限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應(yīng)

盧金樹,朱哲野,劉楓琛

(浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院,浙江舟山 316022)

限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應(yīng)

盧金樹,朱哲野,劉楓琛

(浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院,浙江舟山 316022)

油船裝貨過程中存在油氣蒸發(fā),蒸發(fā)出的油氣會帶來多種危害。裝貨時產(chǎn)生的晃蕩是影響油品蒸發(fā)的因素之一。研究油船裝貨過程中艙內(nèi)貨油的晃蕩及氣液界面處的擾動對油氣蒸發(fā)排放的影響,建立幾何尺寸比例約為1/ 40的油船單個油艙模型,進(jìn)行兩組4種不同裝貨速度下的裝貨試驗(yàn)。結(jié)合對流擴(kuò)散模型,綜合考慮擴(kuò)散效應(yīng)、對流效應(yīng)及透氣孔處的透氣效應(yīng),研究在整個裝貨過程中油艙透氣孔處排出油氣體積分?jǐn)?shù)的變化原因及規(guī)律。結(jié)果表明,在類似油艙這樣的限制性空間的完整裝油過程中(0～95%),油氣的產(chǎn)生與排出規(guī)律隨著裝載率的不同而變化,大致分為0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四個階段。

裝貨速度;晃蕩效應(yīng);限制空間;對流擴(kuò)散;試驗(yàn)

海上石油儲運(yùn)風(fēng)險主要來自油氣的蒸發(fā)。作為艙氣主要成分的VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)在海運(yùn)及液貨作業(yè)過程中實(shí)際排放達(dá)到(400～700)萬噸/年,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損害風(fēng)險,更為嚴(yán)重的油艙爆炸事故也屢見不鮮[1-4]。針對油船這樣有特定開口的大型限制空間,艙內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)特殊的分布狀態(tài),透氣孔處油氣的排出受油品性質(zhì)、裝油速度、油艙結(jié)構(gòu)和其他因素影響[6-7]。裝油過程中油艙內(nèi)油品動能的變化及液面的上升會引起油品的晃蕩,造成氣液界面的湍動,影響艙內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)的分布[8]。目前,一些學(xué)者已經(jīng)在實(shí)船或模型上研究了油氣及其他烴類氣體的排放規(guī)律[5,9-10],但沒有深入研究排放機(jī)制及相關(guān)影響因子的效應(yīng)。關(guān)于氣液界面湍動對傳質(zhì)的影響及非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)動力學(xué)的研究,不同學(xué)者做了一定的工作[11-19],但尚未針對性地考慮裝油引起液體的晃蕩會影響氣液界面?zhèn)髻|(zhì)速率,進(jìn)而引發(fā)油氣在特定形狀的限制空間中流動及透氣行為。筆者采用理論分析及模型試驗(yàn)的方法研究裝貨過程中油船透氣體積分?jǐn)?shù)的變化。

1 試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

1.1 對流擴(kuò)散模型

將油艙內(nèi)氣體的排出分為液相區(qū)氣體的產(chǎn)生與傳遞、氣相區(qū)氣體的傳遞,采用對流擴(kuò)散模型加以描述:

式(1)中已經(jīng)充分考慮了裝油引起的對流效應(yīng)以及液體的晃蕩產(chǎn)生的擴(kuò)散效應(yīng)。

液面的上升會引起油氣的強(qiáng)迫對流;有效擴(kuò)散系數(shù)與液體種類、溫度等有關(guān);未定擴(kuò)散系數(shù)由液相擾動造成。

1.2 對流效應(yīng)分析

油艙透氣口處的VOCs體積分?jǐn)?shù)明顯受到裝貨速率的影響。其中對流速度W與裝油速率的關(guān)系如下:

式中,Q為裝貨速率(體積流量),m3/s;A為油艙橫截面積,m2。

顯然,裝油速度越大,則對流速度越大,對透氣口體積分?jǐn)?shù)的影響越明顯。

1.3 擴(kuò)散效應(yīng)分析

對于存在自由液面的油艙,油氣體積分?jǐn)?shù)場的擴(kuò)散效應(yīng)不但受到Dm的影響,還會受到表征各種擾動因素引起界面湍動的未定擴(kuò)散系數(shù)Dn影響。Dm與液貨種類、溫度等有關(guān),本試驗(yàn)認(rèn)為在短時間內(nèi)溫度及油氣成分基本不變,該系數(shù)Dm恒定;未定擴(kuò)散系數(shù)Dn由裝油過程中艙內(nèi)油品動能變化產(chǎn)生的液相晃蕩引起,與單位體積擾動能及油品的黏度有關(guān)。具體如下:

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）試圖通過具有多個處理層的計(jì)算模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行多層抽象，是一個由INPUT（輸入層）輸入圖像，CONV（卷積層）對圖像進(jìn)行卷積，再經(jīng)過RELU（激活函數(shù)）傳給POOL（池化層）進(jìn)行池化，最后通過FC（全連接層）將所有特征連接起來的網(wǎng)絡(luò) [13]。實(shí)質(zhì)上是一個學(xué)習(xí)特征的過程，經(jīng)過CNN學(xué)習(xí)到的特征具有較強(qiáng)的辨別性，背景部位的激活度基本很少，通過可視化可以看到提取到的特征忽視了背景干擾，只提取目標(biāo)中關(guān)鍵的信息交由后續(xù)的分類器對其進(jìn)行檢測與分類。

式中,Te為單位時間單位體積油品的擾動能,J;E為單位時間內(nèi)從注油孔處裝入油品的動能,J;V為艙內(nèi)已裝入油品總體積,m3;μ為油品黏度,Pa·s;ρ為油品的密度,kg/m3;A0為裝油口橫截面積,m2;t為裝貨時間,s。

本試驗(yàn)中使用同一種油品,故不考慮黏度這一因素。顯然單位體積擾動能與裝油速率及容器油品容積有關(guān)。

由式(5)知,單位時間單位體積擾動能的變化趨勢為先迅速減小至很低水平,然后緩慢減小。同時,裝貨速度越大,Te越大(對應(yīng)的Dn也就越大)。

在整個限制空間進(jìn)行裝貨的過程中,由裝貨所引起的液面上升及所造成的液相晃蕩都會影響油氣的產(chǎn)生、傳遞,最終影響透氣孔處油氣的排出。

2 試 驗(yàn)

2.1 裝置與方法

綜合現(xiàn)有油船結(jié)構(gòu)尺寸資料,選擇單個邊艙原型尺寸為長25.7 m,寬16.1 m,艙深18.9 m,艙容約為7 820 m3。將原型艙簡化為長方體,按照幾何相似準(zhǔn)則,用玻璃制作單個邊艙模型。模型艙尺寸為長640 mm,寬400 mm,高470 mm,容積為120 L。試驗(yàn)材料為93#汽油。汽油通過計(jì)量泵以一定的速度從注油孔泵入模型艙,用來模擬油船裝貨過程,油氣從模型艙上的透氣口處排出。采用烴氣體積分?jǐn)?shù)傳感器測量透氣口處排出油氣的體積分?jǐn)?shù)。傳感器與一臺計(jì)算機(jī)相連,由計(jì)算機(jī)記錄實(shí)時數(shù)據(jù)。部分試驗(yàn)裝置及材料如圖1所示。

圖1 部分試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.1 Part of experiment devices

為了便于數(shù)據(jù)的分析與處理,模型艙內(nèi)被分為3個區(qū):液相區(qū)、氣相區(qū)和氣液邊界層(氣液邊界層為擾動的,這里取平均值)。液相區(qū)主要為液態(tài)的汽油,高度用L表示;氣相區(qū)主要為油氣與空氣的混合氣體,高度用h表示;氣相區(qū)與液相區(qū)的交界處稱為氣液邊界層。模型艙的深度為H。模型艙簡圖如圖2(A、B、C分別為加油孔、透氣孔、濃度傳感器)所示。

