油料仓库拱顶储油罐进出油气相空间压力模拟计算方法

孟凡芹，奚丽波，于百俭

（空军勤务学院 航空油料物资系，江苏 徐州 221000）

油料仓库拱顶储油罐进出油气相空间压力模拟计算方法

孟凡芹，奚丽波，于百俭

（空军勤务学院 航空油料物资系，江苏 徐州 221000）

各类大中型油库中有为数众多的露天立式拱顶油罐。该类油罐建造简单、成本低，维护方便，但在进出油时容易引起油罐的涨罐和吸瘪事故。给出拱顶储油罐进出油简化计算方法，模拟计算呼吸阀正常工作条件下油罐气相空间压力变化情况，为油罐安全运行和油库科学管理提供参考。

油库；拱顶储油罐；气相空间压力；模拟计算

1 引言

金属油罐分为浮顶罐和拱顶罐，其中拱顶金属油罐由于结构简单、造价低、维护方便，是各类油库主要储存设备，在大宗散装液体物资流通中起到储存、中转作用。拱顶油罐进出油时靠呼吸阀控制罐顶空区（此部分为气相空间）压力，进出油流量超限或呼吸阀选择不当，将发生油罐胀罐或吸瘪事故。因此在油罐设计时，要确定呼吸阀规格和数量；收发油作业时，要严格控制进出油流量。油罐进出油流量一定时，油罐上部气相空间压力取决于呼吸阀、阻火器参数、油罐几何参数、初始装油高度等因素，是进出油作业时间的函数。本文利用热力学方法，模拟计算拱顶油罐大呼吸过程气相压力变化，为大中型储油罐呼吸阀选用及运行维护提供参考。

2 油罐工作条件

立式拱顶油罐如图1所示。油罐气相空间压力、体积和温度分别为Pg，Vg，Tg。罐顶部为呼吸阀，呼吸阀的参数有通径d（m），开启压力为Ps1（正压）、Ps2（负压）（Pa），泄漏量vl等，模拟时取SY/T0511.1-2010标准规定值。呼吸时气体出罐流量为Qto、吸气时入罐气体流量为Qti，单位为m3/s。油罐储油高度为Ho、油罐立壁高度为H，单位为m。油罐处于进出油状态，称为油罐大呼吸状态。此时设定油罐进油流量为Vin，出罐流量为Vout,单位为m3/s。油罐初始气相空间为Vs，单位为m3。

图1 露天立式拱顶金属油罐

如图1所示，油罐中油的体积Vo（单位：m3）为：

油罐中气体的体积为圆柱部分的体积加罐顶部分的体积。其中拱顶管罐顶一般为球形，球形半径为0.8～1.2D。计算时假设罐顶球形直径为1.0D[1]，则油罐气体空间体积Vg（单位：m3）为：

式中D为油罐直径，这里假设油罐上不和底部直径相等，为油罐平均直径，单位为m。

模拟时设定油罐参数包括油罐直径、高度、总体积、罐顶体积，呼吸阀型号参数。呼吸阀参数和数量决定了呼吸阀泄漏量、通气量、开启压力等。根据以上设定条件，模拟油罐进出油时气相空间压力变化。模拟软件还可以用图形方式直观显示温度、压力、通气量和呼吸阀开启等动态变化情况。

油罐进出油时将油罐看作是带有通气阀的密闭容器。在呼吸阀作用下，油罐进出油过程可以看作是一个压缩，膨胀和进气、排气过程。进出油流量一定，进气排气量随着呼吸阀开启情况而变化。由于时间短，进出油过程不考虑外部温度变化的影响。

3 进油过程模拟

3.1 进油时气相空间压力计算

在呼吸阀作用下，油罐进油过程可以看作是一个压缩和排气过程。进油时液面上升，气相空间被压缩，气相空间压力上升。当气相空间压力小于呼吸阀开启压力时，呼吸阀以泄露流量向罐外排气。随着进油继续，气相空间压力继续增大，当大于呼吸阀开启压力时，呼吸阀开启，排气量增大。气相空间压力等于呼吸阀开启压力加呼吸阀阻力[1]。

为简化计算，分两步考虑。先不考虑呼吸阀通气，将气相空间看成一封闭空间，进油时简化为气体等温压缩过程，此时气体压力与时间τ（s）之间的关系可由下式表示：

式中pg0为分布计算时假设的压力，单位pa。τ为计算周期，单位s。

再考虑阀门通气量Vv（m3/s），不考虑进油，此时为定温放气过程[2]。设空气密度为ρg=1.293kg/m3，空气的气体常数Rg=287.05J/(kg.K)，空气的摩尔质量为 0.028 965kg/mol。该计算周期压力变化Δpg（单位：pa）为：

模拟时分两步计算，过程如下：

首先考虑等温压缩过程，得出该计算周期结束时的压力pg1(n)。

然后再考虑定温放气过程压力变化，得到第n步油罐气相空间压力pg(n)为：

3.2 进油时呼吸阀通气量计算

呼吸阀通气量Vv由阀门参数确定。根据SY/T0511.1-2010标准，呼吸阀的局部阻力系数只与流速有关，且在大于8m/s时变得恒定；小于6m/s时，随着速度的减小有增大的趋势。对于结构一定的阀门，其局部阻力损失系数与通径无关。根据一般估算方法，正常通气时，考虑阻火器和呼吸阀的局部阻力系数可选择为ξ=6.5[3-4]。

