淺談液化石油氣泵操作當(dāng)中的汽蝕問題

謝 俊

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 揭陽 515200）

0 引言

隨著我國(guó)城市燃?xì)夤ぷ鞯目焖侔l(fā)展，市民的日常生活水平不斷提高。液化石油氣作為城市居民日常生活中的主要能源之一，在改善燃料結(jié)構(gòu)、加速城市燃?xì)夥矫嬗兄^對(duì)的影響作用。為此，我們?cè)诓煌瑫r(shí)間地點(diǎn)興建了一個(gè)多個(gè)包括石油氣以及儲(chǔ)存及加氣站「“497”」。輪回壓縮機(jī)和烴泵平日用于對(duì)儲(chǔ)罐中的液化氣可以加壓，而后運(yùn)到可以灌裝車間可以灌裝。這種操作涉及到的技術(shù)等難度較小，同時(shí)可以達(dá)到非常好的傳輸效果。然而，如果沒有適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，石油氣可能會(huì)造成氣蝕，影響設(shè)備的使用壽命和安全。

1 氣蝕的產(chǎn)生及危害

在實(shí)際傳輸過程中，這種流速和壓力都是受到整個(gè)管道大小、方向等的影響。當(dāng)液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果沿途局部區(qū)域的絕對(duì)壓力降到與氣化壓力相同，液體中就會(huì)形成氣泡。當(dāng)氣泡可以跟隨工作液體能夠到達(dá)一個(gè)高壓區(qū)時(shí)，氣泡中的蒸汽會(huì)變形、破裂并再次冷凝成液體。如果發(fā)生氣泡破裂，此時(shí)就會(huì)形成一定的沖擊力，含有上百個(gè)大氣層。同時(shí)這種沖擊力將會(huì)不斷破壞管壁，使得管壁發(fā)生損壞。氣泡形成、膨脹、破裂和物質(zhì)侵蝕的全過程稱為清空。如果發(fā)生汽蝕，碳?xì)浔玫男阅芎凸β识紩?huì)下降，零部件容易損壞，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。而這種振動(dòng)的發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致連接處出現(xiàn)損壞，進(jìn)而發(fā)生泄漏等問題。液化石油氣本身就是一種高危產(chǎn)品，易燃易爆，容易引發(fā)事故，一旦發(fā)生危險(xiǎn)將會(huì)造成嚴(yán)重的影響。所以對(duì)于出現(xiàn)的汽蝕問題需要給予絕對(duì)的重視，盡量緩解。

2 氣蝕現(xiàn)象

氣蝕也叫空穴和氣穴。液化石油氣的汽化能力非常強(qiáng)。當(dāng)某個(gè)地方的液化石油氣壓力低于當(dāng)時(shí)液體的飽和蒸氣壓時(shí)，那個(gè)地方的液化石油氣就會(huì)迅速汽化，即液體的分子出來形成氣泡，在液化石油氣液體中形成氣穴，破壞液化石油氣輸送的連續(xù)狀態(tài)。從而降低液化石油氣的通過能力，甚至阻礙液化石油氣的正常流動(dòng)，也就是氣穴。

空氣進(jìn)行侵蝕我們通常發(fā)生在中國(guó)液化石油氣管道管理系統(tǒng)的低壓吸氣區(qū)，即入口管道。當(dāng)氣泡與液體一起流入壓力較高的區(qū)域時(shí)，它們會(huì)迅速凝結(jié)成液體，因?yàn)閴毫Ω哂谝后w的飽和蒸汽壓力。這個(gè)過程是瞬時(shí)發(fā)生的，因此引起局部壓力沖擊，引起液化石油氣泵的強(qiáng)烈噪音和管道的振動(dòng)。此時(shí)內(nèi)部的溫度和氣壓都會(huì)不斷增長(zhǎng)。當(dāng)氣泡聚集在管道的狹窄部分并成為堵塞物時(shí)，管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行將被中斷[1]。

氣蝕通常發(fā)生在液化石油氣管道系統(tǒng)的低壓吸入?yún)^(qū)，即入口管道。當(dāng)氣泡隨液體流入壓力較高的區(qū)域時(shí)，由于壓力高于液體的飽和蒸氣壓，氣泡會(huì)迅速凝結(jié)成液體。這一過程是瞬間發(fā)生的，因此會(huì)引起局部壓力沖擊，引起液化石油氣泵的強(qiáng)烈噪音和管道內(nèi)的振動(dòng)。此時(shí)內(nèi)部的溫度和氣壓都會(huì)不斷增長(zhǎng)。當(dāng)氣泡聚集在管道狹窄的地方，成為氣塞時(shí)，管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行就會(huì)被破壞。

為了防止氣蝕，最簡(jiǎn)單的辦法是在液化氣泵和進(jìn)口液相截止閥之間設(shè)置一個(gè)小型旁路閥（類似于液化石油氣鋼瓶的角閥），這樣氣體就會(huì)排出可以。另外，可以系統(tǒng)要避免管道狹窄的地方和急轉(zhuǎn)彎，避免局部壓力突然下降。

