噴射器在地下水封石洞液化烴儲(chǔ)庫(kù)氣體回收中的應(yīng)用

張東焱 夏喜林 孫娜(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266000)

常溫、常壓狀態(tài)下，液化烴的飽和蒸氣壓大于0.1MPa，具有很強(qiáng)的揮發(fā)性。當(dāng)液化烴槽船大流量卸船至儲(chǔ)罐時(shí)，由于儲(chǔ)罐內(nèi)氣相介質(zhì)液化不及時(shí)等因素，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高，造成液化烴卸載困難。如果將儲(chǔ)罐中的氣體直接排放入大氣，會(huì)造成了液化烴的極大浪費(fèi)，并對(duì)環(huán)境造成污染。上述問(wèn)題，通常采用設(shè)置氣相平衡線的方法解決。這種方法，在地下水封石洞液化烴儲(chǔ)庫(kù)的低溫丙烷卸船操作上，不再適用。噴射器是一種利用高壓流體抽吸低壓流體的流體機(jī)械，運(yùn)行時(shí)不消耗機(jī)械能，具有運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，噴射技術(shù)已經(jīng)迅速推廣應(yīng)用到國(guó)民各部門(mén)，并逐步形成了噴射技術(shù)產(chǎn)業(yè)[1]。本文通過(guò)介紹，將噴射技術(shù)應(yīng)用到水封洞庫(kù)低溫丙烷卸船的氣體回收技術(shù)中。

1 問(wèn)題的提出

地下水封石洞液化烴儲(chǔ)庫(kù)（簡(jiǎn)稱水封洞庫(kù)）以占地小、儲(chǔ)存量大、安全性高的優(yōu)勢(shì)而著稱，其裝卸速度快，周轉(zhuǎn)量大[2]，目前，國(guó)內(nèi)最大的單個(gè)液化烴洞罐達(dá)50萬(wàn)立方米。在丙烷接卸過(guò)程中，水封洞庫(kù)排出大量的丙烷氣體。為避免浪費(fèi)，需要對(duì)排出的氣相丙烷進(jìn)行回收。

國(guó)際上通常采用超大型全冷式液化石油氣運(yùn)輸船（簡(jiǎn)稱VLGC）進(jìn)行低溫丙烷的運(yùn)輸。VLGC船設(shè)有4個(gè)獨(dú)立的自支承式菱形貨艙，設(shè)計(jì)溫度-50℃，設(shè)計(jì)壓力25kPa，儲(chǔ)存容積可達(dá)8.5萬(wàn)立方米[3]。水封洞庫(kù)在地下巖石中儲(chǔ)存丙烷，依靠地下水進(jìn)行封存，操作溫度與地下水溫度相近，操作溫度20℃，操作壓力770kPa。水封洞庫(kù)在接卸過(guò)程中，排出氣相丙烷的操作壓力，遠(yuǎn)高于VLGC貨倉(cāng)的設(shè)計(jì)壓力。故此，傳統(tǒng)的氣相平衡線的方式不再適用，需要另外尋求回收方式。

2 噴射器的應(yīng)用

2.1 采用噴射器的可行性

噴射器的工作原理,是利用工作流體以一定壓力從工作進(jìn)口進(jìn)入噴射器，流經(jīng)噴嘴后，工作流體以較高流速噴出，在噴嘴出口附近區(qū)域形成負(fù)壓，與周圍被卷吸的引射流體在混合室內(nèi)混合，進(jìn)行能量的交換，然后混合流體由擴(kuò)壓室流出。

常壓下，單位體積的液態(tài)揮發(fā)后，形成約250倍的氣體。水封洞庫(kù)通過(guò)噴射器，將氣體丙烷冷凝后再注入洞罐，利用氣體凝結(jié)為液體發(fā)生的體積差，實(shí)現(xiàn)對(duì)洞罐內(nèi)氣體壓力變化的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)卸船過(guò)程中產(chǎn)生氣體的回收處理。

2.2 模型的建立

利用噴射器引射氣相的特點(diǎn)，在丙烷卸船管道上面設(shè)置該設(shè)備，將水封洞庫(kù)氣相管道連接到噴射器氣相入口，實(shí)施氣相丙烷的回收處理。

2.3 噴射器工作參數(shù)的關(guān)系

為滿足水封洞庫(kù)的操作工況，設(shè)計(jì)制定1臺(tái)噴射器，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。包括液相丙烷入口、氣相丙烷入口和液相丙烷出口，出、入口的壓力、溫度、流量符號(hào)見(jiàn)表1。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 丙烷組分

2.3.1 溫度參數(shù)

低溫丙烷注入洞罐前的溫度范圍應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。丙烷洞罐的操作溫度20℃，為保證水封條件，丙烷進(jìn)庫(kù)溫度不宜高于20℃；為避免低溫丙烷在洞室內(nèi)造成巖石凍裂及水合物的生成，低溫丙烷在注入洞罐前需升溫到0℃以上。即噴射器液相丙烷入口溫度:0℃

