徐振寧 李 哲 馬松浩 劉佳佳 賈 昆 付世博 齊晗兵

〔1 中國(guó)石油天然氣股份有限公司東北銷售分公司 遼寧沈陽(yáng) 110013；2 東北石油大學(xué) 黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江大慶 163318〕

伴隨著我國(guó)石油煉化能力顯著提升和大規(guī)模油罐群不斷增多，在推動(dòng)石油石化企業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)一系列的安全、環(huán)境、健康、節(jié)能等問(wèn)題[1-3]。采用內(nèi)浮頂覆蓋在油罐液體表面是目前公認(rèn)較理想的降低油品蒸發(fā)損耗的方法[4-6]。但油品在靜置存儲(chǔ)過(guò)程中，內(nèi)浮頂罐浮盤與罐壁之間以及浮盤本身因密封不嚴(yán)、操作不當(dāng)、年久失修、腐蝕穿孔等故障會(huì)發(fā)生縫隙或孔隙泄漏，不僅增加了油品的蒸發(fā)損耗，導(dǎo)致油品質(zhì)量降低，對(duì)環(huán)境也有直接影響。因此，研究?jī)?nèi)浮頂罐浮盤高度和密封圈泄漏量對(duì)降低油氣損耗和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

近年來(lái)，隨著仿真技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法對(duì)內(nèi)浮頂罐浮盤油氣擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究成為了熱點(diǎn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對(duì)模擬氣體泄漏、組分?jǐn)U散現(xiàn)象的有效性已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證[7-8]。Parvini等[9]建立CFD模型從近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)方向評(píng)估了地下管道中天然氣的釋放和擴(kuò)散。Li等[10]利用CFD方法模擬了海底管道的氣體泄漏和擴(kuò)散，模型對(duì)泄漏氣體的質(zhì)量流量、上升時(shí)間、水平擴(kuò)散距離和擴(kuò)散面積進(jìn)行了預(yù)測(cè)。有很多學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)和Fluent等數(shù)值模擬方法，對(duì)常規(guī)的拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐以及加油站油氣擴(kuò)散傳質(zhì)進(jìn)行研究，揭示罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴(kuò)散傳質(zhì)及罐外排放的規(guī)律[11-12]。張佩宇等[13]對(duì)江蘇省常州地區(qū)某拱頂汽油罐春分日白天的油品蒸發(fā)損耗進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)汽油罐的蒸發(fā)和罐內(nèi)各區(qū)域溫度與時(shí)段光照情況相一致。紀(jì)然等[14]采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬方法研究了迷宮密封間隙、進(jìn)出口壓比、空腔深度、活塞速度對(duì)其泄漏量的影響程度。黃維秋等[15-18]研究了多種情況下的油品蒸發(fā)損耗，提出了油氣含量測(cè)定可以用油氣總烴的標(biāo)準(zhǔn)譜圖來(lái)?yè)Q算，并給出了相關(guān)的降耗措施和計(jì)算公式。而現(xiàn)有的研究中少有針對(duì)內(nèi)浮頂罐油品泄漏擴(kuò)散各影響因素的較完整的評(píng)估。

因此，建立內(nèi)浮頂汽油儲(chǔ)罐密封圈油氣擴(kuò)散和泄漏環(huán)寬度和速度流率估算模型，分析不同浮盤高度和泄漏量對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐浮盤上氣體空間的油氣擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律影響，進(jìn)而揭示內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴(kuò)散傳質(zhì)規(guī)律，對(duì)儲(chǔ)油罐安全隱患的管控具有重要意義。

1 泄漏環(huán)寬度和速度流率的計(jì)算公式

以大連某石油儲(chǔ)備庫(kù)工程為例，對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐泄漏環(huán)寬度和速度流率進(jìn)行計(jì)算。該油庫(kù)用于儲(chǔ)存車用汽油(雷德蒸汽壓為89.6，相對(duì)分子質(zhì)量約為62)，油罐外表面為白色，密封圈采用一次機(jī)械鞋式緊密配合密封，結(jié)構(gòu)形式為非自支撐，拼接方式為焊接。此外，油罐所在地日均環(huán)境溫度約為276.15 K，全年平均日太陽(yáng)輻射量約為0.14 Kw/m2，大氣壓約為101.325 kPa。

