成套設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;成套設備;容積式壓縮機;往復泵

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

1 緩沖罐應用簡介

在成套設備的設計中，為避免流體脈動，延長設備使用壽命，減少噪聲及管道振動，通常需要設置緩沖罐。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。

容積式轉動設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致如下不利影響：（1）影響連續、平穩輸送流體；（2）進出口閥工況變差，導致磨損加劇，影響使用壽命；（3）引起管道系統或建筑物共振，導致管架及管道疲勞破壞；（4）誘發管道及附件松動，導致泄漏；（5）原動機負荷不均，降低容積效率，增加功率消耗；（6）增加設備噪音，破壞環境。

因此，合理設置緩沖罐就成為成套設備設計中必不可少的一項內容。考慮到應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

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

當系統壓力波動時，緩沖罐向用戶供氣，緩沖罐內空氣的質量減少、壓力降低，在緩沖時間0至τ0內，為保證壓縮機在界區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為標準大氣壓，Pa；P1為界區入口壓力（絕壓），Pa；P2為界區出口壓力(絕壓)，Pa；τ0為緩沖時間，min；S為波動段內壓縮機供氣量，Nm3/min。

壓縮機的排氣到達用戶緩沖罐是一個變壓力、變流量的動態過程，對于連續恒壓供氣生產裝置，緩沖時間除了和自動執行機構的響應及動作時間有關外，還和壓縮機到緩沖罐的管線距離有關。

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在實際工作中，要精確計算緩沖罐容積，需要和供貨商了

解自動執行機構響應時間、流量波動情況，和工藝專業了解氣體輸送管道長度。根據文獻[2]經驗，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，這時液缸內的真空度隨之增大，當緩沖罐中的真空度小于液缸內的真空度時，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。當泵的吸入量減少時，則執行相反的操作過程，液體沿管路進入緩沖罐內。

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

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[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，單缸泵取1.1，雙缸泵取0.42，三缸泵取0.05。缸數越多，脈動越小。

可見，文獻[5]認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泵缸數等參數共同決定。

在實際工作中發現各往復泵廠家的緩沖罐容積計算公式有很大不同，主要表現在有些廠家忽略出口脈動比，而脈動系數均為廠家經驗系數，與標準相比差異較大，所計算出的緩沖罐容積有很大差別。經對米頓羅、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[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，或對流量脈動要求比較嚴格的場合，需特別注意按文獻[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，或在壓比較高的情況下，緩沖罐除了穩定系統壓力外還經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備。

根據液滴在空氣中的沉降運動雷諾準數Re可以計算液滴的沉降速度，當Re數值介于500～20000區間時，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，對一般工藝系統而言，Re數值介于500～20000之間，因此可用式（3）計算液滴的極限沉降速度，而對于內部增加絲網的氣液分離器，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。

根據供氣或穩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.壓縮空氣站設計手冊[K].北京：機械工業出版社,1993.

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

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

【4】姚玉英，柴誠敬，等.化工原理[M].北京：化學工業出版社，1999.

【5】HG/T21618—1998絲網除沫器[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，從事化工設備設計及選型研究。