張曉明，申 晴，何佳康，2，趙培森，于占魯，戴 波

（1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

0 引言

儲(chǔ)罐浮盤落底是由于儲(chǔ)罐內(nèi)石油液位過(guò)低，浮頂?shù)闹е湓诹藘?chǔ)罐底部。正常高液位［1］操作時(shí)，浮盤浮在油品上，阻隔了石油液體和空氣，既減少空氣污染、又降低了火災(zāi)發(fā)生的概率。浮盤落底的情況往往發(fā)生在儲(chǔ)罐大修或者裝卸業(yè)務(wù)的需要。對(duì)于外浮頂儲(chǔ)罐［2］，其浮盤落底是有很大風(fēng)險(xiǎn)的，比如雷擊風(fēng)險(xiǎn)、靜電風(fēng)險(xiǎn)、支柱受力風(fēng)險(xiǎn)等。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API RP-2003［3］明確指出，“對(duì)于外浮頂儲(chǔ)罐，如果浮盤落底且在浮頂下面形成油氣空間，則著火的危險(xiǎn)會(huì)增加。為了將危險(xiǎn)最小化，在正常操作期間或雷暴期間不能有浮盤支撐著地，以及避免雷暴期間儲(chǔ)罐進(jìn)油。”同時(shí)，按照API RP2026-2017 標(biāo)準(zhǔn)［4］，浮盤落底過(guò)程有2 個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)：“當(dāng)浮盤未浮起且液位低于浮頂支撐時(shí)，浮頂下方的大氣中可能存在易燃的蒸氣、空氣混合物（例如，浮頂密封無(wú)法正確密封，空氣進(jìn)入間隙）。當(dāng)向浮盤未浮起且液位低于浮頂液位的儲(chǔ)罐加注時(shí)，可能會(huì)迫使蒸氣通過(guò)罐頂密封層并進(jìn)入浮頂上方的大氣中?！?/p>

與固定頂儲(chǔ)罐相比，外浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)事故更為頻繁［5］。在已有調(diào)查的全球480 例儲(chǔ)罐火災(zāi)事故中，由于雷擊外浮頂儲(chǔ)罐原因引起的火災(zāi)占了1/3［6］。針對(duì)該油氣混合區(qū)域的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，畢海普等［7］構(gòu)建爆炸三角形并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析油氣混合區(qū)域的爆炸危險(xiǎn)性。結(jié)果表明：儲(chǔ)罐橫截面的油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體上在增加，罐壁附近質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯，中間區(qū)域分布穩(wěn)定但不均勻；油氣混合空間的爆炸危險(xiǎn)區(qū)分布在油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低的區(qū)域，多集中于罐壁附近，分布位置隨油氣擴(kuò)散未發(fā)生明顯變化。但是，該文僅從油氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)角度出發(fā)進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析；本實(shí)驗(yàn)另辟蹊徑，從爆炸極限的角度對(duì)浮盤落底進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

目前，大型外浮頂儲(chǔ)罐浮盤落底運(yùn)行已經(jīng)成為一種常態(tài)，而其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究卻鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。原油揮發(fā)所產(chǎn)生的油氣在遇到雷擊［8］后，可能發(fā)生爆炸、燃燒等安全事故［9-10］，所以油氣濃度分析顯得尤為重要。本文研究了浮盤落底運(yùn)行中的油氣空間濃度變化，通過(guò)數(shù)據(jù)建模和仿真分析，探索其形成規(guī)律和爆炸風(fēng)險(xiǎn)程度。

1 流動(dòng)控制方程

針對(duì)外浮頂儲(chǔ)罐油氣擴(kuò)散方式，以及無(wú)化學(xué)反應(yīng)的單項(xiàng)多組分?jǐn)U散的模型，采用流動(dòng)控制方程及湍流模型進(jìn)行理論分析［7，11-12］。

連續(xù)性方程：

式中：ρ為混合油氣的密度；uj為（x，y，z）3 個(gè)方向的速度。

動(dòng)量守恒方程：

式中：g 為重力加速度；μt為流體的湍流黏度；p 為絕對(duì)壓力。

能量守恒方程：

式中：T為油氣流體的溫度；kl為流體湍流導(dǎo)熱系數(shù)；σT為常數(shù)，取值范圍是0.9～1.0；cp為混合流體定壓比熱；cpv為泄漏物質(zhì)定壓比熱容（J/（kg·K））。

組分質(zhì)量守恒方程：

有關(guān)油面的湍流模型如下：

（1）應(yīng)用于油面下降，直到原油完全排出，油氣揮發(fā)產(chǎn)生的油氣空間。此時(shí)選擇RNG k-ω湍流模型［12］：

（2）應(yīng)用于原油液面從0 m升至浮盤剛好浮起來(lái)為止，此時(shí)所有油氣剛剛完全排至浮頂外部，受外部風(fēng)速影響。這里選用realizable k-ω湍流模型［11］：

