李 棟,郭 曦,王 迪,,馬鵬博,孫偉棟,王明吉
(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;2.東北石油大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;3.中國石化管道儲運有限公司,江蘇 徐州 221008)
中央排水管是大型浮頂罐必需的排水裝置,其有效防止浮頂雨雪堆積,但由于儲液腐蝕、儲罐沉降、受力不均等原因?qū)е缕淦茡p發(fā)生油品微泄漏,其泄漏通常難以察覺,若不及時發(fā)現(xiàn)則將導(dǎo)致環(huán)境污染,甚至引發(fā)燃爆事故[1-2]。因此,開展中央排水管泄漏油品擴(kuò)散研究對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和安全預(yù)警措施制定具有重要工程意義。
目前,關(guān)于浮頂罐中央排水管油氣泄漏的相關(guān)研究較少,而對輸油輸氣管道及儲罐泄漏的研究較多[3-5]。中央排水管泄漏油氣擴(kuò)散不同于現(xiàn)有管道及儲罐泄漏研究,其需要考慮半封閉空間內(nèi)多組分氣體擴(kuò)散過程。謝飛等人采用FLACS軟件對浮頂罐密封圈油氣泄漏狀態(tài)進(jìn)行分析,建議在容易泄漏處安裝可燃?xì)怏w監(jiān)測裝置[6]。而中央排水管管徑較小,無法在泄漏口安裝氣體監(jiān)測裝置??烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)不同于傳統(tǒng)的氣體檢測方法,具有檢測靈敏度高、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點,成為氣體泄漏安全監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點[7-10]。然而該技術(shù)是否適用于對浮頂罐中央排水管泄漏油氣濃度的檢測,目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。
基于以上研究成果,本文建立了浮頂罐中央排水管泄漏油氣擴(kuò)散模型,以中央排水管出口監(jiān)測點的濃度為對象,模擬分析了泄漏位置對中央排水管泄漏油氣擴(kuò)散的影響,并通過實驗驗證了中央排水管出口油氣泄漏激光檢測的可行性。
圖1所示浮頂罐中央排水管出現(xiàn)破損點后,受壓力及重力影響罐內(nèi)儲液(通常為原油)從破損點流出。油品泄漏后中央排水管內(nèi)會聚集大量的輕烴組分(簡稱油氣)。當(dāng)排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)時,浮盤排水入口在中央排水管泄漏狀態(tài)下變成了油氣擴(kuò)散出口,故出口處油氣濃度檢測結(jié)果可作為判斷中央排水管是否發(fā)生泄漏的重要依據(jù)。
圖1 浮頂罐中央排水管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of central drain pipe of floatingroof tank
如圖2所示為中央排水管泄漏油氣擴(kuò)散物理模型。
圖2 物理模型Fig.2 Physical model
原油揮發(fā)的油氣成分復(fù)雜,根據(jù)文獻(xiàn)[11],揮發(fā)過程的油氣組分中丙烷、丁烷及戊烷所占體積分?jǐn)?shù)較高,因此本文選用了丙烷、丁烷、戊烷的混合氣作為泄漏油氣。
中央排水管內(nèi)油氣泄漏擴(kuò)散滿足以下方程[12]:
連續(xù)性方程
式中:ρ為油氣密度;u為油氣在中央排水管內(nèi)的流速。
動量守恒方程
式中:P為油氣微團(tuán)上的壓力;μ為油氣動力黏度;τ為分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力;ρa為空氣密度。
能量守恒方程
式中:T為油氣溫度;σT、σc分別為油氣表面拉應(yīng)力和表面壓應(yīng)力;ω為各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);cpv、cpa、cp分別為油氣定壓比熱容、空氣定壓比熱容、混合氣體定壓比熱容。
標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程
式中:k、ε分別為湍動能和耗散率;μt為湍流黏度;Gk、Gb分別為由平均速度梯度和浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;YM為可壓湍流項中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn);Sk、Sε為源項;C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。
組分運輸方程
泄漏口采用速度入口邊界,泄漏速度為0.5 m/s,泄漏孔徑為5 mm;出口邊界采用壓力出口邊界條件,出口壓力采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;其余均采用壁面邊界且無滑移?;趬毫η蠼馄鬟M(jìn)行求解,壓力與速度耦合選用SIMPLE算法,除能量方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10?6,其余均設(shè)為10?3,迭代時間步長設(shè)為0.1 s。
根據(jù)比爾-朗伯定律,推導(dǎo)得出直接吸收光譜法待測油氣濃度表達(dá)式為[13]:
式中:C為待測油氣體積分?jǐn)?shù),%;A為油氣光譜吸光度;P為環(huán)境壓強,atm;S(T)為待測油氣在該波段的吸收譜線線強,僅與環(huán)境溫度有關(guān),cm?2·atm?1;L為吸光光程,cm。
