梁 穎,蘇群英,聶 玲,白云云,高續(xù)春
(1.榆林學院 化學與化工學院,陜西 榆林 719000;2.中油國際管道(新疆)有限公司,新疆 烏魯木齊 830014;3.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司采油三廠,新疆 阿克蘇 842012;4.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室,陜西 榆林 719000)
油品在罐內(nèi)存儲的過程中,受日光輻射的影響內(nèi)部油氣空間壓力變化,在壓力達到承載極限時,通過呼氣閥排出超壓氣體以保證油罐的安全,但同時也造成了很大程度上的烴類氣體的釋放。由于此過程排出的是油品的輕質組分,影響油品的存儲質量,并且在低洼處氣體聚集會產(chǎn)生很嚴重的安全風險[1-2]。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中的要求,總容積大于50 m3或單罐容積大于20 m3的液化石油氣儲罐、儲罐區(qū)和設置在儲罐室內(nèi)的小型儲罐應當設置固定噴水冷卻裝置[3]。
巫丕[4]以固定噴水裝置降溫理論為基礎,闡述水噴霧系統(tǒng)中雨淋閥組的工作節(jié)能特性,但沒有引入具體的數(shù)值進行優(yōu)化研究,整體缺乏數(shù)據(jù)支撐。于海麗[5]根據(jù)臥式儲罐的面積近似計算,進一步確定微型儲罐的冷卻水用量,認為10%的安全余量是足夠的。王建偉[6]通過通過指出淋水降溫過程的間斷會導致管內(nèi)溫差急速加大,呼吸損耗的加速,反而起到了反作用。候利中[7]著重介紹了淋水降溫的優(yōu)勢,和其他降耗措施進行了理論優(yōu)勢分析,缺少數(shù)值證明。王建偉[8]通過各種降耗措施的應用效果和研究重心,給出了降耗措施的選擇規(guī)則。石化行業(yè)標準內(nèi)提供了供水強度的計算辦法,但是沒有提出其他匹配設施以形成系統(tǒng),具體的降耗效果難以評估。
本研究在實驗室內(nèi)模擬油罐以及呼吸損耗測試系統(tǒng)的基礎上,設計淋水降溫裝置,通過調整頂管、環(huán)管、立管裝配方式,計算設置淋水強度,對比分析原始實驗裝置的油氣損耗量與淋水降溫作用下的油氣損耗量,優(yōu)化降耗效果。
淋水降溫實驗裝置主要由淋水降溫管線、溫度巡檢儀、奧式氣體分析儀、模型油罐、恒溫水浴箱、氣體流量計、太陽燈、壓力計等組成。
(1)淋水降溫管線:主要由實驗室鵝頸三聯(lián)水龍頭、鋁塑管、三通、不銹鋼接頭組成。
(2)模型油罐:本實驗所用模型油罐由中國石油大學(華東)研制,主要為不銹鋼制成,模型油罐直徑0.60 m,高度0.65 m,體積在172 L左右,設有上、中、下不同高度的3個取樣口,取氣孔高度分別為上部570 mm,中部350 mm,下部350 mm,取氣孔距離180 mm,上、中、下有四個測溫點高度分別是70、130、350、570 mm,各測點安裝溫度傳感器[9]。
(3)奧式氣體分析儀:用于測定分析氣體組成成分,本實驗中被用于測量油蒸汽的濃度。由吸收瓶、量氣管、水準瓶和梳形管組成。
(4)恒溫水浴箱:保持量氣管溫度恒定。
(5)太陽燈:模擬室外高溫天氣。
(6)壓力計:測量罐內(nèi)氣體壓力。
1.2.1供水強度
根據(jù)《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》表8.4.5消防冷卻水供水范圍和供水強度規(guī)定,供水強度取2.5,供水范圍以油罐表面積計算[10]。對于直徑小于20 m的固定頂儲罐冷卻水供給時間為4小時。實驗模擬汽油儲罐。汽油閃點較低且易燃,它的閃點為-50 ℃,爆炸極限在1.3%~6.0%,蒸發(fā)后與空氣接觸形成爆炸型混合物,易發(fā)生爆炸[11-12]。
1.2.2設計流量
冷卻面積:A=πdh=3.14×0.6×0.65=1.23 m2
(1)
式中,d為油罐直徑,m;h為油罐高度,m。
安全系數(shù)取1.05~1.10,計算流量
Q計=1.23m2×2.5 L/(m3.min)=3.1 L/min。
設計流量:Q設=3.1L/min×1.10=3.41 L/min。
1.2.3給水總管
根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定管內(nèi)水平流速,允許不大于5 m/s。取鋁塑管型號DN16,直徑16 mm,得流速:
=0.27 m/s<5 m/s
(2)
則給水總管直徑取16 mm,給水總管的流速為0.27 m/s。
1.2.4給水立管
一根給水立管的流量為:
(3)
初取鋁塑管型號DN16,鋁塑管直徑16 mm,則
則給水立管直徑取16 mm,給水立管的流速為0.27 m/s。
1.2.5環(huán)管流量及流速計算
