大型外浮頂儲罐油氣空間爆炸風險研究

張曉明，申 晴，何佳康，2，趙培森，于占魯，戴 波

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京 102617；2.北京化工大學信息科學與技術(shù)學院，北京 100029）

0 引言

儲罐浮盤落底是由于儲罐內(nèi)石油液位過低，浮頂?shù)闹е湓诹藘薜撞?。正常高液位?］操作時，浮盤浮在油品上，阻隔了石油液體和空氣，既減少空氣污染、又降低了火災(zāi)發(fā)生的概率。浮盤落底的情況往往發(fā)生在儲罐大修或者裝卸業(yè)務(wù)的需要。對于外浮頂儲罐［2］，其浮盤落底是有很大風險的，比如雷擊風險、靜電風險、支柱受力風險等。美國標準API RP-2003［3］明確指出，“對于外浮頂儲罐，如果浮盤落底且在浮頂下面形成油氣空間，則著火的危險會增加。為了將危險最小化，在正常操作期間或雷暴期間不能有浮盤支撐著地，以及避免雷暴期間儲罐進油?！蓖瑫r，按照API RP2026-2017 標準［4］，浮盤落底過程有2 個階段的風險：“當浮盤未浮起且液位低于浮頂支撐時，浮頂下方的大氣中可能存在易燃的蒸氣、空氣混合物（例如，浮頂密封無法正確密封，空氣進入間隙）。當向浮盤未浮起且液位低于浮頂液位的儲罐加注時，可能會迫使蒸氣通過罐頂密封層并進入浮頂上方的大氣中?！?/p>

與固定頂儲罐相比，外浮頂儲罐發(fā)生火災(zāi)事故更為頻繁［5］。在已有調(diào)查的全球480 例儲罐火災(zāi)事故中，由于雷擊外浮頂儲罐原因引起的火災(zāi)占了1/3［6］。針對該油氣混合區(qū)域的火災(zāi)爆炸風險，畢海普等［7］構(gòu)建爆炸三角形并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析油氣混合區(qū)域的爆炸危險性。結(jié)果表明：儲罐橫截面的油蒸氣質(zhì)量分數(shù)整體上在增加，罐壁附近質(zhì)量分數(shù)較高，氧氣質(zhì)量分數(shù)變化不明顯，中間區(qū)域分布穩(wěn)定但不均勻；油氣混合空間的爆炸危險區(qū)分布在油蒸氣質(zhì)量分數(shù)相對較低的區(qū)域，多集中于罐壁附近，分布位置隨油氣擴散未發(fā)生明顯變化。但是，該文僅從油氣的質(zhì)量分數(shù)角度出發(fā)進行的風險分析；本實驗另辟蹊徑，從爆炸極限的角度對浮盤落底進行風險分析。

目前，大型外浮頂儲罐浮盤落底運行已經(jīng)成為一種常態(tài)，而其運行風險研究卻鮮見文獻報道。原油揮發(fā)所產(chǎn)生的油氣在遇到雷擊［8］后，可能發(fā)生爆炸、燃燒等安全事故［9-10］，所以油氣濃度分析顯得尤為重要。本文研究了浮盤落底運行中的油氣空間濃度變化，通過數(shù)據(jù)建模和仿真分析，探索其形成規(guī)律和爆炸風險程度。

1 流動控制方程

針對外浮頂儲罐油氣擴散方式，以及無化學反應(yīng)的單項多組分擴散的模型，采用流動控制方程及湍流模型進行理論分析［7，11-12］。

連續(xù)性方程：

式中：ρ為混合油氣的密度；uj為（x，y，z）3 個方向的速度。

動量守恒方程：

式中：g 為重力加速度；μt為流體的湍流黏度；p 為絕對壓力。

能量守恒方程：

式中：T為油氣流體的溫度；kl為流體湍流導熱系數(shù)；σT為常數(shù)，取值范圍是0.9～1.0；cp為混合流體定壓比熱；cpv為泄漏物質(zhì)定壓比熱容（J/（kg·K））。

