朱昆鵬， 仲維超， 劉子豪， 趙啟文， 劉家新， 潘一鳴

（1.大連長興島港口投資發(fā)展有限公司， 遼寧 大連 116000；2.大連港石化有限公司， 遼寧 大連 116000）

浮頂排水裝置是浮頂儲罐重要的附件之一［1-3］，可以將浮頂上積聚的雨水、雪水排放至罐外，避免雨水、 雪水過多聚積在浮頂上造成浮盤沉沒，從而確保儲罐的安全運(yùn)行。 因儲罐所存油品的高度存在差異， 排水裝置的排水情況也會呈現(xiàn)不同的流態(tài)。 當(dāng)外浮頂儲罐浮盤的積水量超過一定限值后， 積水會直接從緊急排水裝置進(jìn)入儲罐內(nèi)，影響油品質(zhì)量。

近年來，針對外浮頂儲罐中央排水的特性［4］及基礎(chǔ)沉降， 內(nèi)部金屬軟管材質(zhì)、 規(guī)格對中央排水系統(tǒng)所產(chǎn)生影響［5-6］的相關(guān)研究日益增多。 計算流體力學(xué)（CFD）是利用計算機(jī)對流體流動和傳熱等物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬的技術(shù)，通過CFD 分析計算機(jī)內(nèi)顯示的流場現(xiàn)象， 可較快預(yù)測出流場變化情況。與實(shí)驗(yàn)相比，CFD 具有易獲得流場中的數(shù)據(jù)、成本低、耗時短和流場無干擾的特點(diǎn)，被廣泛用于石油、化工、機(jī)械、水處理、航空航天和船舶等領(lǐng)域［7-12］，特別適用于某些實(shí)驗(yàn)成本較高、規(guī)模較大、工藝流程復(fù)雜的內(nèi)部流體的研究。

本文利用CFD 對某10 萬m3外浮頂油品儲罐的中央排水裝置進(jìn)行仿真模擬， 研究排水過程中排水管內(nèi)部的水流狀態(tài)， 從而分析儲罐浮盤排水情況， 通過計算不同液位高度下中央排水管的排水流量，分析強(qiáng)降雨天氣時儲罐的排水能力。

1 儲罐排水裝置簡介

外浮頂儲罐浮頂呈W 型分布。 中央排水裝置及緊急排水裝置均設(shè)置在W 型中心最低點(diǎn)處，距離儲罐中心的距離約25.6 m，浮頂邊緣及中心均以1/64 的坡度坡向W 型中心最低點(diǎn)。

中央排水裝置一般由浮頂集水坑、單向閥、底部控制閥門及排水管4 部分組成。 其中浮頂集水坑安裝于浮頂?shù)貏葺^低的圓周上， 用于收集浮頂上的積水。 單向閥設(shè)置于集水坑內(nèi)， 出現(xiàn)漏油事故時可防止罐內(nèi)油品流至浮盤而造成的環(huán)境污染和浮盤傾斜的情況。 底部控制閥門通過管線與罐壁及排水管相連， 用于將水排至罐外， 若排水管出現(xiàn)故障，可以關(guān)閉該閥門，防止油品流出罐外，避免油品損失并減小污染。 排水管一端設(shè)置在浮頂處，一端設(shè)置在儲罐底板以上0.2 m 處，呈之字形分布，隨浮頂一起升降。

2 儲罐中央排水裝置排水能力CFD 模擬

2.1 中央排水管物理模型

以外浮頂油品儲罐的中央排水管原型為實(shí)例，其中中央排水管的直徑為0.2 m，集水坑的直徑為0.9 m。 充分考慮儲罐內(nèi)儲存不同容量油品時的液位高度，分別構(gòu)建儲罐液位高度H 為2 m、5 m、7 m、10 m、15 m、19.2 m、20.2 m 時中央排水管的二維物理模型。 將模型拆分為4～5 個面域，采用四邊形的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約20 萬。 對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，模型頂端設(shè)定為壓力入口，底端設(shè)定為壓力出口，其他邊界均設(shè)定為壁面。 外浮頂儲罐中央排水管的二維結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 外浮頂儲罐中央排水管二維結(jié)構(gòu)圖

2.2 中央排水管數(shù)學(xué)模型

2.2.1 流體運(yùn)動基本控制方程

（1）連 續(xù) 性 方 程［13-14］該 定 律 可 表 述 為，單位時間內(nèi)流出控制體的流體凈質(zhì)量總和應(yīng)等于同時間間隔控制體內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量，由此得出流體流動連續(xù)性方程的微分形式為：

