油田储油罐非甲烷总挥发实验及仿真模拟

刘华欣，王永强，2，刘 芳，赵朝成，段潍超，王 歌

（1. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，山东 青岛 266580；3. 中国石油大学（华东） 安全环保与节能技术中心，山东 青岛 266580）

目前，我国油气田行业中一些位置偏远、油量规模较小的油气井需要在周围设立临时储油罐，简称单井拉油罐，定期由装油罐车运输油品到联合站。此过程中存在严重的油气挥发，已成为油气田主要挥发性有机化合物（VOCs）的排放源。单井拉油罐的VOCs排放包括静置损耗和工作损耗［1-2］。据现场实地调研，由于油气井储油量较小，单井拉油罐进油速率慢，收发油周期约为3～5 d，一年的周转量不大，因此储油罐主要的损耗来自静置损耗。本文就储油罐的静置损耗展开研究。

油气田中存在的单井拉油罐主要包括：高架立式方罐、立式固定顶罐及卧式固定顶罐。其中只有卧式固定顶罐安有呼吸阀，其余两种类型储油罐未装呼吸阀且直接与大气相连，油品长时间静置储存必定会产生较大的挥发量［3-4］。在环境监测领域油气挥发量常用非甲烷总烃（NMHC）质量浓度进行表征。NMHC是指从总烃中扣除甲烷后其他气态有机化合物（主要是C2～C8）的总称［5］，可作为油气田行业VOCs排放的指标。

本研究建立了小型单井拉油罐蒸发损耗实验平台，研究不同因素对NMHC质量浓度的影响，同时利用Fluent14.5进行仿真模拟，为油气田行业VOCs的排放核算提供数据支持。

1 实验部分

1.1 原料及装置

原油样品取自胜利油田，经GC-MS检测，主要VOCs组分为C5～C15的饱和烷烃。单井拉油罐蒸发损耗实验装置如图1所示［6］。储油罐为直径25 cm、高35 cm的圆柱体，原油通过泵从储油罐下部装入或排出。罐顶设有直径2 cm、高1.5 cm的挥发口，在此处设置采样点S。储油罐下端设有水浴加热系统，储油罐左侧为供风系统，调控环境风速，室内装有空调可以调节室内温度（环境温度）。根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》（GB 50341—2014）［7］将储油罐的液面高度划分为最低液面（H1，7 cm）、操作液面（H2，23 cm）和最高液面（H3，30 cm）。

图1 单井拉油罐蒸发损耗实验装置

1.2 实验方法

将原油通过泵装入罐中，设定液面高度，以6℃/h的升温速率加热原油，保持无风环境，室内环境温度保持25 ℃，然后通过调节温控系统、风力系统及室内空调进行具体实验条件设定，采集不同条件下的S点处气样，测定其NMHC质量浓度。

1.3 分析方法

采用气相色谱法测定NMHC质量浓度［8］。

2 结果与讨论

2.1 储液温度对NMHC质量浓度的影响

在储油罐处于无风环境、液面高度为H2、升温速率为6 ℃/h的条件下，储液温度对NMHC质量浓度的影响如图2所示。由图2可见：随储液温度升高，NMHC质量浓度明显增大；当储液温度为16℃时，NMHC质量浓度只有84 mg/m3；当储液温度为28 ℃时，NMHC质量浓度超过900 mg/m3，可见，储液温度对储油罐油气挥发影响程度较大。

图2 储液温度对NMHC质量浓度的影响

2.2 储液高度对NMHC质量浓度的影响

在储油罐处于无风环境、升温速率为6℃/h的条件下，储液高度对NMHC质量浓度的影响如图3所示。由图3可见，随着储液高度的增加，NMHC质量浓度不断增大。

图3 储液高度对NMHC质量浓度的影响

储液高度对单位体积储液挥发量的影响如图4所示。由图4可见，除去19 ℃以外，其余温度下储液高度均在H2时单位体积储液挥发量最小。因此储油罐液面高度应保持在H2处，即储油罐的2/3高度处，可减少单位体积油品的挥发损耗。

图4 储液高度对单位体积储液挥发量的影响

2.3 有风和无风环境对NMHC质量浓度的影响

在液面高度为H2、升温速率为 6℃/h的条件下，储油罐处于有风（风速2 m/s）和无风环境对NMHC质量浓度的影响见图5。由图5可见，有风环境下NMHC质量浓度大大低于无风环境，这是因为风力的作用加速了挥发油气的扩散。

图5 有无风环境下NMHC质量浓度对比

2.4 环境温度对NMHC质量浓度的影响

在储油罐处于无风环境、储液温度为（16±0.5） ℃、液面高度为H2的条件下，环境温度对NMHC质量浓度的影响如图6所示。由图6可见：随着环境温度的升高，NMHC质量浓度小幅增大。

2.5 小结

根据实验结果可以看出，储液温度和有无风环境对储油罐NMHC挥发影响较大，储液高度和环境温度对其影响较小。

图6 环境温度对NMHC质量浓度的影响

3 储油罐油气扩散数值模拟

数值模拟在描述组分扩散现象中有着广泛的应用。不少学者利用Fluent等仿真模拟方法，对常规的拱顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐排放及加油站油气扩散传质进行研究，揭示罐内油品蒸发和油气-空气扩散传质及罐外排放的规律［9-11］。本文选取组分传输模型模拟油罐VOCs挥发扩散情况，通过模拟不同储液温度下的油罐挥发规律来验证模型的准确性，再进行油气挥发的扩散模拟，为管控油田储油罐VOCs挥发扩散提供技术支撑。

