內浮頂油罐浮盤油氣擴散規律影響分析

徐振寧 李 哲 馬松浩 劉佳佳 賈 昆 付世博 齊晗兵

〔1 中國石油天然氣股份有限公司東北銷售分公司 遼寧沈陽 110013；2 東北石油大學 黑龍江省高校防災減災工程與防護工程重點實驗室 黑龍江大慶 163318〕

伴隨著我國石油煉化能力顯著提升和大規模油罐群不斷增多，在推動石油石化企業快速發展的同時，也帶來一系列的安全、環境、健康、節能等問題[1-3]。采用內浮頂覆蓋在油罐液體表面是目前公認較理想的降低油品蒸發損耗的方法[4-6]。但油品在靜置存儲過程中，內浮頂罐浮盤與罐壁之間以及浮盤本身因密封不嚴、操作不當、年久失修、腐蝕穿孔等故障會發生縫隙或孔隙泄漏，不僅增加了油品的蒸發損耗，導致油品質量降低，對環境也有直接影響。因此，研究內浮頂罐浮盤高度和密封圈泄漏量對降低油氣損耗和保護環境具有重要意義。

近年來，隨著仿真技術的快速發展，數值模擬方法對內浮頂罐浮盤油氣擴散規律進行研究成為了熱點。計算流體動力學(CFD)對模擬氣體泄漏、組分擴散現象的有效性已經得到廣泛驗證[7-8]。Parvini等[9]建立CFD模型從近場和遠場兩個方向評估了地下管道中天然氣的釋放和擴散。Li等[10]利用CFD方法模擬了海底管道的氣體泄漏和擴散，模型對泄漏氣體的質量流量、上升時間、水平擴散距離和擴散面積進行了預測。有很多學者利用實驗和Fluent等數值模擬方法，對常規的拱頂罐、外浮頂罐、內浮頂罐以及加油站油氣擴散傳質進行研究，揭示罐內油品蒸發和油氣-空氣擴散傳質及罐外排放的規律[11-12]。張佩宇等[13]對江蘇省常州地區某拱頂汽油罐春分日白天的油品蒸發損耗進行了數值模擬，發現汽油罐的蒸發和罐內各區域溫度與時段光照情況相一致。紀然等[14]采用理論計算與數值模擬方法研究了迷宮密封間隙、進出口壓比、空腔深度、活塞速度對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損耗，提出了油氣含量測定可以用油氣總烴的標準譜圖來換算，并給出了相關的降耗措施和計算公式。而現有的研究中少有針對內浮頂罐油品泄漏擴散各影響因素的較完整的評估。

因此，建立內浮頂汽油儲罐密封圈油氣擴散和泄漏環寬度和速度流率估算模型，分析不同浮盤高度和泄漏量對內浮頂儲油罐浮盤上氣體空間的油氣擴散運移規律影響，進而揭示內浮頂儲油罐內油品蒸發和油氣-空氣擴散傳質規律，對儲油罐安全隱患的管控具有重要意義。

1 泄漏環寬度和速度流率的計算公式

以大連某石油儲備庫工程為例，對內浮頂儲油罐泄漏環寬度和速度流率進行計算。該油庫用于儲存車用汽油(雷德蒸汽壓為89.6，相對分子質量約為62)，油罐外表面為白色，密封圈采用一次機械鞋式緊密配合密封，結構形式為非自支撐，拼接方式為焊接。此外，油罐所在地日均環境溫度約為276.15 K，全年平均日太陽輻射量約為0.14 Kw/m2，大氣壓約為101.325 kPa。

在現有的模擬研究中，內浮頂儲油罐密封圈泄漏環的寬度通常做理想化假設，但其計算結果無法提供油罐內環境安全維持和油氣濃度檢測的具體操作建議。為此，以規范《SH/T 3002-2019石油庫節能設計導則》和文獻[18]的實驗數據為基礎，對大連某儲油罐工程內浮頂油罐浮盤密封圈泄漏環寬度的數量級進行估算。計算式為：