第一圈(上圈)環(huán)管管徑流速(距罐頂0.143 m)Q1=πd×0.143×2.5×1.05 =3.14×0.6×0.143×2.5×1.05=0.71 L/min,取鋁塑管管徑DN16,則流速
則第一圈管徑取16 mm,流速為0.059 m/s。
(2)第二圈(中圈)環(huán)管管徑流速(距上圈0.157 mm)
Q2=πd×0.157×2.5×1.0
=3.14×0.6×0.157×2.5×1.05=0.78 L/min
取鋁塑管管徑DN16,流速
則第二圈管徑取16 mm,流速為0.064 m/s。
(3)第三圈(下圈)環(huán)管管徑流速(距中圈0.3 m)
Q3=πd×0.3×2.5×1.05
=3.14×0.6×0.3×2.5×1.05=1.48 L/min
取鋁塑管管徑DN16,流速
則第三圈管徑取16 mm,流速為0.123 m/s。
1.2.6噴頭數(shù)量及流量計算
水幕噴頭的安裝布置方式有兩種,若采用矩形布置,則噴頭間距不超過1.4倍的水幕噴頭錐底圓半徑,若采用菱形布置,則噴頭間距不超過1.7倍的水幕噴頭錐底圓半徑。水幕噴頭錐底圓半徑的計算:
R=Btgθ/2
(4)
式中,R為水幕錐底圓半徑,m;B為水幕噴頭與管壁之間的距離,m;θ為水幕噴頭的霧化角,°。
選擇矩形布置,噴頭的霧化角取120°,B取0.05 m;
錐底圓半徑:R=0.05×tg120°/2=0.09 m;
噴頭間距:1.4R=1.4×0.09=0.13 m;
噴頭環(huán)管周長:l=2π(D/2+0.05)=2×3.14×(0.3+0.05)=2.2 m。
每圈噴頭個數(shù),取整為17個。共由上中下三圈環(huán)管,噴頭總數(shù)3×17=51個(實驗時噴頭使用管壁鉆孔代替,數(shù)量仍取每圈17個,間距0.13 m)。
1.2.7噴頭流量計算
第一圈(上圈)環(huán)管噴頭流量:(Q1=0.71)/17=0.042 L/min;
第二圈(中圈)環(huán)管噴頭流量:Q2=0.78/17=0.046 L/min;
第三圈(下圈)環(huán)管噴頭流量:Q3=1.48/17=0.087 L/min。
1.3.1給水總管流量校核
消防噴淋水冷卻的實際流量:
Q實=(0.042+0.046+0.087)×17=2.975 L/min
實際流量與計算流量比值滿足要求。
1.3.2供水壓力校核
初步設計使用實驗室鵝頸三聯(lián)水龍頭提供水源和壓力。已知實驗室鵝頸三聯(lián)水龍頭可提供最大壓力為1×106Pa。
(1)通過伯努利方程計算各圈環(huán)管所需揚程:
(5)
其中,v1為環(huán)管流速,m/s;z1為環(huán)管距罐底高度(0.6-0.143=0.457),m;P1為環(huán)管壓力(壓力計測得3×105Pa),Pa;p為鵝頸三聯(lián)水龍頭提供壓力,Pa;H為環(huán)管所需揚程,m。
則第一圈環(huán)管所需揚程為:
同理測得z2=0.443 m,z3=0.3 m求得第二圈環(huán)管所需揚程H2=31.06m、第二圈環(huán)管所需揚程H3=30.91 m,則鵝頸三聯(lián)水龍頭提供壓力為:
(H1+H2+H3)ρg=9.1×105Pa<1×106Pa
即可以使用實驗室鵝頸三聯(lián)水龍頭提供水源和壓力。
(1)管線連接:首先使用不銹鋼接頭將給水總管一頭與鵝頸三聯(lián)水龍頭連接,給水總管延實驗臺平鋪至油罐底部一側,再使用彎頭將給水總管另一頭與立管連接,立管延管壁垂直向上與管壁保持一定距離,三圈環(huán)管分別按照設計數(shù)據(jù)環(huán)繞模型儲罐并使用三通與立管連接。立管和三圈環(huán)管與罐壁保持5 cm間距。
(2)多通道溫度巡檢儀的連接:罐內(nèi)安裝有四個熱電阻,分別測量油面上氣體空間的溫度和油品溫度,探針從罐頂引出,與多功能溫度巡檢儀連接。
(3)氣體流量計的連接:用橡皮管將油罐頂右側的呼吸閥與流量計進氣孔連接,再將流量計出氣孔與外部的呼吸閥連接,可檢測是否油蒸汽呼出[13]。
(4)奧式氣體分析儀的連接:利用橡皮管將罐頂左側呼吸閥與奧式氣體分析儀量氣管梳形管連接。
(5)恒溫水浴箱的連接:利用橡皮管把奧式氣體分析儀量氣管下端與恒溫水浴箱進水口連接,再將奧式氣體分析儀量氣管上部與恒溫水浴箱出水口連接。保證量氣管內(nèi)溫度恒定,測得油蒸汽體積準確。
(6)壓力計:壓力計與罐頂左側呼吸閥連接。
實驗準備過程中,將汽油從油罐底部裝入,觀察油罐液位計,當?shù)竭_液位計的標記線處時,停止裝樣,此時油品體積約為18 L。首先安裝好分析儀,把吸收液(煤油)倒入吸收瓶中,然后通過提高或降低壓力的方法來檢查其氣密性。
(1)在安裝好實驗裝置后,由罐底加入實驗用汽油約18 L,對儀器進行氣密性檢測, 水浴箱溫度調至20 ℃。
