盧金樹,朱哲野,劉楓琛

(浙江海洋學院石化與能源工程學院,浙江舟山 316022)

限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應(yīng)

盧金樹,朱哲野,劉楓琛

(浙江海洋學院石化與能源工程學院,浙江舟山 316022)

油船裝貨過程中存在油氣蒸發(fā),蒸發(fā)出的油氣會帶來多種危害。裝貨時產(chǎn)生的晃蕩是影響油品蒸發(fā)的因素之一。研究油船裝貨過程中艙內(nèi)貨油的晃蕩及氣液界面處的擾動對油氣蒸發(fā)排放的影響,建立幾何尺寸比例約為1/ 40的油船單個油艙模型,進行兩組4種不同裝貨速度下的裝貨試驗。結(jié)合對流擴散模型,綜合考慮擴散效應(yīng)、對流效應(yīng)及透氣孔處的透氣效應(yīng),研究在整個裝貨過程中油艙透氣孔處排出油氣體積分數(shù)的變化原因及規(guī)律。結(jié)果表明,在類似油艙這樣的限制性空間的完整裝油過程中(0～95%),油氣的產(chǎn)生與排出規(guī)律隨著裝載率的不同而變化,大致分為0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四個階段。

裝貨速度;晃蕩效應(yīng);限制空間;對流擴散;試驗

海上石油儲運風險主要來自油氣的蒸發(fā)。作為艙氣主要成分的VOCs(揮發(fā)性有機化合物)在海運及液貨作業(yè)過程中實際排放達到(400～700)萬噸/年,造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境損害風險,更為嚴重的油艙爆炸事故也屢見不鮮[1-4]。針對油船這樣有特定開口的大型限制空間,艙內(nèi)油氣體積分數(shù)呈現(xiàn)特殊的分布狀態(tài),透氣孔處油氣的排出受油品性質(zhì)、裝油速度、油艙結(jié)構(gòu)和其他因素影響[6-7]。裝油過程中油艙內(nèi)油品動能的變化及液面的上升會引起油品的晃蕩,造成氣液界面的湍動,影響艙內(nèi)油氣體積分數(shù)的分布[8]。目前,一些學者已經(jīng)在實船或模型上研究了油氣及其他烴類氣體的排放規(guī)律[5,9-10],但沒有深入研究排放機制及相關(guān)影響因子的效應(yīng)。關(guān)于氣液界面湍動對傳質(zhì)的影響及非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)動力學的研究,不同學者做了一定的工作[11-19],但尚未針對性地考慮裝油引起液體的晃蕩會影響氣液界面?zhèn)髻|(zhì)速率,進而引發(fā)油氣在特定形狀的限制空間中流動及透氣行為。筆者采用理論分析及模型試驗的方法研究裝貨過程中油船透氣體積分數(shù)的變化。

1 試驗理論基礎(chǔ)

1.1 對流擴散模型

將油艙內(nèi)氣體的排出分為液相區(qū)氣體的產(chǎn)生與傳遞、氣相區(qū)氣體的傳遞,采用對流擴散模型加以描述:

式(1)中已經(jīng)充分考慮了裝油引起的對流效應(yīng)以及液體的晃蕩產(chǎn)生的擴散效應(yīng)。

液面的上升會引起油氣的強迫對流;有效擴散系數(shù)與液體種類、溫度等有關(guān);未定擴散系數(shù)由液相擾動造成。

1.2 對流效應(yīng)分析

油艙透氣口處的VOCs體積分數(shù)明顯受到裝貨速率的影響。其中對流速度W與裝油速率的關(guān)系如下:

式中,Q為裝貨速率(體積流量),m3/s;A為油艙橫截面積,m2。

顯然,裝油速度越大,則對流速度越大,對透氣口體積分數(shù)的影響越明顯。

1.3 擴散效應(yīng)分析

對于存在自由液面的油艙,油氣體積分數(shù)場的擴散效應(yīng)不但受到Dm的影響,還會受到表征各種擾動因素引起界面湍動的未定擴散系數(shù)Dn影響。Dm與液貨種類、溫度等有關(guān),本試驗認為在短時間內(nèi)溫度及油氣成分基本不變,該系數(shù)Dm恒定;未定擴散系數(shù)Dn由裝油過程中艙內(nèi)油品動能變化產(chǎn)生的液相晃蕩引起,與單位體積擾動能及油品的黏度有關(guān)。具體如下:

