成套設(shè)備中各類緩沖罐的容積校核

李洪深

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

成套設(shè)備中各類緩沖罐的容積校核

李洪深

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

主要選擇容積式壓縮機、往復(fù)泵和壓縮易液化氣體壓縮機作為每類緩沖罐的適用場合，分別探討成套設(shè)備中氣體、液體和兼做氣液分離器3種緩沖罐的容積的核算方法。

緩沖罐;成套設(shè)備;容積式壓縮機;往復(fù)泵

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.169

1 緩沖罐應(yīng)用簡介

在成套設(shè)備的設(shè)計中，為避免流體脈動，延長設(shè)備使用壽命，減少噪聲及管道振動，通常需要設(shè)置緩沖罐。緩沖罐的容積通常是由供貨廠商給定的，但其容積能否滿足使用要求常被忽略。

容積式轉(zhuǎn)動設(shè)備的工作原理是借助工作腔容積的周期性變化來輸送流體，這種工作特性決定了其出口液體流量是脈動變化的，從而引起輸送管路的液流的流量和壓力脈動。流量和壓力脈動會導(dǎo)致如下不利影響：（1）影響連續(xù)、平穩(wěn)輸送流體；（2）進出口閥工況變差，導(dǎo)致磨損加劇，影響使用壽命；（3）引起管道系統(tǒng)或建筑物共振，導(dǎo)致管架及管道疲勞破壞；（4）誘發(fā)管道及附件松動，導(dǎo)致泄漏；（5）原動機負(fù)荷不均，降低容積效率，增加功率消耗；（6）增加設(shè)備噪音，破壞環(huán)境。

因此，合理設(shè)置緩沖罐就成為成套設(shè)備設(shè)計中必不可少的一項內(nèi)容?？紤]到應(yīng)用場合和作用的不同，緩沖罐可以分為氣體緩沖罐、液體緩沖罐和兼做氣液分離器的緩沖罐3種類型。緩沖罐容積是決定緩沖罐能否滿足使用要求的重要，下面就各類緩沖罐的容積核算分別進行討論。

2 氣體緩沖罐容積的確定

氣體緩沖罐通常應(yīng)用于容積式壓縮機供氣等場合，其作用主要是保證系統(tǒng)連續(xù)恒壓供氣。

當(dāng)系統(tǒng)壓力波動時，緩沖罐向用戶供氣，緩沖罐內(nèi)空氣的質(zhì)量減少、壓力降低，在緩沖時間0至τ0內(nèi)，為保證壓縮機在界區(qū)進出口壓力情況下供氣流量S不波動，緩沖罐容積V計算公式為[1]：

式中，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；P1為界區(qū)入口壓力（絕壓），Pa；P2為界區(qū)出口壓力(絕壓)，Pa；τ0為緩沖時間，min；S為波動段內(nèi)壓縮機供氣量，Nm3/min。

壓縮機的排氣到達(dá)用戶緩沖罐是一個變壓力、變流量的動態(tài)過程，對于連續(xù)恒壓供氣生產(chǎn)裝置，緩沖時間除了和自動執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)及動作時間有關(guān)外，還和壓縮機到緩沖罐的管線距離有關(guān)。

（4）俄羅斯在實施創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟時，相當(dāng)重視人工智能基礎(chǔ)科學(xué)的研究。我國在發(fā)展人工智能過程中，除了加大與俄羅斯在立法領(lǐng)域的交流和借鑒外還需廣泛地開展基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的合作，通過建立聯(lián)合實驗室等做法，引進高級專家，培養(yǎng)和鍛煉自己隊伍，以促進我國人工智能關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)?！?/p>

在實際工作中，要精確計算緩沖罐容積，需要和供貨商了

解自動執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)時間、流量波動情況，和工藝專業(yè)了解氣體輸送管道長度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]經(jīng)驗，可按緩沖時間1min進行容積估算，但流量波動情況是核算緩沖罐容積必須考慮的條件。

3 液體緩沖罐容積的確定

液體緩沖罐通常用于往復(fù)泵的進出口管路，其原理是利用氣體的可壓縮和膨脹特性，交替存儲或釋放比均勻流量多或少一些的液體，從而達(dá)到減少管路中壓力脈動的目的。按安裝的位置可以分為入口緩沖罐和出口緩沖罐兩類。

在吸入過程中，隨著流量的增加，吸入管路的阻力也在增加，這時液缸內(nèi)的真空度隨之增大，當(dāng)緩沖罐中的真空度小于液缸內(nèi)的真空度時，緩沖罐中的氣體膨脹，把其中一部分液體排入液缸，從而減少了管路中的流量。當(dāng)泵的吸入量減少時，則執(zhí)行相反的操作過程，液體沿管路進入緩沖罐內(nèi)。

