化安全余量4P時(shí)，便可使裝卸鶴管處于正壓工作狀態(tài)，因而從根本上消除了氣阻。如上述算例，管徑100mm的裝卸鶴管在流量0=100m3/h時(shí)，只要選擇揚(yáng)程H揚(yáng)大于7.4m的潛油泵，即可在正壓工作狀態(tài)下完全消除氣阻。
     目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的潛油泵有液動(dòng)和氣動(dòng)兩種。液動(dòng)潛油泵，其流量可達(dá)100m3/h，揚(yáng)程可達(dá)60m。液動(dòng)潛油泵使用時(shí)，不必排除管路內(nèi)空氣，操作方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、可靠，安裝簡(jiǎn)單，而且采用鋁合金制造，重量輕、導(dǎo)靜電性好。氣動(dòng)潛油泵以壓縮空氣作動(dòng)力源，工作現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電源，安全可靠，還配有真空掃艙系統(tǒng)，可以將卸油和抽槽車(chē)底油一并完成。潛油泵可以單獨(dú)使用，也可以與擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵等輸油泵配合使用。潛油泵的使用，可以從根本上解決夏季高溫和低氣壓地區(qū)接卸汽油產(chǎn)生的氣阻難題，實(shí)踐表明效果十分理想。如國(guó)內(nèi)某油庫(kù)為了解決南方高溫天氣鐵路接卸汽油的氣阻問(wèn)題，2003年對(duì)鐵路卸油系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用了潛油泵加擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵以替代原真空泵輔助離心泵卸油，徹底解決了汽油接卸過(guò)程中的氣阻問(wèn)題，卸油速度明顯加快，單泵卸油流量由改造前的110m3/h提高到280m3/h，同時(shí)使作業(yè)區(qū)無(wú)油氣外泄，減少了油品蒸發(fā)損耗和環(huán)境污染。但潛油泵也有其局限性，主要是對(duì)于鐵路棧橋較長(zhǎng)、鶴位較多的情況，安裝潛油泵一次性投資較大，經(jīng)濟(jì)性較差。
3.2采用新型容積式輸油泵
     滑片泵和擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵都是近幾年才開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的新型容積式輸油泵，具有很強(qiáng)的自吸能力和氣液二相混輸能力，可替代真空泵系統(tǒng)引油和掃艙，克服了真空系統(tǒng)油品蒸發(fā)損耗和環(huán)境污染等缺點(diǎn)。由于滑片泵和擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵都具有氣液二相混輸能力和一定的抽氣能力，油液中產(chǎn)生的氣體可以連同液體一起排出，因而可以大大減小氣阻的影響。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的滑片泵流量可達(dá)250m3/h，壓差可達(dá)1.0MPa，吸入極限真空度可達(dá)0.095MPa，此外滑片泵還具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，卸油工藝簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵，其流量可達(dá)200m3/h，輸送壓力可達(dá)3.0MPa。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)小型油庫(kù)鐵路卸油工藝改造，證明滑片泵和擺動(dòng)轉(zhuǎn)子泵是比較理想的卸油泵。
     由于大流量高揚(yáng)程壓差的滑片泵價(jià)格較貴，效率降低，因此在大流量高揚(yáng)程場(chǎng)合下卸油，以及鶴位較多的情況下，可以采用滑片泵和大流量離心泵配合，由滑片泵代替真空泵系統(tǒng)，進(jìn)行引油和掃艙，輔助離心泵完成卸油作業(yè)。這一工藝對(duì)于原來(lái)采用真空泵輔助離心泵卸油系統(tǒng)的油庫(kù)來(lái)說(shuō)，改造投資較省，操作維護(hù)方便。
     鐵路油槽車(chē)上部卸油作業(yè)時(shí)，在夏季高溫和卸油后期，容易發(fā)生氣阻。氣阻通常發(fā)生在卸油裝卸鶴管高點(diǎn)。氣阻主要受飽和蒸氣壓、大氣壓力、管路摩阻和裝卸鶴管安裝高度等因素的影響。通過(guò)選擇合理的卸油設(shè)備和工藝，可以有效防止氣阻，加快卸油速度，減少空氣污染和油品損耗。目前油庫(kù)使用的各種鐵路輕油卸油方法，從防止產(chǎn)生氣阻的角度考慮，以采用潛油泵卸油工藝為有利。