喷射器在地下水封石洞液化烃储库气体回收中的应用

张东焱 夏喜林 孙娜(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266000)

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25kPa，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770kPa。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。

图1 喷射器结构示意图

表1 丙烷组分

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。

[1]陆宏圻,陆东宏.喷射技术研究及其发展空间展望[J].前言科学,2011,5(19):32-38.

[2]杨明举,关宝树等.水封式地下储气洞库的应用及研究[J].地下空间,2000,20（3）:171-175.

[3]高斌.超大型液化石油气船线型研制[J].上海造船,2011,4:12-16.

[4]季红军,陶乐仁,王金锋,徐振立.喷嘴位置对喷射器的性能影响的研究[J].制冷,2007,26(4):16-19.