在現(xiàn)有的模擬研究中，內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐密封圈泄漏環(huán)的寬度通常做理想化假設(shè)，但其計(jì)算結(jié)果無(wú)法提供油罐內(nèi)環(huán)境安全維持和油氣濃度檢測(cè)的具體操作建議。為此，以規(guī)范《SH/T 3002-2019石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)大連某儲(chǔ)油罐工程內(nèi)浮頂油罐浮盤密封圈泄漏環(huán)寬度的數(shù)量級(jí)進(jìn)行估算。計(jì)算式為：

TL=TAA+0.311(6α-1)+1.391αI

(1)

其中：TL為日均油面溫度，K；TAA為日均環(huán)境溫度；α為儲(chǔ)油罐外表面太陽(yáng)輻射熱吸收率，狀況較好的白色表面取0.17；I為日均太陽(yáng)輻射熱，取0.14 kW/m2。

Kr=Kra+KrbVn

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：Kr為密封損耗系數(shù)，mol/(m·a)；Kra、Krb和n分別為零風(fēng)速密封損耗系數(shù)、風(fēng)速相關(guān)密封損耗系數(shù)和密封相關(guān)風(fēng)速指數(shù)，對(duì)一次機(jī)械鞋式緊密配合密封取值分別為2.23 mol/(m·a)、2.75 mol/(m·a)n·m·a和1.9；V為平均風(fēng)速，內(nèi)浮頂罐取0；Kfi為浮盤附件損耗系數(shù)，mol/a；Kfai、Kfbi和mi分別為零風(fēng)速浮盤附件損耗系數(shù)、風(fēng)速相關(guān)浮盤附件損耗系數(shù)和風(fēng)速相關(guān)浮盤附件損耗指數(shù)，對(duì)人孔非自支撐無(wú)螺栓無(wú)墊圈蓋板取值分別為16.33 mol/a、7.03 mol/[(m/s)m]·a和1.2；KV為浮盤附件風(fēng)速校正系數(shù)，內(nèi)浮頂罐取1.0；Sd為浮盤頂板接縫長(zhǎng)度系數(shù)，m/m2；Lseam為浮盤頂板接縫總長(zhǎng)度，m；D為油罐直徑，m；p為罐內(nèi)油面溫度對(duì)應(yīng)氣相壓力，kPa；A和B為蒸汽壓方程常數(shù)，對(duì)車用汽油(雷德蒸汽壓為89.6)取值分別為11.644和2 802。

Fr=KrD

(6)

Ff=NfiKfi

(7)

Fd=0.4536KdSdD2

(8)

(9)

其中：Fr為密封總損耗系數(shù)，mol/a；Ff為浮盤附件總損耗系數(shù)，mol/a；Nfi為浮盤附件個(gè)數(shù)，對(duì)人孔取1.0；Fd為浮盤頂板接縫總損耗系數(shù)，mol/a；Kd為單位長(zhǎng)度頂板接縫損耗系數(shù)，對(duì)焊接取0；pz為蒸汽壓函數(shù)；pa為大氣壓，取101.325 kPa。

內(nèi)浮頂罐小呼吸年油品損耗為：

LS=(Fr+Ff+Fd)pzMVKC

(10)

其中：LS為內(nèi)浮頂罐小呼吸年損耗，kg/a；MV為油氣相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)車用汽油(雷德蒸汽壓為89.6)取62；KC為產(chǎn)品系數(shù)，對(duì)煉油產(chǎn)品或單組分物料取1.0。

2 數(shù)值模擬方法

汽油產(chǎn)品是一種復(fù)雜的混合物，其揮發(fā)速度與外界環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓和風(fēng)速等有關(guān)。因此，內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐內(nèi)油品的蒸發(fā)擴(kuò)散過(guò)程十分復(fù)雜，難以對(duì)所有細(xì)節(jié)進(jìn)行量化描述。為便于CFD模型的計(jì)算和保證求解的收斂性，本文對(duì)模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：①將各通氣孔分別簡(jiǎn)化為規(guī)則形狀；②將汽油組分簡(jiǎn)化為單一的正己烷(C6H14)；③將蒸發(fā)的動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)化為上述計(jì)算得到的平均速度流率。

