袁朝慶，劉 彥，王志遠，王義熒，馬 良

（1.黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，大慶 163318；2.東北石油大學土木建筑工程學院，大慶 163318）

大型儲罐安全運行的重要性和緊迫性較為突出，必須采取有效監(jiān)控措施，及時地發(fā)現(xiàn)事故隱患和最大限度地減少災害造成的損失［1－4］。

光纖傳感器［5－7］特別是利用光纖采集和傳輸信號，做到現(xiàn)場無電檢測，安全防爆，特別適用于易燃易爆場所的計量、健康監(jiān)測和管理。

筆者擬對正常使用狀態(tài)下的大型儲罐，利用FLUENT 軟件對其進出油時內部溫度場變化規(guī)律進行分析。對地震作用下的大型儲罐，利用ADINA 軟件研究其位移、加速度和應力變化規(guī)律。對大型儲罐的液位、溫度、壓力、應變等參數(shù)利用光纖傳感技術進行自動監(jiān)測、顯示和報警，設計出大型儲油庫罐區(qū)的光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

1 大型儲罐內部溫度場仿真計算

以某油庫五萬方儲罐為例，建立二維仿真模型。儲罐的參數(shù)為：直徑D為60m，高度hg為19.35m，液位高度hW為17.86 m，儲油罐的罐壁平均厚度為20mm，罐頂板的厚度為5mm，罐底板的平均厚度為10mm，罐壁的保溫材料采用聚氨酯保溫材料，平均厚度取為50mm。罐頂、罐底無保溫材料。在FLUENT 前處理Gambit中建立二維模型，進行網格劃分，將土壤上方的儲罐設成Fluid流體區(qū)域，將儲罐下面的土壤設為Solid固體區(qū)域。在Fluent中進行邊界條件設置，將罐壁兩側設成對流換熱，對流換熱的傳熱系數(shù)為21.56 W／（m2·K），自由面的溫度是通過一個C＋＋語言程序來進行控制的，環(huán)境溫度函數(shù)為隨時間變化的周期函數(shù)。罐底與土壤之間設置成耦合，恒溫層厚度取到地下10 m深，兩側土壤設置成絕熱。

儲罐在進油或者出油的時候，液位的升降引起浮頂上升和下降，這個往復動態(tài)運動可借助于動網格來實現(xiàn)。原油的密度、粘度、粘度系數(shù)和導熱系數(shù)取值詳見文獻［8－9］，罐內原油的粘度系數(shù)為1.06kg／（m·s），其他參數(shù)見表1。儲油罐與大氣的對流換熱系數(shù)為，單位為W·m－2·K－1，v為平均風速。儲罐以0.0139m／s的速度通過進出油管（管中心距罐底0.7 m 高，管徑φ530mm×15mm）進出油，油溫為318K。

表1 材料物性參數(shù)的選取

給出兩個液位高度儲罐出油時的溫度場分布圖，如圖1～2所示（選取冬季最冷的天氣，外界大氣溫度245K）。液位高度值分別1／2液位高度值（8.93m），1／10液位高度值（1.87m）。

從圖1～2的溫度場分布中可以得出以下結論：

（1）土壤的溫度場呈現(xiàn)梯度分布，冬季儲罐左右兩側土壤的溫度低于儲罐下方的土壤溫度。土壤溫度由上往下依次降低，罐底1m 范圍內土壤的溫度場與儲罐中的油溫接近，達到300K 以上；罐底1～6m范圍內土壤的溫度在280～300K之間；罐底6～10m范圍內，土壤溫度接近恒溫層的溫度277.7K。

（2）儲罐中原油溫度場的分布情況為：罐頂處的原油溫度較低，罐底的原油溫度高于罐頂原油溫度，罐壁的原油溫度高于罐頂和罐底原油溫度，儲罐中央區(qū)溫度最高，始終在318K 高溫附近。罐頂是一層薄鋼板，沒有保溫層，直接與大氣進行熱交換，因而溫降較快。罐底雖然也沒有保溫層，但它下部與大地土壤接觸，相對熱量損失較小，所以罐底處溫降小于罐頂。罐壁設有較厚的保溫層，保溫效果良好，罐壁溫降相對緩慢，接近于原油溫度。儲罐中央區(qū)的溫度最高（即高溫區(qū)），基本上保持原油的溫度值318K。

