大型油罐入口管油品防静电安全流速的确定

李小月，吴 锋，刘德俊, 高吉庆

(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺113001）

原油及各类成品油主要采用管道输送[1,2]，同时由输送过程中产生的静电[3]威胁着油品进站油罐的安全储存。在油罐内油品液面没浸没入口前，流速应小于1 m/s，当罐内油品液面没浸没入口后，管内流速才能适当增大[4]，以此针对浸没后的安全输送流速进行分析。油流在管内前进的过程中与管壁的连续摩擦，使沿线不断形成静电并逐渐积累，若形成的流动电流不导入外界，最终流动电流随油流进入进站储罐内。当管线的流量较大时，即油流流速较高，将产生更大的流动电流，进站时带入油罐内的静电量将增加。对浮顶油罐[5,6]而言，当油品带入罐内的静电与油罐壁的感应电荷所产生的场强超过油罐内气体所能承受的场强时，气体则被击穿而放电；各油品的物性参数及输送所采用的管线直径不同将导致管线安全流速存在差异。因此，计算分析各油品在某管径内的安全输送流速对油罐的安全储存具有重要意义。

1 建立数学模型

1.1 理论计算

管内油品流速的大小取决于输送流量的大小，计算各油品的安全流速目的在于确保进站油罐的安全储存。现以油库接收长输管线不同油品为研究对象，确定大型油罐满罐充油时各油品的进罐安全流速。

依据雷诺数判断油品的流态：

式中：Re—雷诺数；

v—油流流速，m/s；

d—管道内直径，m；

γ—油品的运动粘度，m2/s。

管线在层流流态下油品流动电流饱和值：

式中：is—流动电流饱和值，A；

C1—电流系数，A•s2/m2。

长输管线在紊流流态下油品流动电流饱和值：

式中：C2—电流系数，A∙s2/m4，(取 3.75×10-6A∙s2/m4)；

式中：τ—时间常数，s；

ε0—真空介电系数，F/m，(其值为 8.854×10-12F/m)；

εr—油品相对介电系数(其值取为2)；

ω—油品的电导率，S/m。

原油的储存主要采用浮顶油罐(油品无自由表面)，满罐充油时罐内的电量：

式中：Q—满罐充油时的总电量，C。

依据高斯定理[7,8]，罐壁处电场强度与罐内油品总电量的关系：

式中：E—储罐壁处的电场强度，MV/m；

S—电荷泄露流经的面积，m2。

以紊流流态下的输油管道为研究对象，其数学模型为：

1.2 经验公式

原西德化工协会得出，烃类燃料管内极限流速公式[9]：

2 算例及分析

某油库接收由长输管道输送的外来油品，采用100 000 m3浮顶油罐储存原油，浮顶油罐尺寸大小见表1。现以接收两种不同物性的原油为研究对象，所接收油品的物性参数见表 2，计算分析管内各油品在不同管径内的满罐充油入口允许流速，并比较由理论及经验公式得出的进站允许流速值大小。

表1 大型油罐尺寸Table 1 Parameters of large oil tank

表2 两种原油的物性参数Table 2 Physical parameter of two kinds of oil

依据雷诺数判断管输油品的流态，经计算所输两种原油的流态均为牛顿流体紊流。场强为 0.5 MV/m时对应的油品带电量即为允许带入罐内的最大静电量[10]，结果见表3。

表3 100 000 m3浮顶罐储存各油品允许带入罐内最大电量Table 3 Maximum quantities of electricity of different oil bring into 100 000 m3 oil tanks

表4 管道运行参数与各油品允许流速的关系Table 4 The relationship between pipeline running parameters and oil field intensity in tank

表4管道运行参数与各油品允许流速的关系。从表4可以看出，对于大型浮顶油罐，随着输送管径的增加安全输送流速逐渐减小。由于原油的电导率较高时，其泄露电荷的速度较快，相同管径下电导率较高的原油入口允许流速较大，因此相同管径下的原油2较原油1的静电安全允许流速大。

从图1可以看出，当输送管径一定时，电导率大的原油，静电安全允许输送流速最大，且随着输送管径的增大各油品的允许流速都逐渐降低，且变化量逐渐趋于平缓。对大型油罐满罐充油时，当油品的电导率较大时（即泄露电荷的能力较大），由经验公式得出的最大安全流速小于理论分析得出的流速值，从而增加了油罐的接收油品时间。实际运行过程中的流速不一定在安全允许流速范围内，所以当其输送流速大于理论输送速度时，需采取相应的措施或先泄露部分电量以保证油罐的安全储存，以免产生火灾事故。

图1 不同输送管径下的100 000 m3油罐入口允许流速变3化关系曲线Fig.1 The chart of 100 000 moil tank inlet Maximum flow rate under different pipe diameter

3 结 论

对算例进行计算分析可得：

(1) 原油中含杂质较多，电导率较大的油品入口静电允许流速大。

(2) 油品的静电安全流速随入口管径的增大逐渐减小，且变化量逐渐降低。

(3) 当计算大型浮顶油罐暗管充油的静电安全流速时，由经验公式计算得出的结果较理论计算得出的结果小，这时若按经验公式计算，则增加了油罐接收时间。

(4) 当一定管径下的油品进站带电量超过最大允许带电量时，则在油品进罐前应先泄露部分电荷再进罐，以保证油品的安全储存。

［1］杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2006:2-18.

［2］吴明,王金华,刘建锋,等.长输热油管道运行方案的优化[J].辽宁石油化工大学学报,2006,26(1): 63-65.

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［10］郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2006:223-501.