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）試圖通過具有多個處理層的計算模型對數(shù)據(jù)進行多層抽象，是一個由INPUT（輸入層）輸入圖像，CONV（卷積層）對圖像進行卷積，再經(jīng)過RELU（激活函數(shù)）傳給POOL（池化層）進行池化，最后通過FC（全連接層）將所有特征連接起來的網(wǎng)絡(luò) [13]。實質(zhì)上是一個學習特征的過程，經(jīng)過CNN學習到的特征具有較強的辨別性，背景部位的激活度基本很少，通過可視化可以看到提取到的特征忽視了背景干擾，只提取目標中關(guān)鍵的信息交由后續(xù)的分類器對其進行檢測與分類。

式中,Te為單位時間單位體積油品的擾動能,J;E為單位時間內(nèi)從注油孔處裝入油品的動能,J;V為艙內(nèi)已裝入油品總體積,m3;μ為油品黏度,Pa·s;ρ為油品的密度,kg/m3;A0為裝油口橫截面積,m2;t為裝貨時間,s。

本試驗中使用同一種油品,故不考慮黏度這一因素。顯然單位體積擾動能與裝油速率及容器油品容積有關(guān)。

由式(5)知,單位時間單位體積擾動能的變化趨勢為先迅速減小至很低水平,然后緩慢減小。同時,裝貨速度越大,Te越大(對應(yīng)的Dn也就越大)。

在整個限制空間進行裝貨的過程中,由裝貨所引起的液面上升及所造成的液相晃蕩都會影響油氣的產(chǎn)生、傳遞,最終影響透氣孔處油氣的排出。

2 試 驗

2.1 裝置與方法

綜合現(xiàn)有油船結(jié)構(gòu)尺寸資料,選擇單個邊艙原型尺寸為長25.7 m,寬16.1 m,艙深18.9 m,艙容約為7 820 m3。將原型艙簡化為長方體,按照幾何相似準則,用玻璃制作單個邊艙模型。模型艙尺寸為長640 mm,寬400 mm,高470 mm,容積為120 L。試驗材料為93#汽油。汽油通過計量泵以一定的速度從注油孔泵入模型艙,用來模擬油船裝貨過程,油氣從模型艙上的透氣口處排出。采用烴氣體積分數(shù)傳感器測量透氣口處排出油氣的體積分數(shù)。傳感器與一臺計算機相連,由計算機記錄實時數(shù)據(jù)。部分試驗裝置及材料如圖1所示。

圖1 部分試驗裝置實物圖Fig.1 Part of experiment devices

為了便于數(shù)據(jù)的分析與處理,模型艙內(nèi)被分為3個區(qū):液相區(qū)、氣相區(qū)和氣液邊界層(氣液邊界層為擾動的,這里取平均值)。液相區(qū)主要為液態(tài)的汽油,高度用L表示;氣相區(qū)主要為油氣與空氣的混合氣體,高度用h表示;氣相區(qū)與液相區(qū)的交界處稱為氣液邊界層。模型艙的深度為H。模型艙簡圖如圖2(A、B、C分別為加油孔、透氣孔、濃度傳感器)所示。

圖2 試驗油艙模型及儀器安裝示意圖Fig.2 Tank model and schematic diagram of instrument installation

每次進行裝貨試驗前,模型艙內(nèi)充滿干凈空氣,密封,艙內(nèi)氣體壓強等于當?shù)卮髿鈮骸Ｔ囼為_始時,打開透氣口自由排氣,通過計量泵控制,分別進行兩組4種不同加油速度的注油試驗,裝載率同為95% (114 L)。試驗記錄透氣口處排出氣體的實時體積分數(shù)。至轉(zhuǎn)載率為95%后,經(jīng)過充分靜置,艙內(nèi)氣體體積分數(shù)達到飽和,為81.6%(試驗時通過空調(diào)系統(tǒng)控制試驗室的環(huán)境溫度為26℃)。

2.2 加油速度確定

選擇動力相似中的歐拉準則數(shù)來確保模型油艙和原型在加油過程中加油管內(nèi)的壓力相似。歐拉數(shù)定義為

式中,v為加油速度,m/s;p為加油孔處加油管內(nèi)的壓力,Pa。

由于油船裝貨輸油管的數(shù)量、管徑和流量設(shè)定不相同,裝貨速度不固定,因此考慮實際油船單根輸油管的裝油速度及模擬的便利性,假設(shè)油艙注油的單根輸油管速度為流量50 L/min、壓力為80 MPa,按照歐拉相似準則得到模型艙的加油速度為1.38 L/min、壓力為0.06 MPa。