圖1 不同液位儲罐（出油）溫度等值線

圖2 1／10液位儲罐（出油）溫度等值線局部放大

（3）儲罐的液位越高，高溫區(qū)范圍越大。隨著儲罐出油，原油液位降低，由于原油自身的溫降現(xiàn)象，高溫區(qū)范圍逐漸減小，并向下偏移，溫度逐漸降低，罐頂附近將出現(xiàn)凝油。

通過對浮頂罐進出油時溫度場分析，可以發(fā)現(xiàn)：浮頂處（沒有保溫層）由于與外界直接對流換熱，容易出現(xiàn)凝油。罐底（沒有保溫層）與大地土壤導熱，一般不會凝油。罐壁有保溫層，因此溫度散失很小，可以忽略。對大型浮頂罐溫度監(jiān)測，應重點監(jiān)測浮頂，建議在工程中為浮頂加設保溫層，防止凝油。

2 水平地震激勵下儲罐動響應仿真分析

仿真計算時，首先考慮靜力加載，在儲罐上施加豎向重力加速度－9.8m／s2，對罐體施加儲液重力荷載10s；然后輸入地震波10s，選用El－centro波，儲罐前10s為靜力作用，后10s為地震作用。地震波加速度峰值3.33m／s2，對應的時刻為12.14s。

立式儲罐x向位移峰值沿罐壁高度方向分布如圖3～4 所示。由圖3 可見靜力作用時，罐壁1.97m出現(xiàn)最大位移，此處為罐壁象足變化區(qū)；罐壁8.89米處出現(xiàn)位移次峰值，此處為儲液重心區(qū)。如圖4可見，地震作用下，儲罐的位移和有效應力均放大，在儲液重心區(qū)出現(xiàn)最大值，象足變化區(qū)出現(xiàn)次峰值，說明在地震作用下，液體產生動力響應，使位移和有效應力增大，儲液重心處響應大于象足變化區(qū)的響應，這與靜力作用截然不同。

圖4 地震作用下沿罐壁高度相對位移峰值分布

圖5給出了地震作用下沿罐壁高度加速度峰值分布圖，罐壁11.9m 處出現(xiàn)加速度最大值，此處為液固耦合作用區(qū)（儲液在此范圍內與固體的鋼罐壁產生相互耦合作用）。可以看出罐壁的加速度值沿罐壁高度方向有放大效應，在液體高度范圍內的罐壁加速度峰值逐漸增大，因為液固耦合作用在液固耦合區(qū)達到極值，然后逐漸減小。

圖5 地震作用下沿罐壁高度加速度峰值分布

經計算發(fā)現(xiàn)，地震作用下儲罐液固耦合區(qū)、液體重心區(qū)和象足變化區(qū)（罐壁高度11.9、8.89、1.97m處）有效應力分別放大1.69 倍、1.55 倍和1.31倍；地震作用下位移分別放大1.62倍、1.58倍和1.33倍；加速度峰值分別放大1.96倍、1.78倍和0.97倍。考慮地震作用后，有效應力、位移和加速度放大效應明顯，說明地震作用引起的動力效應不容忽略。

3 基于光纖傳感技術監(jiān)測大型儲罐運行狀態(tài)

根據1、2節(jié)的仿真結果，利用光纖傳感技術進行大型儲罐實時監(jiān)測。對于大型儲罐內部，可監(jiān)測其罐體的液位、溫度和壓力；對于外部，可監(jiān)測其加速度、位移和應力，考慮監(jiān)測的合理性和可操作性，布置應變傳感器監(jiān)測應變，利用材料性質從而監(jiān)測其應力變化。在儲罐的眾多參數(shù)測量中，不僅要保證系統(tǒng)具有高測量精度，而且要具有良好的本質安全性能，同時要保證功率與測量的遠距離傳輸。

液位、溫度等參數(shù)及超高報警、火災報警等實時監(jiān)測，對于大型儲罐的管理具有十分重要的意義。系統(tǒng)采用光纖傳感技術，主要監(jiān)測的參數(shù)范圍為：①儲罐液位監(jiān)測精度：±2mm。②溫度監(jiān)測精度：0.5 ℃。③應變監(jiān)測精度：4.5με。④壓力監(jiān)測精度：0.003 MPa。⑤高溫報警≥80℃。

