限制空间装货过程中透气变化的晃荡效应

卢金树,朱哲野,刘枫琛

(浙江海洋学院石化与能源工程学院,浙江舟山 316022)

限制空间装货过程中透气变化的晃荡效应

卢金树,朱哲野,刘枫琛

(浙江海洋学院石化与能源工程学院,浙江舟山 316022)

油船装货过程中存在油气蒸发,蒸发出的油气会带来多种危害。装货时产生的晃荡是影响油品蒸发的因素之一。研究油船装货过程中舱内货油的晃荡及气液界面处的扰动对油气蒸发排放的影响,建立几何尺寸比例约为1/ 40的油船单个油舱模型,进行两组4种不同装货速度下的装货试验。结合对流扩散模型,综合考虑扩散效应、对流效应及透气孔处的透气效应,研究在整个装货过程中油舱透气孔处排出油气体积分数的变化原因及规律。结果表明,在类似油舱这样的限制性空间的完整装油过程中(0～95%),油气的产生与排出规律随着装载率的不同而变化,大致分为0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四个阶段。

装货速度;晃荡效应;限制空间;对流扩散;试验

海上石油储运风险主要来自油气的蒸发。作为舱气主要成分的VOCs(挥发性有机化合物)在海运及液货作业过程中实际排放达到(400～700)万吨/年,造成巨大的经济损失和环境损害风险,更为严重的油舱爆炸事故也屡见不鲜[1-4]。针对油船这样有特定开口的大型限制空间,舱内油气体积分数呈现特殊的分布状态,透气孔处油气的排出受油品性质、装油速度、油舱结构和其他因素影响[6-7]。装油过程中油舱内油品动能的变化及液面的上升会引起油品的晃荡,造成气液界面的湍动,影响舱内油气体积分数的分布[8]。目前,一些学者已经在实船或模型上研究了油气及其他烃类气体的排放规律[5,9-10],但没有深入研究排放机制及相关影响因子的效应。关于气液界面湍动对传质的影响及非稳态蒸发动力学的研究,不同学者做了一定的工作[11-19],但尚未针对性地考虑装油引起液体的晃荡会影响气液界面传质速率,进而引发油气在特定形状的限制空间中流动及透气行为。笔者采用理论分析及模型试验的方法研究装货过程中油船透气体积分数的变化。

1 试验理论基础

1.1 对流扩散模型

将油舱内气体的排出分为液相区气体的产生与传递、气相区气体的传递,采用对流扩散模型加以描述:

式(1)中已经充分考虑了装油引起的对流效应以及液体的晃荡产生的扩散效应。

液面的上升会引起油气的强迫对流;有效扩散系数与液体种类、温度等有关;未定扩散系数由液相扰动造成。

1.2 对流效应分析

油舱透气口处的VOCs体积分数明显受到装货速率的影响。其中对流速度W与装油速率的关系如下:

式中,Q为装货速率(体积流量),m3/s;A为油舱横截面积,m2。

显然,装油速度越大,则对流速度越大,对透气口体积分数的影响越明显。

1.3 扩散效应分析

对于存在自由液面的油舱,油气体积分数场的扩散效应不但受到Dm的影响,还会受到表征各种扰动因素引起界面湍动的未定扩散系数Dn影响。Dm与液货种类、温度等有关,本试验认为在短时间内温度及油气成分基本不变,该系数Dm恒定;未定扩散系数Dn由装油过程中舱内油品动能变化产生的液相晃荡引起,与单位体积扰动能及油品的黏度有关。具体如下:

卷积神经网络（CNN）试图通过具有多个处理层的计算模型对数据进行多层抽象，是一个由INPUT（输入层）输入图像，CONV（卷积层）对图像进行卷积，再经过RELU（激活函数）传给POOL（池化层）进行池化，最后通过FC（全连接层）将所有特征连接起来的网络 [13]。实质上是一个学习特征的过程，经过CNN学习到的特征具有较强的辨别性，背景部位的激活度基本很少，通过可视化可以看到提取到的特征忽视了背景干扰，只提取目标中关键的信息交由后续的分类器对其进行检测与分类。

式中,Te为单位时间单位体积油品的扰动能,J;E为单位时间内从注油孔处装入油品的动能,J;V为舱内已装入油品总体积,m3;μ为油品黏度,Pa·s;ρ为油品的密度,kg/m3;A0为装油口横截面积,m2;t为装货时间,s。

