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        油田儲油罐非甲烷總揮發(fā)實驗及仿真模擬

        2020-12-25 12:55:58劉華欣王永強趙朝成段濰超
        化工環(huán)保 2020年6期
        關(guān)鍵詞:儲液儲油罐油罐

        劉華欣,王永強,2,劉 芳,趙朝成,段濰超,王 歌

        (1. 中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室,山東 青島 266580;3. 中國石油大學(xué)(華東) 安全環(huán)保與節(jié)能技術(shù)中心,山東 青島 266580)

        目前,我國油氣田行業(yè)中一些位置偏遠(yuǎn)、油量規(guī)模較小的油氣井需要在周圍設(shè)立臨時儲油罐,簡稱單井拉油罐,定期由裝油罐車運輸油品到聯(lián)合站。此過程中存在嚴(yán)重的油氣揮發(fā),已成為油氣田主要揮發(fā)性有機化合物(VOCs)的排放源。單井拉油罐的VOCs排放包括靜置損耗和工作損耗[1-2]。據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)研,由于油氣井儲油量較小,單井拉油罐進油速率慢,收發(fā)油周期約為3~5 d,一年的周轉(zhuǎn)量不大,因此儲油罐主要的損耗來自靜置損耗。本文就儲油罐的靜置損耗展開研究。

        油氣田中存在的單井拉油罐主要包括:高架立式方罐、立式固定頂罐及臥式固定頂罐。其中只有臥式固定頂罐安有呼吸閥,其余兩種類型儲油罐未裝呼吸閥且直接與大氣相連,油品長時間靜置儲存必定會產(chǎn)生較大的揮發(fā)量[3-4]。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域油氣揮發(fā)量常用非甲烷總烴(NMHC)質(zhì)量濃度進行表征。NMHC是指從總烴中扣除甲烷后其他氣態(tài)有機化合物(主要是C2~C8)的總稱[5],可作為油氣田行業(yè)VOCs排放的指標(biāo)。

        本研究建立了小型單井拉油罐蒸發(fā)損耗實驗平臺,研究不同因素對NMHC質(zhì)量濃度的影響,同時利用Fluent14.5進行仿真模擬,為油氣田行業(yè)VOCs的排放核算提供數(shù)據(jù)支持。

        1 實驗部分

        1.1 原料及裝置

        原油樣品取自勝利油田,經(jīng)GC-MS檢測,主要VOCs組分為C5~C15的飽和烷烴。單井拉油罐蒸發(fā)損耗實驗裝置如圖1所示[6]。儲油罐為直徑25 cm、高35 cm的圓柱體,原油通過泵從儲油罐下部裝入或排出。罐頂設(shè)有直徑2 cm、高1.5 cm的揮發(fā)口,在此處設(shè)置采樣點S。儲油罐下端設(shè)有水浴加熱系統(tǒng),儲油罐左側(cè)為供風(fēng)系統(tǒng),調(diào)控環(huán)境風(fēng)速,室內(nèi)裝有空調(diào)可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度(環(huán)境溫度)。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》(GB 50341—2014)[7]將儲油罐的液面高度劃分為最低液面(H1,7 cm)、操作液面(H2,23 cm)和最高液面(H3,30 cm)。

        圖1 單井拉油罐蒸發(fā)損耗實驗裝置

        1.2 實驗方法

        將原油通過泵裝入罐中,設(shè)定液面高度,以6℃/h的升溫速率加熱原油,保持無風(fēng)環(huán)境,室內(nèi)環(huán)境溫度保持25 ℃,然后通過調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)、風(fēng)力系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)進行具體實驗條件設(shè)定,采集不同條件下的S點處氣樣,測定其NMHC質(zhì)量濃度。

        1.3 分析方法

        采用氣相色譜法測定NMHC質(zhì)量濃度[8]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、液面高度為H2、升溫速率為6 ℃/h的條件下,儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖2所示。由圖2可見:隨儲液溫度升高,NMHC質(zhì)量濃度明顯增大;當(dāng)儲液溫度為16℃時,NMHC質(zhì)量濃度只有84 mg/m3;當(dāng)儲液溫度為28 ℃時,NMHC質(zhì)量濃度超過900 mg/m3,可見,儲液溫度對儲油罐油氣揮發(fā)影響程度較大。

        圖2 儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        2.2 儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、升溫速率為6℃/h的條件下,儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖3所示。由圖3可見,隨著儲液高度的增加,NMHC質(zhì)量濃度不斷增大。

        圖3 儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        儲液高度對單位體積儲液揮發(fā)量的影響如圖4所示。由圖4可見,除去19 ℃以外,其余溫度下儲液高度均在H2時單位體積儲液揮發(fā)量最小。因此儲油罐液面高度應(yīng)保持在H2處,即儲油罐的2/3高度處,可減少單位體積油品的揮發(fā)損耗。

