卸油裝卸鶴管氣阻的產(chǎn)生及預防對策？

     卸油裝卸鶴管氣阻的產(chǎn)生及預防對策？分析了鐵路卸油裝卸鶴管氣阻產(chǎn)生的原因和影響因素，并給出了分析計算實例。根據(jù)國內(nèi)石油設備發(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。
     目前我國在鐵路卸油系統(tǒng)設計中采用上部卸油工藝，裝卸鶴管虹吸管路通常處于負壓工作狀態(tài)，當管路某一點的剩余壓力小于油品操作溫度下的飽和蒸氣壓時，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)，在鐵路油槽車卸油后期，容易發(fā)生氣阻。氣阻產(chǎn)生后，不僅延長接卸時間，增大油品揮發(fā)損耗，嚴重時導致斷流而無法卸油。因此，在鐵路油槽車上部卸油工藝設計中，防止氣阻至關重要。
1裝卸鶴管氣阻產(chǎn)生的原因
     鐵路油槽車卸油系統(tǒng)如圖1所示。氣阻通常發(fā)生在卸油裝卸鶴管高點。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)的工藝特點等因素有關。
     (1)車用汽油、航空汽油等輕質(zhì)油品，餾程溫度低，分子量小，汽化能力強，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，飽和蒸氣壓提高，因此夏季高溫鐵路油槽車上卸作業(yè)時極易發(fā)生氣阻。
     (2)在鐵路油槽車傳統(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)任一點的剩余壓力小于大氣壓，裝卸鶴管高點的真空較大，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較高)和卸油后期(吸入系統(tǒng)內(nèi)剩余壓力降低)，就會使裝卸鶴管高點的剩余壓力小于油品飽和蒸氣壓，導致該處油品迅速汽化，形成氣泡；在系統(tǒng)處于負壓條件下，原先溶解在油液中的空氣會從油液中不斷析出形成氣泡；此外，油品在輸轉過程中還會夾帶空氣。油品中產(chǎn)生的這些氣泡如未及時被油流帶走，會隨系統(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滯留積聚，形成氣體空間。氣體空間逐漸占據(jù)整個過流斷面，導致過油量減少，直至后斷流。由此可見，在鐵路油槽車傳統(tǒng)卸油工藝中，難以避免裝卸鶴管發(fā)生氣阻的問題。
     (3)油槽車中油品溫度的分布是不均勻的，油槽車內(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，就會同時出現(xiàn)油溫高和位能低這兩個不利因素，易產(chǎn)生氣阻。因此，油槽車內(nèi)油溫分布不均勻也是造成裝卸鶴管氣阻的一個重要因素。
2裝卸鶴管氣阻的影響因素
圖2槽車油溫隨液位高度分布圖
實驗表明，在圖1所示的裝卸鶴管高點k-k斷面處易發(fā)生氣阻斷流。因此，以槽車內(nèi)液面o-o為基準，對液面o-o和裝卸鶴管高點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?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為由管路進口到k-k斷面的計算管長(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為液體運動粘度(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油品汽化而發(fā)生氣阻這一條件下得出的。實際上，產(chǎn)生氣阻的條件比較復雜。油品是烴類混合物，其蒸汽壓P1與各餾分的蒸汽壓Pn和摩爾濃度Xn有關，當壓力不高時，根據(jù)道爾頓和拉烏爾定律，它們的關系式是：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，當吸入系統(tǒng)的剩余壓力等于或小于較輕餾分的蒸汽壓時(此時系統(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，使校核理論與實際偏離。故應對式(7)進行如下修正：Pa-pg(Hk＋＋h/)>P1+4P4P為汽化安全余量，有關家推薦為14-17kPa。由式(9)可見，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，通過調(diào)整這些因素，可以控制和消除氣阻�，F(xiàn)以某油庫接卸90號汽油為例進行分析。表2給出了90號汽油在不同溫度下的粘度、密度和飽和蒸氣壓[3]。已知當?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，槽車底到裝卸鶴管高點的高度差Hk=3.7m，管路進口到裝卸鶴管高點的計算管長Lk=7.4m，夏季高溫度為40℃，取重力加速度g=9.8m/s2裝卸鶴管高點流速Vk====3.54m/s由表2查得90號汽油在40℃時的粘度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號汽油在40℃時的飽和蒸氣壓Pi為49996.05Pa，取汽化安全余量AP=17000Pa，則Pi+AP為66996.05Pa，上述計算所得的裝卸鶴管高點k-k斷面處的剩余壓力P億低于Pi+AP，故判斷在40℃時裝卸鶴管發(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剩余壓力。如通過調(diào)節(jié)泵出口閥將流量減小至0=60m3/h，則由計算得管徑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，計算P億為71094.38Pa，同樣可以防止氣阻產(chǎn)生，但增大管徑會增加建設成本和接卸難度。
