儲(chǔ)罐油品蒸發(fā)損耗研究進(jìn)展

摘 """""要：基于“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，分析現(xiàn)有儲(chǔ)罐油氣蒸發(fā)研究方法，歸納現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法的應(yīng)用范圍，闡述不同模擬方法的研究對(duì)象和優(yōu)缺點(diǎn)，提出油品蒸發(fā)損耗的主要影響因素及改進(jìn)措施，指出了環(huán)境溫度與太陽(yáng)輻射對(duì)其影響的重要性，為優(yōu)化儲(chǔ)油設(shè)備及提高降耗效率提供了改進(jìn)思路與借鑒。

關(guān) "鍵 "詞：儲(chǔ)罐；蒸發(fā)損耗；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TE85"""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)志碼：A """"文章編號(hào)：1004-0935（20202024）0×12-1887-05

隨著我國(guó)油罐群數(shù)量不斷增多，一系列的環(huán)境安全問(wèn)題也越發(fā)突出。“雙碳”目標(biāo)提出以來(lái)，我國(guó)加快了揮發(fā)性有機(jī)物的排放綜合整治，力爭(zhēng)到2025年，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)物排放總量下降10%以上的目標(biāo)^[1-2]。儲(chǔ)罐內(nèi)油氣因蒸發(fā)量大、濃度高等特點(diǎn)，受到諸多學(xué)者關(guān)注。在早期研究中，認(rèn)為油氣蒸發(fā)擴(kuò)散過(guò)程是氣液相變、油氣傳質(zhì)和油氣排放的綜合效應(yīng)，歸納了儲(chǔ)罐油品蒸發(fā)擴(kuò)散的整體變化規(guī)律，但與實(shí)際結(jié)果存在一定偏差^[3]。目前，最有效的研究方法主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬^[4]，通過(guò)開(kāi)展不同外界條件下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，可以直接掌握油品的蒸發(fā)擴(kuò)散機(jī)理；利用數(shù)值模擬軟件，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散物質(zhì)的大范圍追蹤，節(jié)省成本和時(shí)間，因此數(shù)值模擬方法在儲(chǔ)罐油品蒸發(fā)擴(kuò)散機(jī)理研究中被廣泛采用。

1 "蒸發(fā)損耗研究方法

現(xiàn)有的儲(chǔ)罐油氣蒸發(fā)研究方法包括：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬等^[5]。

1.1 "現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可直接觀察到油品蒸發(fā)損耗的真實(shí)情況。劉澤陽(yáng)^[6]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)修正了API公式，使聯(lián)合站沉降罐的油品蒸發(fā)擴(kuò)散規(guī)律的結(jié)論相對(duì)誤差從80%降低到10%以下。Tamaddoni等^[7]對(duì)碼頭油輪的油氣蒸發(fā)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)油輪裝載30%的原油時(shí)，排出氣體中的碳?xì)浠衔锖勘妊b載前增加15%；當(dāng)裝載60%原油時(shí)，含量減少到9.73%。Hata等^[8]分析溫度和氣體空間等參數(shù)對(duì)蒸發(fā)速度的影響，得到了油氣蒸發(fā)速度與晝夜溫差和油罐內(nèi)氣體空間成正比。Lu 等^[9]搭建了油氣的工作損耗和靜止損耗的評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效分析了拱頂罐排放的廢氣。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得結(jié)論既可用于油氣蒸發(fā)機(jī)理的研究，也可為其他研究方法的修正和理論模型的建立提供依據(jù)。

