某氣力輸送系統(tǒng)能力波動問題原因分析與處理

廉煜鋒

（上海金申德粉體工程有限公司，上海 200040）

某氣力輸送系統(tǒng)能力波動問題原因分析與處理

廉煜鋒

（上海金申德粉體工程有限公司，上海 200040）

詳細(xì)敘述了聚烯烴裝置中某個粉料閉環(huán)氣力輸送系統(tǒng)輸送能力的波動現(xiàn)象，并針對現(xiàn)場情況采取多項措施，確定真實狀態(tài)和現(xiàn)象，據(jù)此分析現(xiàn)象產(chǎn)生原因，提出有效的解決方案。成功為后來的工程設(shè)計提供了指導(dǎo)。

氣力輸送系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)閥；振動篩；泄露氣

現(xiàn)今，氣力輸送系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到了廣泛的運用，石化裝置中氣力輸送系統(tǒng)更是得到普及。在國內(nèi)開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)工藝包的大背景下，需要在技術(shù)方面不斷地完善和改進。氣力輸送系統(tǒng)能力的波動就是一個值得探討的問題。

1 粉料閉環(huán)輸送系統(tǒng)輸送能力和壓力波動問題的提出

在某個聚烯烴裝置的粉料閉環(huán)輸送系統(tǒng)中，出現(xiàn)了較大的輸送能力和輸送壓力的波動，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。具體的情況如下。

1.1 原工藝流程簡圖（見圖1）

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

1.2 原設(shè)計參數(shù)

系統(tǒng)輸送能力為55 t/h，設(shè)計輸送壓力為0.13 MPa，輸送溫度60 ℃，輸送介質(zhì)為氮氣和聚烯烴粉料，輸送方式為閉環(huán)稀相，氣源的最高壓力為0.2 MPa。

1.3 系統(tǒng)運行時的現(xiàn)象

表面直接現(xiàn)象輸送壓力在0.09～0.1 MPa左右，運行5～10 min后，突然上升到0.15 MPa左右，規(guī)律運行,系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。后按照實際的輸送量，測出實際輸送量為48 t/h，較設(shè)計能力小。

2 現(xiàn)場情況的調(diào)查與分析

輸送不穩(wěn)定，壓力出現(xiàn)波動，可能有兩個原因，一是氣源量（氮氣）不穩(wěn)定，二來物料來的量不穩(wěn)定。

2.1 氮氣的來源

2.1.1 氮氣的平衡（見圖2）

系統(tǒng)所用的是公用工程氮氣，在整個閉環(huán)輸送系統(tǒng)中，氮氣量是相對恒定的，只有與公用工程氮氣和大氣之間有少量的交換，以便使系統(tǒng)運行得更加穩(wěn)定。

圖2 氮氣平衡Fig.2 Nitrogen balance

本系統(tǒng)氮氣量的平衡計算如下（圖1）：

氮氣釋放點＋泄漏點＝氮氣補充點＋反吹點1＋反吹點2＋反吹點3

按此系統(tǒng)（圖1）理想狀態(tài)，氮氣無泄漏，有多個進入系統(tǒng)的點（反吹點），所以，總的氮氣氣體控制單元只需要釋放，不需要再補充，即：

氮氣釋放點＝反吹點1＋反吹點2＋反吹點3

但是現(xiàn)場實際運行時查到，氣體控制單元總是在補氣，也就是說，上述等式不成立，系統(tǒng)存在以外的泄漏點。

2.1.2 輸送用氮氣量

那么用于輸送的氮氣量如何呢？氮氣的來源充足（公用工程），螺桿壓縮機入口沒有負(fù)壓報警，說明在輸送過程中，對輸送用氣量來說，沒有問題。系統(tǒng)壓力波動可以排除此原因，那么就是物料來的量上有波動了。

2.2 物料的來源

2.2.1 實際運行情況下的推測

查物料量，首先排查旋轉(zhuǎn)閥下料能力是否可以達到55 t/h。原設(shè)計下料能力在55 t/h時，系統(tǒng)應(yīng)該在0.13 MPa左右運行，一般旋轉(zhuǎn)閥的實際下料能力設(shè)計都會考慮放大一些，而系統(tǒng)有時在0.15 MPa左右運行，說明系統(tǒng)在這個點上運行時，旋轉(zhuǎn)閥的實際下料能力是超過原設(shè)計能力的，系統(tǒng)波動就和旋轉(zhuǎn)閥無關(guān)了。為了嚴(yán)謹(jǐn)起見，需要重新復(fù)核旋轉(zhuǎn)閥的下料能力。

