譚凱 賈海海 張艷麗 演強(qiáng) 李永生 董艷國 李俐瑩

1長慶工程設(shè)計(jì)有限公司

2大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

外浮頂油罐具備油品蒸發(fā)損失小、儲存安全性高等優(yōu)點(diǎn)，因而在大型石油儲備庫和輸油站中得到了廣泛應(yīng)用。大型石油儲罐多采用外浮頂結(jié)構(gòu)，工作過程中浮盤可沿罐體滑動，兩者之間設(shè)置有兩次密封。罐壁掛油和罐內(nèi)油品揮發(fā)等因素易導(dǎo)致一、二次密封空間內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)，在雷暴天氣或靜電作用下存在燃燒甚至爆炸風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。隨著外浮頂油罐的大量建設(shè)與使用，密封圈火災(zāi)防范也越來越受關(guān)注，為預(yù)防外浮頂油罐火災(zāi)，通常設(shè)計(jì)有固定式泡沫滅火系統(tǒng)、噴淋冷卻系統(tǒng)等，其缺點(diǎn)是事故發(fā)生后被動地做出系統(tǒng)響應(yīng)，滅火效果易受天氣等因素影響。不同于傳統(tǒng)滅火方式，大型外浮頂油罐主動安全防護(hù)系統(tǒng)能在密封圈內(nèi)氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)進(jìn)行惰性氣體注入保護(hù)[3]，保證氣體濃度始終處于安全范圍，做到事前有效預(yù)防，為油罐提供實(shí)時(shí)防護(hù)，能從根本上消除密封圈火災(zāi)隱患。

1 研究目的與方法

主動安全防護(hù)系統(tǒng)通過在兩次密封之間充入惰性氣體來實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w和氧氣的稀釋與置換，通過研究主動安全防護(hù)系統(tǒng)工作過程中不同注氮參數(shù)下油氣濃度變化情況，確定氣體注入?yún)?shù)的合理取值，實(shí)現(xiàn)密封空間的快速惰化，減少不必要的氮?dú)鈸p耗，有助于進(jìn)一步保障油罐運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降本增效。

以現(xiàn)有主動安全防護(hù)系統(tǒng)的工作參數(shù)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，使用Fluent流體軟件進(jìn)行分析計(jì)算，模型經(jīng)過驗(yàn)證后調(diào)整注氮參數(shù)，得到不同情況下系統(tǒng)的注氮時(shí)長、氮?dú)庥昧亢陀蜌鉂舛确植记闆r，分析注氮參數(shù)對系統(tǒng)惰化效果的影響。

2 主動防護(hù)系統(tǒng)工作原理

外浮頂油罐罐體與浮頂之間存在制造、安裝誤差，加之收發(fā)油過程中浮盤的上下移動，兩次密封之間長期存在可燃?xì)怏w與氧氣的混合物，屬于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。主動安全防護(hù)系統(tǒng)能對可燃?xì)怏w和氧氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并根據(jù)各站場實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)動作而改變氣體濃度[4-5]。前期在某站的應(yīng)用中安全判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，氣體濃度超標(biāo)時(shí)，在自動保護(hù)模式下會進(jìn)行氣體惰化保護(hù)，保證在達(dá)到臨界氣體濃度之前消除爆炸隱患。工作時(shí)，取樣泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并檢測氣體濃度，檢測數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制裝置，進(jìn)行存儲并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

表1 安全判定標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Safety judgment standard

3 系統(tǒng)工藝流程

主動安全防護(hù)系統(tǒng)由防護(hù)裝置、氣體制備存儲裝置、控制裝置及管網(wǎng)系統(tǒng)組成（圖1）。各部分通過管網(wǎng)和線纜連接，系統(tǒng)有一套專用控制裝置，用于實(shí)施密封空間內(nèi)氣體濃度的監(jiān)測、控制、聯(lián)鎖和報(bào)警，氣體制備及存儲裝置為系統(tǒng)的惰化保護(hù)提供氣源，而防護(hù)裝置作為系統(tǒng)的核心，是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

圖1 系統(tǒng)工藝流程Fig.1 System process flow

工作時(shí)，密封圈內(nèi)氣體通過取樣管被抽取到防護(hù)裝置，經(jīng)過氣體濃度檢測，系統(tǒng)進(jìn)行安全判定后發(fā)出相應(yīng)動作指令，惰化保護(hù)用氮?dú)獯鎯υ诘獨(dú)鈨迌?nèi)，壓力減小時(shí)從制氮裝置得到氣體補(bǔ)充。

