高海拔地區(qū)成品油掃艙裝置設(shè)計

吳林虎

（中國石油工程建設(shè)有限公司青海分公司，甘肅 敦煌736202）

1 問題的提出

西藏、青海等省區(qū)受氣候條件的限制，成品油市場需求主要由儲備油庫及鐵路運輸保障，成品油保障任務(wù)主要由鐵路接卸庫承擔。藏區(qū)某鐵路接卸庫（以下稱該鐵路接卸庫）總罐容3.4×104m3，為目前西藏最大的鐵路接卸集散油庫。2017 年，該鐵路接卸庫成品油周轉(zhuǎn)量達到了6.87×105t，汽油突破2.4×105t，油庫的周轉(zhuǎn)次數(shù)達25 次。

筆者所在公司承接了藏區(qū)幾個成品油庫的前期設(shè)計工作，在已建的同處高原的該鐵路接卸庫的調(diào)研中了解到，鐵路卸油掃艙工藝采用容積式泵（滑片泵）掃艙工藝，在汽油掃艙作業(yè)時存在掃艙時間長、不徹底等問題，導致夏季及秋季鐵路卸油作業(yè)工作效率大幅降低，嚴重阻滯了槽車周轉(zhuǎn)，同時，掃艙底油清除不徹底還給油庫帶來了較大的經(jīng)濟損失。

2 現(xiàn)有掃艙裝置分析

2.1 現(xiàn)有掃艙工藝及裝置存在的問題

鐵路油槽車卸油最理想的方法是底部卸油，但由于多種因素制約，目前我國鐵路運輸輕油卸車均采用上部卸油工藝。

鐵路槽車掃艙最早使用真空泵, 該泵掃艙時油氣揮發(fā),存在安全隱患，從而逐步被淘汰。目前，成品油庫使用最多的是滑片泵，該泵雖然密閉掃艙，但存在效率低、耗能大、噪聲大、維修頻率和費用高等一系列問題[1]。

國內(nèi)近年來推廣應(yīng)用的卸油工藝為潛油泵—離心泵—滑片泵（掃艙）工藝，該鐵路接卸庫火車卸油工藝就是采用潛油泵—離心泵—滑片泵（掃艙）工藝，其缺點是價格昂貴、效率較低。

由于地處高原，海拔3650m，大氣壓（64.5kPa）僅為平原地區(qū)的65%，在夏季汽油槽車掃艙時，管路最高點會出現(xiàn)工作壓力低于油品飽和蒸汽壓的情況，從而發(fā)生管路氣阻斷流現(xiàn)象，尤其在夏季接卸汽油時更易產(chǎn)生氣阻，掃艙泵空轉(zhuǎn)抽氣，不僅造成油品大量揮發(fā)損耗，對大氣產(chǎn)生污染，同時掃艙速度降低，造成卸油時間延長，槽車壓線，制約了油庫的高效周轉(zhuǎn)，限制了其生產(chǎn)能力，掃艙不徹底也帶來了較大的經(jīng)濟損失。這種現(xiàn)象在每年的5～9 月尤為嚴重。據(jù)了解，該鐵路接卸庫在夏天進行卸油時，單罐掃艙時間達到30min 以上，最終殘油可達150～200L，卸油作業(yè)經(jīng)常持續(xù)到凌晨。

為此，技術(shù)人員使用多種方法和設(shè)備，諸如閉密卸油系統(tǒng)、真空引油系統(tǒng)等，但大多未能徹底解決這一難題。業(yè)主也曾多次對掃艙系統(tǒng)進行了技術(shù)改造，包括縮短管路長度、更換高性能掃艙泵、將掃艙泵設(shè)置在卸油棧橋，但效果均不明顯。考慮該鐵路接卸庫在成品油供應(yīng)中的重要性，有必要對其掃艙工藝進行改進，以解決掃艙效率低、掃艙不徹底的問題，從而提高鐵路卸油速度，確保油庫高效運行，進一步發(fā)揮其應(yīng)有的重要作用。

2.2 原因分析

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

不同海拔高度下的大氣壓見表1。

表1 不同海拔高度下的大氣壓

2.2.2 掃艙摩阻計算水力分析

不同操作溫度下汽油掃艙作業(yè)摩阻見表2。

表2 不同操作溫度下汽油掃艙作業(yè)摩阻

從表2 分析可以看出，掃艙泵設(shè)置在卸油棧橋上，掃艙軟管計算當量長度10m，掃艙流速控制在2m 以內(nèi)，當汽油操作溫度低于15℃時，掃艙管路高點不會發(fā)生氣化現(xiàn)象，掃艙系統(tǒng)正常工作。當汽油操作溫度高于15℃、小于20℃時，管路高點由于汽油飽和蒸氣壓增大，將會發(fā)生氣化現(xiàn)象，掃艙泵抽吸氣液兩相流，掃艙速度及效率下降。當操作溫度達到20℃時，掃艙泵抽吸的基本上是氣體，掃艙系統(tǒng)無法正常工作。

該鐵路接卸庫所在的A 城市的氣候?qū)俑咴瓬貛О敫珊导撅L氣候區(qū)，全年日照時間3000h 以上，太陽輻射強，晝夜溫差較大，歷史最高氣溫29.6℃，最低氣溫-16.5℃，年平均氣溫7.4℃。表3 為2 個高原城市4～10 月的平均氣溫。

