喷射器在地下水封石洞液化烃储库气体回收中的应用

2022-09-12

常温、常压状态下, 液化烃的饱和蒸气压大于0.1MPa, 具有很强的挥发性。当液化烃槽船大流量卸船至储罐时, 由于储罐内气相介质液化不及时等因素, 会导致储罐内压力升高, 造成液化烃卸载困难。如果将储罐中的气体直接排放入大气, 会造成了液化烃的极大浪费, 并对环境造成污染。上述问题, 通常采用设置气相平衡线的方法解决。这种方法, 在地下水封石洞液化烃储库的低温丙烷卸船操作上, 不再适用。喷射器是一种利用高压流体抽吸低压流体的流体机械, 运行时不消耗机械能, 具有运转费用低、操作维修方便等优点。近年来, 喷射技术已经迅速推广应用到国民各部门, 并逐步形成了喷射技术产业[1]。本文通过介绍, 将喷射技术应用到水封洞库低温丙烷卸船的气体回收技术中。

1 问题的提出

地下水封石洞液化烃储库 (简称水封洞库) 以占地小、储存量大、安全性高的优势而著称, 其装卸速度快, 周转量大[2], 目前, 国内最大的单个液化烃洞罐达50万立方米。在丙烷接卸过程中, 水封洞库排出大量的丙烷气体。为避免浪费, 需要对排出的气相丙烷进行回收。

国际上通常采用超大型全冷式液化石油气运输船 (简称VLGC) 进行低温丙烷的运输。VLGC船设有4个独立的自支承式菱形货舱, 设计温度-50℃, 设计压力25k Pa, 储存容积可达8.5万立方米[3]。水封洞库在地下岩石中储存丙烷, 依靠地下水进行封存, 操作温度与地下水温度相近, 操作温度20℃, 操作压力770k Pa。水封洞库在接卸过程中, 排出气相丙烷的操作压力, 远高于VLGC货仓的设计压力。故此, 传统的气相平衡线的方式不再适用, 需要另外寻求回收方式。

2 喷射器的应用

2.1 采用喷射器的可行性

喷射器的工作原理, 是利用工作流体以一定压力从工作进口进入喷射器, 流经喷嘴后, 工作流体以较高流速喷出, 在喷嘴出口附近区域形成负压, 与周围被卷吸的引射流体在混合室内混合, 进行能量的交换, 然后混合流体由扩压室流出。

常压下, 单位体积的液态挥发后, 形成约250倍的气体。水封洞库通过喷射器, 将气体丙烷冷凝后再注入洞罐, 利用气体凝结为液体发生的体积差, 实现对洞罐内气体压力变化的控制, 同时实现对卸船过程中产生气体的回收处理。

2.2 模型的建立

利用喷射器引射气相的特点, 在丙烷卸船管道上面设置该设备, 将水封洞库气相管道连接到喷射器气相入口, 实施气相丙烷的回收处理。

2.3 喷射器工作参数的关系

为满足水封洞库的操作工况, 设计制定1台喷射器, 其结构见图1。包括液相丙烷入口、气相丙烷入口和液相丙烷出口, 出、入口的压力、温度、流量符号见表1。

2.3.1 温度参数

低温丙烷注入洞罐前的温度范围应控制在一定范围内。丙烷洞罐的操作温度20℃, 为保证水封条件, 丙烷进库温度不宜高于20℃;为避免低温丙烷在洞室内造成岩石冻裂及水合物的生成, 低温丙烷在注入洞罐前需升温到0℃以上。即喷射器液相丙烷入口温度:0℃

需要引射的气相丙烷入口温度T2, 为水封洞库内气相丙烷到达喷射器时的温度, 无其它特殊要求。

液相丙烷出口温度T3, 是在T1与T2温度下介质混合后的温度, 通常的关系为:T1

2.3.2 压力参数

液相丙烷入口压力参数P1, 取决于喷射器的工作条件, 若其前端的卸船泵扬程不足, 需要增设丙烷增压泵, 以备满足P1所需工作参数要求。

气相丙烷入口压力参数P2, 取决于喷射器的工作效率要求, 在喷射器结构一定的条件下, 通过对P2进行调整, 可以提高喷射器的工作效率。往往喷射器根据P2的参数进行量身定制, 故此, 无特殊要求。