式 中，ρ 為 密 度，kg/m3；t 為 時 間，s；ux、uy、uz分 別為x、y、z 方向的速度分量，m/s。

（2）動量方程［13-14］該定律可表述為，外界作用在該微元體上的各種力之和與微元體中流體的動量對時間的變化率相等， 由此可導(dǎo)出動量守恒方程為：

式中，ui、uj分別為i、j 方向的速度分量，m/s；p 為靜壓，τij為應(yīng)力張量，Pa；gi為i 方向上的重力體積力，F(xiàn)i為i 方向上的外部體積力（包含了其他的模型相關(guān)源項(xiàng)），m/s2。

（3）能量方程［13-14］該定律可表述為，進(jìn)入微元體的凈熱流通量加上質(zhì)量力和表面力對微元體所做功與微元體中能量的增加率相等， 其表達(dá)式為：

式中，E 為流體微團(tuán)的總能（包含內(nèi)能、動能和勢能之和），J/kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；T 為溫度，K；hj為組分j 的焓，J/kg；Jj為組分j 的擴(kuò)散通量；τeff為應(yīng)力張量，Pa；Sh為包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他體積熱源項(xiàng)；→u為速度向量。

為減少模擬過程的計算量， 加快迭代計算的收斂速度，設(shè)定雨水在管道中的流動狀態(tài)為層流。

2.2.2 多相流模型

歐拉多相流模型可以用于模擬相間的相互作用及多相流運(yùn)動。 歐拉多相流模型沒有液-液、液-固、氣-固等的差別，其顆粒流是一種簡單的流動，定義時需要至少有一相被指定為顆粒相。

文中模型主要涉及雨水及空氣在中央排水管內(nèi)形成的氣- 液兩相流， 為了貼近實(shí)際的流動狀態(tài)并保證迭代計算過程的持續(xù)收斂， 選用歐拉多相流模型，將氣相設(shè)定為主相，液相設(shè)定為輔相，在初始化的過程設(shè)定一定液位高度的雨水作為模擬計算前的初始狀態(tài)。在出口處設(shè)定速度監(jiān)測線，實(shí)時觀察中央排水管出口的質(zhì)量流量， 判斷雨水的出流狀態(tài)。 設(shè)定時間步長為0.01 s，迭代步數(shù)為800。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

分別構(gòu)建不同儲罐液位高度的數(shù)學(xué)模型，通過模擬計算， 截取8 s 前不同液位高度時中央排水管的質(zhì)量流量監(jiān)測曲線， 見圖2。 需要說明的是， 因模擬計算中默認(rèn)流體的流向?yàn)楦髯鴺?biāo)軸的正向，而底端出水受重力作用向下流出排水管，其方向與y 軸正向恰好相反， 因此圖2 中縱坐標(biāo)質(zhì)量流量數(shù)值前的負(fù)號僅代表方向。

圖2 不同液位高度下中央排水管的出口質(zhì)量流量監(jiān)測曲線

從圖2 可以看出，各液位高度中央排水管雨水出流的整體質(zhì)量流量變化趨勢基本相同，均是隨著出流時間的推移，質(zhì)量流量不斷增大，在達(dá)到峰值后存在短暫的波動， 隨后基本趨于穩(wěn)定。比較各監(jiān)測曲線發(fā)現(xiàn)， 隨著儲罐液位的升高，質(zhì)量流量的峰值越來越大，趨于穩(wěn)定后的質(zhì)量流量也在不斷增大，說明儲罐液位越高，出水口的質(zhì)量流量越大。

此次分析主要是為了探究中央排水管出水口的出流速度，為了計算需要，在中央排水管二維模型構(gòu)建過程中對中央排水管的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。如對本次計算過程中無需考慮的法蘭、閥門等結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略，同時弱化了排水管軟管連接部分、集水槽等結(jié)構(gòu)的局部阻力損失及沿程阻力損失，這些簡化措施有利于更快地得到目標(biāo)結(jié)果，便于后續(xù)進(jìn)一步的計算分析。 此外，實(shí)際雨水中可能會攜帶少量泥沙等雜質(zhì)，所以本模型的仿真結(jié)果與實(shí)際會有所差異，但不會影響中央排水管內(nèi)雨水的出流狀態(tài)。

3 儲罐排水流量分析

3.1 單側(cè)排水管流量核算

按照最不利工況， 即儲罐浮盤上單側(cè)中央排水管工作進(jìn)行分析。 以儲罐液位高度為5 m 時的質(zhì)量流量監(jiān)測曲線 （圖2b） 為例， 雨水出流5 s后，其出口質(zhì)量流量逐漸趨于穩(wěn)定，對應(yīng)的質(zhì)量流量 為775 kg/s， 通 過ρ=m/V 計 算 （ρ 為 密 度，kg/m3；m 為質(zhì)量，kg；V 為體積，m3）可知此時的體積流量為2 790 m3/h。 由于本模型為二維模擬，模擬軟件中速度監(jiān)測口默認(rèn)的面積為1 m2， 而儲罐實(shí)際雨水出流口的面積為0.01πm2，因此需要對計算后的體積流量進(jìn)行校核， 校核之后的體積流量為87.606 m3/h，則24 h 的排水量為87.606×24=2 102.544（ m3）。 同理，對不同液位高度下的中央排水管出口質(zhì)量流量模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可求得儲罐在不同液位高度時的單側(cè)排水管體積流量及24 h 排水量，見表1。

