内浮顶油罐浮盘油气扩散规律影响分析

徐振宁 李 哲 马松浩 刘佳佳 贾 昆 付世博 齐晗兵

〔1 中国石油天然气股份有限公司东北销售分公司 辽宁沈阳 110013；2 东北石油大学 黑龙江省高校防灾减灾工程与防护工程重点实验室 黑龙江大庆 163318〕

伴随着我国石油炼化能力显著提升和大规模油罐群不断增多，在推动石油石化企业快速发展的同时，也带来一系列的安全、环境、健康、节能等问题[1-3]。采用内浮顶覆盖在油罐液体表面是目前公认较理想的降低油品蒸发损耗的方法[4-6]。但油品在静置存储过程中，内浮顶罐浮盘与罐壁之间以及浮盘本身因密封不严、操作不当、年久失修、腐蚀穿孔等故障会发生缝隙或孔隙泄漏，不仅增加了油品的蒸发损耗，导致油品质量降低，对环境也有直接影响。因此，研究内浮顶罐浮盘高度和密封圈泄漏量对降低油气损耗和保护环境具有重要意义。

近年来，随着仿真技术的快速发展，数值模拟方法对内浮顶罐浮盘油气扩散规律进行研究成为了热点。计算流体动力学(CFD)对模拟气体泄漏、组分扩散现象的有效性已经得到广泛验证[7-8]。Parvini等[9]建立CFD模型从近场和远场两个方向评估了地下管道中天然气的释放和扩散。Li等[10]利用CFD方法模拟了海底管道的气体泄漏和扩散，模型对泄漏气体的质量流量、上升时间、水平扩散距离和扩散面积进行了预测。有很多学者利用实验和Fluent等数值模拟方法，对常规的拱顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐以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[11-12]。张佩宇等[13]对江苏省常州地区某拱顶汽油罐春分日白天的油品蒸发损耗进行了数值模拟，发现汽油罐的蒸发和罐内各区域温度与时段光照情况相一致。纪然等[14]采用理论计算与数值模拟方法研究了迷宫密封间隙、进出口压比、空腔深度、活塞速度对其泄漏量的影响程度。黄维秋等[15-18]研究了多种情况下的油品蒸发损耗，提出了油气含量测定可以用油气总烃的标准谱图来换算，并给出了相关的降耗措施和计算公式。而现有的研究中少有针对内浮顶罐油品泄漏扩散各影响因素的较完整的评估。

因此，建立内浮顶汽油储罐密封圈油气扩散和泄漏环宽度和速度流率估算模型，分析不同浮盘高度和泄漏量对内浮顶储油罐浮盘上气体空间的油气扩散运移规律影响，进而揭示内浮顶储油罐内油品蒸发和油气-空气扩散传质规律，对储油罐安全隐患的管控具有重要意义。

1 泄漏环宽度和速度流率的计算公式

以大连某石油储备库工程为例，对内浮顶储油罐泄漏环宽度和速度流率进行计算。该油库用于储存车用汽油(雷德蒸汽压为89.6，相对分子质量约为62)，油罐外表面为白色，密封圈采用一次机械鞋式紧密配合密封，结构形式为非自支撑，拼接方式为焊接。此外，油罐所在地日均环境温度约为276.15 K，全年平均日太阳辐射量约为0.14 Kw/m2，大气压约为101.325 kPa。

在现有的模拟研究中，内浮顶储油罐密封圈泄漏环的宽度通常做理想化假设，但其计算结果无法提供油罐内环境安全维持和油气浓度检测的具体操作建议。为此，以规范《SH/T 3002-2019石油库节能设计导则》和文献[18]的实验数据为基础，对大连某储油罐工程内浮顶油罐浮盘密封圈泄漏环宽度的数量级进行估算。计算式为：

TL=TAA+0.311(6α-1)+1.391αI

(1)