        圖4 儲液高度對單位體積儲液揮發(fā)量的影響

        2.3 有風(fēng)和無風(fēng)環(huán)境對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        在液面高度為H2、升溫速率為 6℃/h的條件下,儲油罐處于有風(fēng)(風(fēng)速2 m/s)和無風(fēng)環(huán)境對NMHC質(zhì)量濃度的影響見圖5。由圖5可見,有風(fēng)環(huán)境下NMHC質(zhì)量濃度大大低于無風(fēng)環(huán)境,這是因為風(fēng)力的作用加速了揮發(fā)油氣的擴散。

        圖5 有無風(fēng)環(huán)境下NMHC質(zhì)量濃度對比

        2.4 環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、儲液溫度為(16±0.5) ℃、液面高度為H2的條件下,環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖6所示。由圖6可見:隨著環(huán)境溫度的升高,NMHC質(zhì)量濃度小幅增大。

        2.5 小結(jié)

        根據(jù)實驗結(jié)果可以看出,儲液溫度和有無風(fēng)環(huán)境對儲油罐NMHC揮發(fā)影響較大,儲液高度和環(huán)境溫度對其影響較小。

        圖6 環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

        3 儲油罐油氣擴散數(shù)值模擬

        數(shù)值模擬在描述組分?jǐn)U散現(xiàn)象中有著廣泛的應(yīng)用。不少學(xué)者利用Fluent等仿真模擬方法,對常規(guī)的拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐排放及加油站油氣擴散傳質(zhì)進行研究,揭示罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴散傳質(zhì)及罐外排放的規(guī)律[9-11]。本文選取組分傳輸模型模擬油罐VOCs揮發(fā)擴散情況,通過模擬不同儲液溫度下的油罐揮發(fā)規(guī)律來驗證模型的準(zhǔn)確性,再進行油氣揮發(fā)的擴散模擬,為管控油田儲油罐VOCs揮發(fā)擴散提供技術(shù)支撐。

        3.1 數(shù)學(xué)模型

        基于Fluent軟件開展油氣擴散模擬,建立的基本控制方程包括:連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。風(fēng)沿一定方向吹向內(nèi)浮頂罐,會造成罐內(nèi)油品擴散運移,需遵守組分輸運方程[12-13]。

        湍流模型是為雷諾應(yīng)力建立起的表達(dá)式,目前常用的有零方程模型、一方程模型和兩方程模型,而在實際工程中應(yīng)用最多的是k-ε兩方程模型及其改進形式。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型都適用于湍流充分發(fā)展的流動[14]。Realizablek-ε湍流模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能更好地展現(xiàn)流動分離和旋渦,也比標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型能更準(zhǔn)確地展現(xiàn)濃度分布[15-17]。

        3.2 模型驗證

        3.2.1 參數(shù)設(shè)定

        儲油罐氣相空間內(nèi)油氣揮發(fā)模型如圖7所示。儲油罐內(nèi)液面為H2,計算區(qū)域為儲油罐的氣相空間。將蒸發(fā)擴散組分簡化為油氣和空氣兩種組分,模擬油氣組分傳輸,關(guān)鍵參數(shù)為組分質(zhì)量擴散系數(shù)(Df,m2/s)。

        圖7 儲油罐氣相空間內(nèi)油氣揮發(fā)模型

        3.2.2 模擬結(jié)果

        儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發(fā)0.5 h的模擬濃度場如圖8所示。由圖8可見,從油氣液面處到揮發(fā)口處濃度模擬值呈階梯式遞減。

        圖8 儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發(fā)0.5 h的模擬濃度場

        不同儲液溫度下儲油罐揮發(fā)口處油氣揮發(fā)濃度模擬值與實測值對比如圖9所示。

        圖9 不同儲液溫度下儲油罐揮發(fā)口處油氣揮發(fā)濃度模擬值與實測值對比

        二者的揮發(fā)程度與儲液溫度呈正相關(guān),因?qū)崪y指標(biāo)為NMHC質(zhì)量濃度,而模擬值是用油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示燃料油氣的濃度場分布情況,所以二者數(shù)值上有一定差距,但二者總體變化趨勢一致,可以證明選取的數(shù)值模型是可靠的。

