減少鐵路罐車(chē)抽吸卸料時(shí)罐內(nèi)殘液數(shù)量的措施

陳 光， 于公滿

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

油品是我們生活、生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的物質(zhì)，油類(lèi)產(chǎn)品的運(yùn)輸在物流量中占有很大的比重， 鐵路油罐車(chē)是運(yùn)輸油品的重要工具， 運(yùn)輸過(guò)程中油品的裝卸是必要環(huán)節(jié)。 根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2020 年的石油耗量為4.0 億噸，其中約有50%需要通過(guò)鐵路運(yùn)輸。

考慮的石油必需進(jìn)行加工后才能夠使用， 因此其運(yùn)輸過(guò)程必須包括從產(chǎn)地到加工廠以及從加工廠到用地的兩個(gè)運(yùn)輸過(guò)程，假定每個(gè)罐車(chē)的運(yùn)輸量為60 噸，則需要的總輛次為660 萬(wàn)輛次。 假定平均每10 次運(yùn)輸清洗1次，則清洗的總次數(shù)為66 萬(wàn)次。依靠現(xiàn)有的卸油裝置，每個(gè)油罐中的殘油量約在25 公斤左右，合計(jì)殘油的總量為16500 噸。 按每噸0.5 萬(wàn)元計(jì)算，則浪費(fèi)的油品價(jià)值約為8250 萬(wàn)元。

同時(shí)，油罐車(chē)中殘油的存在，還會(huì)給罐車(chē)的清洗帶來(lái)困難，特別是清洗液的后續(xù)處理，需要配套龐大的污水處理系統(tǒng)，花費(fèi)可觀的處理費(fèi)用。 如果能夠研發(fā)一種在卸油時(shí)，不留殘液和盡量少留殘液的裝置，可以有效減少資金的浪費(fèi)。

1 影響殘液外排的因素分析

我國(guó)的鐵路油罐車(chē)大多采用上裝，上卸的模式。 卸油操作可分“潛油泵送”或者“真空抽吸”的兩種方式，見(jiàn)圖1所示。 其中，潛油泵卸料是指動(dòng)力裝置處于液面以下，輸油管路處于正壓狀態(tài)； 而真空卸油是指整個(gè)抽油管路處于負(fù)壓狀態(tài)。 由于結(jié)構(gòu)的原因，真空抽吸卸油是常用的辦法。 產(chǎn)生真空的裝置有很多種，例如真空泵系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子泵系統(tǒng)等， 通常是將抽吸管直接放入油罐中， 啟動(dòng)抽吸裝置，即可將罐內(nèi)的存油抽出。

圖1 油罐車(chē)卸油的方式Fig.1 Tank truck unloading method

油料在抽吸管內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，也分為兩種，即液流滿排和氣液混排。 當(dāng)卸料初期，罐內(nèi)充滿液體，真空管路中的液體是滿流的，但到了卸料的末期，液面已經(jīng)無(wú)法將抽吸管口充滿， 真空管路內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)氣液混流的情況，通常稱(chēng)為“氣帶水”，此時(shí)大氣壓力不再是驅(qū)動(dòng)液體外排的主要?jiǎng)恿Γ?液體是靠氣流對(duì)液體的粘滯力被帶出罐體。 這與除塵器抽吸管路氣帶塵的過(guò)程相似，因此如何提高卸料系統(tǒng)在氣帶水階段的抽吸能力，成為減少殘液數(shù)量的關(guān)鍵。

但就真空抽吸系統(tǒng)舉例， 影響殘液外排的因素主要有兩個(gè)，一是罐中的殘液能否進(jìn)入抽吸系統(tǒng)，二是抽吸管內(nèi)的氣體是否有足夠的流速， 可以把進(jìn)入管內(nèi)的液體帶出罐體。實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)表明，通常在末端進(jìn)入氣帶水的工作段時(shí)，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，實(shí)際流速明顯變低。 在表1 中提供了一組常見(jiàn)的管道內(nèi)抽吸含塵氣體最低速度的數(shù)據(jù)， 可供確定抽吸含水氣體時(shí)所需要的氣體速度的參照。

表1 除塵系統(tǒng)管道內(nèi)含塵氣體最低速度（m/s）Tab.1 The minimum speed of gas in the dust removal system（m/s）

保證流速的問(wèn)題相對(duì)說(shuō)來(lái)比較容易解決， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定系統(tǒng)需要的真空度和抽吸管中氣體必須的流速，然后選擇真空度和流量的合理匹配的設(shè)備即可。 可采用雙速電機(jī)或者調(diào)平電機(jī)作為真空系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力， 在正常工作時(shí)，采用較低的轉(zhuǎn)數(shù)，滿足液體滿流運(yùn)行的需要，減少驅(qū)動(dòng)功率，在進(jìn)入末段時(shí)，改用較高的速度，滿足氣帶水的運(yùn)行需求。