組分質(zhì)量守恒方程：

有關(guān)油面的湍流模型如下：

（1）應(yīng)用于油面下降，直到原油完全排出，油氣揮發(fā)產(chǎn)生的油氣空間。此時選擇RNG k-ω湍流模型［12］：

（2）應(yīng)用于原油液面從0 m升至浮盤剛好浮起來為止，此時所有油氣剛剛完全排至浮頂外部，受外部風速影響。這里選用realizable k-ω湍流模型［11］：

式中：ρ為混合油氣密度（kg/m3）；uj為3 個方向的速度（m/s）；μt為湍流黏度（Pa·s）；g 為重力加速度（m/s2）；p為絕對壓力（Pa）；T 為流體溫度（K）；ω 為質(zhì)量分數(shù)；D1為湍流擴散系數(shù)；常數(shù)σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9，C1ε=1.44；Gk為湍流動能，因?qū)恿魉俣忍荻榷a(chǎn)生；Gb也為湍流動能，因浮力產(chǎn)生；γM為過度擴散時產(chǎn)生的波動（m2/s2）；C1=maxη為有效因子；C3ε=tanh［v/u］；SK、Sz為用戶自定義；k為湍流能（m2/s2）；ε 為耗散率（m2/s3），其中，k 和ε在不同規(guī)格大小的儲罐中取不同的值，取值情況見表1［11］。

表1 湍流能和耗散率與儲罐規(guī)格的關(guān)系

2 大型外浮頂儲罐油氣空間的建模與分析

使用ANSYS 軟件的fluent 模塊進行仿真。研究對象為某公司實際儲罐，具體參數(shù)為：儲罐直徑80 m、浮盤高度為1.8 m，浮盤上一共有12 個自動通氣閥、6個浮頂呼吸閥。經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，浮盤的幾何模型如圖1 所示?？梢?，網(wǎng)格劃分密集的地方主要集中在通氣閥附近，浮盤落底后，通氣閥進出氣體頻繁。由于浮盤內(nèi)部壓強是非常重要的油氣濃度的衡量指標，所以先來研究浮盤內(nèi)部的壓強情況。

圖1 網(wǎng)格劃分圖浮盤結(jié)構(gòu)

本研究基于原油完全排出儲罐外的情況，選用RNG k-ω湍流模型。設(shè)置儲罐內(nèi)氣體成分為fuel-oilair，其中fuel-oil-air 內(nèi)含烷烴類氣體、H2O、N2、CO2。此時，假設(shè)在油都排出儲罐的瞬間，整個油氣空間在1.8m高度的時候進行仿真。

其次，在設(shè)置通氣閥的時候，為了簡化模型，將通氣閥的壓強等效在整個浮盤表面。當浮盤落底后，自動通氣閥同時開啟，大氣緩慢進入浮盤內(nèi)部，其中成分包含H2O、N2、CO2等。

短時間內(nèi)浮盤底部的空間的壓強大小如下，首先是油氣空間頂部的壓強分布（即，浮盤一側(cè)的俯視圖），如圖2 所示。

圖2 油氣空間頂部的壓強分布趨勢（浮頂表面）

油氣空間底部的壓強分布如圖3 所示。從圖2、3中可以看出，在同一高度上，罐壁所受的壓強較罐中心大，這是因為大氣進入自動通氣閥后，氣體被擠壓到罐壁邊緣的緣故。

圖3 油氣空間底部的壓強分布趨勢圖（罐底視角）

儲罐底面壓強的數(shù)值分布見表2。從側(cè)面圖中也可以看到漸變的壓強值，壓強從上往下變得越來越大（顏色從藍綠色變?yōu)樯罴t色），如圖4 所示。

表2 儲罐底面壓強的數(shù)值分布

圖4 油氣空間側(cè)面的壓強趨勢

油氣空間的底部（罐底側(cè)）和頂部（浮盤側(cè)）的壓強分布明顯是有差異的?？傮w來說，底部的壓強差更大，甚至出現(xiàn)了紅色區(qū)域（壓強較大處，從藍色到紅色，壓強越來越大），也就是說，空氣進入氣相空間后，氣體擴散到了儲罐邊緣，對罐底邊緣處產(chǎn)生了較大的壓力。在上述幾張圖中，深紅色區(qū)域的壓強達到了97.5 kPa。