TL=TAA+0.311(6α-1)+1.391αI

(1)

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

Kr=Kra+KrbVn

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：Kr為密封損耗系數，mol/(m·a)；Kra、Krb和n分別為零風速密封損耗系數、風速相關密封損耗系數和密封相關風速指數，對一次機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為平均風速，內浮頂罐取0；Kfi為浮盤附件損耗系數，mol/a；Kfai、Kfbi和mi分別為零風速浮盤附件損耗系數、風速相關浮盤附件損耗系數和風速相關浮盤附件損耗指數，對人孔非自支撐無螺栓無墊圈蓋板取值分別為16.33 mol/a、7.03 mol/[(m/s)m]·a和1.2；KV為浮盤附件風速校正系數，內浮頂罐取1.0；Sd為浮盤頂板接縫長度系數，m/m2；Lseam為浮盤頂板接縫總長度，m；D為油罐直徑，m；p為罐內油面溫度對應氣相壓力，kPa；A和B為蒸汽壓方程常數，對車用汽油(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，mol/a；Ff為浮盤附件總損耗系數，mol/a；Nfi為浮盤附件個數，對人孔取1.0；Fd為浮盤頂板接縫總損耗系數，mol/a；Kd為單位長度頂板接縫損耗系數，對焊接取0；pz為蒸汽壓函數；pa為大氣壓，取101.325 kPa。

內浮頂罐小呼吸年油品損耗為：

LS=(Fr+Ff+Fd)pzMVKC

(10)

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

2 數值模擬方法

汽油產品是一種復雜的混合物，其揮發速度與外界環境因素如溫度、濕度、大氣壓和風速等有關。因此，內浮頂儲油罐內油品的蒸發擴散過程十分復雜，難以對所有細節進行量化描述。為便于CFD模型的計算和保證求解的收斂性，本文對模型進行了以下簡化：①將各通氣孔分別簡化為規則形狀；②將汽油組分簡化為單一的正己烷(C6H14)；③將蒸發的動態過程簡化為上述計算得到的平均速度流率。

2.1 幾何模型、邊界條件和算法

儲罐內直徑40.5 m，罐壁高度17.25 m，結構頂區域高4.87 m；結構頂周邊及正中共設置18個通氣孔，其中結構頂面四周16個，中心設有2個，其等效直徑分別為0.53 m和0.15 m；內浮盤四周邊緣為密封泄漏環，泄漏環寬度約為1×10-4m。

環境溫度設置為大連年均氣溫284.65 K。浮頂泄漏環設置為速度入口，流速0.001 8 m/s，通風孔設置為壓力出口，結構頂、罐壁和浮盤均設置為絕熱無滑移固壁邊界；采用SIMPLE算法和Green-Gauss基于節點的梯度插值方案；監測點設置在浮盤中心上方0.5 m處。

2.2 控制方程和湍流模型

油品通過浮盤密封圈與罐壁之間的縫隙泄漏擴散到浮盤上方空間并通過通氣孔流出，最終計算域內的油氣濃度達到穩態平衡。為描述該現象，計算模型需要設置以下控制方程[19]：

連續性方程：

(11)

動量方程：

(12)

能量方程：

(13)

質量守恒方程：

(14)

對于湍流模型，與標準k-ε模型相比，Realizable k-ε模型通過傳輸方程對湍流黏性和耗散率進行了修正，更適用于處理二次流和流動分離的問題[20]。Realizable k-ε模型如下：

(15)

(16)

3 結果討論

為了研究不同浮盤高度和泄漏量對內浮頂儲油罐浮盤上氣體空間的油氣擴散運移規律影響，進而揭示內浮頂儲油罐內油品蒸發和油氣-空氣擴散傳質規律。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浮頂罐中心沿垂直方向油氣濃度變化曲線。由圖1可知，內浮頂油罐內上方氣體空間油氣濃度在罐內出現明顯的分層堆積現象。這是因為內浮頂油罐頂部氣體與大氣之間存在熱擴散作用，同時油氣的密度比空氣的密度大，使得內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，浮盤上方0～5 m高度范圍內油氣體積分數約為0.015%，5～7 m高度范圍內油氣體積分數迅速降低到約0.012%，7～13.5 m高度范圍內油氣體積分數約為0.011%。

