大型储罐安全储油高度的计算分析*

张玉平，刘全桢,陶 彬,管孝瑞,马开良

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071)

如何安全合理地确定出大型储罐的储油高度，对油库的安全生产尤为重要。尽可能高的储油高度可提高储罐容积的利用率，但油品具有热膨胀性，在极端高温条件下油品受热膨胀，有可能会造成溢油事故发生，以及储罐收发油、基础沉降等因素都会影响到安全储油高度。本文在全面考虑影响大型储罐储油高度的各种因素基础上，建立了一种新的安全储油高度计算方法。

1 现有规范的推荐做法

目前规范对储罐安全液位没有明确和清晰的说明，或者部分已有规范中的要求过于保守，不能完全满足企业生产的需要。不同规范对安全储油高度有不同的要求。

a)《原油及轻烃站(库)运行管理规范》对储罐的极限和安全液位有规定(表1)。

该规范考虑了泡沫发生器安装高度的影响，并针对原油膨胀经验特性，给出了一个安全高度经验修正值，但未考虑罐壁上其他开孔附件对安全高度的影响。

b)储存系数法对储罐的储存容量做了明确的规定(表2)，但只给出了不同结构类型储罐的经验储存系数，只适用于储罐设计阶段容量的计算。

c)《石油化工储运系统罐区设计规范》分别对拱顶、内浮顶和外浮顶储罐的设计储存液位作了规定。该方法对内浮顶油罐的计算，未详细考虑泡沫管位置的影响。对于外浮顶储罐，此规范要求浮盘的设计最大高度为1.5～1.6 m，实际外浮顶储罐的浮盘高度在2 m左右，规范中给出的1.5～1.6 m偏小。

表1 油罐的极限、安全液位[1]

表2 立式金属油罐储存系数[2]

2 安全储油高度的影响因素分析

储罐安全储油高度的确定受储罐的设计、工艺、评估等因素的影响，包括以下方面。

a)罐顶附件的位置。对于内浮顶储罐，最大装油高度首先不能超过透气孔的位置；对于外浮顶储罐，仅需考虑罐顶圈板留出堰板所需高度，以避免外浮顶堰板超出罐壁和受风力的影响；对于拱顶储罐，装油高度主要受泡沫管线高度的影响。

b)泡沫灭火剂的使用。在储罐的安全高度上要保证油面上方有足够的空间容纳泡沫灭火剂，目前使用较多的空气泡沫要求厚度为300 mm[3]。

c)储罐收油速率的影响。《石油化工储运系统罐区设计规范》对储罐收油速率有如下规定[2]：“储罐的设计储存液位应减去10～15 min储罐最大进液量的折算高度”。此规定是防止储罐在收油时，可能出现的机械故障或人为的失误，而导致储罐发生的冒油事故。

d)环境温度的影响。如果安全储油高度的计算不考虑体积膨胀的影响，满液位储存的油罐在遇到极端热的天气时，有可能发生溢油事故。

e)水垫层的影响。对于并装油罐，为了提高安全储油高度计算的准确性，应考虑水垫层的影响。因为水的体积膨胀系数要比油(特别是汽油的膨胀系数为0.025%/℃，水的为0.13%/℃)的小很多。

f)基础沉降。基础沉降会导致储罐发生倾斜，致使储罐液位升高。另外，在油品静压作用下，罐基础会发生不同程度的沉降，导致底板向下发生变形，进而使测量出的液位偏小[4]。

g)储罐变形。当储罐的变形达到一定程度时，就会对浮盘的升降造成影响，因此应根据储罐的变形状况及时调整安全液位。

3 允许储油高度的确定

通过对相关影响因素的分析，重新建立允许储油高度的计算模型。模型中考虑了基础沉降和径向变形的影响，并对安全裕度进行了修正。如果没有基础沉降和罐体变形数据，可按操作人员在储罐日常运行中的观察，确定出一个经验值。

3.1 外浮顶储罐允许储油高度

外浮顶储罐的泡沫管通常安装在罐壁顶端，不予考虑其影响。浮盘上方的泡沫液挡板高度一般在0.9 m左右，远大于灭火时所需的泡沫厚度，因此不予考虑泡沫层厚度的影响。为保护浮盘和扶梯，《石油化工储运系统罐区设计规范》取有0.3 m的安全裕度(包括了液体膨胀高度和浮盘保护裕量)，液体膨胀高度的影响在后面的计算中会予以考虑，因此可将安全裕度调整为0.15 m——仅考虑保护浮盘的裕量(图1)。