裝貨試驗共設(shè)計兩組4種加油速度:第一組為考慮實際油船裝貨速率,按照歐拉相似所得速度1.38 L/min;第二組為了研究不同裝貨速率產(chǎn)生不同晃蕩強度時對透氣口B處排出氣體體積分數(shù)的影響,結(jié)合計量泵的量程及最小刻度的實際情況,設(shè)計出裝貨速率間隔大約為0.5 L/min的3個速度2.46、2.96、3.46 L/min。

3 試驗結(jié)果及其討論

3.1 不同裝貨速度下透氣體積分數(shù)變化

裝油過程中模型艙內(nèi)油氣并沒有達到飽和,模型艙透氣口處氣體體積分數(shù)的增長原因主要有兩方面:①油面的上升造成油氣在氣相區(qū)的對流;②油氣分子的自然擴散。試驗結(jié)果如圖3所示。為了加強不同數(shù)據(jù)之間的可比性,對數(shù)據(jù)進行了無量綱化處理,如圖4所示。

圖3 不同裝貨速率下排出氣體體積分數(shù)變化曲線Fig.3 Concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

圖4 無量綱化處理后不同裝貨速率下排出氣體體積分數(shù)變化Fig.4 Dimensionless concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

從圖4可以發(fā)現(xiàn),第一組速度(1.38 L/min)下,當裝載率達到70%之前,透氣口排出氣體體積分數(shù)處于較低水平,約為35%,且上升較慢。裝載率在70%～95%時,氣體體積分數(shù)快速上升,最后達到90%,接近飽和。這主要因為在加油過程中從液面蒸發(fā)出的油氣分子的自然擴散為從體積分數(shù)高的地方向體積分數(shù)低的地方進行,這使得艙內(nèi)的油氣體積分數(shù)分層:越靠近液面,油氣體積分數(shù)越大。在裝載率達到70%之前,主要為油氣分子自然擴散,聚集形成油氣體積分數(shù)層;同時,艙內(nèi)空間較大,油氣的對流效應(yīng)比較弱,油氣從產(chǎn)生至傳遞到透氣口處有延遲效應(yīng),使得此過程中透氣口處排出的油氣體積分數(shù)較小。隨后,裝載率從70%上升到95%,隨著液面的上升,氣相區(qū)體積縮小,對流效應(yīng)越來越明顯,延遲效應(yīng)越來越弱,同時,油氣分子自然擴散進行得更加充分,透氣口排出氣體的體積分數(shù)上升加快,體積分數(shù)越來越大。

結(jié)合圖4和式(5),第二組3個速度下,模型艙頂氣體遠未達到飽和,排出氣體體積分數(shù)變化趨勢大體相同。隨著裝貨速率增大,裝貨時間減少,裝載率達到95%時,艙頂排出氣體體積分數(shù)逐漸變小,依次相差約10%。這是由于3個速度比較接近,液位的上升速度相差不大,造成的對流效應(yīng)與未定擴散系數(shù)Dn較為一致。同時,這3個裝貨速率都較大,液位上升較快,在裝載率達到95%時,油氣氣體分子未能進行充分擴散,氣體體積分數(shù)比較低,造成對流效應(yīng)不明顯,所以透氣體積分數(shù)比較低,沒有出現(xiàn)明顯的快速增大過程。

3.2 透氣體積分數(shù)的增長速率變化

為了研究不同裝貨速率下透氣口處排出氣體體積分數(shù)的增長速率的變化情況,對圖3中所得到的氣體體積分數(shù)進行求導。具體為:分別在4條曲線上等間隔取14個點,求出每個點的導數(shù)(油氣體積分數(shù)對時間的導數(shù)),即為該點體積分數(shù)增長速率。用這14個點代表整條曲線上氣體體積分數(shù)增長速率的變化趨勢,并對x軸進行無量綱化處理,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同裝貨速率下排出氣體體積分數(shù)增長速率Fig.5 Growth rate of exhaust gas concentration in different loading speeds

從圖5可以看出,限制性空間中透氣口處排出氣體體積分數(shù)的增長率先緩慢增加,然后快速增加,與圖3中排出油氣體積分數(shù)的增長變化類似。增長速率與時間不為直線關(guān)系,也不是類似淺盤試驗中的對數(shù)關(guān)系,而為一個特殊的拋物線關(guān)系;在裝貨速率為1.38 L/min時,氣體體積分數(shù)的增長速率明顯小于其他3種裝貨速率的情況;第二組的3個速度下,氣體體積分數(shù)增長速率在裝載率達到50%之前幾乎一樣,隨后依次增大。

