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介质特性对泵送与计量系统的影响

已有 7362 次阅读 2009-6-1 12:01 |个人分类:专业论文|系统分类:科研笔记

介质特性对泵送与计量系统的影响
概述
加油机一般是由油泵(机内泵或潜油电泵)、油气分离器、流量测量变换器、编码器、计数器、指示装置、视油器、油枪等主要部件组成的一个完整的液体体积输运和测量系统。加油机工作时,泵将油液从低处输送到高处、从低压送至高压、沿管道送至流量测量变换器对油的体积进行计量,最终从油枪出来交付给用户。燃油加油机区别于一般液压输运系统的是:燃油加油机由于有较高的计量精度要求,整机流体压力不仅要保证流量,还要保证流量稳定性和压力的稳定性。
随着我国燃油销量不断攀升,以及政府治污力度加大和治污标准提升,加油站油气污染问题开始被重视。油气回收是将所产生的油气回收到储油系统, 防止其排入大气、污染环境的一种措施。目前, 常用的回收系统分为两级: 第一级是回收油罐液面以上的油气,加油车里的油被加入油罐, 油罐产生的油气进入加油车; 第二级是回收给车辆加油过程中溢出的油气。一次油气回收系统即向储油罐卸油时可将储油罐内的油气回收到油罐车内。而加油机向汽车油箱加油时,可将油箱的油气回收到储油罐中,称为二次油气回收系统。油气产生大致构成比例是:油库、油罐车到加油站储油罐约占90%,给汽车加油时约占10%。因此,加油站实施一次油气回收及二次油气回收后,可有效控制油气造成的危害,起到环保、减少油的浪费和提高加油站安全的作用。
从液压系统研究的角度而言:油品特性、输运管路特性以及环境因素是在设计和优化燃油加油机泵送与计量及油气回收设备需要深入考虑的主要因素。
 
燃油介质简介
目前我国成品油加油站主要销售汽油、柴油、10%生物燃料乙醇汽油和柴油。
汽油是消耗量最大的品种。每年我国加油站汽油的销售量超过5600万吨。汽油的沸点范围(又称馏程)为30 ~ 205°C, 密度为0.70~0.78/厘米3,商品汽油按该油在汽缸中燃烧时抗爆震燃烧性能的优劣区分,标记为辛烷值70、80、90或更高。牌号越大,性能越好,汽油主要用作汽车、摩托车、快艇、直升飞机、农林用飞机的燃料。商品汽油中添加有添加剂以改善使用和储存性能。受环保要求,今后将限制芳烃和铅的含量。汽油是种发挥性很强的燃料,甚至与在-30oC的低温下还能产生可以被点燃的油气。汽油的挥发性越好,就越容易气化,挥发性过强的汽油容易在汽油泵,输油管曲折或者油管较热的部分造成气阻。汽油的饱和蒸汽压最高可达到90kPa.
柴油主要是由烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、多环芳烃与少量硫(2~60g/kg)、氮(<1g/kg)及添加剂组成的混合物。为白色或淡黄色液体。相对密度0.85。熔点-29.56℃。沸点180~370。闪点40℃。蒸气密度4。蒸气与空气混合物可燃限0.7~5.0% 。不溶于水。遇热、火花、明火易燃,可蓄积静电,引起电火花。分解和燃烧产物为一氧化碳、二氧化碳和硫氧化物。避免接触氧化剂。粘度指标:内燃机柴油在20℃时运动粘度范围为3~8(10-6m2/s),动力粘度约为42.5mPa.s。生物柴油的粘度高于石油柴油,调入2~20%的生物柴油到石油柴油中后,柴油的粘度会增加,但也能满足标准对柴油运动粘度的要求。美国标准要求生物柴油40℃运动粘度为1.9~6.0 (10-6m2/s,欧洲标准要求40℃运动粘度为3.5~5.0 (10-6m2/s)。柴油蒸气压约为4kPa,属于不易气化的流体介质。
在我国,车用乙醇汽油是指在汽油组分中按体积混合比加入10% 的变性燃料乙醇后作为汽油车燃料用的汽油,分90# 、93# 、97# 三个牌号。由于乙醇的性质和汽油有明显差别,在汽油中掺入乙醇后,燃料的性质也会发生变化,对燃油加油机必然产生相应的影响。乙醇和汽油相比, 辛烷值较高, 热值和蒸气压较低。而车用乙醇汽油和汽油相比, 辛烷值和蒸气压较高。车用乙醇汽油的性质变化主要有: 密度增加, 体积减少, 蒸气压明显上升, 对金属和某些种类的橡胶、塑料的腐蚀性增大。无水乙醇与汽油有很好相容性,可以按任意比例溶合,但随着乙醇或汽油中水含量的增加,乙醇和汽油的互溶性降低。为了提高乙醇汽油的稳定性,往往还会在乙醇汽油中加入一定数量的稳定剂,这些稳定剂的物化性质及其对燃油加油机液压部件的影响也值得加以关注。变性燃料乙醇的粘度在20oC1.5mPa.s,比普通汽油的粘度0.65-0.85 mPa.s高2。因此,在管道输送中所消耗的动力要大于输运普通汽油。
以下简要介绍燃油介质特性对泵送、计量及油气回收过程的影响。
 