(2)打開實驗裝置,在未開太陽燈的情況下使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進行吸收,記錄吸收油蒸汽體積△V1、罐內(nèi)壓力P1及氣體流量Q1,記錄此時罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t1)。
(3)隨后打開太陽燈,模擬日照使罐內(nèi)油品升溫,當罐外的呼吸閥出現(xiàn)第一個氣泡時,認為此時油蒸汽開始逸散,快速使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進行吸收,記錄吸收油蒸汽體積△V2、罐內(nèi)壓力P2及氣體流量Q2,記錄此時罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t2)。對照組實驗同時打開淋水降溫裝置,對罐體進行冷卻降溫,測得壓力約為3×105Pa。
(4)在3步驟進行的同時開始計時,計時10分鐘后,再次使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進行吸收,記錄吸收油蒸汽體積△V3、罐內(nèi)壓力P3及氣體流量Q3,記錄此時罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t3)。
(5)在4步驟進行的同時再次計時10 min,10 min后使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進行吸收,記錄吸收油蒸汽體積△V4、罐內(nèi)壓力P4及氣體流量Q4,記錄此時罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t4)。氣體流量Q5,記錄此時罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t5)。
(6)將水浴箱溫度調至30 ℃,當溫度達到30 ℃時,認為此時為終了狀態(tài),使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進行吸收,記錄吸收油蒸汽體積△V5、罐內(nèi)壓力P5。
(7)關閉實驗裝置,待實驗裝置完全冷卻后在進行一次測量,并記錄兩組數(shù)據(jù)。
原始數(shù)據(jù)記錄見表1、表2、表3。
表1 對照組數(shù)據(jù)記錄(未使用淋水降溫裝置)
表2 實驗組(1)數(shù)據(jù)記錄(使用淋水降溫裝置 )
表3 實驗組(2)數(shù)據(jù)記錄(使用淋水降溫裝置)
(6)
計算出油氣濃度C0、C1、C2。其中,V1為取樣體積,mL;V2為剩余體積,mL;△V為氣體體積變化量,mL;Pa為當?shù)卮髿鈮篜a;Ps為水的飽和蒸汽壓Pa;Pm為煤油的飽和蒸汽壓,Pa;
再利用公式計算蒸發(fā)損耗量:
(7)
ρ=MyPa/(RT)
(8)
表4 對照組實驗結果(未使用淋水降溫裝置)
表5 實驗組1數(shù)據(jù)(使用淋水降溫裝置)
表6 實驗組2數(shù)據(jù)(使用淋水降溫裝置)
圖1 油氣濃度對比分布圖
根據(jù)對照組實驗數(shù)據(jù)(表1)可以看出,在未打開淋水降溫裝置時,罐體溫度持續(xù)上升,罐頂溫度上升最快在短短半小時內(nèi)從26.0 ℃上升到60.8 ℃上升了34 ℃左右,通過管壁傳熱使油品溫度上升了8 ℃,油品持續(xù)蒸發(fā)油蒸汽濃度也在不斷上升,實驗終了時油蒸汽濃度達到0.57 mol/L,整個過程中損失油品782 mL。由兩組實驗組數(shù)據(jù)(表2,表3)可以看出,油蒸汽剛開始向外逸散時立即打開淋水降溫裝置此時罐體溫度21.3 ℃,經(jīng)過半小時的太陽燈照射和淋水降溫,最終溫度僅僅上升了22 ℃,油品的溫度也只增長了4 ℃。實驗終了時油蒸汽濃度也僅有0.30 mol/L,油氣濃度下降20.75%,損耗量下降達29.47%,兩次實驗平均損耗油品604 mL。
通過整個實驗可以看出,存在淋水降溫裝置的情況下,油罐溫度、油品溫度和油蒸汽濃度的上升都有所減緩,并且隨著淋水時間的延長這些數(shù)值慢慢達到一個平衡,最終使油品的損耗減少了178 mL。
(1)本實驗經(jīng)過優(yōu)化設計改進,證明淋水降溫裝置能夠有效減緩太陽燈照射下油品溫度的上升。未采用淋水降溫裝置油品溫度上升了7.9 ℃,而采用淋水降溫的兩組實驗最終油品溫度僅上升了3.1 ℃和3.6 ℃,降低了外界環(huán)境對油品溫度的影響。
(2)未采用淋水降溫時油品損耗了782 mL,采用淋水降溫油品損耗明顯減少只有626 mL和604 mL,油氣濃度下降20.75%,損耗量下降達29.47%,可見淋水降溫對減少油品蒸發(fā)損耗有明顯的效果。
(3)隨著模擬日照的時間增加,采用淋水降溫的實驗組油蒸汽濃度逐漸趨于穩(wěn)定。