3.1 單個大型浮頂罐光纖監(jiān)測系統(tǒng)構成

建立一套合理的監(jiān)測系統(tǒng)，同時在儲罐的不同位置進行布點，系統(tǒng)主要功能是能夠及時實現(xiàn)儲油罐的溫度、壓力、液位和應變監(jiān)測，然后將監(jiān)測數(shù)據反饋給油田企業(yè)中的相關人員，從而可以更好地監(jiān)控油田的安全生產。單罐監(jiān)控系統(tǒng)如圖6所示。

該監(jiān)測系統(tǒng)構成如下：32 芯通訊電纜若干，光纖光柵解調分析儀，單芯鎧裝電纜若干，顯示監(jiān)測所得到的溫度、應變、壓力以及液位的顯示器一臺。每個大型儲罐布置光纖溫度傳感器45個，光纖液位傳感器2個，光纖壓力傳感器5個，光纖應變傳感器38個，共90個。該系統(tǒng)安全防爆，測量結果準確，精度較高，響應的時間很快，實現(xiàn)了不帶電電檢測。

圖6 單罐監(jiān)控系統(tǒng)流程

數(shù)據處理監(jiān)控中心采用BG＿FBG＿8125 型16通道光纖光柵網絡分析儀，該光纖光柵分析儀精度高，分辨率高，儀器成本低。波長分辨率高達1pm，同時具有光譜分析的功能；動態(tài)范圍高達50dB，可消除線路損耗過大引起的測量誤差；波長范圍寬，可達1 525～1 565nm，每通道監(jiān)測20個傳感器，掃描頻率為2Hz／通道，掃描5通道僅需0.1s。最多可同時監(jiān)測320個傳感器，掃描時間為0.32s。

3.2 單個大型浮頂罐光纖監(jiān)測點布置

結合第1、2節(jié)溫度場、應力等數(shù)值仿真結果，對儲罐進行合理地布置傳感器。

仿真的結果表明，進出油的不同時刻，儲罐浮頂附近的溫度波動最大，在罐底的溫度波動較大，高溫區(qū)主要集中在罐中央偏下處。罐中央的溫度比較高，出現(xiàn)凝油的幾率較低，此處布置的光纖傳感器的數(shù)量可以少一些；罐底附近的溫度相對罐中央附近的溫度偏低，此區(qū)域的布置光纖溫度傳感器數(shù)量要多一些，防止凝油現(xiàn)象的發(fā)生。罐頂附近的溫度是罐中溫度最低的區(qū)域，是罐中溫度監(jiān)測中的危險區(qū)域，有可能出現(xiàn)凝油現(xiàn)象，因而是監(jiān)測的重點，傳感器布置的數(shù)量要盡量多一些。罐壁有保溫層，溫度比較高，在罐體內部不需布置傳感器監(jiān)測罐壁溫度。

儲罐的液位、壓力是隨著浮頂?shù)纳刀l(fā)生變化的，只需要沿著儲罐的浮頂來布置光纖傳感器，在浮頂?shù)牟煌ǖ捞幏謩e將這些光纖傳感器所采集到得信息通過光纜傳到中央監(jiān)控室，從而可以清楚地得知儲罐中每一時刻的液位、壓力值。由于在儲罐的入口和出口處有流體的流進、流出，在這兩個地方的壓力值變化明顯，因此在出口、入口的邊緣附近要布置上一定數(shù)量的壓力傳感器。

罐壁上液固耦合區(qū)、液體重心區(qū)和象足變化區(qū)的加速度、位移、應力變化明顯，考慮安裝方便，采用光纖光柵應變傳感器進行監(jiān)測，同時監(jiān)測罐壁溫度。這三個區(qū)域光纖傳感器要布置在儲罐罐壁鋼板外側，保溫層內部。

浮頂開口共有四個，其中量油管、導向管各一個，管徑為φ273mm×8mm；浮船入口兩個，孔徑為φ600mm×10mm。

傳感器的布置考慮到經濟、安全、可靠。為了優(yōu)化傳感器的布置，可以選取兩個浮船入口進行光纖液位傳感器的布置，浮球直接放入儲液中，用以監(jiān)測液位和液面晃動變化（特別是大風或是地震時），布點情況如圖7所示，共布置2個光纖液位傳感器。光纖液位傳感器通過1通道光纜連接到監(jiān)控室。