2.1 幾何模型、邊界條件和算法

儲(chǔ)罐內(nèi)直徑40.5 m，罐壁高度17.25 m，結(jié)構(gòu)頂區(qū)域高4.87 m；結(jié)構(gòu)頂周邊及正中共設(shè)置18個(gè)通氣孔，其中結(jié)構(gòu)頂面四周16個(gè)，中心設(shè)有2個(gè)，其等效直徑分別為0.53 m和0.15 m；內(nèi)浮盤四周邊緣為密封泄漏環(huán)，泄漏環(huán)寬度約為1×10-4m。

環(huán)境溫度設(shè)置為大連年均氣溫284.65 K。浮頂泄漏環(huán)設(shè)置為速度入口，流速0.001 8 m/s，通風(fēng)孔設(shè)置為壓力出口，結(jié)構(gòu)頂、罐壁和浮盤均設(shè)置為絕熱無(wú)滑移固壁邊界；采用SIMPLE算法和Green-Gauss基于節(jié)點(diǎn)的梯度插值方案；監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在浮盤中心上方0.5 m處。

2.2 控制方程和湍流模型

油品通過(guò)浮盤密封圈與罐壁之間的縫隙泄漏擴(kuò)散到浮盤上方空間并通過(guò)通氣孔流出，最終計(jì)算域內(nèi)的油氣濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。為描述該現(xiàn)象，計(jì)算模型需要設(shè)置以下控制方程[19]：

連續(xù)性方程：

(11)

動(dòng)量方程：

(12)

能量方程：

(13)

質(zhì)量守恒方程：

(14)

對(duì)于湍流模型，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，Realizable k-ε模型通過(guò)傳輸方程對(duì)湍流黏性和耗散率進(jìn)行了修正，更適用于處理二次流和流動(dòng)分離的問(wèn)題[20]。Realizable k-ε模型如下：

(15)

(16)

3 結(jié)果討論

為了研究不同浮盤高度和泄漏量對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐浮盤上氣體空間的油氣擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律影響，進(jìn)而揭示內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴(kuò)散傳質(zhì)規(guī)律。選擇浮盤高度分別為14.95 m(低液位)、8.63 m(中液位)、2.45 m(高液位)；泄漏速度分別為0.001 7 m/s(正常)、0.003 4 m/s(2倍)、0.008 5 m/s(5倍)、0.017 m/s(10倍)、0.17 m/s(100倍)。

3.1 浮盤高度影響

圖1為不同浮盤高度下內(nèi)浮頂罐中心沿垂直方向油氣濃度變化曲線。由圖1可知，內(nèi)浮頂油罐內(nèi)上方氣體空間油氣濃度在罐內(nèi)出現(xiàn)明顯的分層堆積現(xiàn)象。這是因?yàn)閮?nèi)浮頂油罐頂部氣體與大氣之間存在熱擴(kuò)散作用，同時(shí)油氣的密度比空氣的密度大，使得內(nèi)浮頂油罐頂部的油氣濃度要低于底部的油氣濃度。中液位時(shí)，浮盤上方0～5 m高度范圍內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)約為0.015%，5～7 m高度范圍內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)迅速降低到約0.012%，7～13.5 m高度范圍內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)約為0.011%。

圖1 不同浮盤高度下內(nèi)浮頂罐中心沿垂直方向油氣濃度變化曲線

圖2對(duì)比了不同浮盤高度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油氣體積分?jǐn)?shù)。由圖2可知，隨著浮盤高度的升高，內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐浮盤上氣體空間的油氣濃度降低，這是因?yàn)橐何患案”P越高，罐內(nèi)氣體流場(chǎng)受到通氣孔的影響越大，油氣擴(kuò)散的越快。例如，在浮盤高度為低、中和高液位下內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.015 4%、0.013 6%和0.010 7%。