其中：TL为日均油面温度，K；TAA为日均环境温度；α为储油罐外表面太阳辐射热吸收率，状况较好的白色表面取0.17；I为日均太阳辐射热，取0.14 kW/m2。

Kr=Kra+KrbVn

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：Kr为密封损耗系数，mol/(m·a)；Kra、Krb和n分别为零风速密封损耗系数、风速相关密封损耗系数和密封相关风速指数，对一次机械鞋式紧密配合密封取值分别为2.23 mol/(m·a)、2.75 mol/(m·a)n·m·a和1.9；V为平均风速，内浮顶罐取0；Kfi为浮盘附件损耗系数，mol/a；Kfai、Kfbi和mi分别为零风速浮盘附件损耗系数、风速相关浮盘附件损耗系数和风速相关浮盘附件损耗指数，对人孔非自支撑无螺栓无垫圈盖板取值分别为16.33 mol/a、7.03 mol/[(m/s)m]·a和1.2；KV为浮盘附件风速校正系数，内浮顶罐取1.0；Sd为浮盘顶板接缝长度系数，m/m2；Lseam为浮盘顶板接缝总长度，m；D为油罐直径，m；p为罐内油面温度对应气相压力，kPa；A和B为蒸汽压方程常数，对车用汽油(雷德蒸汽压为89.6)取值分别为11.644和2 802。

Fr=KrD

(6)

Ff=NfiKfi

(7)

Fd=0.4536KdSdD2

(8)

(9)

其中：Fr为密封总损耗系数，mol/a；Ff为浮盘附件总损耗系数，mol/a；Nfi为浮盘附件个数，对人孔取1.0；Fd为浮盘顶板接缝总损耗系数，mol/a；Kd为单位长度顶板接缝损耗系数，对焊接取0；pz为蒸汽压函数；pa为大气压，取101.325 kPa。

内浮顶罐小呼吸年油品损耗为：

LS=(Fr+Ff+Fd)pzMVKC

(10)

其中：LS为内浮顶罐小呼吸年损耗，kg/a；MV为油气相对分子质量，对车用汽油(雷德蒸汽压为89.6)取62；KC为产品系数，对炼油产品或单组分物料取1.0。

2 数值模拟方法

汽油产品是一种复杂的混合物，其挥发速度与外界环境因素如温度、湿度、大气压和风速等有关。因此，内浮顶储油罐内油品的蒸发扩散过程十分复杂，难以对所有细节进行量化描述。为便于CFD模型的计算和保证求解的收敛性，本文对模型进行了以下简化：①将各通气孔分别简化为规则形状；②将汽油组分简化为单一的正己烷(C6H14)；③将蒸发的动态过程简化为上述计算得到的平均速度流率。

2.1 几何模型、边界条件和算法

储罐内直径40.5 m，罐壁高度17.25 m，结构顶区域高4.87 m；结构顶周边及正中共设置18个通气孔，其中结构顶面四周16个，中心设有2个，其等效直径分别为0.53 m和0.15 m；内浮盘四周边缘为密封泄漏环，泄漏环宽度约为1×10-4m。

环境温度设置为大连年均气温284.65 K。浮顶泄漏环设置为速度入口，流速0.001 8 m/s，通风孔设置为压力出口，结构顶、罐壁和浮盘均设置为绝热无滑移固壁边界；采用SIMPLE算法和Green-Gauss基于节点的梯度插值方案；监测点设置在浮盘中心上方0.5 m处。

2.2 控制方程和湍流模型

油品通过浮盘密封圈与罐壁之间的缝隙泄漏扩散到浮盘上方空间并通过通气孔流出，最终计算域内的油气浓度达到稳态平衡。为描述该现象，计算模型需要设置以下控制方程[19]：

连续性方程：

(11)

动量方程：

(12)

能量方程：

(13)

质量守恒方程：

(14)

对于湍流模型，与标准k-ε模型相比，Realizable k-ε模型通过传输方程对湍流黏性和耗散率进行了修正，更适用于处理二次流和流动分离的问题[20]。Realizable k-ε模型如下：

(15)

(16)

3 结果讨论

为了研究不同浮盘高度和泄漏量对内浮顶储油罐浮盘上气体空间的油气扩散运移规律影响，进而揭示内浮顶储油罐内油品蒸发和油气-空气扩散传质规律。选择浮盘高度分别为14.95 m(低液位)、8.63 m(中液位)、2.45 m(高液位)；泄漏速度分别为0.001 7 m/s(正常)、0.003 4 m/s(2倍)、0.008 5 m/s(5倍)、0.017 m/s(10倍)、0.17 m/s(100倍)。