2.2.2 復(fù)核計算旋轉(zhuǎn)閥的下料能力

同一種物料，下料能力（理想狀態(tài)，上游管道滿管下料）受旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速及上下壓差所影響。在較低轉(zhuǎn)速的時候，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的圓周速度在一定的范圍內(nèi)時，下料能力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系大致成正比，當(dāng)圓周速度超過一定值以后，下料能力反而會減少。主要原因是，轉(zhuǎn)速過快，葉片將物料飛濺開，使得兩個轉(zhuǎn)子葉片間的裝滿程度下降，導(dǎo)致有效下料容積下降?，F(xiàn)階段，所有旋轉(zhuǎn)閥廠家在選型的過程中，將轉(zhuǎn)速和壓差的實際影響體現(xiàn)在葉輪裝滿系數(shù)上，即填充率。填充率現(xiàn)階段還無法用數(shù)學(xué)模型給出準(zhǔn)確系數(shù)，而且由于機械加工的不確定性，導(dǎo)致每個旋轉(zhuǎn)閥的機械性能存在偏差，是以一般專業(yè)的旋轉(zhuǎn)閥生產(chǎn)廠商會將本廠生產(chǎn)的各個系列的旋轉(zhuǎn)閥在各種常用工況下進行實驗，得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)。這完全可以滿足我們的選型要求。一般的轉(zhuǎn)速和填充率、下料量的關(guān)系見圖3，圖4。

圖3 旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速和填充率的關(guān)系Fig.3 Relationship between rotary valve speed and filling rate

圖4 旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速和下料能力的關(guān)系Fig.4 Relationship between rotary valve speed and discharge capacity

理想狀態(tài)，上游管道滿管，旋轉(zhuǎn)閥下料量，可用以下公式計算：

式中 φ—轉(zhuǎn)子填充效率，%；

n—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；

i—轉(zhuǎn)子葉輪之間的容積，dm3；

γ—被輸送物料的堆積密度，kg/m3。

式中 R—轉(zhuǎn)子葉輪外緣半徑，m；

r—轉(zhuǎn)子葉輪根部半徑，m；

δ—轉(zhuǎn)子葉片厚度，m；

z—轉(zhuǎn)子葉片個數(shù)，個；

L—轉(zhuǎn)子葉片長度，m。

即：

用公式（1）計算能力，得出旋轉(zhuǎn)閥本身的下料能力沒有問題，又會在哪個影響因素上出現(xiàn)了問題呢？轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是不變的，轉(zhuǎn)子葉輪之間的容積是固定的，被輸送物料的堆積密度是固定的，那就是說工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子填充效率發(fā)生了問題。填充率是在滿負(fù)荷下料的前提下對轉(zhuǎn)子葉片間的物料裝滿程度的反映，它出現(xiàn)問題說明了在當(dāng)時工作狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)閥上游物料來源有問題，也就是說上游管線并非滿管下料。

2.2.3 排查旋轉(zhuǎn)閥上游

是否會是上游過濾器B被粉料堵住，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)閥泄漏的氮氣無法正常回到壓縮機的入口？一旦出現(xiàn)這種情況，那么，氣體本身肯定會找一個出口排放掉，如果沒有出口，重力流管道中壓力就會持續(xù)的上升。第一種情況下，氣體在重力流管道中向上運動，對物料有向上的作用力，阻礙正常的下料；第二種情況，會導(dǎo)致重力流管線中的壓力持續(xù)上升，直至與旋轉(zhuǎn)閥下游壓力平衡，這過程中，同樣會阻礙正常的下料，但是長時間運行后將會平衡，與現(xiàn)象不符，可以排除這種情況。為判定過濾器B是否真的被粉料所堵住，我們松掉過濾器B（圖1）的氣體出口（B口）的法蘭，發(fā)現(xiàn)有這么一個現(xiàn)象：松掉法蘭后，氣體出口（B口）正常出風(fēng)，過濾器本身的差壓變送器的壓差值在正常范圍內(nèi)，說明過濾器B未被堵住，運行正常。