本试验中使用同一种油品,故不考虑黏度这一因素。显然单位体积扰动能与装油速率及容器油品容积有关。

由式(5)知,单位时间单位体积扰动能的变化趋势为先迅速减小至很低水平,然后缓慢减小。同时,装货速度越大,Te越大(对应的Dn也就越大)。

在整个限制空间进行装货的过程中,由装货所引起的液面上升及所造成的液相晃荡都会影响油气的产生、传递,最终影响透气孔处油气的排出。

2 试 验

2.1 装置与方法

综合现有油船结构尺寸资料,选择单个边舱原型尺寸为长25.7 m,宽16.1 m,舱深18.9 m,舱容约为7 820 m3。将原型舱简化为长方体,按照几何相似准则,用玻璃制作单个边舱模型。模型舱尺寸为长640 mm,宽400 mm,高470 mm,容积为120 L。试验材料为93#汽油。汽油通过计量泵以一定的速度从注油孔泵入模型舱,用来模拟油船装货过程,油气从模型舱上的透气口处排出。采用烃气体积分数传感器测量透气口处排出油气的体积分数。传感器与一台计算机相连,由计算机记录实时数据。部分试验装置及材料如图1所示。

图1 部分试验装置实物图Fig.1 Part of experiment devices

为了便于数据的分析与处理,模型舱内被分为3个区:液相区、气相区和气液边界层(气液边界层为扰动的,这里取平均值)。液相区主要为液态的汽油,高度用L表示;气相区主要为油气与空气的混合气体,高度用h表示;气相区与液相区的交界处称为气液边界层。模型舱的深度为H。模型舱简图如图2(A、B、C分别为加油孔、透气孔、浓度传感器)所示。

图2 试验油舱模型及仪器安装示意图Fig.2 Tank model and schematic diagram of instrument installation

每次进行装货试验前,模型舱内充满干净空气,密封,舱内气体压强等于当地大气压。试验开始时,打开透气口自由排气,通过计量泵控制,分别进行两组4种不同加油速度的注油试验,装载率同为95% (114 L)。试验记录透气口处排出气体的实时体积分数。至转载率为95%后,经过充分静置,舱内气体体积分数达到饱和,为81.6%(试验时通过空调系统控制试验室的环境温度为26℃)。

2.2 加油速度确定

选择动力相似中的欧拉准则数来确保模型油舱和原型在加油过程中加油管内的压力相似。欧拉数定义为

式中,v为加油速度,m/s;p为加油孔处加油管内的压力,Pa。

由于油船装货输油管的数量、管径和流量设定不相同,装货速度不固定,因此考虑实际油船单根输油管的装油速度及模拟的便利性,假设油舱注油的单根输油管速度为流量50 L/min、压力为80 MPa,按照欧拉相似准则得到模型舱的加油速度为1.38 L/min、压力为0.06 MPa。

装货试验共设计两组4种加油速度:第一组为考虑实际油船装货速率,按照欧拉相似所得速度1.38 L/min;第二组为了研究不同装货速率产生不同晃荡强度时对透气口B处排出气体体积分数的影响,结合计量泵的量程及最小刻度的实际情况,设计出装货速率间隔大约为0.5 L/min的3个速度2.46、2.96、3.46 L/min。

3 试验结果及其讨论

3.1 不同装货速度下透气体积分数变化

装油过程中模型舱内油气并没有达到饱和,模型舱透气口处气体体积分数的增长原因主要有两方面:①油面的上升造成油气在气相区的对流;②油气分子的自然扩散。试验结果如图3所示。为了加强不同数据之间的可比性,对数据进行了无量纲化处理,如图4所示。

图3 不同装货速率下排出气体体积分数变化曲线Fig.3 Concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

图4 无量纲化处理后不同装货速率下排出气体体积分数变化Fig.4 Dimensionless concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

从图4可以发现,第一组速度(1.38 L/min)下,当装载率达到70%之前,透气口排出气体体积分数处于较低水平,约为35%,且上升较慢。装载率在70%～95%时,气体体积分数快速上升,最后达到90%,接近饱和。这主要因为在加油过程中从液面蒸发出的油气分子的自然扩散为从体积分数高的地方向体积分数低的地方进行,这使得舱内的油气体积分数分层:越靠近液面,油气体积分数越大。在装载率达到70%之前,主要为油气分子自然扩散,聚集形成油气体积分数层;同时,舱内空间较大,油气的对流效应比较弱,油气从产生至传递到透气口处有延迟效应,使得此过程中透气口处排出的油气体积分数较小。随后,装载率从70%上升到95%,随着液面的上升,气相区体积缩小,对流效应越来越明显,延迟效应越来越弱,同时,油气分子自然扩散进行得更加充分,透气口排出气体的体积分数上升加快,体积分数越来越大。

结合图4和式(5),第二组3个速度下,模型舱顶气体远未达到饱和,排出气体体积分数变化趋势大体相同。随着装货速率增大,装货时间减少,装载率达到95%时,舱顶排出气体体积分数逐渐变小,依次相差约10%。这是由于3个速度比较接近,液位的上升速度相差不大,造成的对流效应与未定扩散系数Dn较为一致。同时,这3个装货速率都较大,液位上升较快,在装载率达到95%时,油气气体分子未能进行充分扩散,气体体积分数比较低,造成对流效应不明显,所以透气体积分数比较低,没有出现明显的快速增大过程。

