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卸油装卸鹤管气阻的产生及预防对策?

2022/12/5 16:54:46 字体:  浏览 164

卸油装卸鹤管气阻的产生及预防对策?

     卸油装卸鹤管气阻的产生及预防对策?分析了铁路卸油装卸鹤管气阻产生的原因和影响因素,并给出了分析计算实例。根据国内石油设备发展现状,提出了几种新的气阻防治措施。为了消除装卸鹤管气阻,推荐采用潜油泵卸油工艺。
     目前我国在铁路卸油系统设计中采用上部卸油工艺,装卸鹤管虹吸管路通常处于负压工作状态,当管路某一点的剩余压力小于油品操作温度下的饱和蒸气压时,油品便大量汽化,造成不连续流或断流现象,这就是气阻。夏季高温或地处高原低气压地区,在铁路油槽车卸油后期,容易发生气阻。气阻产生后,不仅延长接卸时间,增大油品挥发损耗,严重时导致断流而无法卸油。因此,在铁路油槽车上部卸油工艺设计中,防止气阻至关重要。
1装卸鹤管气阻产生的原因
     铁路油槽车卸油系统如图1所示。气阻通常发生在卸油装卸鹤管高点。造成装卸鹤管气阻的原因主要与输送介质的性质、环境温度和卸油系统的工艺特点等因素有关。
     (1)车用汽油、航空汽油等轻质油品,馏程温度低,分子量小,汽化能力强,饱和蒸气压高,这是造成装卸鹤管气阻的直接原因。随着环境温度升高,油品的温度随之升高,油品汽化能力增强,饱和蒸气压提高,因此夏季高温铁路油槽车上卸作业时极易发生气阻。
     (2)在铁路油槽车传统卸油工艺流程中,由于采用上部卸油,为保证虹吸作用,必须使泵吸入系统(从装卸鹤管吸入口至卸油泵入口处的管路)内任一点的剩余压力小于大气压,装卸鹤管高点的真空较大,是泵吸入系统中剩余压力小的部位,在夏季高温(油品饱和蒸气压相对较高)和卸油后期(吸入系统内剩余压力降低),就会使装卸鹤管高点的剩余压力小于油品饱和蒸气压,导致该处油品迅速汽化,形成气泡;在系统处于负压条件下,原先溶解在油液中的空气会从油液中不断析出形成气泡;此外,油品在输转过程中还会夹带空气。油品中产生的这些气泡如未及时被油流带走,会随系统压力的减少而膨胀。由于气体的密度比液体小,这些气泡在浮力和挠流阻力的共同作用下,不断在装卸鹤管的高点滞留积聚,形成气体空间。气体空间逐渐占据整个过流断面,导致过油量减少,直至后断流。由此可见,在铁路油槽车传统卸油工艺中,难以避免装卸鹤管发生气阻的问题。
     (3)油槽车中油品温度的分布是不均匀的,油槽车内部油温是上层高、下层低,如图2所示。传统卸油工艺是将装卸鹤管插入罐车底部,油自下而上卸出,上层油随着下层油的卸出而逐渐下降,这样在卸油后期,就会同时出现油温高和位能低这两个不利因素,易产生气阻。因此,油槽车内油温分布不均匀也是造成装卸鹤管气阻的一个重要因素。
2装卸鹤管气阻的影响因素
图2槽车油温随液位高度分布图
实验表明,在图1所示的装卸鹤管高点k-k断面处易发生气阻断流。因此,以槽车内液面o-o为基准,对液面o-o和装卸鹤管高点k-k列能量平衡方程式:Pa=Pk+pg(+k++hf)(1)=Pk+pg(+k++iLk)上式中,Pa为当地大气压(Pa),Pk为装卸鹤管k-k断面处的压力(Pa),+k为装卸鹤管k-k断面处与槽车内液面0-0的高度差(m),vk为装卸鹤管k-k断面处的平均流速(m/s),Lk为由管路进口到k-k断面的计算管长(m),hf为总摩阻损失(m),g为重力加速度(m/s2),p为油品密度(kg/m3),i为水力坡度值,可根据式(2)计算[2]:其中,0为泵的额定流量(m3/s),d为管子直径(m),v为液体运动粘度(m2/s),入为沿程阻力系数,可根据雷诺数Re确定:Pa-pg(Hk++h/)>P1上式是在系统剩余压力小于油品饱和蒸气压时油品汽化而发生气阻这一条件下得出的。