1.2""風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)因具有優(yōu)越的可控性與穩(wěn)定性，在模型評(píng)估和數(shù)據(jù)驗(yàn)證方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。ZHANG等^[10]借助風(fēng)洞平臺(tái)搭建內(nèi)浮頂罐縮比模型研究了正己烷蒸氣的擴(kuò)散規(guī)律，提出儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體空間越大，儲(chǔ)罐內(nèi)外的氣流交換越弱，隨著浮盤(pán)高度增加，艙內(nèi)形成較大的渦流，加劇氣體擾動(dòng)。許雪等^[11]建立罐區(qū)模型，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)儲(chǔ)罐高度相等時(shí)，儲(chǔ)罐間油氣主要積聚在前排儲(chǔ)罐背風(fēng)側(cè)下方；當(dāng)前排儲(chǔ)罐高于后排儲(chǔ)罐時(shí)，氣流會(huì)挾卷罐間油氣至后排儲(chǔ)罐罐頂，使其油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高于同等高度區(qū)域。為對(duì)儲(chǔ)罐油品蒸發(fā)擴(kuò)散進(jìn)行全面深入的研究，常州大學(xué)研究人員建立了直流式風(fēng)洞平臺(tái)，討論了內(nèi)浮頂罐外風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)壓分布規(guī)律、風(fēng)速對(duì)內(nèi)浮頂罐油氣流場(chǎng)分布及油氣擴(kuò)散濃度的影響，得到不同風(fēng)速下，罐內(nèi)油氣分布整體呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)，且浮盤(pán)位置越低、風(fēng)速越大，蒸發(fā)速率越快^[12]。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究主要集中于罐內(nèi)油品的風(fēng)荷載量、風(fēng)向和儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的變化等方面，而對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體空間的蒸發(fā)實(shí)質(zhì)分析以及光照輻射對(duì)內(nèi)部氣體空間的影響等研究仍需進(jìn)一步深入。

1.3""數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)成本低，周期短，效率高，可進(jìn)行全尺寸模擬。目前，依據(jù)求解尺度的不同，數(shù)值模擬方法主要分為三種：直接數(shù)值模擬（DNS）、雷諾時(shí)均方法（RANS）和大渦模擬（LES）。

DNS方法用于求解低雷諾數(shù)的流體模擬問(wèn)題。早期DNS方法建立的氣液兩相混輸工藝分析模型，對(duì)于氣體擴(kuò)散的模擬應(yīng)用較少^[13]。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，DNS方法現(xiàn)已能夠通過(guò)開(kāi)展儲(chǔ)罐的油氣蒸發(fā)過(guò)程研究，對(duì)罐體內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)^[14]。通過(guò)DNS方法來(lái)全面認(rèn)識(shí)油品蒸發(fā)和油氣擴(kuò)散的機(jī)理，有助于優(yōu)化罐體設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高過(guò)程效率。

RANS方法計(jì)算效率高，解的精度可以滿足工程實(shí)際需要。Tan等^[15]將氣體通過(guò)簡(jiǎn)單障礙物時(shí)擴(kuò)散的CFD預(yù)測(cè)與風(fēng)洞測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，探究了障礙物引起的流場(chǎng)特性與氣體濃度之間的相關(guān)性。Liu等^[16]建立罐內(nèi)油品的傳熱和流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，繪制儲(chǔ)罐油溫場(chǎng)的中心溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)曲線，分析了儲(chǔ)罐的軸向和徑向溫度。

LES方法能夠解決了DNS求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，又彌補(bǔ)了 RANS 無(wú)法計(jì)算非穩(wěn)態(tài)、非平衡的大尺度效應(yīng)不足^[17]。Sun等^[18]利用LES方法分析了外浮頂儲(chǔ)罐周圍的湍流流動(dòng)和風(fēng)荷載，得到LES方法在計(jì)算儲(chǔ)罐周圍非定常風(fēng)荷載和渦流結(jié)構(gòu)方面優(yōu)于RANS方法的結(jié)論。針對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下儲(chǔ)罐的繞流特性和密封圈的油氣耗散特點(diǎn)，李文欣^[19]基于儲(chǔ)罐繞流流場(chǎng)旋渦結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析風(fēng)速和液位對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)外壁風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律，提出了基于LES的計(jì)算公式。

基于已有研究成果，對(duì)三種模擬方法的優(yōu)勢(shì)、不足及適用對(duì)象等進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)表1。