3.2 透气体积分数的增长速率变化

为了研究不同装货速率下透气口处排出气体体积分数的增长速率的变化情况,对图3中所得到的气体体积分数进行求导。具体为:分别在4条曲线上等间隔取14个点,求出每个点的导数(油气体积分数对时间的导数),即为该点体积分数增长速率。用这14个点代表整条曲线上气体体积分数增长速率的变化趋势,并对x轴进行无量纲化处理,结果如图5所示。

图5 不同装货速率下排出气体体积分数增长速率Fig.5 Growth rate of exhaust gas concentration in different loading speeds

从图5可以看出,限制性空间中透气口处排出气体体积分数的增长率先缓慢增加,然后快速增加,与图3中排出油气体积分数的增长变化类似。增长速率与时间不为直线关系,也不是类似浅盘试验中的对数关系,而为一个特殊的抛物线关系;在装货速率为1.38 L/min时,气体体积分数的增长速率明显小于其他3种装货速率的情况;第二组的3个速度下,气体体积分数增长速率在装载率达到50%之前几乎一样,随后依次增大。

在装载率达到50%之前,第一组速度下透气口处油气体积分数的增长速率大于第二组3个速度下油气体积分数的增长速率;装载率超过50%以后,第二组3个速度下透气口处油气体积分数的增长速率大于第一组速度下的增长速率。形成这种现象的主要原因:在装载率达到50%之前,影响透气口处油气体积分数增长速率的因素是油气分子的自然扩散,即Dm和Dn起主要作用;装载率超过50%之后,主要影响因素为由于液面上升W所引起的对流效应。尤其是第二组的3个速度下,虽然液面上升的速度W不一样,即油气的对流效应不一样,但在装载率达到50%之前,气体体积分数增长速率几乎一样,且很低。这更能够说明在装货的前半段,透气口处油气体积分数增长速率的主要影响因素为油气分子的自然扩散。

图5实际体现了油气的对流扩散与透气口处油气的透气效应对体积分数的综合作用结果,即油气的对流扩散产生的累积效应大于透气效应,因此在装货过程中导致顶部体积分数趋于增大。在装货初始阶段(装载率达到50%之前),由于空挡高度产生的滞后效应,由W形成的对流产生的累积效应还未得到体现;同时舱内气体体积分数较低,透气产生的消散效应也基本没有;因此透气体积分数会上升,但增长率相对较低。第二阶段(装载率50%～95%),对流产生的累积效应发挥主导作用,大于透气产生的消散效应,因此透气体积分数上升较快,增长率相对较大。

4 结 论

(1)油舱进行加油时,在装载率达到70%之前,透气口处排出气体体积分数缓慢上升,且水平较低;在此之后,排出气体体积分数迅速增加,接近饱和。透气口处排出气体体积分数的增长速率的变化先为缓慢变大,后迅速增大。在加油的前期(装载率约为50%之前)起主要作用的为油气分子的自然扩散;在加油的后期主要影响因素为液面上升所引起的油气对流效应。

(2)在类似油舱这样的有特定开口的限制性空间的完整加油过程中(0～95%),油气的产生与排出分为0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四个阶段:ⓐ0～5%,油品的晃荡效应很明显,此时排出舱外的主要为舱内原有的空气或惰性气体,排出的油气很少;ⓑ5%～50%,透气孔处排出油气体积分数缓慢变大,主要影响因素为油气分子充分的自然扩散;ⓒ50%～70%,透气孔处排出油气体积分数继续变大,增长率大于前一阶段,主要影响因素为液面上升所引起的油气对流效应;ⓓ70%～95%,透气孔处排出油气体积分数迅速增大,最后接近饱和。

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(编辑 沈玉英)

Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen
(College of Petrochemical and Energy,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Oil-vapor emission from the oil tanker during loading operation will bring a variety of hazards.And the liquid sloshing caused by loading is one of the factors which influence the oil evaporation and emission.The relationship between the oil-vapor emission and the liquid sloshing intensity was studied.An approximate 1/40 scale model of the oil tanker was established to conduct loading experiments,and then the comprehensive effects of diffusion,convection and ventilation on the behavior of oil-vapor emission in the entire loading process(0－95%)were studied.The results show that in a limited space such as oil tanker,with the change of the loading speeds,the changing rules of oil-vapor emission from the breather hole can be approximately divided into four stages,which are 0－5%,5%－50%,50%－70%,70%－95%.

loading speed;sloshing effect;limited space;convention-diffusion theory;experiment

TE 832;TE 988

A

1673-5005(2014)05-0160-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.023

2013－12－02

国家自然基金项目(51079129)

卢金树(1974－),男,副教授,博士研究生,主要从事船舶安全与污染控制领域的研究工作。E－mail:chinesezzy@163.com。

卢金树,朱哲野,刘枫琛.限制空间装货过程中透气变化的晃荡效应[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(5):160-164.

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen.Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):160-164.