3.2 泄漏速度影響

圖3和圖4顯示了不同泄漏速度下內(nèi)浮頂罐浮盤上氣體空間的油氣體積分?jǐn)?shù)。由圖3、4可知，浮盤上氣體空間的油氣分布呈現(xiàn)出濃度梯度。由費(fèi)克定律可知，底部油氣濃度較高的氣體向頂部油氣濃度較低的空間擴(kuò)散。隨著時(shí)間的推移，油氣分子在罐內(nèi)氣體空間中形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的濃度場(chǎng)。隨著泄漏量的增大，內(nèi)浮頂油罐內(nèi)的平均油氣濃度近似等比例增大，但最終油氣濃度在罐內(nèi)的相對(duì)分布不隨泄漏量發(fā)生改變，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。當(dāng)泄漏速度為100倍時(shí)，內(nèi)浮頂罐內(nèi)浮盤上氣體空間的油氣濃度分層現(xiàn)象更加顯著，內(nèi)浮頂罐內(nèi)浮盤上氣體空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油氣體積分?jǐn)?shù)為0.368%，已經(jīng)達(dá)到爆炸極限。無(wú)論從安全、環(huán)保還是人員生命財(cái)產(chǎn)等方面，都應(yīng)采取相應(yīng)措施及時(shí)監(jiān)控。

圖3 不同泄漏速度下油氣體積分?jǐn)?shù)

圖4 100倍泄漏率下油氣體積分?jǐn)?shù)

3.3 內(nèi)浮頂油罐安全運(yùn)行及罐內(nèi)油氣濃度檢測(cè)相關(guān)的操作建議

第一，在內(nèi)浮頂油罐的日常運(yùn)行中，保持罐內(nèi)較高的油位是一種有效降低罐內(nèi)油氣濃度的措施。同時(shí)，更高的油位對(duì)油品蒸發(fā)損耗和環(huán)境污染的加劇也是不可忽視的。因此，浮盤高度的控制需要綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)等因素。

第二，罐內(nèi)油氣濃度檢測(cè)時(shí)，取樣位置設(shè)置在浮盤中心上方0～1.5 m范圍內(nèi)是合理有效的。取樣位置過(guò)于靠近密封圈或通風(fēng)口時(shí)檢測(cè)結(jié)果意義較小，因?yàn)榍罢呖赡茉诜浅Ｐ〉膮^(qū)域內(nèi)達(dá)到并保持在油氣濃度危險(xiǎn)范圍內(nèi)，但實(shí)際上這個(gè)區(qū)域很小，在正常操作下難以形成安全事故；而后者則可能在浮盤發(fā)生一定泄漏后仍保持油氣濃度在安全或不可檢測(cè)范圍內(nèi)。

第三，檢測(cè)設(shè)備的最小檢測(cè)濃度需要在油氣體積分?jǐn)?shù)0.01%以下，當(dāng)浮盤中心上方0.5 m取樣點(diǎn)的油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.15%時(shí)考慮浮盤存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)檢修。

4 結(jié) 論

建立內(nèi)浮頂汽油儲(chǔ)罐密封圈油氣擴(kuò)散和泄漏環(huán)寬度和速度流率估算模型，分析不同浮盤高度和泄漏量對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐浮盤上氣體空間的油氣擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律影響，進(jìn)而揭示內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴(kuò)散傳質(zhì)規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)泄漏油氣的擴(kuò)散速度隨著浮盤的升高而加快，罐內(nèi)的平均油氣濃度降低，內(nèi)浮頂罐內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在低、中、高液位下的油氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.015 4%、0.013 6%和0.010 7%時(shí)無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下存在浮盤密封圈微泄漏的內(nèi)浮頂罐是穩(wěn)定且安全的。

(2)隨著泄漏量的增大，內(nèi)浮頂油罐內(nèi)浮盤上氣體空間的油氣濃度增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。將泄漏速度擴(kuò)大100倍后，內(nèi)浮頂油罐內(nèi)浮盤上氣體空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油氣體積分?jǐn)?shù)為0.368%，已經(jīng)達(dá)到爆炸極限。無(wú)論從安全、環(huán)保還是人員生命財(cái)產(chǎn)等方面，都應(yīng)采取相應(yīng)措施及時(shí)監(jiān)控。

(3)隨著浮盤的升高，通氣孔的影響增大，通氣孔加快了油氣的擴(kuò)散速度，使靠近通氣孔的區(qū)域油氣濃度明顯降低。