對(duì)于罐中的殘液如何能夠順利的進(jìn)入抽吸系統(tǒng)，則和抽吸口的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如需解決這個(gè)問(wèn)題，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)比現(xiàn)有抽吸端口抽吸能力更強(qiáng)的端口。

2 現(xiàn)有抽吸端口結(jié)構(gòu)的分析

現(xiàn)有抽吸口的構(gòu)造可見(jiàn)圖2 所示，抽吸管與罐底緊密接觸，在管端的側(cè)面有若干內(nèi)外連通的通孔。 這種抽吸管端，在罐內(nèi)液面較高的時(shí)候，抽吸管內(nèi)為滿流，在泵的入口或者氣液分離罐處形成真空，在大氣壓力驅(qū)動(dòng)下，液體順利的通過(guò)抽吸端口進(jìn)入，即可順利的實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)液體外排。

圖2 現(xiàn)有抽吸端口的構(gòu)造Fig.2 Structure of existing suction port

當(dāng)液面的高度低于抽吸管開(kāi)口高度時(shí)， 氣體從開(kāi)口的上半部流入，液流從開(kāi)口的下半部進(jìn)入。 此時(shí)，主要依靠氣流在液體表面產(chǎn)生的卷吸作用來(lái)抽吸液流。 液體上方形成細(xì)小的液滴， 只有粒徑小于沉降速度的液滴才能隨著上升氣流，排至罐外。

抽吸端口的設(shè)計(jì)， 還有另外一種情況需要注意。 近來(lái)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中， 為了簡(jiǎn)化設(shè)備的配置， 經(jīng)常采用一個(gè)真空源同時(shí)抽吸多個(gè)罐內(nèi)液體的配置， 但這種配置可能形成各個(gè)罐操作不同步的風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)圖3 所示。

由圖3 可知， 當(dāng)一個(gè)罐中的液體已經(jīng)降到抽吸口上緣以下， 而另一個(gè)罐內(nèi)的液體的液面還在抽吸口的上緣以上時(shí)， 系統(tǒng)中B 處的壓力和C 處的壓力相等。 C-A 段管路， 依舊是液體滿流，而B(niǎo)-A 段，則是氣液混流，因此真空系統(tǒng)在A 處形成的真空度，只要滿足B-A 段的運(yùn)行需求即可， 即常講的流體短路。 隨著A 處真空度的不斷降低，可能管路A-C 就不會(huì)再有液流外排了。

圖3 一機(jī)多配系統(tǒng)的分險(xiǎn)分析Fig.3 One machine with multiple systems

現(xiàn)以一機(jī)四配作為舉例，說(shuō)明一機(jī)多配的運(yùn)行狀態(tài)。其系統(tǒng)的管路見(jiàn)圖4。 由于是以真空度作為抽吸動(dòng)力的，始端為各個(gè)油罐車(chē)，罐內(nèi)的壓力為：P1=P2=P3=P4=P，等于大氣壓力。因?yàn)槟┒藶檎婵赵矗钥梢园严到y(tǒng)看作是并聯(lián)管路系統(tǒng)，各個(gè)管路的驅(qū)動(dòng)力是完全相同的。

圖4 一機(jī)多配的管路系統(tǒng)Fig.4 One machine with multiple piping system

在管路直徑和摩擦系數(shù)相同的情況下， 流量之和管路的長(zhǎng)度有關(guān)，即有：

因此可知，不同的管路，l數(shù)值不同，罐車(chē)的抽吸速率是不相同的，在抽吸的過(guò)程中，一定會(huì)出現(xiàn)殘存液面不相同的情況。

3 新型抽吸端口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不論是一機(jī)一配還是一機(jī)多配，將罐內(nèi)的液體排出，是卸料操作的工藝需求，根據(jù)常用抽吸端口的不足，特別是為配合一機(jī)多配工藝的實(shí)施， 提出如圖5 所示的抽吸端口的結(jié)構(gòu)。

圖5 新結(jié)構(gòu)的抽吸端口Fig5 New structure of suction port

結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：①將進(jìn)氣口和進(jìn)液口分開(kāi)；②進(jìn)氣口與罐底保持一段H 的距離；③進(jìn)入氣流在液流進(jìn)口處通過(guò)射流形成附加的抽吸能力。

這個(gè)構(gòu)造在液層較厚的時(shí)候，圖中的進(jìn)液口和進(jìn)氣口均可以作為進(jìn)液口，與正常的抽吸端口沒(méi)有差別。在卸料過(guò)程中，如果一旦出現(xiàn)相鄰油罐液面有差異的情況，見(jiàn)圖6。 液面差出現(xiàn)在H 的范圍外，A 罐的液面低于B 罐時(shí)，A 罐的進(jìn)氣口開(kāi)始進(jìn)氣，由于進(jìn)氣的抽吸作用，從而造成吸管內(nèi)液面的上升，進(jìn)氣的阻力加大，A 罐B 處的真空度就會(huì)上升，從而也提高了B罐B 處的真空度， 由于B 罐的液面高于A 罐的液面，其抽吸阻力將小于A 罐。