系統(tǒng)控制方式分為現(xiàn)場手動控制、遠(yuǎn)程控制和自動控制三種。通常情況下系統(tǒng)采用自動控制模式，能實(shí)時(shí)分析氣體濃度，自動執(zhí)行相應(yīng)動作指令，可上傳數(shù)據(jù)并記錄運(yùn)行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)注氮參數(shù)分析

4.1 模型建立

主動安全防護(hù)系統(tǒng)已在長慶油田的多座站庫得到應(yīng)用，在某站場10×104m3油罐配套系統(tǒng)的運(yùn)行中，油氣濃度由42%（體積分?jǐn)?shù)）LEL降低至10%LEL共耗時(shí)1 400 s，系統(tǒng)運(yùn)行過程中氣體濃度變化情況如圖2所示。截至目前，2×104m3油罐主動防護(hù)系統(tǒng)在長慶油田尚無應(yīng)用案例。

圖2 氣體濃度變化情況Fig.2 Change of gas concentration

根據(jù)2×104m3外浮頂油罐密封圈的實(shí)際情況，建立密封空間氮?dú)舛杌Ｐ?。首先?×104m3油罐高17.4 m，罐體直徑40.5 m，注氮時(shí)防護(hù)系統(tǒng)的16 套噴頭組件同時(shí)向一、二次密封空間內(nèi)注入氣體，工作狀態(tài)完全相同，為減小計(jì)算量，截取1/16 的密封圈長度作為研究對象。其次，一、二次密封之間的截面近似為直角梯形，可將其簡化為長200 mm、寬350 mm的矩形（圖3）。最后，把注氮孔面積（直徑10 mm）沿密封圈高度方向平均分配，假設(shè)同一位置對應(yīng)的不同高度氣體濃度完全相同（圖4），在流體分析軟件ANSYS Workbench 中建立對應(yīng)模型的長度為7 948 mm，寬度為200 mm，模型上方均勻分布8 個(gè)寬度為0.25 mm 的氣體出口，下方中間有1個(gè)進(jìn)氣口，通過在矩形面內(nèi)注氮來模擬系統(tǒng)工作過程。

圖3 一、二次密封之間的截面簡化模型Fig.3 Simplified model of the section between primary and secondary seal

圖4 ANSYS Workbench中的簡化模型Fig.4 Simplified moldel in ANSYS Workbench

4.2 網(wǎng)格劃分

為減少計(jì)算時(shí)間，在保證模擬精度的前提下應(yīng)盡可能減少網(wǎng)格數(shù)量，由于模型中注氮口、氣體出口的寬度遠(yuǎn)小于壁面長度，宜選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。設(shè)置各壁面網(wǎng)格尺寸為5 mm，注氮口網(wǎng)格尺寸為注氮口的1/10，氣體出口網(wǎng)格尺寸為氣體出口的1/10。

4.3 參數(shù)設(shè)置

密封圈內(nèi)可燃?xì)怏w的主要成分為丙烷，其爆炸下限為2.1%（體積分?jǐn)?shù)）[6]，參照現(xiàn)役主動安全防護(hù)系統(tǒng)實(shí)際工作情況，設(shè)置初始階段密封圈中氧氣占比15%，從Fluent 自帶的材料庫中選擇添加氣體，按照不同分析工況輸入丙烷占比，其余均為氮?dú)?，氮?dú)饧兌葹?00%。取氮?dú)庾⑷胨俣炔淮笥?8 m/s，模擬初期取14 m/s。為防止壓力過高導(dǎo)致的密封破壞，限制工作狀態(tài)下密封空間內(nèi)的壓力高于外界50 Pa，整個(gè)過程中密封圈內(nèi)的氣體壓力保持不變。

4.4 求解過程

選用軟件中Fluent 模塊自帶的壓力基求解器、計(jì)算瞬態(tài)模型，因氣體流速較小，可認(rèn)為其不可壓縮，設(shè)置整個(gè)過程中無熱傳遞[7-9]。氮?dú)庠诿芊馊χ械牧鲃訉儆谕牧髂Ｐ?，使用k-ε模型[10-11]。出口壓強(qiáng)設(shè)定為50 Pa，溫度均為300 K，收斂精度取10-4，計(jì)算步長為0.2 s，迭代步數(shù)為10 000。計(jì)算結(jié)果以圖片文件輸出，觀察計(jì)算區(qū)域內(nèi)油氣濃度分布云圖。

4.5 模擬結(jié)果

（1）注氮孔直徑10 mm，氣體注入速度14 m/s。系統(tǒng)初始油氣濃度為42%LEL（體積分?jǐn)?shù)為0.008 7），工作時(shí)注氮口處油氣濃度迅速降低，逐漸向兩邊擴(kuò)展。從第715 s 開始，平面內(nèi)最高油氣濃度開始下降，降至油氣濃度為10%LEL（體積分?jǐn)?shù)為0.002 1）系統(tǒng)停止工作，歷時(shí)1 402 s，過程如圖5～圖8所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同罐容對應(yīng)的儲罐密封圈空間設(shè)置了不同的噴頭數(shù)量，使單個(gè)噴頭對應(yīng)的惰化空間基本相同，參照10×104m3儲罐主動防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用情況，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，等效方法可行。

