基于AP-42的內浮頂儲罐VOCs排放特性定量研究

李春漫祁寶萍馮云龍施昊彤蔣娟梁昌晶

（1.國家管網集團科學技術研究總院分公司；2.中國石油華北油田公司第二采油廠；3.中國石油華北油田公司質量安全環保監督中心；4.國家管網集團山東輸油有限公司；5.中國石油華北油田公司工程技術研究院）

1 背景及介紹

隨著國家油氣資源儲備的增加，油庫已步入大型化發展階段，儲罐作為油品儲存主要容器，其無組織排放情況受到越來越多的關注。儲罐的無組織排放主要為揮發性有機物（VOCs），VOCs是一類常見的大氣污染物，可與氮氧化物生成臭氧、過氧乙酰硝酸脂等有害物質，對人類生產、生活及健康造成極為嚴重的影響。據統計數據表明，我國油品儲運過程中VOCs排放量約占原油加工量的0.04%～0.08%，其中靜置損耗在各環節損耗的占比較大[1-3]。因此，控制儲罐VOCs排放現狀，準確核算不同工況和外部環境下的排放量，可為管理部門和環境單位控制儲罐無組織排放提供實際參考。

目前，儲罐VOCs的核算方法有經驗和半經驗方法兩種，其中經驗方法基于實測數據回歸，包括美國石油協會API方法、日本能源廳方法、中石化核算方法等，半經驗方法基于質量守恒、能量守恒、動量守恒核算排放量，包括SHT 3002—2017《石油庫節能設計導則》附錄方法、瓦里奧夫斯基-切爾尼基方法、美國環保署（EPA）提出的方法[4-6]。其中，EPA參照《Air Emission Factors and Quantification》（AP-42）標準中提出的模型，集成到了Tanks軟件中，該軟件是目前國際上應用最為廣泛的VOCs排放量核算軟件，可用于計算不同儲罐類型的VOCs損耗。綜上所述，以內浮頂儲罐為例，從儲罐特征、氣象因素、操作條件等方面計算VOCs損耗，探討影響儲罐VOCs排放的關鍵因素，并提出切實可行的排放減緩措施，以期為碳中和、碳達峰的實現提供技術支持。

2 內浮頂儲罐VOCs損耗分類

AP-42標準中將內浮頂儲罐VOCs損耗分為邊緣密封損耗、掛壁損耗、浮盤附件損耗、浮盤密封損耗[7]。

1）邊緣密封損耗是揮發性油氣通過浮盤與罐壁之前的縫隙排出。

2）掛壁損耗是儲罐出料時遺留在罐壁上介質隨即蒸發，當儲罐內有支撐柱時，原油還會附著在支撐柱上，掛壁損耗與固定頂儲罐的工作損耗相同。

3）浮盤附件損耗是指油氣通過浮盤上的各類附件（如人孔、計量孔、真空閥、浮盤排水等）排出，其原理與邊緣密封損耗相似。

4）浮盤密封損耗與浮盤形式和浮盤構造有關，其中當浮盤為焊接形式時，不存在浮盤密封損耗[8-10]。

3 模型設置

以某油庫1×104m3內浮頂儲罐為例，在Tanks軟件中輸入儲罐信息和浮頂附件信息，儲罐信息見表1。氣相參數根據儲罐所在地國家氣象中心提供的2021年全年各月最高氣溫、最低氣溫和平均風速設定，儲罐所在地氣溫和風速統計見圖1。太陽總輻射值根據地理空間信息云系統中的數據設定，按照季節設定，3—5月為1 200 MJ/(m2·a)，6—8月為1 450 MJ/(m2·a)，9—11月為975 MJ/(m2·a)，12-2月為815 MJ/(m2·a)。儲存介質為原油，密度0.89 g/cm3，飽和蒸汽壓55 kPa，液相摩爾質量207 g/mol，氣體摩爾質量50 g/mol。

表1 儲罐信息Tab.1 VOCs loss of floating roof storage tank

圖1 儲罐所在地氣溫和風速統計Fig.1 Statistics of air temperature and wind speed at the location of storage tank

4 結果與討論

4.1 儲罐特性

4.1.1 浮盤類型

采用Tanks軟件計算得到全年的VOCs損耗情況，內浮頂儲罐VOCs損耗量見表2。浮盤附件損耗最大，其次為邊緣密封損耗和掛壁損耗，這可能與儲罐未采用二級密封有關。

表2 內浮頂儲罐VOCs損耗量Tab.2 VOCs loss under different floating plate installation modes

通過查詢，浮筒式浮盤結構的盤縫長度因子為4.8 ft/ft-2，雙層板式浮盤結構的盤縫長度因子為0.8 ft/ft-2，計算得到除浮盤密封損耗降為0.12 t外，其余類型的損耗量不變，浮盤密封損耗降低36.8%。

不同的浮盤安裝方式對VOCs損耗影響較大，目前大部分在役儲罐采用螺栓連接，而新建儲罐采用焊接連接，采用焊接連接不會產生浮盤密封損耗，且會減少浮盤附件損耗，不同浮盤安裝方式下的VOCs損耗量見表3，總的VOCs損耗較螺栓連接減少了30.3%。

表3 不同浮盤安裝方式下的VOCs損耗量Tab.3 VOCs loss of different oil scale factors

4.1.2 內壁腐蝕程度

計算儲罐內壁腐蝕程度對VOCs損耗的影響，不同油垢因子的VOCs損耗量見表4。內壁腐蝕程度只影響掛壁損耗，腐蝕越嚴重，內壁的粗糙度越大，在發油的過程中，越多的油品附著在腐蝕坑內，總的VOCs與油垢因子呈正比。因此，儲罐在日常維護中要做好防銹防腐工作，采用泄漏檢測與修復技術對儲罐進行定期檢查，尤其是油水、氣水界面處。