從中得出結(jié)論，即油面升降對壓強分布關(guān)系不大，甚至幾乎不變。無論內(nèi)部產(chǎn)生多少油氣，無論液面多高，都是到達4.0 kPa時才吸入大氣，所以在吸入的瞬間，壓強分布幾乎不變。

繼續(xù)觀察浮盤內(nèi)部氣體的流速圖，可以更清晰地看到氣體的流動方向和速度大小，如圖5 所示。從圖5 可以看到，浮盤內(nèi)部的油氣流動方向呈向心趨勢，紅色代表流速最大的區(qū)域；相比于壓強圖可得知，流速越大處，壓強相對越小。

圖5 浮盤內(nèi)部混合氣體流速趨勢矢量圖

以上的壓強、氣體流速矢量仿真，皆是油氣濃度的表征方式。通過以上仿真，可以清晰地看到浮盤內(nèi)部混合氣體的狀態(tài)情況。

3 油氣空間濃度的風險分析

3.1 油氣體積和壓強關(guān)系

基于上述仿真結(jié)果，可以通過理想氣體狀態(tài)方程算出浮盤落底時吸入的最大的空氣量（空氣體積），方程如下：

式中：p為壓強；V 為氣體體積；n 為氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)（其中：R=8.314 J/（mol·K））；T 表示理想氣體的熱力學溫度（T=273.15 ℃）。

仿真得到最大的壓強值為97.5 kPa，仿真值與1個標準大氣壓近似吻合，所以仿真值可以參考。儲罐內(nèi)的原油完全排出后，油氣空間的體積為9 043.2 m3。根據(jù)式（8）計算，得出原油完全排出后，浮盤下的混合氣體總的物質(zhì)的量為388 kmol。

進油之后，當油量達到剛剛托起浮盤時，可以計算出排放到浮盤外部的油氣總量：已知氣體的物質(zhì)的量是不變的（因為油氣的量n是定值），而氣體全部排到浮盤外部，即變?yōu)? 個標準大氣壓，所以可以得出，排放到外面的混合油氣總量的體積為8 703.97 m3（體積約為8 704 m3），物質(zhì)的量為388 kmol。

如此龐大體積的混合油氣一旦發(fā)生事故是非常危險的。

3.2 油氣濃度和爆炸下限的分析

通過查閱資料，在25 ℃的條件下，原油（烷烴類）的揮發(fā)量（體積V≈8 704 m3）在4 h 時間趨于飽和最大值。而且，0.5 h 內(nèi)烷烴揮發(fā)的體積百分數(shù)已經(jīng)達到10.981%［13］。

已知混合氣體爆炸下限公式［14］：

式中：L為可燃混合氣體的爆炸極限；Vi為混合油氣中各組分的體積分數(shù)；Li為混合油氣中各個組分的爆炸下限值［14］，甲烷5.0%，乙烷3.0%，丙烷2.2%，異丁烷1.8%，正丁烷1.9%，異戊烷1.4%，正戊烷1.4%。

通過式（9）和以上數(shù)據(jù)，可以計算出外浮頂儲罐浮盤內(nèi)部的混合油氣爆炸極限L 為19.04%。已知混合油氣的爆炸下限為1.4%～2.1%［15］，可見，0.5 h內(nèi)原油的有機物揮發(fā)濃度已經(jīng)超過了發(fā)生爆炸的最低限度，因此會有爆炸的風險。

4 結(jié)語

本研究基于RNG k-ω 模型，首先采用ANSYS 仿真，對大型外浮頂儲罐的浮盤落底、原油完全排出后的儲罐油氣空間進行油氣分析，得出了壓強分布規(guī)律和壓強值，最大達到97.5 kPa，油氣空間的體積達到9 043 m3。然后，基于濃度模型和爆炸下限計算方法，得出半小時內(nèi)混合油氣的爆炸極限達到了19.04%，遠遠高于爆炸下限，存在爆炸風險。如果此時遇到火花雷電等情況，就極容易發(fā)生爆炸事故。因此，在雷暴天氣下，嚴禁儲罐進出油操作。并且，在浮盤落底過程中，必須采用防靜電措施，禁止人員上罐操作。