圖5 t=300 s時(shí)油氣濃度分布云圖Fig.5 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 300 s

圖6 t=600 s時(shí)油氣濃度分布云圖Fig.6 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 600 s

圖7 t=1 000 s時(shí)油氣濃度分布云圖Fig.7 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 1 000 s

圖8 t=1 400 s時(shí)油氣濃度分布云圖Fig.8 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 1 400 s

（2）不同初始油氣濃度。設(shè)置密封圈中初始油氣濃度分別為100%LEL、80%LEL、60%LEL、42%LEL、20%LEL，其余參數(shù)保持不變，通過有限元模擬計(jì)算將油氣濃度降低至10%LEL 所需時(shí)間，得到相應(yīng)的氮?dú)庥昧浚Y(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，系統(tǒng)動作初始油氣濃度降低時(shí)，對應(yīng)的注氮時(shí)長減少，初始濃度為100%LEL比20%LEL的注氮耗時(shí)增加25.7%。

圖9 不同初始油氣濃度時(shí)的注氮情況Fig.9 Nitrogen injection situation at different initial hydrocarbon concentrations

（3）氣體流量為定值。以注氮孔直徑10 mm（對應(yīng)模型上氮?dú)庾⑷肟趯挾?.224 4 mm），氣體流速14 m/s為基礎(chǔ)，設(shè)置氣體流量為定值，改變注氮口尺寸與氣體流速，計(jì)算并觀察密封圈油氣濃度從42%LEL 降至10%LEL 時(shí)的注氮情況，結(jié)果如圖10 所示。從圖10可以看出，流量一定時(shí)，隨著注氮口減小，對應(yīng)氮?dú)庾⑷胨俣仍黾樱獨(dú)夥肿拥膭幽茉酱?，擴(kuò)散能力越強(qiáng)，惰化效果越好，注氮口寬度為1.346 4 mm比0.112 2 mm時(shí)的注氮時(shí)長增加了2.6%。

圖10 氣體流量為定值時(shí)的注氮情況Fig.10 Nitrogen injection situation at a constant gas flow rate

（4）氣體出口大小固定。注氮噴頭內(nèi)徑為10 mm，設(shè)置氣體流速為8～23 m/s，觀察密封圈內(nèi)油氣濃度從42%LEL 降至10%LEL 所需時(shí)間，計(jì)算氮?dú)庀牧浚Y(jié)果如圖11 所示。從圖11 可以看出，氣體出口大小一定時(shí)，隨著注氣流量的增加，單次注氮時(shí)長減小，但總的用氮量會增加。

圖11 氣體出口大小一定時(shí)的注氮情況Fig.11 Nitrogen injection situation when the gas outlet size is fixed

（5）注氮口形狀不同。氮?dú)獬隹谛螤顣绊懽⒌Ч?，通過模擬計(jì)算使用不同形狀注氮噴頭時(shí)的氮?dú)庥昧浚謩e設(shè)置噴頭為氮?dú)庾⑷敕较蚺c入口垂直、沿密封圈切線雙向注氣，圓弧狀、等腰直角三角形狀、正方形狀三邊注氣，計(jì)算氮?dú)庀牧?，結(jié)果如表2所示。分析可知，在五種噴頭形式中，沿密封圈切線雙向注氣效果最佳，相比于等腰直角三角形狀雙邊注氣，同等注入口大小和注氣速度的情況下減少了2.0%的注氮時(shí)長。

表2 注氮口形狀不同時(shí)的注氮情況Tab.2 Nitrogen injection situation with different nitrogen injection port shapes

5 結(jié)論

（1）以有限元流體分析為基礎(chǔ)，可對大型油罐主動安全防護(hù)系統(tǒng)不同注氮參數(shù)下的惰化效果進(jìn)行有效的量化分析。

（2）同等流量下減小注氮口面積和沿密封圈切線雙向注入氮?dú)饽芸s短系統(tǒng)惰化保護(hù)時(shí)間，進(jìn)一步保障了石油儲罐的安全運(yùn)行。

（3）在保證安全的前提下降低氣體注入流量能減少氣體用量，通過精細(xì)化設(shè)計(jì)和管理，有助于實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效。

（4）不同初始?xì)怏w濃度對應(yīng)惰化時(shí)間不同，且各站場實(shí)際情況存在差異，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整系統(tǒng)注氮參數(shù)。