2.2.4 排查過濾器上游

再檢查過濾器B（圖1）的上游設(shè)備。與氣力輸送系統(tǒng)連接的上游系統(tǒng)設(shè)備是一臺振動篩，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)這個振動篩的四周密封不嚴(yán)，有大量的氮氣泄漏，周圍落滿粉料。這個現(xiàn)象和2.1.1氮氣的平衡計算中得出的結(jié)論相符合，系統(tǒng)存在的泄漏點不在氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部，而在上游系統(tǒng)中。也就是說，閉環(huán)輸送系統(tǒng)和上游系統(tǒng)之間有氮氣的交換，如圖5。這樣一來，圖5中少量的補充就變成了大量的補充了。

圖5 氮氣平衡Fig.5 Nitrogen balance

振動篩漏氣后，會對氣力輸送系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響呢？振動篩泄漏的氮氣來源于氣力輸送系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)閥的泄漏氣體。原系統(tǒng)設(shè)計的理念是旋轉(zhuǎn)閥的泄漏氣經(jīng)過過濾器B的處理后，沿著返回氣管線回到壓縮機的入口，此時，過濾器B這點上的操作壓力在5～8 kPa左右。現(xiàn)在實際情況是振動篩這點相當(dāng)于一個自然的放空點，于是泄漏氣體不再返回壓縮機入口，而是去振動篩自然排放了。這也就說明氣體沿著重力流管線，向上運動，對自然落體的物料產(chǎn)生向上的作用力，托住了物料，使得物料不再向下運動，直至一段時間后,當(dāng)物料積累的足夠多時，向上的作用力小于物料的重力，于是落體進入旋轉(zhuǎn)閥，通過旋轉(zhuǎn)閥進入輸送管道。在這個過程的同時，因為下料量的減少，導(dǎo)致輸送管道內(nèi)的輸送壓力下降，于是旋轉(zhuǎn)閥泄漏氣量下降，導(dǎo)致對物料向上的作用力減小，于是被托住的物料落體進入旋轉(zhuǎn)閥。這很好解釋了輸送系統(tǒng)運行的表象：當(dāng)一部分物料被托住的時候，通過旋轉(zhuǎn)閥進入輸送管道的物料就少，于是輸送系統(tǒng)在設(shè)計壓力下方運行，當(dāng)物料積累的足夠多，而旋轉(zhuǎn)閥泄漏氣量（可用公式（4）計算）又減少，于是物料突然掉下來，進入輸送管道的時候，系統(tǒng)輸送壓力就劇烈波動，在設(shè)計壓力上方運行，這個過程循環(huán)發(fā)生。最終結(jié)果是增加氮氣耗量，系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，輸送能力達不到設(shè)計值。

3 問題的處理方案

氮氣消耗量大，系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，輸送能力達不到設(shè)計值。最直接的原因是，重力流管線中存在向上運動的氣體。那么只要阻止了氣體的這種運動，就可以處理好這些問題。根據(jù)實際情況，我們下面給出幾種處理方法。

3.1 密封振動篩

最直接的方法是將振動篩密封?。ㄈ绻切略O(shè)計的項目，可以直接要求振動篩保證其密封性），如此一來，氣力輸送系統(tǒng)和上游系統(tǒng)間將會達到一個壓力平衡點，即時旋轉(zhuǎn)閥泄漏氣將自然回到壓縮機的入口。但是，對已有的振動篩做密封難度大，業(yè)主反映不可實現(xiàn)此目標(biāo)。此方法只能放棄，只能盡量將振動篩密封好?，F(xiàn)階段振動篩無法保證密封性，而對于氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計人員來說，也無法對上游設(shè)備的性能提出要求。此方法最簡單，也最不可實現(xiàn)。

3.2 放空泄漏的氮氣

松開過濾器B的返回氣管口B，將返回氣管密封住，將管口B接到安全地帶，將氮氣放空。如此一來，使得泄漏氣不再去振動篩，同樣可以消除系統(tǒng)壓力的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)達到輸送能力。此方法簡單易行，在原有裝置中方便改造，但是，它存在氮氣消耗量大，不經(jīng)濟的缺點。我們可以算一下浪費的氮氣（經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥泄漏的氮氣）。

輸送用的旋轉(zhuǎn)閥，上下有壓差，所以必然有一些泄漏氣從下往上泄漏。一部分是從轉(zhuǎn)子與閥體之間的間隙產(chǎn)生的漏氣量；另一部分是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，物料空出來的轉(zhuǎn)子葉輪之間的空間產(chǎn)生的漏氣量[1]。