3.影响燃油泵送与计量设备特性的介质理化特性
影响泵送与计量及油气回收过程的介质理化特性主要包括:
1)粘度;
2)饱和蒸汽压;
3)密度;
4)环境稳定性。
3.1 介质理化特性对泵送性能的影响
一般情况下,某一工作温度下易汽化介质通常被定义为汽化压力大于5000Pa,其粘度一般也很小。不同介质的比热,汽化热不尽相同,单位体积介质在同一环境温度下吸热的热量、温升情况就会有很大的不同。就汽化压而言,汽化曲线很陡(比如:液化气),温度升高一点汽化压就会升高很多。根据这一标准,汽油和生物燃料乙醇汽油均属于易汽化介质。
用泵输送化工介质尤其是易汽化介质,并不是简单的算出泵的轴功率等参数就可以了,所有工况条件、工艺参数(如介质粘度、比热、流量、扬程、密度、入口汽化压、吸入压力、汽化温度、有无颗粒、结晶温度、气蚀余量等)都应该充分考虑,以便选择合适的泵型及安装形式,辅助以正确地操作方式以及合理的用户管路系统才能确保泵不气蚀和汽化,整个输送系统工作平稳。乙醇汽油饱和蒸汽压比普通汽油要高3-7KPa。极易发生气穴和气阻现象。
只保证介质不汽化、不气蚀还不够,对于易汽化介质来说,其粘度是泵选用的一个非常重要的参数。柴油粘度约为40mPa.s,普通汽油的粘度为0.65-0.85 mPa.s变性燃料乙醇的粘度在20oC为1.5mPa.s,2倍于普通汽油。因此,柴油在管道输送中所消耗的动力要大于输运普通汽油。
在燃油泵送与计量过程中,需要关注的一点是汽油和生物乙醇汽油等易汽化介质的泵送速度不能过快,流速过快将使得介质产生过多的泡沫和挥发,引起过大的流量波动,且易在管道中产生静电。美国联邦法律规定的加汽油时流速不能超过10加仑/分钟(约为38L/min),我国的加油站加油机国家标准也应该对易汽化介质的泵送和计量过程中流速加以更为严格的限定。
3.2 介质特性对计量性能的影响
因为燃油加油计量设备计量方式及精度要求。目前采用的计量方式为容积式计量。影响油流量测量准确度的因素主要是油介质粘度和密度的改变。介质种类不同,当然粘度和密度也不同,即便是同一种介质,粘度和密度也是随着测量条件(压力和温度)的变化而变化的。液体温度和压力的变化,决定着其粘度和密度的变化,而流体粘度和密度的变化,影响了流量计量装置的流量测量,产生测量误差。
当流量测量装置工作介质的密度与校准介质的密度接近而粘度不同时,或者流量计工作介质与校准介质的粘度和密度均不同时,一般来说还没有实用的修正公式,在这方面有大量的研究工作需要开展。
流量计量的基本特点是流量测量的复杂性。流量仪表的研制和流量标准的研制,都应该考虑这个基本特点。油流量计量的复杂性体现在下述几个方面:
(1)从介质物理性能来看:密度、粘度的变化范围较大。在高精度测量时更需要考虑流体粘度和密度的影响。
