大型油罐入口管油品防靜電安全流速的確定

李小月，吳 鋒，劉德俊, 高吉慶

(遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)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(chǎn)生的靜電[3]威脅著油品進站油罐的安全儲存。在油罐內(nèi)油品液面沒浸沒入口前，流速應(yīng)小于1 m/s，當罐內(nèi)油品液面沒浸沒入口后，管內(nèi)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(nèi)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(dǎo)入外界，最終流動電流隨油流進入進站儲罐內(nèi)。當管線的流量較大時，即油流流速較高，將產(chǎn)生更大的流動電流，進站時帶入油罐內(nèi)的靜電量將增加。對浮頂油罐[5,6]而言，當油品帶入罐內(nèi)的靜電與油罐壁的感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的場強超過油罐內(nèi)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(dǎo)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(nèi)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(xué)模型

1.1 理論計算

管內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)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(nèi)油品總電量的關(guān)系：

式中：E—儲罐壁處的電場強度，MV/m；

S—電荷泄露流經(jīng)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(xué)模型為：

1.2 經(jīng)驗公式

原西德化工協(xié)會得出，烴類燃料管內(nèi)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?，F(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(nèi)各油品在不同管徑內(nèi)的滿罐充油入口允許流速，并比較由理論及經(jīng)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(jīng)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(yīng)的油品帶電量即為允許帶入罐內(nèi)的最大靜電量[10]，結(jié)果見表3。

表3 100 000 m3浮頂罐儲存各油品允許帶入罐內(nèi)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(guān)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(guān)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(dǎo)率較高時，其泄露電荷的速度較快，相同管徑下電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率較大時（即泄露電荷的能力較大），由經(jīng)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(nèi)，所以當其輸送流速大于理論輸送速度時，需采取相應(yīng)的措施或先泄露部分電量以保證油罐的安全儲存，以免產(chǎn)生火災(zāi)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(guān)系曲線Fig.1 The chart of 100 000 moil tank inlet Maximum flow rate under different pipe diameter

3 結(jié) 論

對算例進行計算分析可得：

(1) 原油中含雜質(zhì)較多，電導(dǎo)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(jīng)驗公式計算得出的結(jié)果較理論計算得出的結(jié)果小，這時若按經(jīng)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(yīng)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(shè)計與管理[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2006:2-18.

［2］吳明,王金華,劉建鋒,等.長輸熱油管道運行方案的優(yōu)化[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2006,26(1): 63-65.

［3］田強,周紹騎,劉凱,等. 流速對管輸油品靜電的影響[J].油氣儲運,2013,32(2): 218-222.

［4］楊仲曹.易燃易爆液體管道流速探討[J].科技向?qū)?2011(3):140,149.

［5］張力.大型浮頂油罐滅火系統(tǒng)的研究[J].東營:石油化工安全環(huán)保技術(shù),2012,8(2):1-5;27.

［6］孫巖.大型浮頂油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].山西建筑,2008,34(25):83-84.

［7］溫耐,王偉鋒.高斯定理在靜電場中的應(yīng)用問題[J].物理通報,2010(1 1):9-11.

［8］籍延坤.高斯定理的數(shù)學(xué)證明[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報,2004,25(3):13-16.

［9］范辛耕.游輪靜電[M].大連:大連海運學(xué)院出版社,1985:55.

［10］郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設(shè)計與管理[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2006:223-501.