2 "儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗影響因素

2.1 "儲(chǔ)罐內(nèi)部影響因素

2.1.1 "油品影響

儲(chǔ)罐內(nèi)油品蒸發(fā)損耗會(huì)受到油品自身因素的影響。Sharma等^[20]對(duì)臥式儲(chǔ)罐中的15種汽油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)正丁烷和異戊烷的濃度越高，呼吸損耗越大。此外，儲(chǔ)罐收發(fā)油的裝載因素不同，油氣損耗率也不同。Hassanvand^[21]等利用VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了裝油速度、油罐初始油氣濃度對(duì)油罐損失率的影響。Wang等^[22]通過(guò)模擬表明裝油速度增加，裝油蒸發(fā)損耗率變化不大，約為0.022%；初始油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，蒸發(fā)損耗率上升明顯，見(jiàn)圖1。

針對(duì)收發(fā)油過(guò)程中造成的油氣損失，可采用氮封系統(tǒng)維持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力平衡，有效減少儲(chǔ)存介質(zhì)蒸發(fā)損耗、防止空氣污染，保證儲(chǔ)存油品質(zhì)量和儲(chǔ)罐安全。

2.1.2 "儲(chǔ)罐影響

我國(guó)工業(yè)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)類型眾多，儲(chǔ)罐的不同構(gòu)造對(duì)油氣蒸發(fā)影響不一。Huang、Jing、黃維秋、李飛等基于儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)對(duì)油品蒸發(fā)的影響進(jìn)行了大量的工作，取得了一定的科研成果^[23-26]，見(jiàn)表2。

由表2可知，通風(fēng)口位置、輸油口高度和浮盤(pán)位置等不同儲(chǔ)罐構(gòu)造是影響油品蒸發(fā)損耗的主要儲(chǔ)罐因素。基于此，可以對(duì)油罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造升級(jí)，以減少油品蒸發(fā)損耗。王建偉^[27]通過(guò)改變擋板的位置，發(fā)現(xiàn)當(dāng)呼吸閥擋板的吊桿長(zhǎng)度為呼吸閥接合口直徑的2倍時(shí)，對(duì)降低儲(chǔ)罐內(nèi)油品蒸發(fā)損耗的效果最好。

2.2 "儲(chǔ)罐外部影響因素

大氣溫度是影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗的因素之一。Wang等^[28]和Li等^[29]基于數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了有效的物理-數(shù)學(xué)模型。張佩宇等^[30]建立了拱頂罐的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)理論模型，利用自制的儲(chǔ)罐實(shí)測(cè)罐內(nèi)氣相溫度變化，對(duì)拱頂罐一天內(nèi)的蒸發(fā)損耗過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，測(cè)得小呼吸損耗實(shí)驗(yàn)值與模擬值最大誤差不超過(guò)4.7%。Ginestet等^[31]提出一種評(píng)估蒸發(fā)流量的熱分析方法，討論了溫度、壓力和蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)蒸發(fā)損耗進(jìn)行了評(píng)估。

輻射是影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗的另一重要因素。建立拱頂罐非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)模型，見(jiàn)圖2，太陽(yáng)輻射熱量通過(guò)大氣經(jīng)罐壁傳遞到油品，由于油品與大氣之間存在較大的溫差，使得靠近儲(chǔ)罐邊界部分的油品通過(guò)與內(nèi)壁之間的自然對(duì)流、罐壁導(dǎo)熱、強(qiáng)制對(duì)流及輻射的方式向外界散失熱量。

Huang等^[32]基于CFD數(shù)值模擬方法，分析不同季節(jié)下太陽(yáng)輻射對(duì)拱頂罐呼吸損耗的影響，得到了不同VOCs的日損失率的估算公式。張佩宇^[30]對(duì)拱頂罐進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)總傳熱系數(shù)中與液相接觸的罐壁的總傳熱系數(shù)最大，與氣相接觸的罐壁的次之，罐頂?shù)淖钚　un等^[18]對(duì)浮頂儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，指出罐頂溫降速率隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的降低而增大；罐壁溫降速率隨大氣溫度的降低而增大；罐底近似于絕熱，溫降速率受外界環(huán)境影響較小。

