减少铁路罐车抽吸卸料时罐内残液数量的措施

陈 光， 于公满

（中国中元国际工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

油品是我们生活、生产过程中必不可少的物质，油类产品的运输在物流量中占有很大的比重， 铁路油罐车是运输油品的重要工具， 运输过程中油品的装卸是必要环节。 根据资料统计，我国2020 年的石油耗量为4.0 亿吨，其中约有50%需要通过铁路运输。

考虑的石油必需进行加工后才能够使用， 因此其运输过程必须包括从产地到加工厂以及从加工厂到用地的两个运输过程，假定每个罐车的运输量为60 吨，则需要的总辆次为660 万辆次。 假定平均每10 次运输清洗1次，则清洗的总次数为66 万次。依靠现有的卸油装置，每个油罐中的残油量约在25 公斤左右，合计残油的总量为16500 吨。 按每吨0.5 万元计算，则浪费的油品价值约为8250 万元。

同时，油罐车中残油的存在，还会给罐车的清洗带来困难，特别是清洗液的后续处理，需要配套庞大的污水处理系统，花费可观的处理费用。 如果能够研发一种在卸油时，不留残液和尽量少留残液的装置，可以有效减少资金的浪费。

1 影响残液外排的因素分析

我国的铁路油罐车大多采用上装，上卸的模式。 卸油操作可分“潜油泵送”或者“真空抽吸”的两种方式，见图1所示。 其中，潜油泵卸料是指动力装置处于液面以下，输油管路处于正压状态； 而真空卸油是指整个抽油管路处于负压状态。 由于结构的原因，真空抽吸卸油是常用的办法。 产生真空的装置有很多种，例如真空泵系统，转子泵系统等， 通常是将抽吸管直接放入油罐中， 启动抽吸装置，即可将罐内的存油抽出。

图1 油罐车卸油的方式Fig.1 Tank truck unloading method

油料在抽吸管内的运行状态，也分为两种，即液流满排和气液混排。 当卸料初期，罐内充满液体，真空管路中的液体是满流的，但到了卸料的末期，液面已经无法将抽吸管口充满， 真空管路内就会出现气液混流的情况，通常称为“气带水”，此时大气压力不再是驱动液体外排的主要动力， 液体是靠气流对液体的粘滞力被带出罐体。 这与除尘器抽吸管路气带尘的过程相似，因此如何提高卸料系统在气带水阶段的抽吸能力，成为减少残液数量的关键。

但就真空抽吸系统举例， 影响残液外排的因素主要有两个，一是罐中的残液能否进入抽吸系统，二是抽吸管内的气体是否有足够的流速， 可以把进入管内的液体带出罐体。实际运行的数据表明，通常在末端进入气带水的工作段时，按经验数据选择的标准设备，实际流速明显变低。 在表1 中提供了一组常见的管道内抽吸含尘气体最低速度的数据， 可供确定抽吸含水气体时所需要的气体速度的参照。

表1 除尘系统管道内含尘气体最低速度（m/s）Tab.1 The minimum speed of gas in the dust removal system（m/s）

保证流速的问题相对说来比较容易解决， 通过实验确定系统需要的真空度和抽吸管中气体必须的流速，然后选择真空度和流量的合理匹配的设备即可。 可采用双速电机或者调平电机作为真空系统的驱动动力， 在正常工作时，采用较低的转数，满足液体满流运行的需要，减少驱动功率，在进入末段时，改用较高的速度，满足气带水的运行需求。

对于罐中的残液如何能够顺利的进入抽吸系统，则和抽吸口的结构有关，如需解决这个问题，就必须设计一个比现有抽吸端口抽吸能力更强的端口。

2 现有抽吸端口结构的分析

现有抽吸口的构造可见图2 所示，抽吸管与罐底紧密接触，在管端的侧面有若干内外连通的通孔。 这种抽吸管端，在罐内液面较高的时候，抽吸管内为满流，在泵的入口或者气液分离罐处形成真空，在大气压力驱动下，液体顺利的通过抽吸端口进入，即可顺利的实现罐内液体外排。

图2 现有抽吸端口的构造Fig.2 Structure of existing suction port

当液面的高度低于抽吸管开口高度时， 气体从开口的上半部流入，液流从开口的下半部进入。 此时，主要依靠气流在液体表面产生的卷吸作用来抽吸液流。 液体上方形成细小的液滴， 只有粒径小于沉降速度的液滴才能随着上升气流，排至罐外。

抽吸端口的设计， 还有另外一种情况需要注意。 近来在工程设计过程中， 为了简化设备的配置， 经常采用一个真空源同时抽吸多个罐内液体的配置， 但这种配置可能形成各个罐操作不同步的风险，见图3 所示。

由图3 可知， 当一个罐中的液体已经降到抽吸口上缘以下， 而另一个罐内的液体的液面还在抽吸口的上缘以上时， 系统中B 处的压力和C 处的压力相等。 C-A 段管路， 依旧是液体满流，而B-A 段，则是气液混流，因此真空系统在A 处形成的真空度，只要满足B-A 段的运行需求即可， 即常讲的流体短路。 随着A 处真空度的不断降低，可能管路A-C 就不会再有液流外排了。

