馬端祝 戴麗平 婁仁杰

〔中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司 遼寧大連 116031〕

近年來(lái)，儲(chǔ)罐靜電事故時(shí)有發(fā)生。例如2011年8月某石化公司柴油罐靜電爆炸著火事故，2016年10月某油庫(kù)汽油裝車(chē)靜電閃爆事故，2015年1月某油庫(kù)汽油裝車(chē)靜電閃燃事故等，這些事故都說(shuō)明了加強(qiáng)油品靜電安全管理的重要性。目前油品靜電安全控制措施主要靠控制油品流速的方法實(shí)現(xiàn)，但有些事故是在流速符合要求的情況下發(fā)生的，因此，控制油品流速不能完全控制靜電事故的發(fā)生。

衡量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油品靜電危險(xiǎn)最有效的方法是測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油品油面電位，我國(guó)規(guī)定輕質(zhì)油品的安全電位為12 kV[1]。油面電位測(cè)量采用的方法是按照《GB6951-86輕質(zhì)油品裝油安全油面電位值》規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)量。該方法的原理是使用一個(gè)金屬銅球收集油面電荷來(lái)進(jìn)行測(cè)量，有一定的危險(xiǎn)性，在實(shí)際生產(chǎn)中，從安全因素的角度考慮，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際油面電位無(wú)法通過(guò)這種方法測(cè)量，只能通過(guò)計(jì)算的方法來(lái)獲得。國(guó)內(nèi)王菊芬等推導(dǎo)了管輸油品油流電流計(jì)算公式和儲(chǔ)油罐內(nèi)電荷密度計(jì)算模型[2-4]，田強(qiáng)等研究了管輸油品沖流電流與油品流速的關(guān)系[5]，劉卓超等研究了儲(chǔ)罐油面電位分布規(guī)律及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油面電位的影響[6-7]，國(guó)外油品靜電的理論研究文獻(xiàn)較早，Koszman等提出了一個(gè)低電導(dǎo)率流體流動(dòng)帶電的理論計(jì)算公式[8]。Klinkerberg等研究了電荷密度的計(jì)算方程[9]，Walmsley和Carruthers則分別建立了長(zhǎng)方形儲(chǔ)油罐和圓柱形儲(chǔ)油罐的靜電勢(shì)計(jì)算模型[10-11]，Lees[12]等研究了低電導(dǎo)率油品在絕緣儲(chǔ)罐內(nèi)的電場(chǎng)計(jì)算模型，但值得一提的是，這些計(jì)算模型中涉及的參數(shù)很多在實(shí)際情況下無(wú)法獲得，因此這些方法都具有一定的局限性，并且這些方法的準(zhǔn)確性也尚無(wú)定論。

本文采用油品靜電模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬油品輸送起電過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)油品流速、空氣濕度、過(guò)濾器等影響油品靜電的參數(shù)來(lái)改變油品靜電起電量，取代通常計(jì)算的方法獲得儲(chǔ)罐入口油品電荷密度方法，采用實(shí)際測(cè)量的方法獲得油品電荷密度，將油品電荷密度測(cè)量值代入常用的油面最大電位計(jì)算公式[13]，找出油面電位計(jì)算值和測(cè)量值之間的關(guān)系，修正油面電位計(jì)算公式。

1 油面電位計(jì)算公式的理論分析

油面最大電位計(jì)算通常采用的比較簡(jiǎn)單的公式為[13]：

(1)

式中：Q——為油品體電荷密度；

r0——圓柱體半徑；

ε——介電常數(shù)。

此公式適用條件為無(wú)限長(zhǎng)帶電圓柱體中心對(duì)

表面的電壓計(jì)算公式，相比其它計(jì)算模型，此公式計(jì)算簡(jiǎn)單，式中的各個(gè)參數(shù)容易獲得，但應(yīng)用此公式需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件，一是油品電荷密度恒定，二是圓柱體為無(wú)限長(zhǎng)，因此是一種理想的狀態(tài)，與實(shí)際情況不符，用此公式計(jì)算油面電位比實(shí)際測(cè)得的電位值要大很多，主要是因?yàn)椋?/p>