圖2 試驗(yàn)油艙模型及儀器安裝示意圖Fig.2 Tank model and schematic diagram of instrument installation

每次進(jìn)行裝貨試驗(yàn)前,模型艙內(nèi)充滿干凈空氣,密封,艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)等于當(dāng)?shù)卮髿鈮?。試?yàn)開始時,打開透氣口自由排氣,通過計(jì)量泵控制,分別進(jìn)行兩組4種不同加油速度的注油試驗(yàn),裝載率同為95% (114 L)。試驗(yàn)記錄透氣口處排出氣體的實(shí)時體積分?jǐn)?shù)。至轉(zhuǎn)載率為95%后,經(jīng)過充分靜置,艙內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和,為81.6%(試驗(yàn)時通過空調(diào)系統(tǒng)控制試驗(yàn)室的環(huán)境溫度為26℃)。

2.2 加油速度確定

選擇動力相似中的歐拉準(zhǔn)則數(shù)來確保模型油艙和原型在加油過程中加油管內(nèi)的壓力相似。歐拉數(shù)定義為

式中,v為加油速度,m/s;p為加油孔處加油管內(nèi)的壓力,Pa。

由于油船裝貨輸油管的數(shù)量、管徑和流量設(shè)定不相同,裝貨速度不固定,因此考慮實(shí)際油船單根輸油管的裝油速度及模擬的便利性,假設(shè)油艙注油的單根輸油管速度為流量50 L/min、壓力為80 MPa,按照歐拉相似準(zhǔn)則得到模型艙的加油速度為1.38 L/min、壓力為0.06 MPa。

裝貨試驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩組4種加油速度:第一組為考慮實(shí)際油船裝貨速率,按照歐拉相似所得速度1.38 L/min;第二組為了研究不同裝貨速率產(chǎn)生不同晃蕩強(qiáng)度時對透氣口B處排出氣體體積分?jǐn)?shù)的影響,結(jié)合計(jì)量泵的量程及最小刻度的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)出裝貨速率間隔大約為0.5 L/min的3個速度2.46、2.96、3.46 L/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其討論

3.1 不同裝貨速度下透氣體積分?jǐn)?shù)變化

裝油過程中模型艙內(nèi)油氣并沒有達(dá)到飽和,模型艙透氣口處氣體體積分?jǐn)?shù)的增長原因主要有兩方面:①油面的上升造成油氣在氣相區(qū)的對流;②油氣分子的自然擴(kuò)散。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。為了加強(qiáng)不同數(shù)據(jù)之間的可比性,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱化處理,如圖4所示。

圖3 不同裝貨速率下排出氣體體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.3 Concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

圖4 無量綱化處理后不同裝貨速率下排出氣體體積分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Dimensionless concentration curves of exhaust gas in different loading speeds

從圖4可以發(fā)現(xiàn),第一組速度(1.38 L/min)下,當(dāng)裝載率達(dá)到70%之前,透氣口排出氣體體積分?jǐn)?shù)處于較低水平,約為35%,且上升較慢。裝載率在70%～95%時,氣體體積分?jǐn)?shù)快速上升,最后達(dá)到90%,接近飽和。這主要因?yàn)樵诩佑瓦^程中從液面蒸發(fā)出的油氣分子的自然擴(kuò)散為從體積分?jǐn)?shù)高的地方向體積分?jǐn)?shù)低的地方進(jìn)行,這使得艙內(nèi)的油氣體積分?jǐn)?shù)分層:越靠近液面,油氣體積分?jǐn)?shù)越大。在裝載率達(dá)到70%之前,主要為油氣分子自然擴(kuò)散,聚集形成油氣體積分?jǐn)?shù)層;同時,艙內(nèi)空間較大,油氣的對流效應(yīng)比較弱,油氣從產(chǎn)生至傳遞到透氣口處有延遲效應(yīng),使得此過程中透氣口處排出的油氣體積分?jǐn)?shù)較小。隨后,裝載率從70%上升到95%,隨著液面的上升,氣相區(qū)體積縮小,對流效應(yīng)越來越明顯,延遲效應(yīng)越來越弱,同時,油氣分子自然擴(kuò)散進(jìn)行得更加充分,透氣口排出氣體的體積分?jǐn)?shù)上升加快,體積分?jǐn)?shù)越來越大。