图1 外浮顶储罐安全液位示意H允=H罐壁-(h1+h2+h3+h4+h5+h6)

(1)

式中：H允——允许储油高度，m；

H罐壁——罐壁高度，m；

h1——泡沫液挡板高度，m；

h2——油面上方的浮盘高度，m。

h3——10～15 min最大收油量的折算高度，m；

h4——基础沉降最大偏差，m；

h5——径向变形影响系数，m；

h6——安全裕度，取0.15 m。

3.2 内浮顶储罐允许储油高度

内浮顶储罐罐壁上有通气孔、泡沫管，因此其允许储油高度的计算应考虑多个因素的影响。内浮顶储罐没有扶梯，因此对安全裕度不予考虑(图2)。

图2 内浮顶储罐安全液位示意

当hA≥hB时，即消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距离小于泡沫厚度，允许储油高度中应减去泡沫厚度：

H允=H罐壁-hA-(h1+h2+h3+h4+h5)

(2)

当hA

H允=H罐壁-hB-(h1+h2+h3+h4+h5)

(3)

当hA

H允=H罐壁-hC-(h1+h2+h3+h4+h5)

(4)

式中：hA——灭火时所需的泡沫厚度，m；

hB——消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距离，m；

hC——罐上部除泡沫管外的其它附件(如内浮顶罐罐壁的透气孔)下缘距离罐柱顶部下边缘的距离，m。

3.3 拱顶储罐允许储油高度

拱顶储罐的允许储油高度主要考虑泡沫管的高度和泡沫层厚度的影响(图3)。通过分析将拱顶储罐的安全高度修正为：

当hA≥hB时，即消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距离小于泡沫厚度，允许储油高度中应减去泡沫厚度：

H允=H罐壁-hA-(h3+h4+h5)

(5)

当hA

H允=H罐壁-hB-(h3+h4+h5)

(6)

《石油化工储运系统罐区设计规范》对于拱顶储罐的安全高度的计算中，减去了一个安全裕度——液体的膨胀高度和泡沫混合液层厚度，其值为0.3 m。但是否应该在泡沫管下沿以下的位置，再减去泡沫层的厚度，笔者认为有所欠妥，其计算结果会比较保守。新建立的拱顶储罐运行储油高度模型中，未使用安全裕度，主要理由是：①在后文的安全储油高度计算中，考虑了液体的膨胀影响；②在允许储油高度计算公式中，已经考虑了储罐最大收油量的折算高度。

因此，液体膨胀的高度和最大收油量折算高度二者之和，完全可以抵消在泡沫管以下未减去泡沫层厚度的影响。

图3 拱顶储罐安全液位示意

4 安全储油高度的确定

油品具有热膨胀性，温度升高后会发生膨胀。为确保油品在最高储存温度下不超过允许储油高度，收油结束时，将其限定在储罐内的最大液位即安全储油高度。

安全储油高度的计算主要有三种途径：根据油品的膨胀系数进行计算；根据油品的密度和储存期内可能的最高温度时油品密度的比值进行计算；根据油品的体积温度系数进行计算。

膨胀系数法的计算精度较差，不适用于大型储罐容量的计算。

4.1 油品密度法

油品密度法是根据油品在储存过程中，油品温度不会超过所设定的最高油温进行计算的。地上储罐的最高储存温度与周围环境温度相近，可以使用当地的最高气温作为油品的最高温度。

H安=H允×ρ高温/ρ收油

(7)

式中：H安——安全储油高度，m；

H允——允许储油高度，m；

ρ收油——最高温度时油品的密度，kg/m3。

若存在罐底水，把水也作为油品来进行计算，对计算结果会造成误差。因此在计算并装油罐的安全储油高度时，应减去罐底水的高度。

H安=(H允-h水)×ρ高温/ρ收油+h水

(8)

式中：h水——储罐水垫层高度，m。

该方法的计算只需知道收油时油品的密度和储存期间可能出现的最高温度时的密度。

要计算非标准温度下油品的密度，首先应确定油品的标准密度。用密度计测量出油品的视密度，然后查找《石油计量表》所对应油品的标准密度表，将视密度换算为20 ℃时的标准密度ρ20，然后根据密度计算公式计算出油品可能达到最高油温时和收油时油品的密度，进而计算安全储油高度。

