成套设备中各类缓冲罐的容积校核

李洪深

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

成套设备中各类缓冲罐的容积校核

李洪深

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

主要选择容积式压缩机、往复泵和压缩易液化气体压缩机作为每类缓冲罐的适用场合，分别探讨成套设备中气体、液体和兼做气液分离器3种缓冲罐的容积的核算方法。

缓冲罐;成套设备;容积式压缩机;往复泵

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.169

1 缓冲罐应用简介

在成套设备的设计中，为避免流体脉动，延长设备使用寿命，减少噪声及管道振动，通常需要设置缓冲罐。缓冲罐的容积通常是由供货厂商给定的，但其容积能否满足使用要求常被忽略。

容积式转动设备的工作原理是借助工作腔容积的周期性变化来输送流体，这种工作特性决定了其出口液体流量是脉动变化的，从而引起输送管路的液流的流量和压力脉动。流量和压力脉动会导致如下不利影响：（1）影响连续、平稳输送流体；（2）进出口阀工况变差，导致磨损加剧，影响使用寿命；（3）引起管道系统或建筑物共振，导致管架及管道疲劳破坏；（4）诱发管道及附件松动，导致泄漏；（5）原动机负荷不均，降低容积效率，增加功率消耗；（6）增加设备噪音，破坏环境。

因此，合理设置缓冲罐就成为成套设备设计中必不可少的一项内容。考虑到应用场合和作用的不同，缓冲罐可以分为气体缓冲罐、液体缓冲罐和兼做气液分离器的缓冲罐3种类型。缓冲罐容积是决定缓冲罐能否满足使用要求的重要，下面就各类缓冲罐的容积核算分别进行讨论。

2 气体缓冲罐容积的确定

气体缓冲罐通常应用于容积式压缩机供气等场合，其作用主要是保证系统连续恒压供气。

当系统压力波动时，缓冲罐向用户供气，缓冲罐内空气的质量减少、压力降低，在缓冲时间0至τ0内，为保证压缩机在界区进出口压力情况下供气流量S不波动，缓冲罐容积V计算公式为[1]：

式中，P0为标准大气压，Pa；P1为界区入口压力（绝压），Pa；P2为界区出口压力(绝压)，Pa；τ0为缓冲时间，min；S为波动段内压缩机供气量，Nm3/min。

压缩机的排气到达用户缓冲罐是一个变压力、变流量的动态过程，对于连续恒压供气生产装置，缓冲时间除了和自动执行机构的响应及动作时间有关外，还和压缩机到缓冲罐的管线距离有关。

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在实际工作中，要精确计算缓冲罐容积，需要和供货商了

解自动执行机构响应时间、流量波动情况，和工艺专业了解气体输送管道长度。根据文献[2]经验，可按缓冲时间1min进行容积估算，但流量波动情况是核算缓冲罐容积必须考虑的条件。

3 液体缓冲罐容积的确定

液体缓冲罐通常用于往复泵的进出口管路，其原理是利用气体的可压缩和膨胀特性，交替存储或释放比均匀流量多或少一些的液体，从而达到减少管路中压力脉动的目的。按安装的位置可以分为入口缓冲罐和出口缓冲罐两类。

在吸入过程中，随着流量的增加，吸入管路的阻力也在增加，这时液缸内的真空度随之增大，当缓冲罐中的真空度小于液缸内的真空度时，缓冲罐中的气体膨胀，把其中一部分液体排入液缸，从而减少了管路中的流量。当泵的吸入量减少时，则执行相反的操作过程，液体沿管路进入缓冲罐内。

排出过程中，活塞排出的流量按正弦规律变化，当往复泵的瞬间流量大于平均流量时，排出管路的阻力增加，液缸内压力上升，缓冲罐内气体被压缩，从而在空气室内存储了一部分液体，减少了管路中的流量。当瞬间流量小于平均流量时，缓冲罐执行相反的过程。