結(jié)合圖4和式(5),第二組3個速度下,模型艙頂氣體遠(yuǎn)未達(dá)到飽和,排出氣體體積分?jǐn)?shù)變化趨勢大體相同。隨著裝貨速率增大,裝貨時間減少,裝載率達(dá)到95%時,艙頂排出氣體體積分?jǐn)?shù)逐漸變小,依次相差約10%。這是由于3個速度比較接近,液位的上升速度相差不大,造成的對流效應(yīng)與未定擴(kuò)散系數(shù)Dn較為一致。同時,這3個裝貨速率都較大,液位上升較快,在裝載率達(dá)到95%時,油氣氣體分子未能進(jìn)行充分?jǐn)U散,氣體體積分?jǐn)?shù)比較低,造成對流效應(yīng)不明顯,所以透氣體積分?jǐn)?shù)比較低,沒有出現(xiàn)明顯的快速增大過程。

3.2 透氣體積分?jǐn)?shù)的增長速率變化

為了研究不同裝貨速率下透氣口處排出氣體體積分?jǐn)?shù)的增長速率的變化情況,對圖3中所得到的氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行求導(dǎo)。具體為:分別在4條曲線上等間隔取14個點(diǎn),求出每個點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)(油氣體積分?jǐn)?shù)對時間的導(dǎo)數(shù)),即為該點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)增長速率。用這14個點(diǎn)代表整條曲線上氣體體積分?jǐn)?shù)增長速率的變化趨勢,并對x軸進(jìn)行無量綱化處理,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同裝貨速率下排出氣體體積分?jǐn)?shù)增長速率Fig.5 Growth rate of exhaust gas concentration in different loading speeds

從圖5可以看出,限制性空間中透氣口處排出氣體體積分?jǐn)?shù)的增長率先緩慢增加,然后快速增加,與圖3中排出油氣體積分?jǐn)?shù)的增長變化類似。增長速率與時間不為直線關(guān)系,也不是類似淺盤試驗(yàn)中的對數(shù)關(guān)系,而為一個特殊的拋物線關(guān)系;在裝貨速率為1.38 L/min時,氣體體積分?jǐn)?shù)的增長速率明顯小于其他3種裝貨速率的情況;第二組的3個速度下,氣體體積分?jǐn)?shù)增長速率在裝載率達(dá)到50%之前幾乎一樣,隨后依次增大。

在裝載率達(dá)到50%之前,第一組速度下透氣口處油氣體積分?jǐn)?shù)的增長速率大于第二組3個速度下油氣體積分?jǐn)?shù)的增長速率;裝載率超過50%以后,第二組3個速度下透氣口處油氣體積分?jǐn)?shù)的增長速率大于第一組速度下的增長速率。形成這種現(xiàn)象的主要原因:在裝載率達(dá)到50%之前,影響透氣口處油氣體積分?jǐn)?shù)增長速率的因素是油氣分子的自然擴(kuò)散,即Dm和Dn起主要作用;裝載率超過50%之后,主要影響因素為由于液面上升W所引起的對流效應(yīng)。尤其是第二組的3個速度下,雖然液面上升的速度W不一樣,即油氣的對流效應(yīng)不一樣,但在裝載率達(dá)到50%之前,氣體體積分?jǐn)?shù)增長速率幾乎一樣,且很低。這更能夠說明在裝貨的前半段,透氣口處油氣體積分?jǐn)?shù)增長速率的主要影響因素為油氣分子的自然擴(kuò)散。