3.1 浮盘高度影响

图1为不同浮盘高度下内浮顶罐中心沿垂直方向油气浓度变化曲线。由图1可知，内浮顶油罐内上方气体空间油气浓度在罐内出现明显的分层堆积现象。这是因为内浮顶油罐顶部气体与大气之间存在热扩散作用，同时油气的密度比空气的密度大，使得内浮顶油罐顶部的油气浓度要低于底部的油气浓度。中液位时，浮盘上方0～5 m高度范围内油气体积分数约为0.015%，5～7 m高度范围内油气体积分数迅速降低到约0.012%，7～13.5 m高度范围内油气体积分数约为0.011%。

图1 不同浮盘高度下内浮顶罐中心沿垂直方向油气浓度变化曲线

图2对比了不同浮盘高度下监测点的油气体积分数。由图2可知，随着浮盘高度的升高，内浮顶储油罐浮盘上气体空间的油气浓度降低，这是因为液位及浮盘越高，罐内气体流场受到通气孔的影响越大，油气扩散的越快。例如，在浮盘高度为低、中和高液位下内浮顶储油罐监测点的油气体积分数分别为0.015 4%、0.013 6%和0.010 7%。

3.2 泄漏速度影响

图3和图4显示了不同泄漏速度下内浮顶罐浮盘上气体空间的油气体积分数。由图3、4可知，浮盘上气体空间的油气分布呈现出浓度梯度。由费克定律可知，底部油气浓度较高的气体向顶部油气浓度较低的空间扩散。随着时间的推移，油气分子在罐内气体空间中形成一个动态平衡的浓度场。随着泄漏量的增大，内浮顶油罐内的平均油气浓度近似等比例增大，但最终油气浓度在罐内的相对分布不随泄漏量发生改变，监测点在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油气体积分数分别为0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。当泄漏速度为100倍时，内浮顶罐内浮盘上气体空间的油气浓度分层现象更加显著，内浮顶罐内浮盘上气体空间监测点的油气体积分数为0.368%，已经达到爆炸极限。无论从安全、环保还是人员生命财产等方面，都应采取相应措施及时监控。

图3 不同泄漏速度下油气体积分数

图4 100倍泄漏率下油气体积分数

3.3 内浮顶油罐安全运行及罐内油气浓度检测相关的操作建议

第一，在内浮顶油罐的日常运行中，保持罐内较高的油位是一种有效降低罐内油气浓度的措施。同时，更高的油位对油品蒸发损耗和环境污染的加剧也是不可忽视的。因此，浮盘高度的控制需要综合考虑安全性、经济性和环境保护等因素。

第二，罐内油气浓度检测时，取样位置设置在浮盘中心上方0～1.5 m范围内是合理有效的。取样位置过于靠近密封圈或通风口时检测结果意义较小，因为前者可能在非常小的区域内达到并保持在油气浓度危险范围内，但实际上这个区域很小，在正常操作下难以形成安全事故；而后者则可能在浮盘发生一定泄漏后仍保持油气浓度在安全或不可检测范围内。

第三，检测设备的最小检测浓度需要在油气体积分数0.01%以下，当浮盘中心上方0.5 m取样点的油气体积分数达到0.15%时考虑浮盘存在泄漏风险，需要重点检修。

4 结 论

建立内浮顶汽油储罐密封圈油气扩散和泄漏环宽度和速度流率估算模型，分析不同浮盘高度和泄漏量对内浮顶储油罐浮盘上气体空间的油气扩散运移规律影响，进而揭示内浮顶储油罐内油品蒸发和油气-空气扩散传质规律，得出以下结论：

(1)泄漏油气的扩散速度随着浮盘的升高而加快，罐内的平均油气浓度降低，内浮顶罐内监测点在低、中、高液位下的油气体积分数分别为0.015 4%、0.013 6%和0.010 7%时无安全风险，在正常运行状态下存在浮盘密封圈微泄漏的内浮顶罐是稳定且安全的。

(2)随着泄漏量的增大，内浮顶油罐内浮盘上气体空间的油气浓度增大，监测点在正常及2倍、5倍和10倍泄漏速度下的油气体积分数分别为0.016%、0.025%、0.046%和0.069%。将泄漏速度扩大100倍后，内浮顶油罐内浮盘上气体空间监测点的油气体积分数为0.368%，已经达到爆炸极限。无论从安全、环保还是人员生命财产等方面，都应采取相应措施及时监控。

(3)随着浮盘的升高，通气孔的影响增大，通气孔加快了油气的扩散速度，使靠近通气孔的区域油气浓度明显降低。