无论是吸入或排出过程，如果缓冲罐容积足够大，则压力变化可相应减少，吸入或排出管路中的液体流动便趋于均匀。

缓冲罐容积的计算，按文献[3]的计算公式：

式中，D为柱塞或活塞直径，m；L为柱塞或活塞行程长度，m；Pd为泵出口压力，MPa；Prs为泵出口管路的总阻力损失，MPa；Pgas为缓冲罐充气压力，一般为出口压力的60%，MPa；δQ为工艺要求的允许流量不均匀度，通常为±1%～±5%；ψ为脉动系数，单缸泵取1.1，双缸泵取0.42，三缸泵取0.05。缸数越多，脉动越小。

可见，文献[5]认为缓冲罐的容积主要由活塞行程容积、允许流量不均匀度、出口阻力脉动比及往复泵缸数等参数共同决定。

在实际工作中发现各往复泵厂家的缓冲罐容积计算公式有很大不同，主要表现在有些厂家忽略出口脉动比，而脉动系数均为厂家经验系数，与标准相比差异较大，所计算出的缓冲罐容积有很大差别。经对米顿罗、里瓦、布朗卢比三家供货商提供的缓冲罐容积计算公式验算，均比按文献[3]所计算容积偏小，但各家圆整放大余量较大，放大后，也只有部分厂家可以满足容积要求。

综上所述，对于输送带颗粒且磨蚀性较强的介质，或对流量脉动要求比较严格的场合，需特别注意按文献[5]提供的方法进行容积校核，以防止因缓冲罐容积不足对往复泵的使用寿命的影响。

4 兼做气液分离器缓冲罐容积的确定

常用的气体压缩机用于压缩易液化介质，或在压比较高的情况下，缓冲罐除了稳定系统压力外还经常兼有气液分离器的作用，分离掉气相中的液滴以保护下级压缩或下游设备。

根据液滴在空气中的沉降运动雷诺准数Re可以计算液滴的沉降速度，当Re数值介于500～20000区间时，液滴的极限沉降速度可用式（3）计算[4]：

式中，ut为液滴的极限沉降速度，m/s；dp为水滴直径，m；g为重力加速度，m/s2；ρ1和ρg为液滴和气体的密度，kg/m3。

工程上一般要求气液分离器分离的液滴尺寸为微米级，对一般工艺系统而言，Re数值介于500～20000之间，因此可用式（3）计算液滴的极限沉降速度，而对于内部增加丝网的气液分离器，分离效果明显增强，对于分离3～5 μm的液滴，其极限沉降速度用式（4）计算[5]：

式中，D为气液分离器直径，m；Q为气体流速，m/s；ug为操作气速，m/s。

根据供气或稳压要求计算出排气缓冲罐的容积后，对于需要进行气液分离的工况，还应按照气液分离的要求计算缓冲罐的直径，评价气液分离效果。

选取气液分离器的操作气速ug时，

由此可以计算气液分离器的直径：

【1】徐明.压缩空气站设计手册[K].北京：机械工业出版社,1993.

【2】中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[K].北京：化学工业出版社,2009.

【3】陈伟，等.工业泵选用手册(第二版)[K].北京：化学工业出版社，2011.

【4】姚玉英，柴诚敬，等.化工原理[M].北京：化学工业出版社，1999.

【5】HG/T21618—1998丝网除沫器[S].

Volume Checking of Buffer Tank Used in Package Unit

LI Hong-shen
(China Tianchen Engineering Corporation,Tianjin 300400,China)

The article selected positive displacement compressor,reciprocating pump and liquescent gas compressor as typical applicable occasions of respective type of buffer tank.Then discussed the calculation process with the aspects of gas,liquid and double as gas-liquid separator buffer tank used in package unit.

buffer tank;package unit;positive displacement compressor;reciprocating pump

TH457

A

1007-9467（2016）11-0149-02

2016-10-21

李洪深（1983～），男，天津人，高级工程师，从事化工设备设计及选型研究。