圖6 H 范圍外各個(gè)罐間運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)協(xié)調(diào)Fig.6 Automatic coordination of the operating status of each tank outside the scope of H

按此前說(shuō)明，只要此時(shí)真空系統(tǒng)的流量足夠，就可以形成A 罐氣體高速運(yùn)行需要的推動(dòng)力和B 罐單純抽吸液體的推動(dòng)力相同的情況，A 罐和B 罐就在動(dòng)態(tài)的協(xié)調(diào)平衡的下，繼續(xù)液體外排過(guò)程，直至B 罐的液面也降至氣入口以下，雙方共同時(shí)進(jìn)入氣液混流的運(yùn)行狀態(tài)。

如果是在H 的范圍內(nèi)出現(xiàn)高差，見(jiàn)圖7 所示。在這種情況下，無(wú)論液位高低，都是處于氣帶水的操作狀態(tài)，都可以順利的抽吸各個(gè)罐內(nèi)的存液。 當(dāng)罐內(nèi)的液面降至較低水平的時(shí)候，這種抽吸端口的優(yōu)點(diǎn)就充分體現(xiàn)出來(lái)了，由于進(jìn)氣在入口是以射流的方式進(jìn)入抽吸管路的端口，因此提高了局部的真空度，從而加大了抽吸能力。 同時(shí)，由于氣流入口和水流入口是分開(kāi)的， 管內(nèi)的液面將高于罐外的液面，氣流對(duì)液體有直接的沖擊效果，更有利于液流的抽吸外排。

圖7 H 范圍內(nèi)液面出現(xiàn)高差時(shí)的協(xié)調(diào)Fig.7 Coordination when there is a height difference in the H range

考慮到管路實(shí)際配置時(shí)，存在垂直段、彎頭、閥門(mén)等阻力較大的部分， 因此各段管路的綜合阻力相差不會(huì)太大，殘液面高度的差別也不會(huì)太大。

作為舉例，假定有如下的一個(gè)系統(tǒng)，見(jiàn)圖8。 氣體的運(yùn)行阻力和液體的運(yùn)行阻力的計(jì)算公式一樣， 根據(jù)液體流動(dòng)阻力經(jīng)驗(yàn)，在垂直管道內(nèi)以正常速度運(yùn)行時(shí)， 相當(dāng)于以同樣的速度運(yùn)行在80m 左右水平管路的阻力， 可以借用液體流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行推算。這樣假定在具體數(shù)值上可能有偏差，但可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可以作為工程判斷的依據(jù)。

圖8 計(jì)算舉例示意圖Fig.8 Schematic diagram of calculation example

由圖可知已知水平段l1=22m，l2=10m 垂直段l=5m，因此可以將上述的表達(dá)式改寫(xiě)成：

因此可知， 本系統(tǒng)的兩條管路中的氣體流量是基本相同的。 這個(gè)計(jì)算舉例，說(shuō)明在圖示的系統(tǒng)中，如果原始液面高度相同，處于H 外，相鄰液面不相等的狀況，其差距也將是很小的。

4 結(jié)論

油罐車(chē)卸料時(shí)， 盡可能減少殘液量， 是減少經(jīng)濟(jì)損失，避免二次污染的重要手段，除了提高卸料末段管內(nèi)流體流速外，改進(jìn)抽吸端口是有效的技術(shù)措施，目前常用的抽吸管的端頭， 進(jìn)氣和進(jìn)液采取一個(gè)進(jìn)口， 在抽吸殘液時(shí)，抽吸能力的不足，造成殘液量過(guò)多。 現(xiàn)提出的抽吸端口結(jié)構(gòu)，采用了氣液進(jìn)口分離的技術(shù)措施，利用射流形成的真空， 提高了抽吸端口的抽吸能力和氣流對(duì)液體的攜帶能力，為減少卸料殘液創(chuàng)造了條件。 這種結(jié)構(gòu)，特別適用于一機(jī)多配的卸料系統(tǒng)。

對(duì)于鐵路油罐車(chē)機(jī)械清洗工藝的抽殘環(huán)節(jié)， 因?yàn)榍逑辞肮捃?chē)內(nèi)的殘液的數(shù)量都是很少的， 其工作狀態(tài)至多位于H 范圍內(nèi)出現(xiàn)高差的情況，采用常規(guī)的抽吸端口，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常工作的狀態(tài)， 采用此種結(jié)構(gòu)的抽吸端口，則可以確保抽吸工作的正常進(jìn)行。