大型儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)油高度的計(jì)算分析*

張玉平，劉全楨,陶 彬,管孝瑞,馬開(kāi)良

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

如何安全合理地確定出大型儲(chǔ)罐的儲(chǔ)油高度，對(duì)油庫(kù)的安全生產(chǎn)尤為重要。盡可能高的儲(chǔ)油高度可提高儲(chǔ)罐容積的利用率，但油品具有熱膨脹性，在極端高溫條件下油品受熱膨脹，有可能會(huì)造成溢油事故發(fā)生，以及儲(chǔ)罐收發(fā)油、基礎(chǔ)沉降等因素都會(huì)影響到安全儲(chǔ)油高度。本文在全面考慮影響大型儲(chǔ)罐儲(chǔ)油高度的各種因素基礎(chǔ)上，建立了一種新的安全儲(chǔ)油高度計(jì)算方法。

1 現(xiàn)有規(guī)范的推薦做法

目前規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐安全液位沒(méi)有明確和清晰的說(shuō)明，或者部分已有規(guī)范中的要求過(guò)于保守，不能完全滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)的需要。不同規(guī)范對(duì)安全儲(chǔ)油高度有不同的要求。

a)《原油及輕烴站(庫(kù))運(yùn)行管理規(guī)范》對(duì)儲(chǔ)罐的極限和安全液位有規(guī)定(表1)。

該規(guī)范考慮了泡沫發(fā)生器安裝高度的影響，并針對(duì)原油膨脹經(jīng)驗(yàn)特性，給出了一個(gè)安全高度經(jīng)驗(yàn)修正值，但未考慮罐壁上其他開(kāi)孔附件對(duì)安全高度的影響。

b)儲(chǔ)存系數(shù)法對(duì)儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存容量做了明確的規(guī)定(表2)，但只給出了不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型儲(chǔ)罐的經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)存系數(shù)，只適用于儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)階段容量的計(jì)算。

c)《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》分別對(duì)拱頂、內(nèi)浮頂和外浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)儲(chǔ)存液位作了規(guī)定。該方法對(duì)內(nèi)浮頂油罐的計(jì)算，未詳細(xì)考慮泡沫管位置的影響。對(duì)于外浮頂儲(chǔ)罐，此規(guī)范要求浮盤(pán)的設(shè)計(jì)最大高度為1.5～1.6 m，實(shí)際外浮頂儲(chǔ)罐的浮盤(pán)高度在2 m左右，規(guī)范中給出的1.5～1.6 m偏小。

表1 油罐的極限、安全液位[1]

表2 立式金屬油罐儲(chǔ)存系數(shù)[2]

2 安全儲(chǔ)油高度的影響因素分析

儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)油高度的確定受儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、工藝、評(píng)估等因素的影響，包括以下方面。

a)罐頂附件的位置。對(duì)于內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，最大裝油高度首先不能超過(guò)透氣孔的位置；對(duì)于外浮頂儲(chǔ)罐，僅需考慮罐頂圈板留出堰板所需高度，以避免外浮頂堰板超出罐壁和受風(fēng)力的影響；對(duì)于拱頂儲(chǔ)罐，裝油高度主要受泡沫管線高度的影響。

b)泡沫滅火劑的使用。在儲(chǔ)罐的安全高度上要保證油面上方有足夠的空間容納泡沫滅火劑，目前使用較多的空氣泡沫要求厚度為300 mm[3]。

c)儲(chǔ)罐收油速率的影響。《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)儲(chǔ)罐收油速率有如下規(guī)定[2]：“儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)儲(chǔ)存液位應(yīng)減去10～15 min儲(chǔ)罐最大進(jìn)液量的折算高度”。此規(guī)定是防止儲(chǔ)罐在收油時(shí)，可能出現(xiàn)的機(jī)械故障或人為的失誤，而導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生的冒油事故。

d)環(huán)境溫度的影響。如果安全儲(chǔ)油高度的計(jì)算不考慮體積膨脹的影響，滿(mǎn)液位儲(chǔ)存的油罐在遇到極端熱的天氣時(shí)，有可能發(fā)生溢油事故。

e)水墊層的影響。對(duì)于并裝油罐，為了提高安全儲(chǔ)油高度計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)考慮水墊層的影響。因?yàn)樗捏w積膨脹系數(shù)要比油(特別是汽油的膨脹系數(shù)為0.025%/℃，水的為0.13%/℃)的小很多。

f)基礎(chǔ)沉降?；A(chǔ)沉降會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生傾斜，致使儲(chǔ)罐液位升高。另外，在油品靜壓作用下，罐基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生不同程度的沉降，導(dǎo)致底板向下發(fā)生變形，進(jìn)而使測(cè)量出的液位偏小[4]。

g)儲(chǔ)罐變形。當(dāng)儲(chǔ)罐的變形達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)對(duì)浮盤(pán)的升降造成影響，因此應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐的變形狀況及時(shí)調(diào)整安全液位。