在裝載率達到50%之前,第一組速度下透氣口處油氣體積分數(shù)的增長速率大于第二組3個速度下油氣體積分數(shù)的增長速率;裝載率超過50%以后,第二組3個速度下透氣口處油氣體積分數(shù)的增長速率大于第一組速度下的增長速率。形成這種現(xiàn)象的主要原因:在裝載率達到50%之前,影響透氣口處油氣體積分數(shù)增長速率的因素是油氣分子的自然擴散,即Dm和Dn起主要作用;裝載率超過50%之后,主要影響因素為由于液面上升W所引起的對流效應(yīng)。尤其是第二組的3個速度下,雖然液面上升的速度W不一樣,即油氣的對流效應(yīng)不一樣,但在裝載率達到50%之前,氣體體積分數(shù)增長速率幾乎一樣,且很低。這更能夠說明在裝貨的前半段,透氣口處油氣體積分數(shù)增長速率的主要影響因素為油氣分子的自然擴散。

圖5實際體現(xiàn)了油氣的對流擴散與透氣口處油氣的透氣效應(yīng)對體積分數(shù)的綜合作用結(jié)果,即油氣的對流擴散產(chǎn)生的累積效應(yīng)大于透氣效應(yīng),因此在裝貨過程中導致頂部體積分數(shù)趨于增大。在裝貨初始階段(裝載率達到50%之前),由于空擋高度產(chǎn)生的滯后效應(yīng),由W形成的對流產(chǎn)生的累積效應(yīng)還未得到體現(xiàn);同時艙內(nèi)氣體體積分數(shù)較低,透氣產(chǎn)生的消散效應(yīng)也基本沒有;因此透氣體積分數(shù)會上升,但增長率相對較低。第二階段(裝載率50%～95%),對流產(chǎn)生的累積效應(yīng)發(fā)揮主導作用,大于透氣產(chǎn)生的消散效應(yīng),因此透氣體積分數(shù)上升較快,增長率相對較大。

4 結(jié) 論

(1)油艙進行加油時,在裝載率達到70%之前,透氣口處排出氣體體積分數(shù)緩慢上升,且水平較低;在此之后,排出氣體體積分數(shù)迅速增加,接近飽和。透氣口處排出氣體體積分數(shù)的增長速率的變化先為緩慢變大,后迅速增大。在加油的前期(裝載率約為50%之前)起主要作用的為油氣分子的自然擴散;在加油的后期主要影響因素為液面上升所引起的油氣對流效應(yīng)。

(2)在類似油艙這樣的有特定開口的限制性空間的完整加油過程中(0～95%),油氣的產(chǎn)生與排出分為0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四個階段:?0～5%,油品的晃蕩效應(yīng)很明顯,此時排出艙外的主要為艙內(nèi)原有的空氣或惰性氣體,排出的油氣很少;?5%～50%,透氣孔處排出油氣體積分數(shù)緩慢變大,主要影響因素為油氣分子充分的自然擴散;?50%～70%,透氣孔處排出油氣體積分數(shù)繼續(xù)變大,增長率大于前一階段,主要影響因素為液面上升所引起的油氣對流效應(yīng);?70%～95%,透氣孔處排出油氣體積分數(shù)迅速增大,最后接近飽和。

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(編輯 沈玉英)

Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen
(College of Petrochemical and Energy,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Oil-vapor emission from the oil tanker during loading operation will bring a variety of hazards.And the liquid sloshing caused by loading is one of the factors which influence the oil evaporation and emission.The relationship between the oil-vapor emission and the liquid sloshing intensity was studied.An approximate 1/40 scale model of the oil tanker was established to conduct loading experiments,and then the comprehensive effects of diffusion,convection and ventilation on the behavior of oil-vapor emission in the entire loading process(0－95%)were studied.The results show that in a limited space such as oil tanker,with the change of the loading speeds,the changing rules of oil-vapor emission from the breather hole can be approximately divided into four stages,which are 0－5%,5%－50%,50%－70%,70%－95%.

loading speed;sloshing effect;limited space;convention-diffusion theory;experiment

TE 832;TE 988

A

1673-5005(2014)05-0160-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.023

2013－12－02

國家自然基金項目(51079129)

盧金樹(1974－),男,副教授,博士研究生,主要從事船舶安全與污染控制領(lǐng)域的研究工作。E－mail:chinesezzy@163.com。

盧金樹,朱哲野,劉楓琛.限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應(yīng)[J].中國石油大學學報:自然科學版,2014,38(5):160-164.

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen.Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):160-164.