圖5實(shí)際體現(xiàn)了油氣的對流擴(kuò)散與透氣口處油氣的透氣效應(yīng)對體積分?jǐn)?shù)的綜合作用結(jié)果,即油氣的對流擴(kuò)散產(chǎn)生的累積效應(yīng)大于透氣效應(yīng),因此在裝貨過程中導(dǎo)致頂部體積分?jǐn)?shù)趨于增大。在裝貨初始階段(裝載率達(dá)到50%之前),由于空擋高度產(chǎn)生的滯后效應(yīng),由W形成的對流產(chǎn)生的累積效應(yīng)還未得到體現(xiàn);同時艙內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)較低,透氣產(chǎn)生的消散效應(yīng)也基本沒有;因此透氣體積分?jǐn)?shù)會上升,但增長率相對較低。第二階段(裝載率50%～95%),對流產(chǎn)生的累積效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用,大于透氣產(chǎn)生的消散效應(yīng),因此透氣體積分?jǐn)?shù)上升較快,增長率相對較大。

4 結(jié) 論

(1)油艙進(jìn)行加油時,在裝載率達(dá)到70%之前,透氣口處排出氣體體積分?jǐn)?shù)緩慢上升,且水平較低;在此之后,排出氣體體積分?jǐn)?shù)迅速增加,接近飽和。透氣口處排出氣體體積分?jǐn)?shù)的增長速率的變化先為緩慢變大,后迅速增大。在加油的前期(裝載率約為50%之前)起主要作用的為油氣分子的自然擴(kuò)散;在加油的后期主要影響因素為液面上升所引起的油氣對流效應(yīng)。

(2)在類似油艙這樣的有特定開口的限制性空間的完整加油過程中(0～95%),油氣的產(chǎn)生與排出分為0～5%、5%～50%、50%～70%、70%～95%四個階段:?0～5%,油品的晃蕩效應(yīng)很明顯,此時排出艙外的主要為艙內(nèi)原有的空氣或惰性氣體,排出的油氣很少;?5%～50%,透氣孔處排出油氣體積分?jǐn)?shù)緩慢變大,主要影響因素為油氣分子充分的自然擴(kuò)散;?50%～70%,透氣孔處排出油氣體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)變大,增長率大于前一階段,主要影響因素為液面上升所引起的油氣對流效應(yīng);?70%～95%,透氣孔處排出油氣體積分?jǐn)?shù)迅速增大,最后接近飽和。

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(編輯 沈玉英)

Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen
(College of Petrochemical and Energy,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Oil-vapor emission from the oil tanker during loading operation will bring a variety of hazards.And the liquid sloshing caused by loading is one of the factors which influence the oil evaporation and emission.The relationship between the oil-vapor emission and the liquid sloshing intensity was studied.An approximate 1/40 scale model of the oil tanker was established to conduct loading experiments,and then the comprehensive effects of diffusion,convection and ventilation on the behavior of oil-vapor emission in the entire loading process(0－95%)were studied.The results show that in a limited space such as oil tanker,with the change of the loading speeds,the changing rules of oil-vapor emission from the breather hole can be approximately divided into four stages,which are 0－5%,5%－50%,50%－70%,70%－95%.

loading speed;sloshing effect;limited space;convention-diffusion theory;experiment

TE 832;TE 988

A

1673-5005(2014)05-0160-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.023

2013－12－02

國家自然基金項(xiàng)目(51079129)

盧金樹(1974－),男,副教授,博士研究生,主要從事船舶安全與污染控制領(lǐng)域的研究工作。E－mail:chinesezzy@163.com。

盧金樹,朱哲野,劉楓琛.限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應(yīng)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014,38(5):160-164.

LU Jinshu,ZHU Zheye,LIU Fengchen.Effect of liquid sloshing on oil-vapor emission in limited space during loading operation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):160-164.