3 允許儲(chǔ)油高度的確定

通過(guò)對(duì)相關(guān)影響因素的分析，重新建立允許儲(chǔ)油高度的計(jì)算模型。模型中考慮了基礎(chǔ)沉降和徑向變形的影響，并對(duì)安全裕度進(jìn)行了修正。如果沒(méi)有基礎(chǔ)沉降和罐體變形數(shù)據(jù)，可按操作人員在儲(chǔ)罐日常運(yùn)行中的觀察，確定出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

3.1 外浮頂儲(chǔ)罐允許儲(chǔ)油高度

外浮頂儲(chǔ)罐的泡沫管通常安裝在罐壁頂端，不予考慮其影響。浮盤(pán)上方的泡沫液擋板高度一般在0.9 m左右，遠(yuǎn)大于滅火時(shí)所需的泡沫厚度，因此不予考慮泡沫層厚度的影響。為保護(hù)浮盤(pán)和扶梯，《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》取有0.3 m的安全裕度(包括了液體膨脹高度和浮盤(pán)保護(hù)裕量)，液體膨脹高度的影響在后面的計(jì)算中會(huì)予以考慮，因此可將安全裕度調(diào)整為0.15 m——僅考慮保護(hù)浮盤(pán)的裕量(圖1)。

圖1 外浮頂儲(chǔ)罐安全液位示意H允=H罐壁-(h1+h2+h3+h4+h5+h6)

(1)

式中：H允——允許儲(chǔ)油高度，m；

H罐壁——罐壁高度，m；

h1——泡沫液擋板高度，m；

h2——油面上方的浮盤(pán)高度，m。

h3——10～15 min最大收油量的折算高度，m；

h4——基礎(chǔ)沉降最大偏差，m；

h5——徑向變形影響系數(shù)，m；

h6——安全裕度，取0.15 m。

3.2 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐允許儲(chǔ)油高度

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐罐壁上有通氣孔、泡沫管，因此其允許儲(chǔ)油高度的計(jì)算應(yīng)考慮多個(gè)因素的影響。內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐沒(méi)有扶梯，因此對(duì)安全裕度不予考慮(圖2)。

圖2 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐安全液位示意

當(dāng)hA≥hB時(shí)，即消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距離小于泡沫厚度，允許儲(chǔ)油高度中應(yīng)減去泡沫厚度：

H允=H罐壁-hA-(h1+h2+h3+h4+h5)

(2)

當(dāng)hA

H允=H罐壁-hB-(h1+h2+h3+h4+h5)

(3)

當(dāng)hA

H允=H罐壁-hC-(h1+h2+h3+h4+h5)

(4)

式中：hA——滅火時(shí)所需的泡沫厚度，m；

hB——消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距離，m；

hC——罐上部除泡沫管外的其它附件(如內(nèi)浮頂罐罐壁的透氣孔)下緣距離罐柱頂部下邊緣的距離，m。

3.3 拱頂儲(chǔ)罐允許儲(chǔ)油高度

拱頂儲(chǔ)罐的允許儲(chǔ)油高度主要考慮泡沫管的高度和泡沫層厚度的影響(圖3)。通過(guò)分析將拱頂儲(chǔ)罐的安全高度修正為：

當(dāng)hA≥hB時(shí)，即消防泡沫口下沿距罐壁上沿的距離小于泡沫厚度，允許儲(chǔ)油高度中應(yīng)減去泡沫厚度：

H允=H罐壁-hA-(h3+h4+h5)

(5)

當(dāng)hA

H允=H罐壁-hB-(h3+h4+h5)

(6)