圖7 光纖液位傳感器布置

在導向管內沿高度分別在17.86、8.93m 和罐底共布置3個光纖壓力傳感器，用來監(jiān)測儲罐上、中、下三個部位的壓力；在出、入油管圓心中心線上距罐底0.4m 處和1.0m 各布置一個光纖壓力傳感器，用來監(jiān)測進出油時進出油管附近的壓力變化。光纖壓力傳感器的數(shù)量一共5個，具體布置情況如圖8所示，將這些壓力傳感器采集的信息通過1通道光纜傳到監(jiān)控室，最后通過監(jiān)控室來處理所監(jiān)測到得壓力值。

在浮頂上升和下降的過程中，隨著液位的不斷變化，儲罐中溫度隨之變化，對儲罐中不同高度和位置的溫度監(jiān)測是重點內容之一，要合理地布置光纖溫度傳感器，通過最少量的光纖溫度傳感器來達到監(jiān)測溫度的目的。

在1＃和2＃浮船入口的浮頂?shù)装逑赂骱敢欢伍L1m 的鋼筋，用來布置加密的溫度傳感器，1＃浮船入口布置傳感器距浮頂?shù)装宸謩e為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1m，2＃浮船入口布置傳感器距浮頂?shù)装宸謩e為0.05，0.1，0.3，0.5，0.7，0.9m，共12個光纖溫度傳感器，浮船入口光纖溫度傳感器布置如圖8所示。隨浮頂升降，監(jiān)測距浮頂1 m 范圍內的溫度變化，此處溫度變化劇烈，散熱量最大，冬季易出現(xiàn)凝油。利用量油管和導向管布置一定數(shù)量光纖溫度傳感器，量油管中的光纖溫度傳感器用于監(jiān)測距離罐底17.86，17，16，14，12，10，8，6，4，2，1，0.8，0.6，0.4，0.2，0 m 處的溫度值，在量油管中的光纖溫度傳感器的數(shù)量為16個。導向管中布置的光纖溫度傳感器用于監(jiān)測距離罐底17.6，17.4，17.2，15，13，11，9，7，5，3，1.5，0.9，0.7，0.5，0.3，0.1m 處的溫度值，在導向管中的光纖溫度傳感器數(shù)量為16個。距罐底1m 高度范圍內溫度傳感器進行了加密，此范圍內溫度波動較大，是主要的散熱部位。儲罐內部共布置44個溫度傳感器監(jiān)測溫度變化。在距離儲油罐20m 的地方布置一個光纖溫度傳感器，用于監(jiān)測環(huán)境溫度，量油管和導向管中光纖溫度傳感器的布置如圖9所示。

圖8 光纖壓力傳感器和浮船入口光纖溫度傳感器布置

如圖9所示，取四分之一外罐壁，布置兩列光纖應變傳感器，同時監(jiān)測管外壁溫度，一列光纖應變傳感器距罐底高度為0，1，1.8，2，2.5，3，5，7，8.5，8.9，9，9.2，11，11.5，11.9，13，15，17，17.5m；另一列光纖應變傳感器距罐底高度為0，0.5，1，1.5，2，2.2，4，6，8，8.9，9.5，10，11.9，12.2，12.5，13，14，16，17.86 m；距罐底1.97，8.89，11.9 m 的象足變化區(qū)、液體重心區(qū)和液固耦合去進行加密監(jiān)測。共布置傳感器38 個，光纖應變傳感器布置如圖9所示。

系統(tǒng)安裝完成后可實現(xiàn)功能為：①在油罐發(fā)生火災前，溫度有異常波動時能及時報警。②能設置多級溫度報警和溫升速率報警并在線實時顯示溫度值，并經溫度值比較后顯示最高溫度及相應位置，可根據現(xiàn)場實際情況任意調整報警值。③系統(tǒng)能重復使用，誤報率低。④能和原有火災自動報警系統(tǒng)兼容。

圖9 罐壁光纖應變傳感器和量油管、導向管光纖溫度傳感器布置

對于正常運行的儲罐，其溫度、壓力、應變會在一定的范圍內波動，液位隨著浮頂?shù)纳刀吆徒档?。如果溫度超過或低于正常極值5℃時即可設定報警，應變超過正常應變極值20με時設定應變報警，也可以根據實際運行情況設定報警界限。

4 結語

（1）通過對儲罐中溫度場變化規(guī)律進行分析，有利于光纖溫度傳感器的合理布置。

（2）通過對儲罐的靜力和動力分析，找到需進行重點監(jiān)測的關鍵區(qū)域。

（3）結合溫度場、液位、壓力場、應力等數(shù)值仿真結果，對儲罐進行合理地布置光纖傳感器。

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