(1)沒(méi)有考慮油品靜電逸散問(wèn)題，此公式假設(shè)油品電荷密度是恒定不變的，在實(shí)際情況下油罐都是接地的，油品是不斷進(jìn)入儲(chǔ)罐的，不同時(shí)間進(jìn)入儲(chǔ)罐后的油品的靜電荷隨著時(shí)間的變化會(huì)不斷地逸散，因此雖然油品在進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)的電荷密度是相同的，但經(jīng)歷了不同時(shí)間的靜電荷逸散后油品電荷密度發(fā)生變化的量是不同的，因此，儲(chǔ)罐內(nèi)油品的電荷密度和油罐入口的電荷密度是不一樣的，應(yīng)用此公式時(shí)應(yīng)考慮罐內(nèi)油品電荷逸散問(wèn)題。

(2)沒(méi)有考慮空氣濕度對(duì)儲(chǔ)罐油面靜電的影響，此公式是計(jì)算無(wú)限長(zhǎng)帶電圓柱體中心對(duì)表面的電壓，而不是油面中心的電壓，油面靜電荷與空氣中的水分子接觸會(huì)加速靜電荷的逸散，因此，應(yīng)用此公式計(jì)算油面電壓時(shí)還應(yīng)考慮油面靜電荷與空氣接觸后靜電荷逸散的問(wèn)題。

綜合以上兩點(diǎn)，要應(yīng)用此公式來(lái)計(jì)算出符合實(shí)際情況的油面電壓，應(yīng)考慮進(jìn)入油罐的油品電荷逸散情況及油面與空氣接觸油面電荷逸散情況，需要對(duì)公式進(jìn)行修正。

2 儲(chǔ)罐油面電位計(jì)算公式的修正

2.1 靜電荷逸散對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐油品電荷密度的影響

液態(tài)烴電荷逸散可以用下面的公式(2)表示[14]：

(2)

式中：Q——電荷密度，C/m3；

Q0——初始電荷密度，C/m3；

t——時(shí)間，S；

ε——介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

σ——液體的電導(dǎo)率，pS/m。

電荷密度的變化情況與電量的變化情況是一致的，因此將上式進(jìn)行積分，可以求出t時(shí)間內(nèi)進(jìn)入油罐內(nèi)液體的電荷密度公式(3)：

(3)

將其帶入電位計(jì)算公式(1)得公式(4)：

(4)

(5)

2.2 油品表面靜電荷與空氣接觸電荷逸散的影響

2.2.1 不同濕度下油品靜電實(shí)驗(yàn)

2.2.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用油品靜電模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬油品輸送起電過(guò)程，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由儲(chǔ)油罐、輸送系統(tǒng)、靜電發(fā)生裝置、測(cè)量罐、法拉第油品電荷密度測(cè)試系統(tǒng)、油面電壓測(cè)試系統(tǒng)、油品電導(dǎo)率處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變油品靜電的影響因素，比如油品流速、過(guò)濾器、空氣濕度等來(lái)改變油品的靜電起電量，測(cè)量?jī)?chǔ)罐入口油品電荷密度和油面最大電壓兩個(gè)衡量油品靜電危險(xiǎn)的重要參數(shù)。

圖1 油品模擬實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.1.2 儲(chǔ)罐油面電壓測(cè)量系統(tǒng)

儲(chǔ)罐油面電壓測(cè)量示意見(jiàn)圖2。

圖2 儲(chǔ)罐油面電壓測(cè)量示意圖

油面電壓測(cè)試系統(tǒng)按照《GB6951-86輕質(zhì)油品裝油安全油面電位》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，取消了定滑輪系統(tǒng)，采用軟導(dǎo)線(xiàn)直接等電位連接到集電板上，用靜電場(chǎng)強(qiáng)儀進(jìn)行測(cè)試。

2.2.1.3 油品電荷密度測(cè)量

利用該裝置可進(jìn)行油品電荷密度測(cè)量，其原理是采用法拉第法[15]，用電荷量表測(cè)試進(jìn)入法拉第筒內(nèi)的油品電荷量除以法拉第筒的體積即得到油品電荷密度。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示：

