孟凡芹，奚麗波，于百儉

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空油料物資系，江蘇 徐州 221000）

油料倉(cāng)庫(kù)拱頂儲(chǔ)油罐進(jìn)出油氣相空間壓力模擬計(jì)算方法

孟凡芹，奚麗波，于百儉

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空油料物資系，江蘇 徐州 221000）

各類(lèi)大中型油庫(kù)中有為數(shù)眾多的露天立式拱頂油罐。該類(lèi)油罐建造簡(jiǎn)單、成本低，維護(hù)方便，但在進(jìn)出油時(shí)容易引起油罐的漲罐和吸癟事故。給出拱頂儲(chǔ)油罐進(jìn)出油簡(jiǎn)化計(jì)算方法，模擬計(jì)算呼吸閥正常工作條件下油罐氣相空間壓力變化情況，為油罐安全運(yùn)行和油庫(kù)科學(xué)管理提供參考。

油庫(kù)；拱頂儲(chǔ)油罐；氣相空間壓力；模擬計(jì)算

1 引言

金屬油罐分為浮頂罐和拱頂罐，其中拱頂金屬油罐由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維護(hù)方便，是各類(lèi)油庫(kù)主要儲(chǔ)存設(shè)備，在大宗散裝液體物資流通中起到儲(chǔ)存、中轉(zhuǎn)作用。拱頂油罐進(jìn)出油時(shí)靠呼吸閥控制罐頂空區(qū)（此部分為氣相空間）壓力，進(jìn)出油流量超限或呼吸閥選擇不當(dāng)，將發(fā)生油罐脹罐或吸癟事故。因此在油罐設(shè)計(jì)時(shí)，要確定呼吸閥規(guī)格和數(shù)量；收發(fā)油作業(yè)時(shí)，要嚴(yán)格控制進(jìn)出油流量。油罐進(jìn)出油流量一定時(shí)，油罐上部氣相空間壓力取決于呼吸閥、阻火器參數(shù)、油罐幾何參數(shù)、初始裝油高度等因素，是進(jìn)出油作業(yè)時(shí)間的函數(shù)。本文利用熱力學(xué)方法，模擬計(jì)算拱頂油罐大呼吸過(guò)程氣相壓力變化，為大中型儲(chǔ)油罐呼吸閥選用及運(yùn)行維護(hù)提供參考。

2 油罐工作條件

立式拱頂油罐如圖1所示。油罐氣相空間壓力、體積和溫度分別為Pg，Vg，Tg。罐頂部為呼吸閥，呼吸閥的參數(shù)有通徑d（m），開(kāi)啟壓力為Ps1（正壓）、Ps2（負(fù)壓）（Pa），泄漏量vl等，模擬時(shí)取SY/T0511.1-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。呼吸時(shí)氣體出罐流量為Qto、吸氣時(shí)入罐氣體流量為Qti，單位為m3/s。油罐儲(chǔ)油高度為Ho、油罐立壁高度為H，單位為m。油罐處于進(jìn)出油狀態(tài)，稱(chēng)為油罐大呼吸狀態(tài)。此時(shí)設(shè)定油罐進(jìn)油流量為Vin，出罐流量為Vout,單位為m3/s。油罐初始?xì)庀嗫臻g為Vs，單位為m3。

圖1 露天立式拱頂金屬油罐

如圖1所示，油罐中油的體積Vo（單位：m3）為：

油罐中氣體的體積為圓柱部分的體積加罐頂部分的體積。其中拱頂管罐頂一般為球形，球形半徑為0.8～1.2D。計(jì)算時(shí)假設(shè)罐頂球形直徑為1.0D[1]，則油罐氣體空間體積Vg（單位：m3）為：

式中D為油罐直徑，這里假設(shè)油罐上不和底部直徑相等，為油罐平均直徑，單位為m。

模擬時(shí)設(shè)定油罐參數(shù)包括油罐直徑、高度、總體積、罐頂體積，呼吸閥型號(hào)參數(shù)。呼吸閥參數(shù)和數(shù)量決定了呼吸閥泄漏量、通氣量、開(kāi)啟壓力等。根據(jù)以上設(shè)定條件，模擬油罐進(jìn)出油時(shí)氣相空間壓力變化。模擬軟件還可以用圖形方式直觀(guān)顯示溫度、壓力、通氣量和呼吸閥開(kāi)啟等動(dòng)態(tài)變化情況。