另外，考慮到管道的安全問題，需要確保LPG泵能夠順利運(yùn)行。在正常情況下，液化石油氣泵中安裝有安全閥。當(dāng)液化石油氣泵出口管道系統(tǒng)的壓力超過泵內(nèi)安全閥設(shè)定的額定壓力時(shí)，泵內(nèi)安全閥會(huì)自動(dòng)開啟，使液體在泵內(nèi)循環(huán)，從而維持部分液化石油氣管道系統(tǒng)的安全溢流。通常情況下，液化石油氣泵的安全柜壓力在出廠前已經(jīng)調(diào)整好。（反面版本以沙爾濱水泵廠生產(chǎn)的YQ15-5A或B為準(zhǔn)。安全閥壓力調(diào)整到0.7～08MPa）。具體條件可以在液化石油氣管道系統(tǒng)的應(yīng)用中進(jìn)一步調(diào)整，使管道系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行條件。

3 對(duì)泵區(qū)工藝管道系統(tǒng)的分析

儲(chǔ)灌站內(nèi)有4個(gè)50m3儲(chǔ)罐和3臺(tái)液化石油氣多級(jí)離心泵。技術(shù)參數(shù)為型號(hào)（CEH5106）、流量（12.0～15.8m3/h）、壓差（0.7～1.16MPa）。其中兩個(gè)打開，一個(gè)備用，為18位轉(zhuǎn)盤的灌裝線提供了滿意的壓力。用轉(zhuǎn)盤灌裝時(shí)，壓力應(yīng)為1.4～1.5MPa，這種壓力值只能借助兩個(gè)泵進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。問題是，三臺(tái)泵安裝使用后發(fā)現(xiàn)，打開兩個(gè)臥式水箱排水，兩臺(tái)泵加壓時(shí)，泵內(nèi)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，泵和管路會(huì)出現(xiàn)劇烈振蕩和異常噪音。對(duì)泵區(qū)工藝管路系統(tǒng)的研究表明，由于高壓多極離心泵功率大，工藝過程中發(fā)生汽蝕，儲(chǔ)罐出口管（DN80）比泵進(jìn)口管（DN100）小，沿途局部阻力損失大，無法供液，泵前液體部分汽化進(jìn)入泵體。當(dāng)其他加壓熱液體從泵出口流回泵時(shí)，氣穴現(xiàn)象我們將會(huì)不斷加劇。通過用循環(huán)壓縮機(jī)對(duì)儲(chǔ)罐的氣相加壓，提高了泵前液體的壓力和流速，消除了氣蝕現(xiàn)象，證明了上述研究結(jié)論。針對(duì)這一問題的處理，筆者歸納出下列幾種解決方法：

（1）將儲(chǔ)罐進(jìn)行出口管DN80擴(kuò)大至DN100；

（2）增加罐體進(jìn)行高度，使靜水頭克服各種阻力降低損失；

（3）調(diào)整離心泵的功率、壓力等，將這些數(shù)值參數(shù)都適當(dāng)減少；

（4）啟動(dòng)循環(huán)壓縮機(jī)，對(duì)罐內(nèi)氣相加壓，提高進(jìn)口壓力和流量；

（5）降低管道的局部阻力，最大限度地減少阻力損失。

上述方案1及2已完成并投入使用，并已確定其輸水管道及高度。在維持相關(guān)生產(chǎn)效率的過程中很難進(jìn)行刷新操作；第三種規(guī)劃，能耗低的泵必然會(huì)影響轉(zhuǎn)盤的灌裝速度，降低產(chǎn)能；第四種規(guī)劃中，使用壓縮性可以氣相增壓非但浪擲電能，加速設(shè)備損耗，而且增加崗位定額。因此可以將這種運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，變成回流方式輸送到罐中，效果將顯著提高，簡(jiǎn)單和最佳的解決方案 如圖1所示[2]。

圖1 改造后泵區(qū)工藝管道系統(tǒng)示意圖

（1）將儲(chǔ)罐出水管的截止閥改為直球閥，可以降低阻力；

（2）將高出口和低出口的圓柱形濾光片更改為Y 形濾波器，以實(shí)現(xiàn)并行出入口，將降低電阻；

（3）將進(jìn)液口由排液管的上部結(jié)構(gòu)改為能夠管的下部，可降低阻力；

（4）將泵入口截止閥結(jié)構(gòu)改為球閥，可顯著水平降低工作阻力；

（5）回流管抽出后，通過閥門回流至進(jìn)液管，提高了進(jìn)液溫度，加快了氣化速度，更容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。將其可以改為回流至儲(chǔ)罐的效果將顯著水平提高。