圖3 油品電荷密度測(cè)試示意圖

2.2.2 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正油面電壓計(jì)算公式

因?yàn)楦唠妼?dǎo)率油品的靜電荷逸散很快，不能反映純凈油品的真實(shí)起電情況，本實(shí)驗(yàn)采用電導(dǎo)率為(1pS/m～3pS/m)的柴油在油品模擬實(shí)驗(yàn)裝置上模擬油品輸送起電，實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同濕度條件下儲(chǔ)罐入口油品電荷密度Q(6次測(cè)量平均值)和儲(chǔ)罐油面最大電壓U(3次測(cè)量平均值)，以及利用一次修正后公式(5)計(jì)算得到的油面電壓U0及U/U0比值如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

因?yàn)榭諝庵械乃肿邮蔷鶆蚍植嫉?，因此可以假設(shè)空氣濕度對(duì)油面電壓影響為近似線(xiàn)性關(guān)系[16]，以橫坐標(biāo)為濕度，縱坐標(biāo)為U/U0作圖，從圖中點(diǎn)的分布可以看出呈近似線(xiàn)性，做直線(xiàn)使點(diǎn)均布兩側(cè)，如圖4所示。

圖4 濕度與U/U0關(guān)系圖

設(shè)U=(KH+B)U0

取直線(xiàn)上兩點(diǎn)a(0.32，0.076)，b(0.8，0.01)，代入上式，通過(guò)計(jì)算得K=-0.1375，B=0.12，即：

U=(-0.1375H+0.12)U0

(6)

式中：H為空氣相對(duì)濕度。

將公式(6)帶入一次修正公式(5)，得到油面電壓二次修正公式(7)。

(7)

此公式適用條件：濕度： 30%

3 修正公式驗(yàn)證及誤差分析

利用二次修正后的油面電壓計(jì)算公式，計(jì)算出油面電壓值U2，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的油面電壓值U1比較，計(jì)算相對(duì)誤差(U2-U1)/U2×100%整理如表2所示。

表2 修正結(jié)果誤差表

從表2中可以看出，利用二次修正公式計(jì)算的油面最大電位的計(jì)算值的相對(duì)誤差基本都控制在20%以?xún)?nèi)。由于油品靜電的不可控因素很多，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在同一條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差也很大，因此，20%的誤差對(duì)于油面最大靜電電壓來(lái)說(shuō)是可接受的，分析誤差存在的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，參數(shù)變化范圍有限，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，需要改進(jìn)裝置進(jìn)一步獲得更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；

(2)由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境濕度不可控，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中濕度在一定的區(qū)間內(nèi)變化，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差；

(3)電荷密度的測(cè)量與油面電壓的測(cè)量無(wú)法同時(shí)進(jìn)行，會(huì)使計(jì)算使用的電荷密度與進(jìn)行油面電壓測(cè)量時(shí)的實(shí)際電荷密度間存在一定量的誤差；

(4)儀器儀表存在一定的測(cè)量誤差。

4 結(jié)論

本文對(duì)油品進(jìn)入儲(chǔ)罐過(guò)程中油面最大電位計(jì)算公式進(jìn)行了修正研究，考慮了油品靜電荷逸散以及空氣濕度對(duì)油面最大電位的影響，從二次修正后油面最大電位的計(jì)算公式可以得出如下結(jié)論：

(1)油面最大電位與儲(chǔ)罐直徑的平方成正比。儲(chǔ)罐的直徑越大，油面能夠達(dá)到的最大電位越大。因此，對(duì)于大直徑大容積的儲(chǔ)罐，要保證足夠的油品靜置時(shí)間，再進(jìn)行其它操作，確保油品靜電荷充分逸散；

(2)空氣濕度對(duì)油品靜電的影響很大。隨著空氣濕度的增加，油面最大電位顯著降低。因此，在對(duì)于空氣相對(duì)濕度較低的秋天和冬天，要格外關(guān)注油品靜電問(wèn)題；

(3)隨著油品入口電荷密度增加，油面最大電位增加，油品電荷密度與油品的流速、管徑、過(guò)濾器、雜質(zhì)、水分等因素有關(guān)。因此，在油品進(jìn)入儲(chǔ)罐的過(guò)程中要控制油品流速；在油品中含有水分和雜質(zhì)的時(shí)候要降低油品流速來(lái)控制油品靜電的產(chǎn)生量。油品經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后要保證30 s的弛豫時(shí)間，確保油品靜電的充分釋放。