式中：ρ為混合油氣密度（kg/m3）；uj為3 個(gè)方向的速度（m/s）；μt為湍流黏度（Pa·s）；g 為重力加速度（m/s2）；p為絕對(duì)壓力（Pa）；T 為流體溫度（K）；ω 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D1為湍流擴(kuò)散系數(shù)；常數(shù)σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9，C1ε=1.44；Gk為湍流動(dòng)能，因?qū)恿魉俣忍荻榷a(chǎn)生；Gb也為湍流動(dòng)能，因浮力產(chǎn)生；γM為過(guò)度擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)（m2/s2）；C1=maxη為有效因子；C3ε=tanh［v/u］；SK、Sz為用戶自定義；k為湍流能（m2/s2）；ε 為耗散率（m2/s3），其中，k 和ε在不同規(guī)格大小的儲(chǔ)罐中取不同的值，取值情況見(jiàn)表1［11］。

表1 湍流能和耗散率與儲(chǔ)罐規(guī)格的關(guān)系

2 大型外浮頂儲(chǔ)罐油氣空間的建模與分析

使用ANSYS 軟件的fluent 模塊進(jìn)行仿真。研究對(duì)象為某公司實(shí)際儲(chǔ)罐，具體參數(shù)為：儲(chǔ)罐直徑80 m、浮盤高度為1.8 m，浮盤上一共有12 個(gè)自動(dòng)通氣閥、6個(gè)浮頂呼吸閥。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后，浮盤的幾何模型如圖1 所示?？梢?jiàn)，網(wǎng)格劃分密集的地方主要集中在通氣閥附近，浮盤落底后，通氣閥進(jìn)出氣體頻繁。由于浮盤內(nèi)部壓強(qiáng)是非常重要的油氣濃度的衡量指標(biāo)，所以先來(lái)研究浮盤內(nèi)部的壓強(qiáng)情況。

圖1 網(wǎng)格劃分圖浮盤結(jié)構(gòu)

本研究基于原油完全排出儲(chǔ)罐外的情況，選用RNG k-ω湍流模型。設(shè)置儲(chǔ)罐內(nèi)氣體成分為fuel-oilair，其中fuel-oil-air 內(nèi)含烷烴類氣體、H2O、N2、CO2。此時(shí)，假設(shè)在油都排出儲(chǔ)罐的瞬間，整個(gè)油氣空間在1.8m高度的時(shí)候進(jìn)行仿真。

其次，在設(shè)置通氣閥的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化模型，將通氣閥的壓強(qiáng)等效在整個(gè)浮盤表面。當(dāng)浮盤落底后，自動(dòng)通氣閥同時(shí)開啟，大氣緩慢進(jìn)入浮盤內(nèi)部，其中成分包含H2O、N2、CO2等。

短時(shí)間內(nèi)浮盤底部的空間的壓強(qiáng)大小如下，首先是油氣空間頂部的壓強(qiáng)分布（即，浮盤一側(cè)的俯視圖），如圖2 所示。

圖2 油氣空間頂部的壓強(qiáng)分布趨勢(shì)（浮頂表面）

油氣空間底部的壓強(qiáng)分布如圖3 所示。從圖2、3中可以看出，在同一高度上，罐壁所受的壓強(qiáng)較罐中心大，這是因?yàn)榇髿膺M(jìn)入自動(dòng)通氣閥后，氣體被擠壓到罐壁邊緣的緣故。

圖3 油氣空間底部的壓強(qiáng)分布趨勢(shì)圖（罐底視角）

儲(chǔ)罐底面壓強(qiáng)的數(shù)值分布見(jiàn)表2。從側(cè)面圖中也可以看到漸變的壓強(qiáng)值，壓強(qiáng)從上往下變得越來(lái)越大（顏色從藍(lán)綠色變?yōu)樯罴t色），如圖4 所示。

表2 儲(chǔ)罐底面壓強(qiáng)的數(shù)值分布

圖4 油氣空間側(cè)面的壓強(qiáng)趨勢(shì)

油氣空間的底部（罐底側(cè)）和頂部（浮盤側(cè)）的壓強(qiáng)分布明顯是有差異的?？傮w來(lái)說(shuō)，底部的壓強(qiáng)差更大，甚至出現(xiàn)了紅色區(qū)域（壓強(qiáng)較大處，從藍(lán)色到紅色，壓強(qiáng)越來(lái)越大），也就是說(shuō)，空氣進(jìn)入氣相空間后，氣體擴(kuò)散到了儲(chǔ)罐邊緣，對(duì)罐底邊緣處產(chǎn)生了較大的壓力。在上述幾張圖中，深紅色區(qū)域的壓強(qiáng)達(dá)到了97.5 kPa。