当pg1(n)＞Ps1+1atm时，根据流体力学公式，Vv按下式计算：

式中d为呼吸阀通径，单位为m。Vl为泄漏量，单位为m3/s。vl0为标准规定的泄漏量（m3/s），即0.75倍开启压力时的通气量，见SY/T0511.1-2010表5。这里加泄漏量是为了计算结果的连续性。

在Ps1和Ps2范围内，此时通气量较小且不稳定。设定该阶段呼吸阀流量特性曲线如图3所示，当pg(n)=Ps1+1atm时或pg(n)=Ps2+1atm时，Vv=4vl0。当pg(n)=0.75Ps1+1atm时或pg(n)=0.75Ps2+1atm，Vv=vl0，当pg(n)=1atm时，Vv=0。当罐内气相空间相对大气压力在0，0.75Ps1之间或0，0.75Ps2之间时，按线性插值计算，在0.75Ps1和 Ps1或0.75Ps2和Ps2之间时按抛物线插值计算。

图2 呼吸阀泄漏量排气量曲线示意图

4 出油过程模拟

4.1 出油时气相空间压力计算

油罐出油过程与进油过程类似。在呼吸阀作用下，油罐出油过程可以看作是一个膨胀、充气过程。出油时气相空间压力计算与进油时类似，同样仅考虑出油流量对气体空间的影响，并分两步计算。先计算出油时的气体等温膨胀过程，再计算阀门吸气时的等温充气过程。出油时计算方法如下：

首先计算单个步长等温膨胀过程的压力变化，Pg1(n)计算公式为：

4.2 进油时呼吸阀通气量计算

出油时呼吸阀通气量Vv计算与进油时类似。当pg1(n)≤1atm+Ps2时，根据流体力学公式，Vv按下式计算：

对比进气时的计算方法，当1atm≥pg1(n)≥Ps2+1atm时，可认为没有稳定的通气量，此时通气量较小。当pg(n)=Ps2+1atm时，Vv=4vl0。当pg(n)=0.75Ps1+1atm时，Vv=vl0。当pg(n)=1atm时，Vv=0。当罐内气相空间相对大气压力在0，0.75Ps2之间时，按线性插值计算，在0.75Ps1和Ps1时按抛物线插值计算，如图2所示。

5 模拟计算实例

假定某2 000m3油罐，安装有150口径呼吸阀和阻火器。对其进行进出油模拟计算的结果如图3和4所示。图中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为压力，单位为Pa。图3为进油流量分别为72m3/h和144m3/h时，罐顶气相空间压力随时间变化曲线。图4为出油流量分别为72m3/h和144m3/h时，罐顶气相空间压力变化曲线。从图3和图4可以看出，当流量为144m3/h时，无论出油还是进油，气相空间压力将超出一般油罐的设计压力。进出油流量为72m3/h时，依靠呼吸阀可以满足进出油排气和吸气的要求，气相空间压力不会超过油罐顶部设计压力，这一结果与油罐设计数据一致。上述结果说明，按照标准选择呼吸阀口径和数量时，进出油作业通过呼吸阀排气进气，油罐压力不会超过安全范围。

图3 油罐进油时气相空间压力变化

图4 油罐出油时气相空间压力变化

6 结论

金属拱顶油罐顶部气相压力允许范围随着使用年限的增加而逐步减小，收发油作业时油罐进出油流量也应随着减小。本文所提供的模拟计算方法可以对不同规格油罐和呼吸阀进行模拟计算，得出不同压力范围下允许的最大进出油流量。按照最大收发油流量作业，既可保证油罐安全，又能最大程度提高收发油效率。从以上计算实例看，该方法计算简单，对呼吸阀特性曲线简化计算合理，计算结果可以作为收发油流量确定的依据。对不同体积、不同规格油罐，其模拟计算步长还可以进一步论证优化，以减小计算误差提高运算速度。

[1]郭光臣,等.油库设计与管理[M].东营:石油大学出版社,1991.[2]彦启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.

[3]SY/T0511.1-2010,石油储罐附件第一部分:呼吸阀[S].北京:石油工业出版社,2011.

[4]李征西,等.油品储运设计手册[M].北京:石油工业出版社,1997.

Simulation and Calculation of Gas-phase Spatial Pressure of Incoming and Outgoing Oil in Dome-roofed Oil Tanks

Meng Fanqin,Xi Libo,Yu Baijian
(Department of Aviation POL,Air Force Logistics University,Xuzhou 221000,China)

In this paper,we presented the simplified method for the simulation of the incoming and outgoing oil in a dome-roofed oil tank and then calculated the changes in the gas-phase spatial pressure of the oil tank under the normal working condition of the breather valve so as to provide reference for the safe operation and scientific management of the oil tank.

oil depot;dome-roofed oil tank;gas-phase spatial pressure;numerical simulation

F224.0;TE85

A

1005-152X(2017)09-0154-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.09.035

2017-08-06

孟凡芹（1965-），男，安徽萧县人，博士，空军勤务学院航空油料物资系储运教研室教授，研究方向：储运自动化、物流信息化。