《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于拱頂儲(chǔ)罐的安全高度的計(jì)算中，減去了一個(gè)安全裕度——液體的膨脹高度和泡沫混合液層厚度，其值為0.3 m。但是否應(yīng)該在泡沫管下沿以下的位置，再減去泡沫層的厚度，筆者認(rèn)為有所欠妥，其計(jì)算結(jié)果會(huì)比較保守。新建立的拱頂儲(chǔ)罐運(yùn)行儲(chǔ)油高度模型中，未使用安全裕度，主要理由是：①在后文的安全儲(chǔ)油高度計(jì)算中，考慮了液體的膨脹影響；②在允許儲(chǔ)油高度計(jì)算公式中，已經(jīng)考慮了儲(chǔ)罐最大收油量的折算高度。

因此，液體膨脹的高度和最大收油量折算高度二者之和，完全可以抵消在泡沫管以下未減去泡沫層厚度的影響。

圖3 拱頂儲(chǔ)罐安全液位示意

4 安全儲(chǔ)油高度的確定

油品具有熱膨脹性，溫度升高后會(huì)發(fā)生膨脹。為確保油品在最高儲(chǔ)存溫度下不超過(guò)允許儲(chǔ)油高度，收油結(jié)束時(shí)，將其限定在儲(chǔ)罐內(nèi)的最大液位即安全儲(chǔ)油高度。

安全儲(chǔ)油高度的計(jì)算主要有三種途徑：根據(jù)油品的膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)油品的密度和儲(chǔ)存期內(nèi)可能的最高溫度時(shí)油品密度的比值進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)油品的體積溫度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

膨脹系數(shù)法的計(jì)算精度較差，不適用于大型儲(chǔ)罐容量的計(jì)算。

4.1 油品密度法

油品密度法是根據(jù)油品在儲(chǔ)存過(guò)程中，油品溫度不會(huì)超過(guò)所設(shè)定的最高油溫進(jìn)行計(jì)算的。地上儲(chǔ)罐的最高儲(chǔ)存溫度與周?chē)h(huán)境溫度相近，可以使用當(dāng)?shù)氐淖罡邭鉁刈鳛橛推返淖罡邷囟取?/p>

H安=H允×ρ高溫/ρ收油

(7)

式中：H安——安全儲(chǔ)油高度，m；

H允——允許儲(chǔ)油高度，m；

ρ收油——最高溫度時(shí)油品的密度，kg/m3。

若存在罐底水，把水也作為油品來(lái)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)造成誤差。因此在計(jì)算并裝油罐的安全儲(chǔ)油高度時(shí)，應(yīng)減去罐底水的高度。

H安=(H允-h水)×ρ高溫/ρ收油+h水

(8)

式中：h水——儲(chǔ)罐水墊層高度，m。

該方法的計(jì)算只需知道收油時(shí)油品的密度和儲(chǔ)存期間可能出現(xiàn)的最高溫度時(shí)的密度。

要計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)溫度下油品的密度，首先應(yīng)確定油品的標(biāo)準(zhǔn)密度。用密度計(jì)測(cè)量出油品的視密度，然后查找《石油計(jì)量表》所對(duì)應(yīng)油品的標(biāo)準(zhǔn)密度表，將視密度換算為20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)密度ρ20，然后根據(jù)密度計(jì)算公式計(jì)算出油品可能達(dá)到最高油溫時(shí)和收油時(shí)油品的密度，進(jìn)而計(jì)算安全儲(chǔ)油高度。

非標(biāo)準(zhǔn)溫度下的密度計(jì)算公式如下式[5]：

ρt=ρ20-γ(t-20)

(9)

式中：ρt——油品在t℃下的密度，kg/m3；

ρ20——油品在20 ℃下的密度，kg/m3；

綜上可知，44字式《卜算子》的用韻大多分布在第四、十一、八、三、七等部，具有幽咽、振厲、漂灑、縝密、清新等聲情特征。

t——油品溫度，℃；

γ——油品密度溫度系數(shù)，kg/m3。

4.2 油品體積溫度系數(shù)法

該方法是根據(jù)油品的體積換算公式進(jìn)行計(jì)算，油品的體積換算公式如下式[5]：

V20=Vt×[1-f×(t-20)]

(10)