表4 不同油垢因子的VOCs損耗量Tab.4 VOCs loss under different seal forms

4.1.3 外壁顏色

計算外壁顏色對VOCs損耗的影響不同外壁顏色的VOCs損耗量見圖2。外壁顏色對掛壁損耗沒有影響但會影響邊緣密封損耗和浮盤附件損耗，顏色越深對太陽熱輻射的吸收強度越大，油品加熱后揮發氣膨脹，與周圍環境的對流和傳導作用更明顯，其中紅色時VOCs損耗最大，白色時最小。

圖2 不同外壁顏色的VOCs損耗量Fig.2 VOCs loss of different outer wall colors

4.1.4 密封形式

為降低油氣損耗，內浮頂內壁與浮盤外緣環板之間的采用密封，一次密封分為機械靴式密封、液體填充密封和氣體填充密封，二次密封分為邊緣靴式、邊緣刮板密封，不同密封形式下的VOCs損耗量見表5。可見密封形式對掛壁損耗和浮盤密封損耗沒有影響，只影響邊緣密封損耗，不采用二次密封的情況下，液體填充的密封效果最好，其次為機械靴式和氣體填充；采用二次密封的情況下，可大幅降低油氣損耗，液體填充+邊緣刮板的密封效果最好，密封效果較最差的情況提高了41.9%。機械靴式密封并沒有從根本上消除氣相空間，且安裝時對罐壁橢圓度、垂直度的要求較高，目前已被逐漸淘汰；氣體填充密封是將密封袋置于油液面上，不易老化，但仍然存在氣相空間；液體填充密封是將密封袋置于油品中，不存在氣相空間，故密封效果最好。

表5 不同密封形式下的VOCs損耗量Tab.5 VOCs loss under different seal forms

4.2 氣相條件

4.2.1 溫度

不同月份的溫度有所不同，導致VOCs損耗量也不同，不同月份的VOCs損耗量見圖3。溫度對掛壁損耗無影響，只影響邊緣密封損耗和浮盤附件損耗，兩種損耗方式類似，溫度越高，儲罐與大氣之間存在熱傳導，導致罐內原油溫度上升，分子間的熱運動增強，液體蒸汽壓升高，VOCs損耗量也增大，導致夏季7月份的損耗最大，冬季12月和1月的損耗較小。

圖3 不同月份的VOCs損耗量Fig.3 VOCs loss in different months

4.2.2 風速及大氣壓

根據圖1的條件，雖然不同月份的平均風速有所不同，但最大平均風速僅為4.9 m/s，根據GBT 28591—2012《風力等級標準》的要求僅為3級，未考慮極端天氣下風速對VOCs損耗量的影響，故以0～7級的代表風速對儲罐VOCs總損耗量進行核算。經計算，不同風速下的VOCs總損耗量均為0.69 t，可見風速對內浮頂幾乎無影響，這是由于雖然風速增加，會在儲罐上方形成負壓區，但負壓區并不與浮盤接觸，而是與外部的固定頂接觸。在其他條件相同時，考察環境大氣壓對儲罐VOCs總損耗量的影響。環境大氣壓對VOCs損耗量的影響見圖4。損耗量與環境大氣壓呈反比關系，大氣壓越低，原油蒸汽壓與大氣壓之間的差值越小，導致氣相空間增大，VOCs的損耗量增加。

圖4 環境大氣壓對VOCs損耗量的影響Fig.4 Influence of ambient atmospheric pressure on VOCs loss

4.3 操作工況

在其他條件相同時，考察不同年周轉次數（10、20、30、40、50、60）對VOCs損耗量的影響，年周轉次數對VOCs損耗量的影響見圖5。對于內浮頂罐，年周轉次數主要影響掛壁損耗，其余損耗類型基本不變。年周轉次數越多，周轉量越大，收發油的時間內越長，導致原油發生工作損耗的時間也越長，VOCs損耗量越大。因此，在實際運行中，要盡量選用大排量揚程的給油泵，減少收發油時間，降低液面升降速度，控制罐頂呼吸閥的開度閾值，避免發油結束后出現呼吸閥吸入新鮮空氣，導致“回逆呼出”損耗。

圖5 年周轉次數對VOCs損耗量的影響Fig.5 Influence of annual turnover times on VOCs loss

5 結論與建議

為降低內浮頂儲罐VOCs損耗量，基于AP-42標準，利用Tanks軟件核算了儲罐特性、氣象條件和操作工況對VOCs損耗量的影響，結論與建議如下：

1）內浮頂儲罐的浮盤附件損耗最大，其次為邊緣密封損耗和掛壁損耗，浮盤類型對浮盤密封損耗影響較大，采用雙層板式浮盤結構+焊接連接的安裝方式可將浮盤密封損耗降為0。

2）內壁腐蝕程度、外壁顏色、密封形式、年周轉次數等均會影響VOCs損耗量，但外壁顏色的影響范圍有限，建議定期對儲罐內壁進行除銹作業，外壁顏色選擇反射效應大的漆面，采用二次密封形式等措施。

3）氣象因素中溫度與VOCs損耗量呈正相關，大氣壓與VOCs損耗量呈負相關，而風速不影響損耗量，建議降低儲罐溫度，夏季采用水噴淋或增加隔熱板。