設(shè)：理想狀態(tài)下游氣體沿著空氣通道順利的向上游擴散，中途無其他地方可走。

式中 Q1—轉(zhuǎn)子葉輪之間的空間產(chǎn)生的漏氣量，m3/h；

Q2—轉(zhuǎn)子與閥體之間的間隙產(chǎn)生的漏氣量，m3/h；

n—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；

i—轉(zhuǎn)子葉輪之間的容積，dm3；

ρ—空氣密度，kg/m3；

P2—旋轉(zhuǎn)閥上游絕對壓力，kg/cm2；

P1—旋轉(zhuǎn)閥下游絕對壓力，kg/cm2；

T—高壓側(cè)絕對溫度，K；

F—葉片端部與閥體之間的空氣通道面積，cm2；

z—間隙數(shù)目，一般為2。

將計算得出的氮氣漏氣量，與系統(tǒng)每年運行的時間、氮氣的單價綜合考慮，得到系統(tǒng)每年增加的成本。

3.3 增加鎖氣用旋轉(zhuǎn)閥

我們在滑板閥（圖1）的上游再配置一臺旋轉(zhuǎn)閥，用于鎖氣。此臺旋轉(zhuǎn)閥上下游壓差大致在2 kPa左右，泄漏氣體可以忽略不計。這樣，我們就阻止了氣力輸送系統(tǒng)與上游系統(tǒng)的氮氣交換，氮氣平衡公式為：氮氣釋放點＝反吹點1＋反吹點2＋反吹點3 。當(dāng)氣體不再沿平衡管線向上游泄漏時，就不會對重力下料產(chǎn)生影響。自然，系統(tǒng)恢復(fù)平穩(wěn)運行。

這是最好的方法，它的優(yōu)點是：

（1）閉環(huán)系統(tǒng)不與其他系統(tǒng)發(fā)生物質(zhì)（氮氣）交換，系統(tǒng)容易控制；

（2）設(shè)計時分交面清楚，不需要向上游設(shè)備系統(tǒng)供應(yīng)商提出困難要求（比如要求振動篩密封）；

（3）泄漏的氮氣最終仍然在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，沒有氮氣的浪費，節(jié)省運行成本。

此方法在原有的裝置中，是有局限性的。增加一臺旋轉(zhuǎn)閥，需要1.5 m的高度空間，而重力流的布置很緊湊，一般是沒有如此大的空間再布置一臺旋轉(zhuǎn)閥，所以此方法被運用于后來的新建裝置中，效果非常理想。

4 結(jié)論

在新的裝置設(shè)計中，采用增加鎖氣用旋轉(zhuǎn)閥的方法來保證閉環(huán)氣力輸送系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。但在原有的裝置的改進中，因為裝置實際布置空間限制，以及振動篩本身密封性問題，只能采用放空泄漏氣這種方法來進行處理，這樣每年都要消耗大量氮氣，不經(jīng)濟。此種問題必須在工藝包設(shè)計之初就考慮好，一旦在裝置運行時才發(fā)現(xiàn)，理想的改造就很困難。這提醒我們在工藝包設(shè)計時，必須仔細(xì)進行裝置內(nèi)的物料衡算[2]，特別要把握、分配和控制好相關(guān)區(qū)域系統(tǒng)的物料交換，理清物料的來源、去向和相互之間的影響。對于氣力輸送系統(tǒng)來說，除了實現(xiàn)物料的搬運外，必須控制好氣體的來源和去向，盡量在本系統(tǒng)和外界大氣中實現(xiàn)氣體交換，避免與其它系統(tǒng)發(fā)生交換，如果不可避免，必須與工藝包專利商和對方交換系統(tǒng)共同商議物料的交換。

[1]周乃如、朱鳳德.氣力輸送原理與設(shè)計計算[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社.

[2]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[M].4版，北京：化學(xué)工程出版社，2009.8.

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Cause Analysis and Treatment for Fluctuation of Energy Used in Pneumatic Transmission System

Lian Yufeng
（Shanghai KSD Bulk Sold Engineering Co., Ltd, Shanghai 200040）

In this article, the phenomenon of fluctuation in energy used in bulk solid pneumatic transmission system was described in detail.With respect to onsite condition, several measures were applied so as to determine real status and phenomena.And then based on these status and phenomena, the cause of the problem was analyzed, and the effective solving method was presented, which provides valuable reference for engineering design later.

pneumatic transmission system; rotary valve; vibration screen; leak gas

TH 232

：A

：2095-817X（2015）05-0018-005

2015-08-13

廉煜鋒（1982—），男，工程師，主要從事氣力輸送系統(tǒng)工藝設(shè)計。