從中得出結(jié)論，即油面升降對(duì)壓強(qiáng)分布關(guān)系不大，甚至幾乎不變。無(wú)論內(nèi)部產(chǎn)生多少油氣，無(wú)論液面多高，都是到達(dá)4.0 kPa時(shí)才吸入大氣，所以在吸入的瞬間，壓強(qiáng)分布幾乎不變。

繼續(xù)觀察浮盤內(nèi)部氣體的流速圖，可以更清晰地看到氣體的流動(dòng)方向和速度大小，如圖5 所示。從圖5 可以看到，浮盤內(nèi)部的油氣流動(dòng)方向呈向心趨勢(shì)，紅色代表流速最大的區(qū)域；相比于壓強(qiáng)圖可得知，流速越大處，壓強(qiáng)相對(duì)越小。

圖5 浮盤內(nèi)部混合氣體流速趨勢(shì)矢量圖

以上的壓強(qiáng)、氣體流速矢量仿真，皆是油氣濃度的表征方式。通過(guò)以上仿真，可以清晰地看到浮盤內(nèi)部混合氣體的狀態(tài)情況。

3 油氣空間濃度的風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 油氣體積和壓強(qiáng)關(guān)系

基于上述仿真結(jié)果，可以通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程算出浮盤落底時(shí)吸入的最大的空氣量（空氣體積），方程如下：

式中：p為壓強(qiáng)；V 為氣體體積；n 為氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)（其中：R=8.314 J/（mol·K））；T 表示理想氣體的熱力學(xué)溫度（T=273.15 ℃）。

仿真得到最大的壓強(qiáng)值為97.5 kPa，仿真值與1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓近似吻合，所以仿真值可以參考。儲(chǔ)罐內(nèi)的原油完全排出后，油氣空間的體積為9 043.2 m3。根據(jù)式（8）計(jì)算，得出原油完全排出后，浮盤下的混合氣體總的物質(zhì)的量為388 kmol。

進(jìn)油之后，當(dāng)油量達(dá)到剛剛托起浮盤時(shí)，可以計(jì)算出排放到浮盤外部的油氣總量：已知?dú)怏w的物質(zhì)的量是不變的（因?yàn)橛蜌獾牧縩是定值），而氣體全部排到浮盤外部，即變?yōu)? 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所以可以得出，排放到外面的混合油氣總量的體積為8 703.97 m3（體積約為8 704 m3），物質(zhì)的量為388 kmol。

如此龐大體積的混合油氣一旦發(fā)生事故是非常危險(xiǎn)的。

3.2 油氣濃度和爆炸下限的分析

通過(guò)查閱資料，在25 ℃的條件下，原油（烷烴類）的揮發(fā)量（體積V≈8 704 m3）在4 h 時(shí)間趨于飽和最大值。而且，0.5 h 內(nèi)烷烴揮發(fā)的體積百分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到10.981%［13］。

已知混合氣體爆炸下限公式［14］：

式中：L為可燃混合氣體的爆炸極限；Vi為混合油氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)；Li為混合油氣中各個(gè)組分的爆炸下限值［14］，甲烷5.0%，乙烷3.0%，丙烷2.2%，異丁烷1.8%，正丁烷1.9%，異戊烷1.4%，正戊烷1.4%。

通過(guò)式（9）和以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出外浮頂儲(chǔ)罐浮盤內(nèi)部的混合油氣爆炸極限L 為19.04%。已知混合油氣的爆炸下限為1.4%～2.1%［15］，可見(jiàn)，0.5 h內(nèi)原油的有機(jī)物揮發(fā)濃度已經(jīng)超過(guò)了發(fā)生爆炸的最低限度，因此會(huì)有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于RNG k-ω 模型，首先采用ANSYS 仿真，對(duì)大型外浮頂儲(chǔ)罐的浮盤落底、原油完全排出后的儲(chǔ)罐油氣空間進(jìn)行油氣分析，得出了壓強(qiáng)分布規(guī)律和壓強(qiáng)值，最大達(dá)到97.5 kPa，油氣空間的體積達(dá)到9 043 m3。然后，基于濃度模型和爆炸下限計(jì)算方法，得出半小時(shí)內(nèi)混合油氣的爆炸極限達(dá)到了19.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆炸下限，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。如果此時(shí)遇到火花雷電等情況，就極容易發(fā)生爆炸事故。因此，在雷暴天氣下，嚴(yán)禁儲(chǔ)罐進(jìn)出油操作。并且，在浮盤落底過(guò)程中，必須采用防靜電措施，禁止人員上罐操作。