石俊杰，趙東旭，王德陽(yáng)，林宇奇，王衛(wèi)強(qiáng)

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石化銷(xiāo)售股份有限公司遼寧石油分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110031）

“呼吸”損耗作為固定頂油罐日常存儲(chǔ)過(guò)程中最為常見(jiàn)的油品損耗形式，其在油庫(kù)管理、安全與計(jì)量等方面所帶來(lái)的影響不容忽視。長(zhǎng)期以來(lái)，為明確不同因素對(duì)油罐內(nèi)油蒸氣生成過(guò)程的影響、降低油氣蒸發(fā)所帶來(lái)的損失，研究人員進(jìn)行了廣泛研究與探討，以尋找“呼吸”損耗過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)部相關(guān)物性變化規(guī)律。早期的油品蒸發(fā)損耗研究集中于較為廣泛的生產(chǎn)實(shí)際中，主要從降低油品的蒸發(fā)過(guò)程展開(kāi)[1-2]。隨著世界各地油品儲(chǔ)量的逐年增加，罐區(qū)油品的蒸發(fā)損失逐漸受到關(guān)注，主要以帶有呼吸裝置的拱頂罐為主。前期研究工作主要是由國(guó)外研究者開(kāi)展。Hassanvand等[3]針對(duì)罐區(qū)收發(fā)油過(guò)程中出現(xiàn)的大呼吸損耗問(wèn)題展開(kāi)研究，分析了油罐出油速率等因素對(duì)油品損失值的影響，并對(duì)收發(fā)有過(guò)程中罐內(nèi)蒸汽的分布及溫度變化進(jìn)行了模擬。與Hassanvand的研究不同，Rodriguez等[4]利用數(shù)值模擬方法對(duì)溫度下降過(guò)程中油罐內(nèi)流體的換熱過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，為分析油品蒸發(fā)過(guò)程提供了借鑒。相似的，Venart將Rodrigues所做的瞬態(tài)降溫過(guò)程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)化，使得此過(guò)程變得更具有適用性[5]。隨著國(guó)內(nèi)各類(lèi)油品儲(chǔ)量的增加，近年來(lái)的相關(guān)研究也逐漸得到學(xué)者們的重視。劉敏敏等[6]利用罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)影響油罐大呼吸損耗因素進(jìn)行了較為全面的總結(jié)性研究，并對(duì)不同影響因素提出了具有一定針對(duì)性的減損措施。楊光等[7]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)罐存在的小呼吸過(guò)程進(jìn)行了研究，證明了罐區(qū)周邊溫度及罐內(nèi)油品類(lèi)型對(duì)其呼吸過(guò)程存在影響。李明德等[8]研究人員注意到，通過(guò)改變罐內(nèi)壓力可以達(dá)到降低儲(chǔ)罐呼吸程度的效果。并在此基礎(chǔ)上針對(duì)儲(chǔ)罐承壓強(qiáng)度、耗材費(fèi)用及壓力控制進(jìn)行了最優(yōu)化分析，為優(yōu)化儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供了借鑒?？涤碌萚9]從呼吸損耗的理論研究著手，對(duì)影響損耗相關(guān)參量在不同環(huán)境下的影響程度進(jìn)行了分析，從一定程度上完善了學(xué)者們對(duì)儲(chǔ)罐呼吸過(guò)程的理論研究，進(jìn)一步明確了相關(guān)規(guī)律性變化。謝躍群等[10]對(duì)適用于儲(chǔ)罐大呼吸損耗的計(jì)算方法進(jìn)行了進(jìn)一步完善，提出了儲(chǔ)罐密封等相關(guān)細(xì)節(jié)會(huì)對(duì)損耗量計(jì)算會(huì)產(chǎn)生影響的論斷，并對(duì)此提出了合理建議。范開(kāi)峰等[11]則從節(jié)流方向入手，設(shè)計(jì)了實(shí)用性較強(qiáng)的油蒸氣回收設(shè)備，為罐區(qū)的節(jié)能降耗提供了較為有效的輔助手段。梁穎[12]對(duì)儲(chǔ)罐的小呼吸損耗的計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)，并有針對(duì)性的對(duì)不同計(jì)算方法的適用范圍進(jìn)行了分析。并利用氣體在儲(chǔ)罐內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，建立了儲(chǔ)罐出氣口氣量計(jì)算模型。有效降低了原有計(jì)算模型的計(jì)算誤差[13]。方潔等[14]從呼吸閥著手，利用其控制儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化從而達(dá)到優(yōu)化儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、降低損耗的效果，這與李明德等的研究有著較好的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。程賡等[15]對(duì)比了應(yīng)用于儲(chǔ)罐內(nèi)較為有效的降損方法，并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度因素在儲(chǔ)罐呼吸損耗過(guò)程中的作用進(jìn)行了分析。