油罐進(jìn)出油時(shí)將油罐看作是帶有通氣閥的密閉容器。在呼吸閥作用下，油罐進(jìn)出油過(guò)程可以看作是一個(gè)壓縮，膨脹和進(jìn)氣、排氣過(guò)程。進(jìn)出油流量一定，進(jìn)氣排氣量隨著呼吸閥開(kāi)啟情況而變化。由于時(shí)間短，進(jìn)出油過(guò)程不考慮外部溫度變化的影響。

3 進(jìn)油過(guò)程模擬

3.1 進(jìn)油時(shí)氣相空間壓力計(jì)算

在呼吸閥作用下，油罐進(jìn)油過(guò)程可以看作是一個(gè)壓縮和排氣過(guò)程。進(jìn)油時(shí)液面上升，氣相空間被壓縮，氣相空間壓力上升。當(dāng)氣相空間壓力小于呼吸閥開(kāi)啟壓力時(shí)，呼吸閥以泄露流量向罐外排氣。隨著進(jìn)油繼續(xù)，氣相空間壓力繼續(xù)增大，當(dāng)大于呼吸閥開(kāi)啟壓力時(shí)，呼吸閥開(kāi)啟，排氣量增大。氣相空間壓力等于呼吸閥開(kāi)啟壓力加呼吸閥阻力[1]。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，分兩步考慮。先不考慮呼吸閥通氣，將氣相空間看成一封閉空間，進(jìn)油時(shí)簡(jiǎn)化為氣體等溫壓縮過(guò)程，此時(shí)氣體壓力與時(shí)間τ（s）之間的關(guān)系可由下式表示：

式中pg0為分布計(jì)算時(shí)假設(shè)的壓力，單位pa。τ為計(jì)算周期，單位s。

再考慮閥門(mén)通氣量Vv（m3/s），不考慮進(jìn)油，此時(shí)為定溫放氣過(guò)程[2]。設(shè)空氣密度為ρg=1.293kg/m3，空氣的氣體常數(shù)Rg=287.05J/(kg.K)，空氣的摩爾質(zhì)量為 0.028 965kg/mol。該計(jì)算周期壓力變化Δpg（單位：pa）為：

模擬時(shí)分兩步計(jì)算，過(guò)程如下：

首先考慮等溫壓縮過(guò)程，得出該計(jì)算周期結(jié)束時(shí)的壓力pg1(n)。

然后再考慮定溫放氣過(guò)程壓力變化，得到第n步油罐氣相空間壓力pg(n)為：

3.2 進(jìn)油時(shí)呼吸閥通氣量計(jì)算

呼吸閥通氣量Vv由閥門(mén)參數(shù)確定。根據(jù)SY/T0511.1-2010標(biāo)準(zhǔn)，呼吸閥的局部阻力系數(shù)只與流速有關(guān)，且在大于8m/s時(shí)變得恒定；小于6m/s時(shí)，隨著速度的減小有增大的趨勢(shì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的閥門(mén)，其局部阻力損失系數(shù)與通徑無(wú)關(guān)。根據(jù)一般估算方法，正常通氣時(shí)，考慮阻火器和呼吸閥的局部阻力系數(shù)可選擇為ξ=6.5[3-4]。

當(dāng)pg1(n)＞Ps1+1atm時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)公式，Vv按下式計(jì)算：

式中d為呼吸閥通徑，單位為m。Vl為泄漏量，單位為m3/s。vl0為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏量（m3/s），即0.75倍開(kāi)啟壓力時(shí)的通氣量，見(jiàn)SY/T0511.1-2010表5。這里加泄漏量是為了計(jì)算結(jié)果的連續(xù)性。

在Ps1和Ps2范圍內(nèi)，此時(shí)通氣量較小且不穩(wěn)定。設(shè)定該階段呼吸閥流量特性曲線(xiàn)如圖3所示，當(dāng)pg(n)=Ps1+1atm時(shí)或pg(n)=Ps2+1atm時(shí)，Vv=4vl0。當(dāng)pg(n)=0.75Ps1+1atm時(shí)或pg(n)=0.75Ps2+1atm，Vv=vl0，當(dāng)pg(n)=1atm時(shí)，Vv=0。當(dāng)罐內(nèi)氣相空間相對(duì)大氣壓力在0，0.75Ps1之間或0，0.75Ps2之間時(shí)，按線(xiàn)性插值計(jì)算，在0.75Ps1和 Ps1或0.75Ps2和Ps2之間時(shí)按拋物線(xiàn)插值計(jì)算。