液相丙烷出口压力参数P3, 为P1、P2经过在喷射器内部交混、各种压力损失之后剩余的压力, 受喷射器自身的结构参数制约因素大。

2.3.3 流量参数

液相丙烷入口流量Q1, 取决于设计卸船流量。

气相丙烷入口流量Q2, 取决于自水封洞库内排放出的气体流量。因丙烷存在气液平衡界面, 洞罐内的压力升高, 部分气液化, 故Q2的准确数值, 需要根据洞罐模型以及相关的边界条进一步研究才能得到。为简化计算, Q2的体积流量认为是Q1与Q2液体体积之和。

液相丙烷出口流量Q3, 为液相丙烷和气相丙烷的质量和, 即:Q3=Q1+Q2。

2.4 关键参数的控制

为使喷射器能够更好地服务于低温丙烷卸船操作, 其进、出口的各项压力参数中, 需要满足下述要求:

2.4.1 液相丙烷出口的P3, 应高于丙烷在T3温度下对应的饱和蒸汽压。即, 确保喷射器的液相丙烷出口流体全部为液体, 避免形成气液两相流。

2.4.2 为确保喷射器高效工作, P2压力宜恒定, 避免大范围波动。

2.4.3 结合工程经验, 液相丙烷入口、气相丙烷入口、液相丙烷出口的压力之间, 宜满足如下关系:P1>P2>P3。

2.4.4 液相丙烷入口的温度T1, 宜低于气相丙烷入口的温度T2, 为喷射器内部气态丙烷的液化提供换热条件。

2.4.5 为降低卸船管路系统的能耗, 经换热器之后的温度T1和经卸船增压泵的压力P1在满足功能要求下, 其数值宜取低限值。

2.5 喷射器的结构设计要点

喷射器的结构设计中, 除喷嘴外, 其余构件基本有相应的公式进行计算, 所以, 喷射器结构设计的重点在于喷嘴的结构[4]。通过大量的CFD数据模拟计算, 归纳出:

2.5.1 喷嘴的直径是喷射器隐身丙烷气体效率的决定因素, 喷嘴直径越大, 喷射器引射气体能力越差。

2.5.2 引射同等流量的气体, 喷嘴的直径越大, 所需的液相入口压力越大。

通过对喷射器内部结构参数的调整, 可以设计、制造出满足利用液相丙烷引射气相丙烷要求的喷射器。

2.6 喷射器的应用效果

国内已经投产运行的水封洞库工程, 低温丙烷卸船操作时, 合理控制洞罐排出的气体体积, 有效控制了洞罐内的压力, 避免了洞罐的压力超高, 同时, 对排出的气体进行密闭回收。

3 结语

喷射器在水封洞库低温丙烷卸船工艺上的应用, 节省了气相返回线管道系统的投资, 有效实现了水封洞库外排气体的回收, 同时确保了VLGC的大流量卸船和洞罐与VLGC货仓的使用安全。喷射器设备简单, 操作方便, 投资和维护费用低, 在与水封洞库低温丙烷卸船的类似工艺操作上, 例如低温丁烷, 具备良好应用前景。

摘要：液化烃在接收、发送过程中存在大量的油气排放, 尤其在进行大流量输送时, 产生的油气量更大。常温液化烃的卸船, 通常设置气相返回线, 在卸船的同时, 气体密闭返回槽船, 实现对排放气体的回收。气态液化烃通过管道返回了槽船, 相对接收端而言, 降低了输送率。本文以丙烷为例, 结合地下水封石洞液化烃储库的特点, 真对超大型全冷式液化石油气运输船卸船工艺进行介绍, 通过设置喷射器, 较好的解决了气态丙烷的去向及回收问题, 并提高了低温丙烷的卸船效率。

关键词：喷射器,地下水封石洞液化烃储库,水封洞库,液态烃,低温丙烷