4 關(guān)于CEH5106型泵的氣蝕問題，測(cè)算如下

管徑d=0.08～0.1m，流量達(dá)到30m3/h，兩個(gè)泵需要一起運(yùn)行：

v1=Q÷A1=30÷（14×3.14×0.082×3600）=1.66m/S；

v2=Q÷A2=30÷（14×3.14×0.12×3600）=1.06m/S；

v1、v2為管道流速；

A1、A2為管道截面積；

Q為流量。

管道長(zhǎng)度按最遠(yuǎn)點(diǎn)20米計(jì)，流速按平均流速V=（1.66+1.06）÷2=1.4m/s；

LPG的主要組成成分就是丙烷和丁烷，而丙烷的運(yùn)動(dòng)粘度達(dá)到3.81×10-6m2/s，丁烷的運(yùn)動(dòng)粘度為2.53×10-6m2/s，故取其平均運(yùn)動(dòng)粘度3.2×10-6m2/s。

Re=vd/v

=1.4×0.1/（3.2×10-6）=4.38×104＞2320

其中Re為雷諾數(shù)；

v為管內(nèi)液體平均流速，m/s；

d 為圓管內(nèi)徑，m；

υ為液體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；

所以判斷流動(dòng)狀態(tài)為紊流。

假設(shè)流體在水力光滑管區(qū)流動(dòng),則沿程阻力系數(shù)：

λ=0.316 4×R e-0.2 5=0.316 4×（4.3 7×104）-0.25=0.022

管道沿程阻力：

H1=λ1/2×v2/2g×20/0.1×1.42/2×9.8=0.44

λ 為沿程阻力系數(shù)；

l 為圓管的長(zhǎng)度，m；

d 為圓管內(nèi)徑，m；

v 為管內(nèi)平均流速，m/s；

g 為重力加速度,m/s。

針對(duì)管道局部的阻力計(jì)算主要借助相關(guān)系數(shù)進(jìn)行表示，其主要包含4個(gè)閥門，能夠進(jìn)行緊急停止操作，還有1個(gè)過濾裝置和直角彎頭。

圓管彎頭的局部阻力系數(shù)：

ζ 90 。=[0.20+0.001(100λ) 3 ] d/R

=[0.20+0.001×（100×0.022）3]×0.1/0.1=0.21

λ為沿程阻力系數(shù)；

d 為圓管內(nèi)徑，m；

R 為彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑，m。

根據(jù)工廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，筒式過濾器“4 97”的局部開發(fā)阻力相關(guān)系數(shù)ζ=0.4，截止閥局部阻力影響系數(shù)ζ=4.6，JD對(duì)應(yīng)的ζ=0.83。

總局部阻力損失：

h j=∑ζv 22g=（0.21+0.4+4.6×4+0.83）×1.4 22 × 9.8=1.98m

CEH5106型泵的NPSH值=0.5，考慮到氣泵問題的控制，對(duì)應(yīng)的液位在泵入口上：

NPSH值+hw +hj=0.5+0.44+1.98=2.92m（最少）

但是，站臥罐的最低液位為2m，故在臥罐剩下0.92m液位時(shí)即會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

5 技術(shù)改造方案的確定

球閥直通，電阻ζ部分系數(shù)為0，Y濾波器ζ阻力系數(shù)為0.12。針對(duì)管道局部的阻力計(jì)算主要借助相關(guān)系數(shù)進(jìn)行表示。改裝后的管線有一個(gè)緊急關(guān)閉閥，三個(gè)球閥和一個(gè)y型過濾器。

h j=∑ζv 22g=（0.12+0.83）×1.422×9.8=0.10m（液柱）

管道沿程阻力仍為0.44m，npsh=0.5m

因此，為了避免氣蝕，液面應(yīng)該：

λ+h j +NPSH=0.44+0.10+0.5=1.04m（最少）

水箱的實(shí)際最低水位是2.00米&1.04米，所以能夠知道改造后不應(yīng)該發(fā)生蛀牙。

6 改造后達(dá)到的效果

經(jīng)由工藝革新，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，即在灌裝鋼瓶時(shí)，只需打開兩個(gè)儲(chǔ)罐和兩個(gè)液化石油氣泵，不需要啟動(dòng)資金循環(huán)利用壓縮機(jī)氣相增壓，每年可節(jié)約5萬元左右，三臺(tái)泵運(yùn)行能夠更好。

7 結(jié)語

為克服液化石油氣泵的氣蝕問題，應(yīng)仔細(xì)考慮工藝規(guī)劃和設(shè)備選擇。在一些規(guī)模較小的灌裝廠中可以選擇一些小型的泵頭進(jìn)行操作，對(duì)于灌裝量大的灌裝廠，可以考慮在高處建造儲(chǔ)罐，增加泵的靜壓頭，在滿足規(guī)范的前提下盡可能增加儲(chǔ)罐的進(jìn)口管徑，采用局部阻力損失較小的閥門和工藝管道的規(guī)劃方案。無論計(jì)劃如何，都應(yīng)盡一切努力減少抵抗力的喪失。