需要引射的氣相丙烷入口溫度T2，為水封洞庫(kù)內(nèi)氣相丙烷到達(dá)噴射器時(shí)的溫度，無(wú)其它特殊要求。

液相丙烷出口溫度T3，是在T1與T2溫度下介質(zhì)混合后的溫度，通常的關(guān)系為:T1

2.3.2 壓力參數(shù)

液相丙烷入口壓力參數(shù)P1，取決于噴射器的工作條件，若其前端的卸船泵揚(yáng)程不足，需要增設(shè)丙烷增壓泵，以備滿足P1所需工作參數(shù)要求。

氣相丙烷入口壓力參數(shù)P2，取決于噴射器的工作效率要求，在噴射器結(jié)構(gòu)一定的條件下，通過(guò)對(duì)P2進(jìn)行調(diào)整，可以提高噴射器的工作效率。往往噴射器根據(jù)P2的參數(shù)進(jìn)行量身定制，故此，無(wú)特殊要求。

液相丙烷出口壓力參數(shù)P3，為P1、P2經(jīng)過(guò)在噴射器內(nèi)部交混、各種壓力損失之后剩余的壓力，受噴射器自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)制約因素大。

2.3.3 流量參數(shù)

液相丙烷入口流量Q1，取決于設(shè)計(jì)卸船流量。

氣相丙烷入口流量Q2，取決于自水封洞庫(kù)內(nèi)排放出的氣體流量。因丙烷存在氣液平衡界面，洞罐內(nèi)的壓力升高，部分氣液化，故Q2的準(zhǔn)確數(shù)值，需要根據(jù)洞罐模型以及相關(guān)的邊界條進(jìn)一步研究才能得到。為簡(jiǎn)化計(jì)算，Q2的體積流量認(rèn)為是Q1與Q2液體體積之和。

液相丙烷出口流量Q3，為液相丙烷和氣相丙烷的質(zhì)量和，即:Q3=Q1+Q2。

2.4 關(guān)鍵參數(shù)的控制

為使噴射器能夠更好地服務(wù)于低溫丙烷卸船操作，其進(jìn)、出口的各項(xiàng)壓力參數(shù)中，需要滿足下述要求:

2.4.1 液相丙烷出口的P3，應(yīng)高于丙烷在T3溫度下對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓。即，確保噴射器的液相丙烷出口流體全部為液體，避免形成氣液兩相流。

2.4.2 為確保噴射器高效工作，P2壓力宜恒定，避免大范圍波動(dòng)。

2.4.3 結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，液相丙烷入口、氣相丙烷入口、液相丙烷出口的壓力之間，宜滿足如下關(guān)系:P1>P2>P3。

2.4.4 液相丙烷入口的溫度T1，宜低于氣相丙烷入口的溫度T2，為噴射器內(nèi)部氣態(tài)丙烷的液化提供換熱條件。

2.4.5 為降低卸船管路系統(tǒng)的能耗，經(jīng)換熱器之后的溫度T1和經(jīng)卸船增壓泵的壓力P1在滿足功能要求下，其數(shù)值宜取低限值。

2.5 噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除噴嘴外，其余構(gòu)件基本有相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，所以，噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于噴嘴的結(jié)構(gòu)[4]。通過(guò)大量的CFD數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，歸納出:

2.5.1 噴嘴的直徑是噴射器隱身丙烷氣體效率的決定因素，噴嘴直徑越大，噴射器引射氣體能力越差。

2.5.2 引射同等流量的氣體，噴嘴的直徑越大，所需的液相入口壓力越大。

通過(guò)對(duì)噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，可以設(shè)計(jì)、制造出滿足利用液相丙烷引射氣相丙烷要求的噴射器。

2.6 噴射器的應(yīng)用效果

國(guó)內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的水封洞庫(kù)工程，低溫丙烷卸船操作時(shí)，合理控制洞罐排出的氣體體積，有效控制了洞罐內(nèi)的壓力，避免了洞罐的壓力超高，同時(shí)，對(duì)排出的氣體進(jìn)行密閉回收。

3 結(jié)語(yǔ)

噴射器在水封洞庫(kù)低溫丙烷卸船工藝上的應(yīng)用，節(jié)省了氣相返回線管道系統(tǒng)的投資，有效實(shí)現(xiàn)了水封洞庫(kù)外排氣體的回收，同時(shí)確保了VLGC的大流量卸船和洞罐與VLGC貨倉(cāng)的使用安全。噴射器設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，投資和維護(hù)費(fèi)用低，在與水封洞庫(kù)低溫丙烷卸船的類似工藝操作上，例如低溫丁烷，具備良好應(yīng)用前景。

[1]陸宏圻,陸東宏.噴射技術(shù)研究及其發(fā)展空間展望[J].前言科學(xué),2011,5(19):32-38.

[2]楊明舉,關(guān)寶樹(shù)等.水封式地下儲(chǔ)氣洞庫(kù)的應(yīng)用及研究[J].地下空間,2000,20（3）:171-175.

[3]高斌.超大型液化石油氣船線型研制[J].上海造船,2011,4:12-16.

[4]季紅軍,陶樂(lè)仁,王金鋒,徐振立.噴嘴位置對(duì)噴射器的性能影響的研究[J].制冷,2007,26(4):16-19.