根據(jù)已開(kāi)展的相關(guān)研究，溫度因素在儲(chǔ)罐呼吸損耗過(guò)程中的作用顯著，且其變化過(guò)程受罐區(qū)氣候及季節(jié)變化等影響。通過(guò)數(shù)值方法對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度變化、油蒸氣濃度及擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，為儲(chǔ)罐小呼吸損耗規(guī)律研究提供理論支撐。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 湍流計(jì)算模型

儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體熱運(yùn)動(dòng)屬于非定常湍流流動(dòng)，選取RNG k-ε模型：

式中：C1ε=1.42；

C2ε=1.68；

Gk—由流體流動(dòng)梯度引起的動(dòng)量變化；

Gb—浮力引起的動(dòng)量變化；

YM—流體波動(dòng)引起的能量損耗率。

αk、εα—K、ε倒數(shù)；393.1≈=εααk。

Sk和 εS為源項(xiàng)。

其中：

1.2 組分輸運(yùn)計(jì)算模型

物質(zhì)變化及運(yùn)輸由N-S方程控制，并根據(jù)雷諾平均進(jìn)行求解。流體湍動(dòng)過(guò)程通過(guò)梯度擴(kuò)散進(jìn)行描述。根據(jù)概率密度函數(shù)對(duì)輸運(yùn)方程進(jìn)行推導(dǎo)，考慮相態(tài)變化，復(fù)合輸運(yùn)方程為：

式中：ρ—流體密度，kg·m-3；

ui—流體速度分量，m·s-1；

Sk—反應(yīng)速度；

ψ—流動(dòng)空間向量；

ui

''

—流體波動(dòng)矢量；

Ji,k—擴(kuò)散分量。

等式右側(cè)兩項(xiàng)代表流體組分對(duì)流及擴(kuò)散對(duì)輸運(yùn)過(guò)程的影響。

1.3 熱力學(xué)模型

蒸發(fā)過(guò)程能量方程可以表示為：

式中：effK—導(dǎo)熱率；

K—湍流影響下的導(dǎo)熱率；

Jj—組分j在湍流下的擴(kuò)散通量；

Keff?T—熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的能量輸出量；

hfJj—組分?jǐn)U散過(guò)程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移；

τeffυ—組分黏性造成的能量損失；

Sh—反應(yīng)熱和其他體積熱源；

h—?dú)怏w的焓值。

對(duì)于罐壁等固體區(qū)域的能量方程可以表示為：

式中：ρ—密度，kg·m-3；

h—熱焓值；

K—導(dǎo)熱率；

T—溫度，℃；

sh—體積熱源；

?(υρh)—對(duì)流換熱產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移。

2 物理模型

2.1 拱頂罐尺寸

以華北油田某場(chǎng)站內(nèi)2 000 m3拱頂罐為研究對(duì)象，罐內(nèi)介質(zhì)為氣油，油罐直徑15.5 m，罐頂端距地面12.4 m，罐內(nèi)油品距罐底高度7.0 m?？紤]到計(jì)算模型的實(shí)際效率，對(duì)罐體進(jìn)行等比例縮小以降低計(jì)算量?？s小后模型尺寸如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐尺寸

由于儲(chǔ)罐內(nèi)存在氣液兩相介質(zhì)，為更清晰獲得罐內(nèi)相關(guān)物理量變化規(guī)律，在儲(chǔ)罐縱向共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間隔為100 mm，其中，氣體空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，液體空間中7個(gè)。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。全區(qū)網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在罐壁及呼吸閥位置進(jìn)行邊界層設(shè)置，邊界層數(shù)設(shè)置為4層并沿罐壁及罐頂展開(kāi)，根據(jù)油氣界面位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。初始油氣界面位于距罐底上方700 mm處。圖2為網(wǎng)格剖分結(jié)果。

圖2 儲(chǔ)罐網(wǎng)格劃分

2.3 基本假設(shè)

考慮到罐內(nèi)油品蒸發(fā)過(guò)程的復(fù)雜性，為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算量，對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并作出以下假設(shè)：

1）罐內(nèi)液體介質(zhì)僅包含汽油，上層氣體空間為空氣與氣油蒸氣的混合物。

2）忽略太陽(yáng)輻射與罐內(nèi)介質(zhì)間的輻射換熱，儲(chǔ)罐內(nèi)部空間與外界的熱量交換為罐壁與氣液介質(zhì)間的導(dǎo)熱過(guò)程。

3）忽略除溫度外其它環(huán)境因素對(duì)罐內(nèi)油品蒸發(fā)過(guò)程的影響。

2.4 物性及邊界

表1為罐內(nèi)油品模擬蒸發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)物性參數(shù)。

表1 油品蒸發(fā)相關(guān)物性參數(shù)

為更加準(zhǔn)確的分析儲(chǔ)罐內(nèi)油氣物性，對(duì)該地區(qū)夏季（6月）晴朗天氣條件下的罐壁及罐頂溫度進(jìn)行測(cè)量，圖3為24 h內(nèi)不同時(shí)刻的月平均測(cè)量結(jié)果。