為驗證本文模型,與文獻(xiàn)[14]天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)中二維模型尺寸為200 m×2 m,泄漏口為速度入口,泄漏速度為100 m/s,泄漏孔徑為10 mm。本文建立了與文獻(xiàn)中尺寸相同的模型,其余設(shè)置參考1.3節(jié)模擬條件。
如圖3所示,通過對比本文和文獻(xiàn)中模擬10 s的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)氣體有著相似的形狀和擴(kuò)散規(guī)律,說明本文模型及求解方法的正確性。
圖3 模型驗證Fig.3 Model validation
當(dāng)泄漏口在Leak1、Leak2、Leak3位置時(見圖2),報警時間分別為561.5 s、1 023.5 s、1 869.5 s(報警時間取泄漏初始時刻至監(jiān)測點a體積分?jǐn)?shù)到達(dá)0.3%的時間[15])。
通過模擬得到監(jiān)測點a、b、c、d、e、f濃度變化曲線(監(jiān)測點位置見圖2)。觀察圖4的油氣濃度變化曲線,發(fā)現(xiàn)雖然3幅圖的曲線變化規(guī)律明顯不同,但結(jié)合各監(jiān)測點的位置,依然可以找到相似的擴(kuò)散規(guī)律:當(dāng)監(jiān)測點位于泄漏口同一側(cè)時,各監(jiān)測點的曲線斜率接近,而不同側(cè)的監(jiān)測點曲線斜率相差較大。因此可以通過分析管內(nèi)各點濃度變化曲線的斜率,大致分析出泄漏點的位置。
圖4 不同泄漏位置各監(jiān)測點濃度變化曲線Fig.4 Concentration change curves of each monitoring point at different leak locations
采用10%濃度的CH4代替成分復(fù)雜的油氣進(jìn)行TDLAS系統(tǒng)監(jiān)測中央排水管出口濃度的可行性研究,實驗檢測原理如圖5所示。
圖5 激光檢測實驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser detection experimental system
圖6所示為本實驗系統(tǒng)的實物圖。本實驗在壓力為1 atm、溫度為20 ℃的室內(nèi)進(jìn)行。具體操作如下:開啟系統(tǒng)所有設(shè)備,校準(zhǔn)激光器和光電探測器位置,使數(shù)字示波器輸出信號為鋸齒波的形狀。關(guān)閉控制閥1并打開控制閥2,調(diào)節(jié)甲烷輸配控制器,設(shè)定流量為100 ml/min后打開氣瓶。CH4在一段時間后擴(kuò)散至模擬管道外,當(dāng)看到數(shù)字示波器吸收峰穩(wěn)定后開始記錄20組波形數(shù)據(jù)。繼續(xù)將流量分別調(diào)為150 ml/min、200 ml/min,各測20組數(shù)據(jù)。
圖6 實驗系統(tǒng)圖Fig.6 Picture of experimental system
本文采用直接吸收光譜法進(jìn)行濃度反演,將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入至計算機(jī)中進(jìn)行篩選得到如圖7所示的CH4分子原始吸收譜線波形。通過對該原始信號進(jìn)行S-G卷積平滑降噪處理以及Voigt線型函數(shù)擬合得到CH4光譜吸光度曲線積分面積A,特定環(huán)境溫度下吸收譜線線強S(T)可根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫查出,在環(huán)境壓強P和測量光程L已知的情況下,根據(jù)(8)式即可計算得到待測CH4體積分?jǐn)?shù)。
圖7 原始吸收譜線波形Fig.7 Original absorption spectral-line waveform
圖8所示Voigt線型函數(shù)擬合殘差,可以看出Voigt線型函數(shù)的擬合殘差在±5%以內(nèi),曲線擬合優(yōu)度為0.997 9。
圖8 Voigt線型函數(shù)擬合殘差Fig.8 Voigt linear function fitting residual
計算結(jié)果如圖9所示,圖中CH4的濃度出現(xiàn)了較大的波動,這是室內(nèi)空氣的擾動和氣體擴(kuò)散的不確定性造成的結(jié)果。排水管出口CH4的濃度隨流量的增大而增大,原因是當(dāng)氣體流量較小時,氣體動能較小,運移至排水管出口時立即向周圍空氣中擴(kuò)散,導(dǎo)致濃度較低。當(dāng)流量為200 ml/min時,個別實驗組CH4濃度高于10%,可能因為濃度在反演的過程中,平滑降噪、Voigt擬合等處理均會產(chǎn)生誤差,對反演結(jié)果造成影響。由此實驗說明,TDLAS技術(shù)可以用于油氣擴(kuò)散檢測實驗,并具有適用于中央排水管泄漏油氣檢測的前景,但尚需進(jìn)一步完善其具體測量方法和求解算法。
圖9 不同流量下CH4濃度反演結(jié)果Fig.9 Inversion results of CH4 concentration at different flow rates
本文通過數(shù)值模擬分析了不同泄漏位置對油氣擴(kuò)散特性的影響,找到了中央排水管內(nèi)各點濃度變化曲線的斜率與泄漏口間的規(guī)律性。開展了TDLAS技術(shù)檢測原理的激光檢測實驗,對排水管出口的CH4濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,驗證了浮頂罐中央排水管泄漏激光檢測的可行性,為中央排水管監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供了一定的參考價值。