李小月，吳 鋒，劉德俊, 高吉慶

(遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順113001）

原油及各類成品油主要采用管道輸送[1,2]，同時由輸送過程中產生的靜電[3]威脅著油品進站油罐的安全儲存。在油罐內油品液面沒浸沒入口前，流速應小于1 m/s，當罐內油品液面沒浸沒入口后，管內流速才能適當增大[4]，以此針對浸沒后的安全輸送流速進行分析。油流在管內前進的過程中與管壁的連續(xù)摩擦，使沿線不斷形成靜電并逐漸積累，若形成的流動電流不導入外界，最終流動電流隨油流進入進站儲罐內。當管線的流量較大時，即油流流速較高，將產生更大的流動電流，進站時帶入油罐內的靜電量將增加。對浮頂油罐[5,6]而言，當油品帶入罐內的靜電與油罐壁的感應電荷所產生的場強超過油罐內氣體所能承受的場強時，氣體則被擊穿而放電；各油品的物性參數(shù)及輸送所采用的管線直徑不同將導致管線安全流速存在差異。因此，計算分析各油品在某管徑內的安全輸送流速對油罐的安全儲存具有重要意義。

1 建立數(shù)學模型

1.1 理論計算

管內油品流速的大小取決于輸送流量的大小，計算各油品的安全流速目的在于確保進站油罐的安全儲存?，F(xiàn)以油庫接收長輸管線不同油品為研究對象，確定大型油罐滿罐充油時各油品的進罐安全流速。

依據(jù)雷諾數(shù)判斷油品的流態(tài)：

式中：Re—雷諾數(shù)；

v—油流流速，m/s；

d—管道內直徑，m；

γ—油品的運動粘度，m2/s。

管線在層流流態(tài)下油品流動電流飽和值：

式中：is—流動電流飽和值，A；

C1—電流系數(shù)，A?s2/m2。

長輸管線在紊流流態(tài)下油品流動電流飽和值：

式中：C2—電流系數(shù)，A?s2/m4，(取 3.75×10-6A?s2/m4)；

式中：τ—時間常數(shù)，s；

ε0—真空介電系數(shù)，F(xiàn)/m，(其值為 8.854×10-12F/m)；

εr—油品相對介電系數(shù)(其值取為2)；

ω—油品的電導率，S/m。

原油的儲存主要采用浮頂油罐(油品無自由表面)，滿罐充油時罐內的電量：

式中：Q—滿罐充油時的總電量，C。

依據(jù)高斯定理[7,8]，罐壁處電場強度與罐內油品總電量的關系：

式中：E—儲罐壁處的電場強度，MV/m；

S—電荷泄露流經的面積，m2。

以紊流流態(tài)下的輸油管道為研究對象，其數(shù)學模型為：

1.2 經驗公式

原西德化工協(xié)會得出，烴類燃料管內極限流速公式[9]：

2 算例及分析

某油庫接收由長輸管道輸送的外來油品，采用100 000 m3浮頂油罐儲存原油，浮頂油罐尺寸大小見表1。現(xiàn)以接收兩種不同物性的原油為研究對象，所接收油品的物性參數(shù)見表 2，計算分析管內各油品在不同管徑內的滿罐充油入口允許流速，并比較由理論及經驗公式得出的進站允許流速值大小。

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

表2 兩種原油的物性參數(shù)Table 2 Physical parameter of two kinds of oil

依據(jù)雷諾數(shù)判斷管輸油品的流態(tài)，經計算所輸兩種原油的流態(tài)均為牛頓流體紊流。場強為 0.5 MV/m時對應的油品帶電量即為允許帶入罐內的最大靜電量[10]，結果見表3。

表3 100 000 m3浮頂罐儲存各油品允許帶入罐內最大電量Table 3 Maximum quantities of electricity of different oil bring into 100 000 m3 oil tanks

表4 管道運行參數(shù)與各油品允許流速的關系Table 4 The relationship between pipeline running parameters and oil field intensity in tank

表4管道運行參數(shù)與各油品允許流速的關系。從表4可以看出，對于大型浮頂油罐，隨著輸送管徑的增加安全輸送流速逐漸減小。由于原油的電導率較高時，其泄露電荷的速度較快，相同管徑下電導率較高的原油入口允許流速較大，因此相同管徑下的原油2較原油1的靜電安全允許流速大。

從圖1可以看出，當輸送管徑一定時，電導率大的原油，靜電安全允許輸送流速最大，且隨著輸送管徑的增大各油品的允許流速都逐漸降低，且變化量逐漸趨于平緩。對大型油罐滿罐充油時，當油品的電導率較大時（即泄露電荷的能力較大），由經驗公式得出的最大安全流速小于理論分析得出的流速值，從而增加了油罐的接收油品時間。實際運行過程中的流速不一定在安全允許流速范圍內，所以當其輸送流速大于理論輸送速度時，需采取相應的措施或先泄露部分電量以保證油罐的安全儲存，以免產生火災事故。

圖1 不同輸送管徑下的100 000 m3油罐入口允許流速變3化關系曲線Fig.1 The chart of 100 000 moil tank inlet Maximum flow rate under different pipe diameter

3 結 論

對算例進行計算分析可得：

(1) 原油中含雜質較多，電導率較大的油品入口靜電允許流速大。

(2) 油品的靜電安全流速隨入口管徑的增大逐漸減小，且變化量逐漸降低。

(3) 當計算大型浮頂油罐暗管充油的靜電安全流速時，由經驗公式計算得出的結果較理論計算得出的結果小，這時若按經驗公式計算，則增加了油罐接收時間。

(4) 當一定管徑下的油品進站帶電量超過最大允許帶電量時，則在油品進罐前應先泄露部分電荷再進罐，以保證油品的安全儲存。

［1］楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營:中國石油大學出版社,2006:2-18.

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