浮頂密封空間氮氣的擴散規律

馬云修 李東澤

(1.中石化長輸油氣管道檢測有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266000)

1 概述

由于油氣回收能力高，浮頂罐在石油石化行業得到了廣泛應用。但是近年來在浮頂油罐推廣的過程中暴露出各種安全隱患，其中油罐起火、爆炸事故頻繁出現[1-4]。油罐起火有三個必要條件：可燃物、助燃劑和火源。油品蒸氣和空氣混合后，可能形成爆炸性混合氣體，但是只有當油品蒸氣在空氣中達到一定的體積濃度范圍，并遇明火時，才會發生爆炸。

為減少油品蒸發損耗，浮頂罐常采用兩次密封，這導致一二次密封空間容易存在油蒸氣與空氣的混合物，并很容易處于爆炸區間內，此時罐內若出現靜電、電位差、明火或者溫度過高等，極可能引發火災爆炸事故。

目前國內外有許多學者開展了加強密封的研究。Heisterberg[5]、Kinghorn[6]、李世超[7]等人通過改善機械結構，增加了浮頂機械密封效果；李恩田[8-9]指出向浮頂油罐一二次密封間的油氣空間中加入氮氣，可縮小浮頂油罐的一二次密封之間環形空間油氣爆炸極限范圍，可以有效防止爆炸事故的發生。

事實上，液態油表面油蒸氣濃度高(近似為100%)，大氣中油蒸氣濃度極低(近似為0%)，則必然存在油蒸氣濃度處于爆炸區間內的某個區域，若該區域恰好存在氧氣，則很容易引發事故。使用氮氣保護技術，將一二次密封體之間的油氣空間中氧氣驅替，可以降低“爆炸區間內油蒸氣與氧氣共同存在”的可能性，極大程度避免爆炸事故的發生。考慮到氮氣可能由于密封圈不嚴等因素發生逸出泄漏，對浮頂罐上操作人員的人身安全造成威脅，因此有必要對浮頂一二次密封空間內氮氣填充、逸出規律開展研究[10]。

本文對浮頂一二次密封空間內氮氣填充、逸出規律開展研究，利用Fluent數值模擬軟件，計算收發油時浮盤上下移動對氮氣逸出的影響，分析氮氣充填置換過程中，一二次密封空間垂直方向上不同組分氣體濃度分布規律。

2 一二次密封空間氮氣擴散規律數值仿真

2.1 浮頂移動對充填氮氣逸出的影響

當一次氮氣充填作業結束后，氮氣主入口與浮頂密封空間排氣口關閉，可以認為氮氣在浮頂周向流動擴散較弱，一二次密封環形空間可以近似認為中心對稱。利用Fluent軟件對一二次密封環形空間截面進行建模，如圖1(a)所示。其中，下方矩形空間代表罐內油氣空間，上方矩形空間代表大氣空間，中間梯形空間代表一二次密封空間。圖1(b)為計算結果，展示了不同浮盤移動速度下密封空間內氮氣擴散規律。可以看出，不同浮盤移動速度下，密封空間內氮氣濃度變化規律略有不同，但基本變化不大。可以認為，收發油產生的浮盤移動對密封空間內氮氣逸出速率基本沒有影響。

圖1 利用Fluent軟件對一二次密封環形空間截面進行的建模

邊界條件：下方矩形底邊為壓力入口邊界，上方矩形的頂邊為壓力出口邊界，圖中其他邊均為wall邊界，其中左側wall邊界可以設置為靜止或一定速度移動。初始條件：下方矩形空間充滿油蒸氣，其組分如表1所示，上方矩形空間充滿空氣，中間梯形空間充滿氮氣。

表1 氣體組分表

2.2 氮氣充填過程中空間垂直方向濃度分布

氮氣充填過程中，因組分密度差、重力協同作用，無法保證一二次密封空間截面內濃度均一。所以，需要監控一二次密封空間內氮氣濃度最低的位置。對于現場實際密封空間，設有氮氣注入口與氣體排出口，顯然排出口附近氮氣濃度最低，故對排出口附近垂直方向氮氣濃度進行監控。

以10000m3浮頂罐一二次密封油氣空間為原型，建立如圖2所示的仿真模型，其外環半徑為14.5m，內環半徑為14.3m，高為1.5m，進氣口、出氣口直徑均為0.1m。邊界條件：進氣口為速度入口，其進氣速度為1m/s；排氣口為壓力出口，其壓力設置為大氣壓。初始條件：假設初始時密封空間充滿油氣，以1m/s的速度向其中通入氮氣。

圖2 一二次密封環形空間三維模型

采集注氣開始4h后的出口位置處濃度數據，如圖3所示。可以看出，氮氣濃度隨空間高度增加而降低，油蒸氣隨著空間高度的增加而增加，這是由于密度差與重力作用造成的。大約4.2h后，空間最低氮氣濃度達到99%，氮氣置換油氣基本完成。

圖3 不同時刻排氣口氣體濃度隨垂直高度變化規律

3 結語

本文利用Fluent軟件，建立一二次密封環形空間截面數值模型，計算空間內氮氣濃度隨時間的變化規律，得到的具體結論如下：

(1)浮盤移動速度對氮氣逸出速率影響不大；

(2)充填氮氣過程中，一二次密封空間的垂直方向上，氮氣濃度隨高度增加而降低，油蒸氣反之；

(3)以1m/s流速注入氮氣，大約4.2h后，空間最低氮氣濃度達到99%，氮氣置換油氣基本完成。