除了以上兩種因素外，風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)罐蒸發(fā)的影響也不能忽視。周寧等^[33]考慮到LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)泄漏過(guò)程中的特點(diǎn)，結(jié)合相平衡原理和歐拉多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，開(kāi)展了風(fēng)速、泄漏速率和地面粗糙度對(duì)LNG氣云擴(kuò)散影響的研究。Fang等^[34]通過(guò)分析儲(chǔ)罐的風(fēng)速場(chǎng)和濃度場(chǎng)的疊加效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在不同的環(huán)境風(fēng)速下，油罐之間的干擾是不同的，外浮頂儲(chǔ)罐數(shù)量越多，其在順風(fēng)方向的疊加效應(yīng)就越明顯。Kountouriotis等^[35]通過(guò)分析汽油擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速可以加速蒸汽的擴(kuò)散，在高溫和低風(fēng)速的情況下，罐體泄漏處上方存在可燃云，通過(guò)控制揮發(fā)性有機(jī)物的排放可將可燃云最小化，從而降低爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

大氣溫度，輻射和環(huán)境風(fēng)速是影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗的重要外部因素。針對(duì)儲(chǔ)罐外部因素造成的蒸發(fā)損耗，Chen等^[36]研發(fā)了一種應(yīng)用于儲(chǔ)罐外壁的聚合物被動(dòng)輻射冷卻涂層（PRCC），該涂層對(duì)陽(yáng)光的反射率達(dá)96.2%，可以減少儲(chǔ)罐內(nèi)50%以上的油品損耗。劉風(fēng)章^[37]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，涂覆隔熱反射涂層的罐體全天外表面平均溫度可降低21.1%，罐頂外表面平均溫度可降低 37.1%，罐內(nèi)呼吸氣體平均溫度可降低 27.4%。因此，開(kāi)發(fā)儲(chǔ)罐隔熱涂層，可以降低罐體所受輻射，達(dá)到理想的降耗效果。

3 "結(jié)論與建議

通過(guò)蒸發(fā)損耗的產(chǎn)生規(guī)律分析與綜合探討，得到以下結(jié)論與建議：

1）環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射是影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗的主控因素。使用儲(chǔ)罐隔熱涂層控制溫度以降低油品的蒸發(fā)損耗是最為簡(jiǎn)單有效的方法。當(dāng)使用隔熱涂層時(shí)，罐體外表面平均溫度可降低20%以上，大幅度減少油品的蒸發(fā)損耗。

2）結(jié)合現(xiàn)有儲(chǔ)罐的研究方法，得到各自的應(yīng)用范圍。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)既可用于油氣蒸發(fā)機(jī)理的研究，也可為其他實(shí)驗(yàn)方法的修正和理論模型的建立提供依據(jù)；數(shù)值模擬能夠有效分析罐內(nèi)流場(chǎng)特征，節(jié)約分析時(shí)間和成本；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究主要集中于罐內(nèi)油品的風(fēng)荷載量、風(fēng)向和儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的變化等方面，而對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體空間的蒸發(fā)實(shí)質(zhì)分析等研究仍需進(jìn)一步深入。

3）從綜合效能出發(fā)，應(yīng)優(yōu)化呼吸閥結(jié)構(gòu)，減少油面上的氣體空間；當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)行收發(fā)油作業(yè)時(shí)，可以采用氮封系統(tǒng)維持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力平衡，防止油氣外泄，降低呼吸損耗。

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Research Progress oin Evaporation Loss of Oil in Storage Tanks

ZHANG Guang-jian¹，"ZHAO Dong-xu²，"QIN Li-guang²，"YU Bing²，"LI Yao²，"WANG Wei-qiang¹

（1."College of Petroleum Engineering， Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China;

2."Sinopec Marketing Liaoning Branch， Shenyang Liaoning 110031， China）

Abstract："Based on the national strategic goal of \"carbon peaking and carbon neutrality\"， this paper analyzes the existing research methods for oil and gas evaporation in storage tanks"were"analyzed，"summarizes"the application scopes"of on-site measurement， wind tunnel experiments，"and numerical simulation methods"were"summarized， elaborates on the research objects and advantages and disadvantages of different simulation methods"were"discussed， proposes the main influencing factors and improvement measures for oil evaporation loss"were"proposed， and"points"out"the importance of environmental temperature and solar radiation on its impact"was"pointed"out， provideing"improvement ideas and references"for optimizing oil storage equipment and improving consumption reduction efficiency.

Key words："Storage tank;"Evaporation loss;"Field measurement;"Wind tunnel experiments;"Numerical simulation