非标准温度下的密度计算公式如下式[5]：

ρt=ρ20-γ(t-20)

(9)

式中：ρt——油品在t℃下的密度，kg/m3；

ρ20——油品在20 ℃下的密度，kg/m3；

综上可知，44字式《卜算子》的用韵大多分布在第四、十一、八、三、七等部，具有幽咽、振厉、漂洒、缜密、清新等声情特征。

t——油品温度，℃；

γ——油品密度温度系数，kg/m3。

4.2 油品体积温度系数法

该方法是根据油品的体积换算公式进行计算，油品的体积换算公式如下式[5]：

V20=Vt×[1-f×(t-20)]

(10)

式中：V20——油品20℃时的体积，m3；

Vt——油品t℃时的体积，m3；

f——油品体积温度系数，1/℃；

t——油品Vt对应的温度，℃。

根据上式，可得到收油时的允许储油高度和安全储油高度。

H安=H允×[1-f×(t高温-20)]/[1-f×(t收油-20)]

(11)

式中：t高温——油品储存期间可能达到的最高温度，℃；

t收油——收油时的平均温度，℃。

同样，考虑罐底水影响时，上式应修正为：

H安=(H允-h水)×[1-f×(t高温-20)]/[1-f×(t收油-20)]+h水

(12)

对于并装油罐，由于接收油品的温度和罐内已有油品的温度相差较大，须使用混合后的平均温度才能得到合理的结果。

平均温度的计算在不考虑热量损失的情况下，根据热量的计算公式有：

C×m收油×(t平均-t收油)=C×m存储×(t存储-t平均)

(13)

对上式简化得平均温度的计算公式为：

t平均=t收油+ρ存储×H存储×(t存储-t收油)/(ρ高温×H允)

(14)

式中：C——油品比热，J/(kg·K)；

m收——收油质量，kg；

m存——已有油品质量，kg；

t均——混合后的平均温度，℃；

t存储——已存储油品的温度，℃；

ρ存储——已存储油品的密度，kg/m3；

H存储——已存储油品的高度，m。

5 实例分析

某油库内一容积为5 000 m3拱顶罐(储罐参数见表3，工艺参数见表4)，计算储油安全高度，其中最大收油折算高度时间取12 min。由于基础沉降偏差、径向变形影响高度系数难以获取，因此在计算中未考虑其影响。

根据所列参数，使用不同的方法计算了安全储油高度(表5)。

从计算结果可以看出，按照《原油及轻烃站(库)运行管理规范》推荐方法计算的结果最小，结果较保守；储存系数法只适用于储罐设计阶段容量的计算，结果只能作为参考值；膨胀系数法方法计算的结果过于粗糙。

按照《石油化工储运系统罐区设计规范》推荐方法计算的结果，相比油品密度法和体积温度系数法的计算结果偏小。因为计算方法中既考虑了液体的膨胀高度和泡沫混合液层厚度，又考虑了最大进液量的折算高度，其结果偏于保守。

油品密度法和油品体积温度系数法二者的计算结果相近，推荐在大型立式常压储罐的安全储油高度计算中使用此方法。但是，其计算方法较为复杂，特别是并装油罐的计算。

表3 储罐参数

表4 油品参数和操作参数

表5 各方法的计算结果 m

图4 不同方法计算的安全液位示意

6 结论

通过对现有相关标准的比对和分析，建立了新的大型储罐安全储油高度计算方法，得出如下结论。

a)对储罐允许储油高度计算公式进行了优化，在计算模型中考虑了储罐基础沉降和径向变形的影响，并对安全裕度重新进行了调整。

b)根据油品受热膨胀的特性，从油品密度和油品的体积温度系数两个油品参数出发，分别建立了安全储油高度的计算模型，并在计算公式中考虑了罐底水对安全储油高度的影响。通过用不同计算方法计算的结果可以看出，优化之后的计算模型获得的计算结果优于其他方法。

7 参考文献

[1] SY/T 5920-2007原油及轻烃站(库)运行管理规范[S].

[2] SH 3007-2007石油化工储运系统罐区设计规范[S].

[3] 王朝晖, 杜占合, 秦勇. 金属油罐安全装油高度的确定[J]. 安全技术, 2011, 20(4).

[4] 辛勇军.油库自动化改造中液位仪深化应用研究[J]. 安全、健康和环境, 2016, 16(9)：14-16.

[5] 马秀让. 油库设计实用手册[M]. 北京: 中国石化出版社, 2009.