(2)从介质温度来分,有高温、中温和低温以及超高温和极低温的流量测量。
(3)从流量大小来分,有大、中、小和微小流量测量问题。
(4)从压力大小分,又有高压、中压、低压以及超高压和微小压力条件下的流量测量问题。
流量计量的第二个特点是流量是一个导出量。根据流量的定义,流量由体积(长度)和时间或者质量和时间来进行传递。因为导出量不是单一物理量而是个复合量,所以对流量量值的复现和传递都增加了难度和复杂性。
流量计量的第三个特点是流量涉及到物质的相对运动概念,而且是流体,当测量时间细分时,流体截面上的各个质点的流速无时无处都在变化着,所以,流量不同于质量和长度,质量和长度有实物标准,而流量没有实物标准,更反映流量计量的难度和复杂性。
流量计量的第四个特点是流量仪表的测量准确度,受管路内流体的流动状态的影响。由于流体有粘性,当它流过管路时产生了流速分布,该流速分布影响仪表的测量。这样,为了保证流量测量的准确度,就要保证流量仪表的安装使用条件,这也给流量测量增加了技术上的难度和复杂性。
衡量容积式计量器具性能的重要指标之一是压力损失特性。引起容积式流量计压力损失的原因有两个方面。一是由于流量计测量元件动作的机械阻力引起的压力损失。二是由于流体粘性造成的流动阻力引起的压力损失。显然,流量越大,压力损失就越大;流体粘性越大,压力损失也越大。与其它流量计相比,容积式流量计的压力损失较大。
容积式流量计产生误差的根本原因是内泄漏的存在。流量计的压力损失与内泄漏的关系可用下式表示:
—内泄漏量;
—流量系数;
—流量计前后压差;
—流体介质黏度系数
由此可见,压力损失是表征流量计性能的重要参数。在研究流体物性参数对流量计特性的影响时,主要研究流体物性对漏流的影响。对于液体介质,主要考虑流体粘度的影响。
当流体粘度增加时,流量计内流动阻力增加,对于一定的漏流间隙,漏流量将增加。对于相同的漏流间隙,粘度越大的流体应该越不容易泄漏。所以,当流体粘度增加时,泄漏量应减少。
显然,上述两方面的影响是互逆的。所以总的来说,流体粘度对流量计误差特性的影响不会太大。对于测量精度要求低于1%时,一般不考虑粘度的影响。但在高精度测量时,粘度所引起的测量误差变化还是较为明显,所以必须考虑流体粘度对误差特性的影响。粘度还影响容积式流量计活动部件的摩擦磨损特性,因此影响流量计长期使用寿命。
流量计误差特性可简略用以下公式计算:
其中为压差,为液体介质粘度。
对于用同一流量计测量不同粘度的流体,在同一流量的条件下,误差将与呈线性关系。同一容积式流量计,对于介质种类,用于较高粘度的流体时,因下限流量可扩展到较小值,其流量范围较大。
为使流量计保持较好的工作性能和使用寿命,使用时最大流量最好选取在仪表最大流量的70%-80%。
 