图3 一机多配系统的分险分析Fig.3 One machine with multiple systems

现以一机四配作为举例，说明一机多配的运行状态。其系统的管路见图4。 由于是以真空度作为抽吸动力的，始端为各个油罐车，罐内的压力为：P1=P2=P3=P4=P，等于大气压力。因为末端为真空源，所以可以把系统看作是并联管路系统，各个管路的驱动力是完全相同的。

图4 一机多配的管路系统Fig.4 One machine with multiple piping system

在管路直径和摩擦系数相同的情况下， 流量之和管路的长度有关，即有：

因此可知，不同的管路，l数值不同，罐车的抽吸速率是不相同的，在抽吸的过程中，一定会出现残存液面不相同的情况。

3 新型抽吸端口的结构设计

不论是一机一配还是一机多配，将罐内的液体排出，是卸料操作的工艺需求，根据常用抽吸端口的不足，特别是为配合一机多配工艺的实施， 提出如图5 所示的抽吸端口的结构。

图5 新结构的抽吸端口Fig5 New structure of suction port

结构的特点为：①将进气口和进液口分开；②进气口与罐底保持一段H 的距离；③进入气流在液流进口处通过射流形成附加的抽吸能力。

这个构造在液层较厚的时候，图中的进液口和进气口均可以作为进液口，与正常的抽吸端口没有差别。在卸料过程中，如果一旦出现相邻油罐液面有差异的情况，见图6。 液面差出现在H 的范围外，A 罐的液面低于B 罐时，A 罐的进气口开始进气，由于进气的抽吸作用，从而造成吸管内液面的上升，进气的阻力加大，A 罐B 处的真空度就会上升，从而也提高了B罐B 处的真空度， 由于B 罐的液面高于A 罐的液面，其抽吸阻力将小于A 罐。

图6 H 范围外各个罐间运行状态的自动协调Fig.6 Automatic coordination of the operating status of each tank outside the scope of H

按此前说明，只要此时真空系统的流量足够，就可以形成A 罐气体高速运行需要的推动力和B 罐单纯抽吸液体的推动力相同的情况，A 罐和B 罐就在动态的协调平衡的下，继续液体外排过程，直至B 罐的液面也降至气入口以下，双方共同时进入气液混流的运行状态。

如果是在H 的范围内出现高差，见图7 所示。在这种情况下，无论液位高低，都是处于气带水的操作状态，都可以顺利的抽吸各个罐内的存液。 当罐内的液面降至较低水平的时候，这种抽吸端口的优点就充分体现出来了，由于进气在入口是以射流的方式进入抽吸管路的端口，因此提高了局部的真空度，从而加大了抽吸能力。 同时，由于气流入口和水流入口是分开的， 管内的液面将高于罐外的液面，气流对液体有直接的冲击效果，更有利于液流的抽吸外排。

图7 H 范围内液面出现高差时的协调Fig.7 Coordination when there is a height difference in the H range

考虑到管路实际配置时，存在垂直段、弯头、阀门等阻力较大的部分， 因此各段管路的综合阻力相差不会太大，残液面高度的差别也不会太大。

作为举例，假定有如下的一个系统，见图8。 气体的运行阻力和液体的运行阻力的计算公式一样， 根据液体流动阻力经验，在垂直管道内以正常速度运行时， 相当于以同样的速度运行在80m 左右水平管路的阻力， 可以借用液体流动的计算结果进行推算。这样假定在具体数值上可能有偏差，但可以简化计算过程，可以作为工程判断的依据。

图8 计算举例示意图Fig.8 Schematic diagram of calculation example

由图可知已知水平段l1=22m，l2=10m 垂直段l=5m，因此可以将上述的表达式改写成：

因此可知， 本系统的两条管路中的气体流量是基本相同的。 这个计算举例，说明在图示的系统中，如果原始液面高度相同，处于H 外，相邻液面不相等的状况，其差距也将是很小的。

4 结论

油罐车卸料时， 尽可能减少残液量， 是减少经济损失，避免二次污染的重要手段，除了提高卸料末段管内流体流速外，改进抽吸端口是有效的技术措施，目前常用的抽吸管的端头， 进气和进液采取一个进口， 在抽吸残液时，抽吸能力的不足，造成残液量过多。 现提出的抽吸端口结构，采用了气液进口分离的技术措施，利用射流形成的真空， 提高了抽吸端口的抽吸能力和气流对液体的携带能力，为减少卸料残液创造了条件。 这种结构，特别适用于一机多配的卸料系统。

对于铁路油罐车机械清洗工艺的抽残环节， 因为清洗前罐车内的残液的数量都是很少的， 其工作状态至多位于H 范围内出现高差的情况，采用常规的抽吸端口，可能会出现无法正常工作的状态， 采用此种结构的抽吸端口，则可以确保抽吸工作的正常进行。