实际上,产生气阻的条件比较复杂。油品是烃类混合物,其蒸汽压P1与各馏分的蒸汽压Pn和摩尔浓度Xn有关,当压力不高时,根据道尔顿和拉乌尔定律,它们的关系式是:P1=5PnXn(8)混合液中较轻馏分的蒸汽压高于混合液的蒸汽压,因此,当吸入系统的剩余压力等于或小于较轻馏分的蒸汽压时(此时系统的剩余压力尚未降至混合液的蒸汽压),这些轻质馏分就开始汽化,使系统的气阻提前发生。此外,前面分析的油品中溶解气体和夹带空气的影响,以及油槽车中油温分布不均匀等因素,也都将使气阻提前发生,使校核理论与实际偏离。故应对式(7)进行如下修正:Pa-pg(Hk++h/)>P1+4P4P为汽化安全余量,有关家推荐为14-17kPa。由式(9)可见,鹤管气阻受油品饱和蒸气压、大气压力、流速、管路摩阻、装卸鹤管安装高度等因素的影响。因此从理论上说,通过调整这些因素,可以控制和消除气阻。现以某油库接卸90号汽油为例进行分析。表2给出了90号汽油在不同温度下的粘度、密度和饱和蒸气压[3]。已知当地大气压Pa=9.8x104Pa,装卸鹤管流量0=100m3/h,DN100铁路装卸鹤管内径d=0.1m,槽车底到装卸鹤管高点的高度差Hk=3.7m,管路进口到装卸鹤管高点的计算管长Lk=7.4m,夏季高温度为40℃,取重力加速度g=9.8m/s2装卸鹤管高点流速Vk====3.54m/s由表2查得90号汽油在40℃时的粘度v=0.505mm2/s,密度p=702.4kg/m3。雷诺数Re===700707沿程阻力系数入=(1.8321oRe-1.7)2=(1.832x1og7100707-1.7)2=0.0123故由式(2),得DN100铁路装卸鹤管的水力坡降i为8入028x0.0123x(100/36002i=m2d5g=3.142x0.15x9.8=0.0787装卸鹤管摩阻损失hf=i·L亿=0.0787x7.4=0.58m,
将上述数据代入式(1),则得装卸鹤管k-k断面处的剩余压力P亿为P亿=Pa-pg(H亿++hf)=9.8x104-702.4x9.8x(3.7++0.58)=98000-33862.56=64137.44(Pa)由表2查得90号汽油在40℃时的饱和蒸气压Pi为49996.05Pa,取汽化安全余量AP=17000Pa,则Pi+AP为66996.05Pa,上述计算所得的装卸鹤管高点k-k断面处的剩余压力P亿低于Pi+AP,故判断在40℃时装卸鹤管发生气阻。由式(1),(2)知,减少流量0可以使V亿2/2g和摩阻hf减少,从而提高装卸鹤管高点剩余压力。如通过调节泵出口阀将流量减小至0=60m3/h,则由计算得管径100mm的装卸鹤管在k-k断面处的剩余压力P亿为69364.84Pa,大于Pi+AP,气阻消失,但减少流量会牺牲工作效率。增大装卸鹤管管径d也可以减少V亿2/2g和hf,如采用管径d为150mm的装卸鹤管,流量0=100m3/h时,计算P亿为71094.38Pa,同样可以防止气阻产生,但增大管径会增加建设成本和接卸难度。
3装卸鹤管气阻的防治对策
     如前所述,通过减少流量、增大装卸鹤管直径,可以增大装卸鹤管高点的剩余压力,遏止气阻的产生。此外在油库中,还使用喷淋降温,夜间卸油,密闭加压,真空泵辅助卸油,分层卸油和限止装卸鹤管安装高度等措施,来达到消除和控制装卸鹤管气阻的目的。表3为对各种抗气阻方法的评价。从表3可见,这些方法均存在不同程度的缺陷,若遇夏天高温天气,解决装卸鹤管气阻的效果往往不理想,故大多未得到推广应用。随着国内石油设备的发展和卸油工艺的不断改进,近几年在中小型油库中,已开始采用潜油泵、滑片泵和摆动转子泵等新型的卸油设备来克服装卸鹤管气阻。