3裝卸鶴管氣阻的防治對策
     如前所述，通過減少流量、增大裝卸鶴管直徑，可以增大裝卸鶴管高點的剩余壓力，遏止氣阻的產(chǎn)生。此外在油庫中，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，來達到消除和控制裝卸鶴管氣阻的目的。表3為對各種抗氣阻方法的評價。從表3可見，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用。隨著國內(nèi)石油設備的發(fā)展和卸油工藝的不斷改進，近幾年在中小型油庫中，已開始采用潛油泵、滑片泵和擺動轉子泵等新型的卸油設備來克服裝卸鶴管氣阻。
3.1采用潛油泵
     這是目前在油庫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，潛沒在油液下工作。由于潛油泵的增壓作用，使進油管路在較高的油壓下輸油。潛油泵在輸入動力恒定的情況下，能根據(jù)其出口液流壓力變化自動調(diào)節(jié)轉速，使泵輸出管路壓力始終保持在一定范圍內(nèi)，這時裝卸鶴管高點的壓力為Pk=Pa＋pgH揚-pg(Hk＋＋sh/)(0)式中，H揚為潛油泵揚程(m)。由式(10)可知，當H揚5Hk＋＋sh/，并考慮留有汽化安全余量4P時，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，只要選擇揚程H揚大于7.4m的潛油泵，即可在正壓工作狀態(tài)下完全消除氣阻。
     目前國內(nèi)生產(chǎn)的潛油泵有液動和氣動兩種。液動潛油泵，其流量可達100m3/h，揚程可達60m。液動潛油泵使用時，不必排除管路內(nèi)空氣，操作方便，運轉平衡、可靠，安裝簡單，而且采用鋁合金制造，重量輕、導靜電性好。氣動潛油泵以壓縮空氣作動力源，工作現(xiàn)場無電源，安全可靠，還配有真空掃艙系統(tǒng)，可以將卸油和抽槽車底油一并完成。潛油泵可以單獨使用，也可以與擺動轉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，實踐表明效果十分理想。如國內(nèi)某油庫為了解決南方高溫天氣鐵路接卸汽油的氣阻問題，2003年對鐵路卸油系統(tǒng)進行改造，采用了潛油泵加擺動轉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程中的氣阻問題，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，同時使作業(yè)區(qū)無油氣外泄，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，主要是對于鐵路棧橋較長、鶴位較多的情況，安裝潛油泵一次性投資較大，經(jīng)濟性較差。
3.2采用新型容積式輸油泵
     滑片泵和擺動轉子泵都是近幾年才開始在國內(nèi)應用的新型容積式輸油泵，具有很強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。由于滑片泵和擺動轉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。目前國內(nèi)生產(chǎn)的滑片泵流量可達250m3/h，壓差可達1.0MPa，吸入極限真空度可達0.095MPa，此外滑片泵還具有體積小，結構緊湊，效率高，卸油工藝簡單，操作維護方便等優(yōu)點。國內(nèi)生產(chǎn)的擺動轉子泵，其流量可達200m3/h，輸送壓力可達3.0MPa。近年來，通過對小型油庫鐵路卸油工藝改造，證明滑片泵和擺動轉子泵是比較理想的卸油泵。
     由于大流量高揚程壓差的滑片泵價格較貴，效率降低，因此在大流量高揚程場合下卸油，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)，進行引油和掃艙，輔助離心泵完成卸油作業(yè)。這一工藝對于原來采用真空泵輔助離心泵卸油系統(tǒng)的油庫來說，改造投資較省，操作維護方便。
     鐵路油槽車上部卸油作業(yè)時，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。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。通過選擇合理的卸油設備和工藝，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。