排出過程中，活塞排出的流量按正弦規(guī)律變化，當(dāng)往復(fù)泵的瞬間流量大于平均流量時，排出管路的阻力增加，液缸內(nèi)壓力上升，緩沖罐內(nèi)氣體被壓縮，從而在空氣室內(nèi)存儲了一部分液體，減少了管路中的流量。當(dāng)瞬間流量小于平均流量時，緩沖罐執(zhí)行相反的過程。

無論是吸入或排出過程，如果緩沖罐容積足夠大，則壓力變化可相應(yīng)減少，吸入或排出管路中的液體流動便趨于均勻。

緩沖罐容積的計算，按文獻(xiàn)[3]的計算公式：

式中，D為柱塞或活塞直徑，m；L為柱塞或活塞行程長度，m；Pd為泵出口壓力，MPa；Prs為泵出口管路的總阻力損失，MPa；Pgas為緩沖罐充氣壓力，一般為出口壓力的60%，MPa；δQ為工藝要求的允許流量不均勻度，通常為±1%～±5%；ψ為脈動系數(shù)，單缸泵取1.1，雙缸泵取0.42，三缸泵取0.05。缸數(shù)越多，脈動越小。

可見，文獻(xiàn)[5]認(rèn)為緩沖罐的容積主要由活塞行程容積、允許流量不均勻度、出口阻力脈動比及往復(fù)泵缸數(shù)等參數(shù)共同決定。

在實際工作中發(fā)現(xiàn)各往復(fù)泵廠家的緩沖罐容積計算公式有很大不同，主要表現(xiàn)在有些廠家忽略出口脈動比，而脈動系數(shù)均為廠家經(jīng)驗系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)相比差異較大，所計算出的緩沖罐容積有很大差別。經(jīng)對米頓羅、里瓦、布朗盧比三家供貨商提供的緩沖罐容積計算公式驗算，均比按文獻(xiàn)[3]所計算容積偏小，但各家圓整放大余量較大，放大后，也只有部分廠家可以滿足容積要求。

綜上所述，對于輸送帶顆粒且磨蝕性較強的介質(zhì)，或?qū)α髁棵}動要求比較嚴(yán)格的場合，需特別注意按文獻(xiàn)[5]提供的方法進行容積校核，以防止因緩沖罐容積不足對往復(fù)泵的使用壽命的影響。

4 兼做氣液分離器緩沖罐容積的確定

常用的氣體壓縮機用于壓縮易液化介質(zhì)，或在壓比較高的情況下，緩沖罐除了穩(wěn)定系統(tǒng)壓力外還經(jīng)常兼有氣液分離器的作用，分離掉氣相中的液滴以保護下級壓縮或下游設(shè)備。

根據(jù)液滴在空氣中的沉降運動雷諾準(zhǔn)數(shù)Re可以計算液滴的沉降速度，當(dāng)Re數(shù)值介于500～20000區(qū)間時，液滴的極限沉降速度可用式（3）計算[4]：

式中，ut為液滴的極限沉降速度，m/s；dp為水滴直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρ1和ρg為液滴和氣體的密度，kg/m3。

工程上一般要求氣液分離器分離的液滴尺寸為微米級，對一般工藝系統(tǒng)而言，Re數(shù)值介于500～20000之間，因此可用式（3）計算液滴的極限沉降速度，而對于內(nèi)部增加絲網(wǎng)的氣液分離器，分離效果明顯增強，對于分離3～5 μm的液滴，其極限沉降速度用式（4）計算[5]：

式中，D為氣液分離器直徑，m；Q為氣體流速，m/s；ug為操作氣速，m/s。

根據(jù)供氣或穩(wěn)壓要求計算出排氣緩沖罐的容積后，對于需要進行氣液分離的工況，還應(yīng)按照氣液分離的要求計算緩沖罐的直徑，評價氣液分離效果。

選取氣液分離器的操作氣速ug時，

由此可以計算氣液分離器的直徑：

【1】徐明.壓縮空氣站設(shè)計手冊[K].北京：機械工業(yè)出版社,1993.

【2】中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

【3】陳偉，等.工業(yè)泵選用手冊(第二版)[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

【4】姚玉英，柴誠敬，等.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

【5】HG/T21618—1998絲網(wǎng)除沫器[S].

Volume Checking of Buffer Tank Used in Package Unit

LI Hong-shen
(China Tianchen Engineering Corporation,Tianjin 300400,China)

The article selected positive displacement compressor,reciprocating pump and liquescent gas compressor as typical applicable occasions of respective type of buffer tank.Then discussed the calculation process with the aspects of gas,liquid and double as gas-liquid separator buffer tank used in package unit.

buffer tank;package unit;positive displacement compressor;reciprocating pump

TH457

A

1007-9467（2016）11-0149-02

2016-10-21

李洪深（1983～），男，天津人，高級工程師，從事化工設(shè)備設(shè)計及選型研究。