3.1 数学模型

基于Fluent软件开展油气扩散模拟，建立的基本控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。风沿一定方向吹向内浮顶罐，会造成罐内油品扩散运移，需遵守组分输运方程［12-13］。

湍流模型是为雷诺应力建立起的表达式，目前常用的有零方程模型、一方程模型和两方程模型，而在实际工程中应用最多的是k-ε两方程模型及其改进形式。标准k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型都适用于湍流充分发展的流动［14］。Realizablek-ε湍流模型相比于标准k-ε湍流模型能更好地展现流动分离和旋涡，也比标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型能更准确地展现浓度分布［15-17］。

3.2 模型验证

3.2.1 参数设定

储油罐气相空间内油气挥发模型如图7所示。储油罐内液面为H2，计算区域为储油罐的气相空间。将蒸发扩散组分简化为油气和空气两种组分，模拟油气组分传输，关键参数为组分质量扩散系数（Df，m2/s）。

图7 储油罐气相空间内油气挥发模型

3.2.2 模拟结果

储液温度16 ℃下储油罐挥发0.5 h的模拟浓度场如图8所示。由图8可见，从油气液面处到挥发口处浓度模拟值呈阶梯式递减。

图8 储液温度16 ℃下储油罐挥发0.5 h的模拟浓度场

不同储液温度下储油罐挥发口处油气挥发浓度模拟值与实测值对比如图9所示。

图9 不同储液温度下储油罐挥发口处油气挥发浓度模拟值与实测值对比

二者的挥发程度与储液温度呈正相关，因实测指标为NMHC质量浓度，而模拟值是用油气质量分数来表示燃料油气的浓度场分布情况，所以二者数值上有一定差距，但二者总体变化趋势一致，可以证明选取的数值模型是可靠的。

3.3 油气挥发扩散模拟

3.3.1 参数设定

选取某油田高架立式单井拉油罐进行油气扩散模拟（见图10）。油罐容积30 m3，直径3.5 m，高3.0 m，罐顶量油口直径0.15 m，高架台高2.0 m。利用Fluent前处理软件Gambit建立高架储油罐及周围区域的二维几何模型，其计算域为20 m（x）×14 m（y），高架台处做空白区域处理，网格采用结构化网格划分，流动区域网格划分为370 022单元，185 884个总体节点（见图11）。建立模型时做以下基本假设：

（1）环境压力101 325 Pa，环境温度和油温为300 K（假设挥发过程中温度恒定）；

（2）扩散系数Df为常数，300 K时油气与空气的扩散系数Df= 8.83×10-6m2/s；

（3）模拟有风环境扩散情况，挥发口油气体积分数设定值1，不随扩散时间变化。

图10 某油田高架立式单井拉油罐

图11 高架储油罐二维几何网格划分模型

3.3.2 模拟结果

3.3.2.1 无风环境下油气扩散

无风条件下油气扩散浓度场分布见图12。由图12可见：泄漏扩散浓度场呈现蘑菇云状，罐顶挥发口处油气浓度最大，以此为中心浓度呈阶梯状向周围降低；扩散100 s，储油罐顶部挥发口处油气质量分数为3.33%～6.67%，根据《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》［18］（GB/T12474—2008），常温常压、干燥及低点火能的工况下，油气蒸气的爆炸下限为1.3%，爆炸上限为6.0%，在较短时间内，该区域危险系数大幅增加；随着扩散时间的增加，泄漏出的油气与环境空气不断进行对流，储油罐油气扩散范围逐渐缩小；扩散300 s后，油气积聚不明显。

图12 无风条件下油气扩散浓度场分布

3.3.2.2 有风环境下油气扩散

有风条件下油气扩散浓度场分布如图13所示。扩散浓度场偏向下风向无规则扩散，因原油油气蒸发速率较慢，随着扩散时间的延长，油气在风力作用下大部分散失在大气中；随着风速增大，空气对流会加速油品蒸发，导致扩散浓度场面积不断增大；在风速为5 m/s的环境下，扩散300 s的浓度场面积相比扩散200 s时要小，但挥发口处的油气积聚面积增大。由此可见，风速对于非密封储油罐的油气扩散影响显著，风速越大，泄漏量越多，油气积聚现象明显，企业应采取安装呼吸阀的方式密封罐体，可以有效减少空气对流作用产生的油品蒸发问题。

图13 有风条件下油气扩散浓度场分布

4 结论

a）储油罐内液体温度对损耗量影响较大，挥发的NMHC质量浓度与储液温度成正比。在短时间储存油品期间，油罐挥发口处NMHC质量浓度随储液高度升高而增大，储液高度在储油罐2/3高度处，单位体积储液挥发量最小；有风环境下储油罐内原油挥发的NMHC质量浓度低于无风环境，环境风速加快了空气对流，加速油品的蒸发损耗；随着环境温度的升高，储油罐挥发出的NMHC质量浓度小幅度增大，环境温度对储油罐损耗的影响较小。

b）仿真模拟无风环境下，油气挥发口处短期存在油气积聚现象，扩散100 s，储油罐顶部挥发口处NMHC质量分数为3.33%～6.67%，存在安全隐患；扩散300 s后，油气积聚不明显。仿真模拟有风环境下，当风速为1 m/s，扩散浓度场偏向下风向无规则扩散，油气积聚不明显；随着风速增大，扩散浓度场面积不断增大；在风速为5 m/s的环境下，扩散300 s的浓度场面积相比扩散200 s时更小，但泄漏口处的油气积聚面积增大。