        3.3 油氣揮發(fā)擴散模擬

        3.3.1 參數(shù)設(shè)定

        選取某油田高架立式單井拉油罐進行油氣擴散模擬(見圖10)。油罐容積30 m3,直徑3.5 m,高3.0 m,罐頂量油口直徑0.15 m,高架臺高2.0 m。利用Fluent前處理軟件Gambit建立高架儲油罐及周圍區(qū)域的二維幾何模型,其計算域為20 m(x)×14 m(y),高架臺處做空白區(qū)域處理,網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,流動區(qū)域網(wǎng)格劃分為370 022單元,185 884個總體節(jié)點(見圖11)。建立模型時做以下基本假設(shè):

        (1)環(huán)境壓力101 325 Pa,環(huán)境溫度和油溫為300 K(假設(shè)揮發(fā)過程中溫度恒定);

        (2)擴散系數(shù)Df為常數(shù),300 K時油氣與空氣的擴散系數(shù)Df= 8.83×10-6m2/s;

        (3)模擬有風(fēng)環(huán)境擴散情況,揮發(fā)口油氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值1,不隨擴散時間變化。

        圖10 某油田高架立式單井拉油罐

        圖11 高架儲油罐二維幾何網(wǎng)格劃分模型

        3.3.2 模擬結(jié)果

        3.3.2.1 無風(fēng)環(huán)境下油氣擴散

        無風(fēng)條件下油氣擴散濃度場分布見圖12。由圖12可見:泄漏擴散濃度場呈現(xiàn)蘑菇云狀,罐頂揮發(fā)口處油氣濃度最大,以此為中心濃度呈階梯狀向周圍降低;擴散100 s,儲油罐頂部揮發(fā)口處油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.33%~6.67%,根據(jù)《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》[18](GB/T12474—2008),常溫常壓、干燥及低點火能的工況下,油氣蒸氣的爆炸下限為1.3%,爆炸上限為6.0%,在較短時間內(nèi),該區(qū)域危險系數(shù)大幅增加;隨著擴散時間的增加,泄漏出的油氣與環(huán)境空氣不斷進行對流,儲油罐油氣擴散范圍逐漸縮??;擴散300 s后,油氣積聚不明顯。

        圖12 無風(fēng)條件下油氣擴散濃度場分布

        3.3.2.2 有風(fēng)環(huán)境下油氣擴散

        有風(fēng)條件下油氣擴散濃度場分布如圖13所示。擴散濃度場偏向下風(fēng)向無規(guī)則擴散,因原油油氣蒸發(fā)速率較慢,隨著擴散時間的延長,油氣在風(fēng)力作用下大部分散失在大氣中;隨著風(fēng)速增大,空氣對流會加速油品蒸發(fā),導(dǎo)致擴散濃度場面積不斷增大;在風(fēng)速為5 m/s的環(huán)境下,擴散300 s的濃度場面積相比擴散200 s時要小,但揮發(fā)口處的油氣積聚面積增大。由此可見,風(fēng)速對于非密封儲油罐的油氣擴散影響顯著,風(fēng)速越大,泄漏量越多,油氣積聚現(xiàn)象明顯,企業(yè)應(yīng)采取安裝呼吸閥的方式密封罐體,可以有效減少空氣對流作用產(chǎn)生的油品蒸發(fā)問題。

        圖13 有風(fēng)條件下油氣擴散濃度場分布

        4 結(jié)論

        a)儲油罐內(nèi)液體溫度對損耗量影響較大,揮發(fā)的NMHC質(zhì)量濃度與儲液溫度成正比。在短時間儲存油品期間,油罐揮發(fā)口處NMHC質(zhì)量濃度隨儲液高度升高而增大,儲液高度在儲油罐2/3高度處,單位體積儲液揮發(fā)量最小;有風(fēng)環(huán)境下儲油罐內(nèi)原油揮發(fā)的NMHC質(zhì)量濃度低于無風(fēng)環(huán)境,環(huán)境風(fēng)速加快了空氣對流,加速油品的蒸發(fā)損耗;隨著環(huán)境溫度的升高,儲油罐揮發(fā)出的NMHC質(zhì)量濃度小幅度增大,環(huán)境溫度對儲油罐損耗的影響較小。

        b)仿真模擬無風(fēng)環(huán)境下,油氣揮發(fā)口處短期存在油氣積聚現(xiàn)象,擴散100 s,儲油罐頂部揮發(fā)口處NMHC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.33%~6.67%,存在安全隱患;擴散300 s后,油氣積聚不明顯。仿真模擬有風(fēng)環(huán)境下,當(dāng)風(fēng)速為1 m/s,擴散濃度場偏向下風(fēng)向無規(guī)則擴散,油氣積聚不明顯;隨著風(fēng)速增大,擴散濃度場面積不斷增大;在風(fēng)速為5 m/s的環(huán)境下,擴散300 s的濃度場面積相比擴散200 s時更小,但泄漏口處的油氣積聚面積增大。

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