3.3 介质特性对油气回收性能的影响
欧美等发达国家从上世纪70年代开始重视这一污染源,陆续出台有关法规,在主要城市分阶段实施。我国从上世纪90年代提出这一问题。目前我国绝大多数地区的加油站还没有建立完善的油气回收系统,只有少数地区正在推广使用,普及率还很低。
国内油气回收的研究和应用主要侧重于汽车油罐车的油品装运,针对加油站油气回收处理方面的研究和报道几乎没有。加油站油气回收设备市场占有率高的均为国外品牌。按照控制油气量/加油量比(油气回收比,A/L)的方式可分为以下三种类型:
1)油气流量控制调节阀模式此方式是利用加油时的流速产生压力,控制调节阀的进气量,以达到约1:1的油气回收比例。采用此方法的有Healy公司、Elaflex公司。
2)采用流量计量的脉冲传感器方式此方式是利用加油时电子传感器的信号控制变频电机。加油流量大时,脉冲传感器电压信号增大,相应的变频电机转速加快,如此方式可达到约1:1的油气回收比例。采用此方式的油气回收设备制造商有美国的Gilbarco、欧洲的Tokheim、Wayne、NP等公司。
3)后处理方式 此方式是运用真空泵将加油时的油气采用(1.4:1)—(2.4:1)的大量油气含空气一并抽回至油罐,当油罐蒸气压提高后,多余的油气送至燃烧塔烧掉或用吸附法回收。主要的设备供应商有Hasstech、hirt、OPW等欧美大公司。
虽然油气回收行业目前发展很快,但发达国家也只有30多年历史,我国只有十几年。因此,在回收技术、回收原理、控制技术等方面,还存在争论,回收装置也存在处理能力小、不能满足需要,气体回收率不高,设备故障率高,后期处理和回收难等问题。这些问题在一定程度上影响着油气回收行业的进一步发展。
油气回收设备的关键参数是气液比的确定。气液比小,多余的油气无法回收,造成污染和能源浪费。气液比大了,将造成油罐内的油气损耗。事实上,不同设备供应商油气回收气液比的设置差异很大,从中国台湾地区已经安装使用的过的11个品牌的油气回收设备的气液比设置来看,最小为0.88,最大达到2.43。在目前工况条件下,柴油的油气挥发性很小,油气回收比设置为1:1是可以的。但对汽油和生物燃料乙醇汽油采用多大的油气回收比,是值得加以研究的课题。
至今为止的加油站油气回收产品均假设在输运和计量过程中油品为单一的液体状态。实际上,燃油,尤其是汽油、生物燃料乙醇汽油等易汽化介质输运和计量过程中,流体介质是以汽液共存的方式在管道中流动。油气回收气液比的确定与介质挥发特性及油品输运过程密切相关,取决于管路条件、油品特性、温度以及输运过程压力状况等因素。以下几个方面值得研究:
1)油气分离过程机理及表征参数研究;
2)气液分离比的确定和控制技术;
3)燃油特性对油气回收过程的影响。
介质物理化学性质的改变(例如生物燃料乙醇汽油更易汽化)必将对泵送过程的气液分离特性产生影响,油气回收控制参数也需要相应改变。在生物燃料等易汽化介质泵送过程气液分离特性机理研究基础上对油气回收系统进行基于信号识别的优化设计值得研究。
 
结论
综上所述,我们可得出以下结论:
1)加油机液压系统的设计与制造要充分考虑介质特性对泵送与计量过程的影响;
2)柴油与汽油是特性相差很大的两种燃油介质,目前的加油机液压系统设计与制造对这一因素的考虑还不充分。柴油与汽油、生物乙醇汽油相比,在介质特性方面存在显著的差异,目前加油站用同样的加油设备对这两类介质进行输运和计量可能是不合适的。
3)柴油输运需要大功率的泵送系统,可以不需要进行油气回收。汽油和生物乙醇汽油加油机的研发方向是针对易汽化介质特性进行优化设计的小流量泵送和计量及油气回收系统。


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