減少鐵路罐車抽吸卸料時罐內(nèi)殘液數(shù)量的措施

陳 光， 于公滿

（中國中元國際工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

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

考慮的石油必需進行加工后才能夠使用， 因此其運輸過程必須包括從產(chǎn)地到加工廠以及從加工廠到用地的兩個運輸過程，假定每個罐車的運輸量為60 噸，則需要的總輛次為660 萬輛次。 假定平均每10 次運輸清洗1次，則清洗的總次數(shù)為66 萬次。依靠現(xiàn)有的卸油裝置，每個油罐中的殘油量約在25 公斤左右，合計殘油的總量為16500 噸。 按每噸0.5 萬元計算，則浪費的油品價值約為8250 萬元。

同時，油罐車中殘油的存在，還會給罐車的清洗帶來困難，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)，花費可觀的處理費用。 如果能夠研發(fā)一種在卸油時，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。

1 影響殘液外排的因素分析

我國的鐵路油罐車大多采用上裝，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，見圖1所示。 其中，潛油泵卸料是指動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抽油管路處于負壓狀態(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， 啟動抽吸裝置，即可將罐內(nèi)的存油抽出。

圖1 油罐車卸油的方式Fig.1 Tank truck unloading method

油料在抽吸管內(nèi)的運行狀態(tài)，也分為兩種，即液流滿排和氣液混排。 當卸料初期，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)無法將抽吸管口充滿， 真空管路內(nèi)就會出現(xiàn)氣液混流的情況，通常稱為“氣帶水”，此時大氣壓力不再是驅(qū)動液體外排的主要動力， 液體是靠氣流對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，一是罐中的殘液能否進入抽吸系統(tǒng)，二是抽吸管內(nèi)的氣體是否有足夠的流速， 可以把進入管內(nèi)的液體帶出罐體。實際運行的數(shù)據(jù)表明，通常在末端進入氣帶水的工作段時，按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選擇的標準設(shè)備，實際流速明顯變低。 在表1 中提供了一組常見的管道內(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）

保證流速的問題相對說來比較容易解決， 通過實驗確定系統(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。 可采用雙速電機或者調(diào)平電機作為真空系統(tǒng)的驅(qū)動動力， 在正常工作時，采用較低的轉(zhuǎn)數(shù)，滿足液體滿流運行的需要，減少驅(qū)動功率，在進入末段時，改用較高的速度，滿足氣帶水的運行需求。

對于罐中的殘液如何能夠順利的進入抽吸系統(tǒng)，則和抽吸口的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如需解決這個問題，就必須設(shè)計一個比現(xiàn)有抽吸端口抽吸能力更強的端口。

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)動下，液體順利的通過抽吸端口進入，即可順利的實現(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

當液面的高度低于抽吸管開口高度時， 氣體從開口的上半部流入，液流從開口的下半部進入。 此時，主要依靠氣流在液體表面產(chǎn)生的卷吸作用來抽吸液流。 液體上方形成細小的液滴， 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， 還有另外一種情況需要注意。 近來在工程設(shè)計過程中， 為了簡化設(shè)備的配置， 經(jīng)常采用一個真空源同時抽吸多個罐內(nèi)液體的配置， 但這種配置可能形成各個罐操作不同步的風險，見圖3 所示。

由圖3 可知， 當一個罐中的液體已經(jīng)降到抽吸口上緣以下， 而另一個罐內(nèi)的液體的液面還在抽吸口的上緣以上時， 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-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 就不會再有液流外排了。

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

現(xiàn)以一機四配作為舉例，說明一機多配的運行狀態(tài)。其系統(tǒng)的管路見圖4。 由于是以真空度作為抽吸動力的，始端為各個油罐車，罐內(nèi)的壓力為：P1=P2=P3=P4=P，等于大氣壓力。因為末端為真空源，所以可以把系統(tǒng)看作是并聯(lián)管路系統(tǒng)，各個管路的驅(qū)動力是完全相同的。

圖4 一機多配的管路系統(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， 流量之和管路的長度有關(guān)，即有：

因此可知，不同的管路，l數(shù)值不同，罐車的抽吸速率是不相同的，在抽吸的過程中，一定會出現(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

不論是一機一配還是一機多配，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，特別是為配合一機多配工藝的實施， 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)的特點為：①將進氣口和進液口分開；②進氣口與罐底保持一段H 的距離；③進入氣流在液流進口處通過射流形成附加的抽吸能力。

這個構(gòu)造在液層較厚的時候，圖中的進液口和進氣口均可以作為進液口，與正常的抽吸端口沒有差別。在卸料過程中，如果一旦出現(xiàn)相鄰油罐液面有差異的情況，見圖6。 液面差出現(xiàn)在H 的范圍外，A 罐的液面低于B 罐時，A 罐的進氣口開始進氣，由于進氣的抽吸作用，從而造成吸管內(nèi)液面的上升，進氣的阻力加大，A 罐B 處的真空度就會上升，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 范圍外各個罐間運行狀態(tài)的自動協(xié)調(diào)Fig.6 Automatic coordination of the operating status of each tank outside the scope of H

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

如果是在H 的范圍內(nèi)出現(xiàn)高差，見圖7 所示。在這種情況下，無論液位高低，都是處于氣帶水的操作狀態(tài)，都可以順利的抽吸各個罐內(nèi)的存液。 當罐內(nèi)的液面降至較低水平的時候，這種抽吸端口的優(yōu)點就充分體現(xiàn)出來了，由于進氣在入口是以射流的方式進入抽吸管路的端口，因此提高了局部的真空度，從而加大了抽吸能力。 同時，由于氣流入口和水流入口是分開的， 管內(nèi)的液面將高于罐外的液面，氣流對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)高差時的協(xié)調(diào)Fig.7 Coordination when there is a height difference in the H range

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

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

圖8 計算舉例示意圖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式改寫成：

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。 這個計算舉例，說明在圖示的系統(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

油罐車卸料時， 盡可能減少殘液量， 是減少經(jīng)濟損失，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， 進氣和進液采取一個進口， 在抽吸殘液時，抽吸能力的不足，造成殘液量過多。 現(xiàn)提出的抽吸端口結(jié)構(gòu)，采用了氣液進口分離的技術(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)，特別適用于一機多配的卸料系統(tǒng)。

對于鐵路油罐車機械清洗工藝的抽殘環(huán)節(jié)， 因為清洗前罐車內(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，可能會出現(xiàn)無法正常工作的狀態(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行。