式中：V20——油品20℃時(shí)的體積，m3；

Vt——油品t℃時(shí)的體積，m3；

f——油品體積溫度系數(shù)，1/℃；

t——油品Vt對(duì)應(yīng)的溫度，℃。

根據(jù)上式，可得到收油時(shí)的允許儲(chǔ)油高度和安全儲(chǔ)油高度。

H安=H允×[1-f×(t高溫-20)]/[1-f×(t收油-20)]

(11)

式中：t高溫——油品儲(chǔ)存期間可能達(dá)到的最高溫度，℃；

t收油——收油時(shí)的平均溫度，℃。

同樣，考慮罐底水影響時(shí)，上式應(yīng)修正為：

H安=(H允-h水)×[1-f×(t高溫-20)]/[1-f×(t收油-20)]+h水

(12)

對(duì)于并裝油罐，由于接收油品的溫度和罐內(nèi)已有油品的溫度相差較大，須使用混合后的平均溫度才能得到合理的結(jié)果。

平均溫度的計(jì)算在不考慮熱量損失的情況下，根據(jù)熱量的計(jì)算公式有：

C×m收油×(t平均-t收油)=C×m存儲(chǔ)×(t存儲(chǔ)-t平均)

(13)

對(duì)上式簡(jiǎn)化得平均溫度的計(jì)算公式為：

t平均=t收油+ρ存儲(chǔ)×H存儲(chǔ)×(t存儲(chǔ)-t收油)/(ρ高溫×H允)

(14)

式中：C——油品比熱，J/(kg·K)；

m收——收油質(zhì)量，kg；

m存——已有油品質(zhì)量，kg；

t均——混合后的平均溫度，℃；

t存儲(chǔ)——已存儲(chǔ)油品的溫度，℃；

ρ存儲(chǔ)——已存儲(chǔ)油品的密度，kg/m3；

H存儲(chǔ)——已存儲(chǔ)油品的高度，m。

5 實(shí)例分析

某油庫(kù)內(nèi)一容積為5 000 m3拱頂罐(儲(chǔ)罐參數(shù)見(jiàn)表3，工藝參數(shù)見(jiàn)表4)，計(jì)算儲(chǔ)油安全高度，其中最大收油折算高度時(shí)間取12 min。由于基礎(chǔ)沉降偏差、徑向變形影響高度系數(shù)難以獲取，因此在計(jì)算中未考慮其影響。

根據(jù)所列參數(shù)，使用不同的方法計(jì)算了安全儲(chǔ)油高度(表5)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，按照《原油及輕烴站(庫(kù))運(yùn)行管理規(guī)范》推薦方法計(jì)算的結(jié)果最小，結(jié)果較保守；儲(chǔ)存系數(shù)法只適用于儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)階段容量的計(jì)算，結(jié)果只能作為參考值；膨脹系數(shù)法方法計(jì)算的結(jié)果過(guò)于粗糙。

按照《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦方法計(jì)算的結(jié)果，相比油品密度法和體積溫度系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果偏小。因?yàn)橛?jì)算方法中既考慮了液體的膨脹高度和泡沫混合液層厚度，又考慮了最大進(jìn)液量的折算高度，其結(jié)果偏于保守。

油品密度法和油品體積溫度系數(shù)法二者的計(jì)算結(jié)果相近，推薦在大型立式常壓儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)油高度計(jì)算中使用此方法。但是，其計(jì)算方法較為復(fù)雜，特別是并裝油罐的計(jì)算。

表3 儲(chǔ)罐參數(shù)

表4 油品參數(shù)和操作參數(shù)

表5 各方法的計(jì)算結(jié)果 m

圖4 不同方法計(jì)算的安全液位示意

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)和分析，建立了新的大型儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)油高度計(jì)算方法，得出如下結(jié)論。

a)對(duì)儲(chǔ)罐允許儲(chǔ)油高度計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，在計(jì)算模型中考慮了儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降和徑向變形的影響，并對(duì)安全裕度重新進(jìn)行了調(diào)整。

b)根據(jù)油品受熱膨脹的特性，從油品密度和油品的體積溫度系數(shù)兩個(gè)油品參數(shù)出發(fā)，分別建立了安全儲(chǔ)油高度的計(jì)算模型，并在計(jì)算公式中考慮了罐底水對(duì)安全儲(chǔ)油高度的影響。通過(guò)用不同計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果可以看出，優(yōu)化之后的計(jì)算模型獲得的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于其他方法。

7 參考文獻(xiàn)

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