表1 不同液位高度下儲罐單側(cè)排水管流量及排水量

3.2 地區(qū)降雨量統(tǒng)計

根據(jù)歷史氣象資料， 儲罐所在地區(qū)的年平均降雨量為578.3 mm， 年最大降雨量為877.9 mm（1966 年）， 而 日 最 大 降 雨 量 為 142.2 mm（1966-07-27），特大暴雨級別的小時降雨量至少為50 mm。 降雨量主要集中在6 月～9 月，該4 個月的降雨量約占全年的75%。

3.3 降雨量等級劃分

某一時段內(nèi)，從天空降落到地面上的液態(tài)（降雨）或固態(tài)（降雪，經(jīng)融化后）降水，未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、 流失而在水面上積聚的水層深度， 稱為降雨量，它可以直觀表示降水的多少。降水強(qiáng)度指單位時段內(nèi)的降雨量。 根據(jù)GB/T 28592—2012《降水等級標(biāo)準(zhǔn)》［15］查得的不同時段的降雨量等級劃分見表2。

表2 不同時段降雨量等級劃分

3.4 日最大降雨量時排水能力

按照該地區(qū)歷年日最大降雨量142.2 mm 取值，10 萬m3儲罐的半徑取40 m， 通過qV=Av（qV為體積流量，m3/d；A 為表面積，m2；v 為速度，m/d）計算得出浮盤上的日降雨量為714.41 m3。 將24 h 排水量與浮盤上日降雨量相減推算出不同液位高度下儲罐浮盤表面的盈余排水量，見表3。

從表3 可以看出， 當(dāng)浮盤以單側(cè)排水管工作時，在日最大降雨量情況下，不同液位高度儲罐浮盤表面的降水均能被及時排出， 使浮盤表面不產(chǎn)生積水， 其排水能力還有一定的盈余。 即使按GB/T 28592—2012 中的特大暴雨情況計算，24 h降雨量取250 mm，浮盤表面降雨量達(dá)到1 256 m3，仍然小于液位高度2 m 時對應(yīng)的24 h 排水量1 899.072 m3，同樣滿足排水要求。

表3 日最大降雨量時不同液位高度下儲罐浮盤表面日積水量

3.5 最大小時降雨量時排水能力

取特大暴雨級別小時降雨量為50 mm， 對應(yīng)的最大小時降雨量為251.2 m3。 分別計算單側(cè)排水時不同液位高度儲罐浮盤表面的小時積水量，結(jié)果見表4。

由表4 可見， 單側(cè)中央排水管起作用時，如遇特大暴雨（小時降雨量50 mm），浮盤上部將會積存雨水。 假設(shè)浮盤上部緊急排水裝置高度為100 mm，通過儲罐面積換算得到的浮盤積水量允許上限為109.58 m3。 因此，在單側(cè)中央排水管工作的情況下，當(dāng)液位高度在10 m 以上時，短時強(qiáng)降雨天氣不會對油品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

表4 最大小時降雨量時不同液位高度下儲罐浮盤表面小時積水量

4 結(jié)語

①采用CFD 軟件對10 萬m3外浮頂儲罐的中央排水裝置進(jìn)行仿真數(shù)值模擬， 模擬結(jié)果能較好地反映出儲罐中央排水過程內(nèi)部雨水的流動狀態(tài)。②通過監(jiān)測中央排水管出口的質(zhì)量流量曲線，發(fā)現(xiàn)儲罐液位高度與中央排水管出水口的流出量成正比。 ③通過對降雨量及儲罐中央排水量的分析認(rèn)為，在日最大降雨量時，不同液位高度儲罐的排水能力均能滿足日最大降雨量的排水需求。 ④當(dāng)最大小時降雨量達(dá)到50 mm 時，10 m 以上液位高度儲罐單側(cè)中央排水管的排水能力能夠滿足相應(yīng)的排水需求，保證儲罐浮盤不會產(chǎn)生積水。但應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對10 m 以下液位高度儲罐的關(guān)注，提前準(zhǔn)備應(yīng)急物資，遇雨水無法及時排出時，可利用虹吸原理及潛水泵將雨水抽出， 避免長時間積水導(dǎo)致儲罐浮盤傾斜，造成安全風(fēng)險。