圖1 不同浮盤高度下內浮頂罐中心沿垂直方向油氣濃度變化曲線

圖2對比了不同浮盤高度下監測點的油氣體積分數。由圖2可知，隨著浮盤高度的升高，內浮頂儲油罐浮盤上氣體空間的油氣濃度降低，這是因為液位及浮盤越高，罐內氣體流場受到通氣孔的影響越大，油氣擴散的越快。例如，在浮盤高度為低、中和高液位下內浮頂儲油罐監測點的油氣體積分數分別為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浮頂罐浮盤上氣體空間的油氣體積分數。由圖3、4可知，浮盤上氣體空間的油氣分布呈現出濃度梯度。由費克定律可知，底部油氣濃度較高的氣體向頂部油氣濃度較低的空間擴散。隨著時間的推移，油氣分子在罐內氣體空間中形成一個動態平衡的濃度場。隨著泄漏量的增大，內浮頂油罐內的平均油氣濃度近似等比例增大，但最終油氣濃度在罐內的相對分布不隨泄漏量發生改變，監測點在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油氣體積分數分別為0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。當泄漏速度為100倍時，內浮頂罐內浮盤上氣體空間的油氣濃度分層現象更加顯著，內浮頂罐內浮盤上氣體空間監測點的油氣體積分數為0.368%，已經達到爆炸極限。無論從安全、環保還是人員生命財產等方面，都應采取相應措施及時監控。

圖3 不同泄漏速度下油氣體積分數

圖4 100倍泄漏率下油氣體積分數

3.3 內浮頂油罐安全運行及罐內油氣濃度檢測相關的操作建議

第一，在內浮頂油罐的日常運行中，保持罐內較高的油位是一種有效降低罐內油氣濃度的措施。同時，更高的油位對油品蒸發損耗和環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、經濟性和環境保護等因素。

第二，罐內油氣濃度檢測時，取樣位置設置在浮盤中心上方0～1.5 m范圍內是合理有效的。取樣位置過于靠近密封圈或通風口時檢測結果意義較小，因為前者可能在非常小的區域內達到并保持在油氣濃度危險范圍內，但實際上這個區域很小，在正常操作下難以形成安全事故；而后者則可能在浮盤發生一定泄漏后仍保持油氣濃度在安全或不可檢測范圍內。

第三，檢測設備的最小檢測濃度需要在油氣體積分數0.01%以下，當浮盤中心上方0.5 m取樣點的油氣體積分數達到0.15%時考慮浮盤存在泄漏風險，需要重點檢修。

4 結 論

建立內浮頂汽油儲罐密封圈油氣擴散和泄漏環寬度和速度流率估算模型，分析不同浮盤高度和泄漏量對內浮頂儲油罐浮盤上氣體空間的油氣擴散運移規律影響，進而揭示內浮頂儲油罐內油品蒸發和油氣-空氣擴散傳質規律，得出以下結論：

(1)泄漏油氣的擴散速度隨著浮盤的升高而加快，罐內的平均油氣濃度降低，內浮頂罐內監測點在低、中、高液位下的油氣體積分數分別為0.015 4%、0.013 6%和0.010 7%時無安全風險，在正常運行狀態下存在浮盤密封圈微泄漏的內浮頂罐是穩定且安全的。

(2)隨著泄漏量的增大，內浮頂油罐內浮盤上氣體空間的油氣濃度增大，監測點在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油氣體積分數分別為0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。將泄漏速度擴大100倍后，內浮頂油罐內浮盤上氣體空間監測點的油氣體積分數為0.368%，已經達到爆炸極限。無論從安全、環保還是人員生命財產等方面，都應采取相應措施及時監控。

(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散速度，使靠近通氣孔的區域油氣濃度明顯降低。