表32 個高原城市4～10 月平均氣溫

從表3 可以看出，每年的5～9 月，A 城市日平均最高氣溫達到了20℃，說明該鐵路接卸庫在這段時間會出現(xiàn)由于汽油飽和蒸汽壓高而無法正常進行掃艙工作的問題，而且時間長達5 個月，嚴重影響油庫高效運轉(zhuǎn)效率。

同時，如采用目前的掃艙工藝，B 城市油庫將面臨同樣的問題。

3 設(shè)計方案工藝原理

鐵路油槽車卸油工藝設(shè)計中，最關(guān)鍵的問題是如何防止氣阻的產(chǎn)生[2]。

在高海拔地區(qū)，現(xiàn)有真空抽吸方式采用隔膜泵進行掃艙，泵置于卸油操作平臺上，吸程達到近4m，在此基礎(chǔ)上還需要克服近20m 管線的摩阻方可進入進罐管路，其吸入管路工況相對惡劣。對目前掃艙工藝進行改進，就必須突破由于大氣壓低造成的管路氣化斷流局限性，才能有效避免管路發(fā)生氣液兩相流，從而確保掃艙泵效。

在本項目研究中，采用了槽車內(nèi)置泵掃艙工藝，改變了傳統(tǒng)靠自吸能力進行掃艙的理念，而是采用懸臂將掃艙泵置于槽車底部，改善掃艙泵入口水力條件，避免泵吸入管路出現(xiàn)高負壓工況，避免管路油品發(fā)生氣化，有效消除管路氣液兩相流，確保掃艙泵高效運行。

4 新型掃艙裝置研究結(jié)果

4.1 總體結(jié)構(gòu)

總體采用立柱+三角形懸臂結(jié)構(gòu)，立柱固定在卸油平臺的立柱上，三角形懸臂結(jié)構(gòu)通過軸承座固定在立柱頂端，掃艙泵懸掛在三角架的遠端（見圖1）。

工作時，通過絞盤將掃艙泵通過入孔進入槽車內(nèi)，采用氣動驅(qū)動掃艙泵工作，廢氣、底油通過附著于泵體的油管、氣管排出槽車外部。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

4.2 主要構(gòu)件

1）選擇尺寸、排量、性能匹配的氣動隔膜泵作為掃艙泵（見圖2）。

圖2 掃艙泵示意圖

2）采用操作便捷的搖臂裝置完成泵橇的移動及復位。

3）采用齒條傳動裝置，搖臂設(shè)置手動絞盤，完成泵橇的起吊和精確定位。

4）掃艙泵吸入管路采用特制的彈性吸入管，確保管路與集油槽緊密配合。

5）泵橇底座采用銅合金材料，避免碰撞產(chǎn)生火花。

6）吸入管路設(shè)置連接橡膠軟管的快裝接頭，可滿足不同類型槽車的掃艙要求。

4.3 試驗結(jié)果

1）在底油數(shù)量為100～200L 的情況下，試驗裝置掃艙凈用時為3～5min。

2）在底油數(shù)量為100～200L 的情況下，在所測定的數(shù)據(jù)中，底油數(shù)量對單次平均掃艙速度有較大影響，單次掃艙平均速度為30～40L/min，在油面有保障時速度可達60L/min，表現(xiàn)為前期掃艙管道內(nèi)為滿管，而后2min 為半管直至斷流。

3）試驗裝置運行期間未出現(xiàn)故障，噪聲（操作平臺處）穩(wěn)定在74～75dB，顯示試驗裝置具有一定的運行可靠性。

4.4 試驗效果對比分析

1)現(xiàn)有裝置在氣溫20℃以上時，在高海拔地區(qū)掃艙時間約30min/節(jié)，研制的懸臂掃艙裝置掃艙時間不大于5min/節(jié)，可節(jié)約大量的工作時間。

2）現(xiàn)有裝置掃艙底油殘余量一般不小于20L，懸臂掃艙裝置掃艙底油殘余量小于2L，可大幅度提高收率。

3）懸臂掃艙裝置改變了掃艙泵的吸入條件，杜絕了管路氣化斷流現(xiàn)象，運行期間抽吸入口不傾斜，抽吸徹底。

4）懸臂掃艙裝置采用壓縮空氣作為動力源，保證了運行安全，有效減少空運行發(fā)熱，避免燒泵。

5）可操作性好，方便操作，減少操作者勞動強度。

5 結(jié)語

1）旋轉(zhuǎn)搖臂掃艙裝置能夠適應(yīng)高海拔、高溫工作環(huán)境，避免了管路氣化斷流現(xiàn)象，在氣溫達到20℃時，測試的掃艙用時縮減為原用時的20%左右，而且可以實現(xiàn)全天候掃艙，掃艙效率顯著提升。

2）掃艙泵實現(xiàn)了小型化、耗氣量低、操作便捷，折算相同規(guī)模的電驅(qū)泵，功率僅為1.5kW，系統(tǒng)能耗下降約80%。

3）掃艙泵放置在槽車底部，底油掃艙徹底，初步測算每月可節(jié)油25t，經(jīng)濟效益顯著。

4）懸臂掃艙裝置改變泵入口的工作壓力，能夠保證管路各點工作壓力遠大于油品的飽和蒸氣壓，避免了管路發(fā)生氣化斷流現(xiàn)象。

5）懸臂掃艙裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可用于對高海拔地區(qū)成品掃艙裝置的改造、替換，能有效解決目前高海拔地區(qū)成品油庫掃艙難題。