圖3 平均溫度變化

由于光照影響，儲(chǔ)罐罐頂溫度明顯高于大氣及罐壁溫度，三者均存在溫度峰值。其中，罐頂溫度變化最為劇烈。根據(jù)油罐不同位置溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，對(duì)模型罐頂及罐壁溫度邊界進(jìn)行定義，罐底為絕熱邊界。模擬初始時(shí)間為上午8：00，每1 h為一統(tǒng)計(jì)周期。

3 模擬結(jié)果

3.1 溫度場(chǎng)分布

圖4為罐壁及罐頂開(kāi)始升溫后1 h內(nèi)儲(chǔ)罐內(nèi)部空間的溫度變化情況?？梢钥吹剑跏茧A段等溫曲線與罐頂形狀相近，隨著光照時(shí)間延長(zhǎng)，罐壁對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度影響逐漸顯現(xiàn)，其內(nèi)部等溫線彎曲程度逐漸增加，近壁面空間溫度上升速度加快。

圖4 模擬開(kāi)始1 h內(nèi)儲(chǔ)罐溫度變化

與此同時(shí)，根據(jù)圖5的模擬結(jié)果可以看到，儲(chǔ)罐縱向空間內(nèi)溫度變化以氣液界面（監(jiān)測(cè)點(diǎn)3）為分界點(diǎn)，上層空間油蒸氣溫度明顯高于下層油品速度，且環(huán)境溫度越高，其兩者差距越明顯。在不同時(shí)間段內(nèi)，氣體及液體兩層空間內(nèi)溫度的分布均近似呈現(xiàn)為線性分布特征，并隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與罐底間距離增加而不斷上升。在環(huán)境溫度較高時(shí)段(14:00 PM)，氣體空間溫度變化幅度更明顯，溫度梯度大，液體空間溫差較?。浑S著環(huán)境溫度的降低，氣液空間溫差逐漸降低，在環(huán)境溫度較低時(shí)段(2：00 AM)，氣液空間溫度基本保持一致。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度變化

3.2 油氣擴(kuò)散

圖6為罐內(nèi)氣體空間油蒸氣濃度隨時(shí)間變化的擴(kuò)散過(guò)程。在溫度上升初期，氣液界面處的蒸氣濃度較高。隨著升溫時(shí)間延長(zhǎng)，氣體空間中部濃度與底部濃度開(kāi)始持平，并逐漸向頂部擴(kuò)散，小呼吸損耗加劇。此外，在同一時(shí)刻，相同高度上的油蒸氣濃度基本保持一致。

圖6 罐內(nèi)油蒸氣擴(kuò)散過(guò)程

圖7為氣體空間三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處油蒸氣濃度隨時(shí)間增加的變化過(guò)程?？梢钥吹?，隨著光照時(shí)間增加，罐內(nèi)油氣濃度呈現(xiàn)出明顯的峰值，在每天的午時(shí)左右達(dá)到最大，平均濃度超過(guò)50%。此時(shí)，越接近液面處的油蒸氣濃度梯度越小。隨著夜晚溫度下降，氣體空間內(nèi)的油蒸氣濃度逐漸下降，濃度梯度基本持平并維持在30%以下。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處油蒸氣濃度

3.3 液面高度影響

在全天溫度最高時(shí)段（14:00 PM），計(jì)算得到儲(chǔ)罐內(nèi)不同液面高度條件下氣體空間的濃度分布情況，如圖8所示。

圖8 不同液面高度儲(chǔ)罐內(nèi)油蒸氣濃度分布

可以看到，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)頁(yè)面高度較低時(shí)(100 mm、300 mm)，氣體空間內(nèi)上層區(qū)域油蒸氣濃度梯度較小，近液面處油蒸氣濃度梯度較大。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)頁(yè)面高度逐漸增加時(shí)，氣體空間內(nèi)油蒸氣濃度梯度逐漸向線性變化規(guī)律轉(zhuǎn)變。隨著液面高度的繼續(xù)增加，頂層油蒸氣濃度梯度開(kāi)始高于近液面區(qū)域。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單日溫度變化下儲(chǔ)罐內(nèi)油氣兩相介質(zhì)蒸發(fā)及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：

1）在光照影響下，罐體溫度升高使得氣體空間內(nèi)溫度梯度明顯，其等溫曲線分布呈現(xiàn)出上“凸”形態(tài)；油品內(nèi)部升溫幅度較均勻，且升溫速度較緩慢。

2）在一個(gè)自然日中，儲(chǔ)罐內(nèi)油氣濃度呈現(xiàn)出單“峰”波動(dòng)規(guī)律，在儲(chǔ)罐小呼吸損耗最劇烈時(shí)段，上層氣體空間油氣濃度梯度大于下層空間，罐頂油氣濃度超過(guò)60%；夜晚時(shí)段氣體空間油氣濃度梯度基本一致。

3）在儲(chǔ)罐液位較低時(shí)，油蒸氣主要集中在底層氣體空間，上層空間濃度基本一致；隨著液位上升，油蒸氣濃度不斷升高，小呼吸損耗加劇。