3.1采用潜油泵
     这是目前在油库得到推广使用的一种正压卸油工艺。该工艺是将潜油泵安装在卸油装卸鹤管端部,潜没在油液下工作。由于潜油泵的增压作用,使进油管路在较高的油压下输油。潜油泵在输入动力恒定的情况下,能根据其出口液流压力变化自动调节转速,使泵输出管路压力始终保持在一定范围内,这时装卸鹤管高点的压力为Pk=Pa+pgH扬-pg(Hk++sh/)(0)式中,H扬为潜油泵扬程(m)。由式(10)可知,当H扬5Hk++sh/,并考虑留有汽化安全余量4P时,便可使装卸鹤管处于正压工作状态,因而从根本上消除了气阻。如上述算例,管径100mm的装卸鹤管在流量0=100m3/h时,只要选择扬程H扬大于7.4m的潜油泵,即可在正压工作状态下完全消除气阻。
     目前国内生产的潜油泵有液动和气动两种。液动潜油泵,其流量可达100m3/h,扬程可达60m。液动潜油泵使用时,不必排除管路内空气,操作方便,运转平衡、可靠,安装简单,而且采用铝合金制造,重量轻、导静电性好。气动潜油泵以压缩空气作动力源,工作现场无电源,安全可靠,还配有真空扫舱系统,可以将卸油和抽槽车底油一并完成。潜油泵可以单独使用,也可以与摆动转子泵等输油泵配合使用。潜油泵的使用,可以从根本上解决夏季高温和低气压地区接卸汽油产生的气阻难题,实践表明效果十分理想。如国内某油库为了解决南方高温天气铁路接卸汽油的气阻问题,2003年对铁路卸油系统进行改造,采用了潜油泵加摆动转子泵以替代原真空泵辅助离心泵卸油,彻底解决了汽油接卸过程中的气阻问题,卸油速度明显加快,单泵卸油流量由改造前的110m3/h提高到280m3/h,同时使作业区无油气外泄,减少了油品蒸发损耗和环境污染。但潜油泵也有其局限性,主要是对于铁路栈桥较长、鹤位较多的情况,安装潜油泵一次性投资较大,经济性较差。
3.2采用新型容积式输油泵
     滑片泵和摆动转子泵都是近几年才开始在国内应用的新型容积式输油泵,具有很强的自吸能力和气液二相混输能力,可替代真空泵系统引油和扫舱,克服了真空系统油品蒸发损耗和环境污染等缺点。由于滑片泵和摆动转子泵都具有气液二相混输能力和一定的抽气能力,油液中产生的气体可以连同液体一起排出,因而可以大大减小气阻的影响。目前国内生产的滑片泵流量可达250m3/h,压差可达1.0MPa,吸入极限真空度可达0.095MPa,此外滑片泵还具有体积小,结构紧凑,效率高,卸油工艺简单,操作维护方便等优点。国内生产的摆动转子泵,其流量可达200m3/h,输送压力可达3.0MPa。近年来,通过对小型油库铁路卸油工艺改造,证明滑片泵和摆动转子泵是比较理想的卸油泵。
     由于大流量高扬程压差的滑片泵价格较贵,效率降低,因此在大流量高扬程场合下卸油,以及鹤位较多的情况下,可以采用滑片泵和大流量离心泵配合,由滑片泵代替真空泵系统,进行引油和扫舱,辅助离心泵完成卸油作业。这一工艺对于原来采用真空泵辅助离心泵卸油系统的油库来说,改造投资较省,操作维护方便。
     铁路油槽车上部卸油作业时,在夏季高温和卸油后期,容易发生气阻。气阻通常发生在卸油装卸鹤管高点。气阻主要受饱和蒸气压、大气压力、管路摩阻和装卸鹤管安装高度等因素的影响。通过选择合理的卸油设备和工艺,可以有效防止气阻,加快卸油速度,减少空气污染和油品损耗。目前油库使用的各种铁路轻油卸油方法,从防止产生气阻的角度考虑,以采用潜油泵卸油工艺为有利。

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