圖2 呼吸閥泄漏量排氣量曲線(xiàn)示意圖

4 出油過(guò)程模擬

4.1 出油時(shí)氣相空間壓力計(jì)算

油罐出油過(guò)程與進(jìn)油過(guò)程類(lèi)似。在呼吸閥作用下，油罐出油過(guò)程可以看作是一個(gè)膨脹、充氣過(guò)程。出油時(shí)氣相空間壓力計(jì)算與進(jìn)油時(shí)類(lèi)似，同樣僅考慮出油流量對(duì)氣體空間的影響，并分兩步計(jì)算。先計(jì)算出油時(shí)的氣體等溫膨脹過(guò)程，再計(jì)算閥門(mén)吸氣時(shí)的等溫充氣過(guò)程。出油時(shí)計(jì)算方法如下：

首先計(jì)算單個(gè)步長(zhǎng)等溫膨脹過(guò)程的壓力變化，Pg1(n)計(jì)算公式為：

4.2 進(jìn)油時(shí)呼吸閥通氣量計(jì)算

出油時(shí)呼吸閥通氣量Vv計(jì)算與進(jìn)油時(shí)類(lèi)似。當(dāng)pg1(n)≤1atm+Ps2時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)公式，Vv按下式計(jì)算：

對(duì)比進(jìn)氣時(shí)的計(jì)算方法，當(dāng)1atm≥pg1(n)≥Ps2+1atm時(shí)，可認(rèn)為沒(méi)有穩(wěn)定的通氣量，此時(shí)通氣量較小。當(dāng)pg(n)=Ps2+1atm時(shí)，Vv=4vl0。當(dāng)pg(n)=0.75Ps1+1atm時(shí)，Vv=vl0。當(dāng)pg(n)=1atm時(shí)，Vv=0。當(dāng)罐內(nèi)氣相空間相對(duì)大氣壓力在0，0.75Ps2之間時(shí)，按線(xiàn)性插值計(jì)算，在0.75Ps1和Ps1時(shí)按拋物線(xiàn)插值計(jì)算，如圖2所示。

5 模擬計(jì)算實(shí)例

假定某2 000m3油罐，安裝有150口徑呼吸閥和阻火器。對(duì)其進(jìn)行進(jìn)出油模擬計(jì)算的結(jié)果如圖3和4所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為壓力，單位為Pa。圖3為進(jìn)油流量分別為72m3/h和144m3/h時(shí)，罐頂氣相空間壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。圖4為出油流量分別為72m3/h和144m3/h時(shí)，罐頂氣相空間壓力變化曲線(xiàn)。從圖3和圖4可以看出，當(dāng)流量為144m3/h時(shí)，無(wú)論出油還是進(jìn)油，氣相空間壓力將超出一般油罐的設(shè)計(jì)壓力。進(jìn)出油流量為72m3/h時(shí)，依靠呼吸閥可以滿(mǎn)足進(jìn)出油排氣和吸氣的要求，氣相空間壓力不會(huì)超過(guò)油罐頂部設(shè)計(jì)壓力，這一結(jié)果與油罐設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致。上述結(jié)果說(shuō)明，按照標(biāo)準(zhǔn)選擇呼吸閥口徑和數(shù)量時(shí)，進(jìn)出油作業(yè)通過(guò)呼吸閥排氣進(jìn)氣，油罐壓力不會(huì)超過(guò)安全范圍。

圖3 油罐進(jìn)油時(shí)氣相空間壓力變化

圖4 油罐出油時(shí)氣相空間壓力變化

6 結(jié)論

金屬拱頂油罐頂部氣相壓力允許范圍隨著使用年限的增加而逐步減小，收發(fā)油作業(yè)時(shí)油罐進(jìn)出油流量也應(yīng)隨著減小。本文所提供的模擬計(jì)算方法可以對(duì)不同規(guī)格油罐和呼吸閥進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同壓力范圍下允許的最大進(jìn)出油流量。按照最大收發(fā)油流量作業(yè)，既可保證油罐安全，又能最大程度提高收發(fā)油效率。從以上計(jì)算實(shí)例看，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)呼吸閥特性曲線(xiàn)簡(jiǎn)化計(jì)算合理，計(jì)算結(jié)果可以作為收發(fā)油流量確定的依據(jù)。對(duì)不同體積、不同規(guī)格油罐，其模擬計(jì)算步長(zhǎng)還可以進(jìn)一步論證優(yōu)化，以減小計(jì)算誤差提高運(yùn)算速度。

[1]郭光臣,等.油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1991.[2]彥啟森,趙慶珠.建筑熱過(guò)程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986.

[3]SY/T0511.1-2010,石油儲(chǔ)罐附件第一部分:呼吸閥[S].北京:石油工業(yè)出版社,2011.

[4]李征西,等.油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)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，安徽蕭縣人，博士，空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系儲(chǔ)運(yùn)教研室教授，研究方向：儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化、物流信息化。