某退役油罐氮?dú)舛杌瘮?shù)值模擬

劉瑞 王冬 張培理 梁建軍 郭子航 黨金鵬 趙亞?wèn)|

摘? ? ? 要：目前我國(guó)很多油庫(kù)油罐是20世紀(jì)60—70年代修建，已達(dá)到退役年限，隨之而來(lái)這些退役油罐面臨封存停用問(wèn)題?；谕牧鱧-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)某退役覆土1 000 m3立式拱頂油罐進(jìn)行氮?dú)舛杌瘮?shù)值模擬研究。重點(diǎn)研究了油罐氮?dú)舛杌^(guò)程中隨氮?dú)膺M(jìn)口流量變化時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)分布和油罐拱頂壓力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：相同氮?dú)膺M(jìn)口流量時(shí)，油罐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間不斷降低，且開(kāi)始階段降低速度較快，之后較為平緩;氮?dú)膺M(jìn)口流量越大惰化時(shí)間越短，同時(shí)為保護(hù)油罐拱頂對(duì)流量有相應(yīng)限制;工程實(shí)踐中油罐惰化對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)提出了安全臨界值。為大量退役油罐安全處置提供參考方案。

關(guān)? 鍵? 詞：退役油罐;氮?dú)?進(jìn)口速度;惰化;油罐拱頂;壓力;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TE 88? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-2050-05

Abstract： Many of the oil tanks in our country have been built in1960s-1970s，now they have been decommissioned， and these decommissioned tanks are facing the mothballing problem. Based on the turbulent k-ε standard model， the numerical simulation of nitrogen inerting method was carried out for a 1 000 m3 decommissioned vertical arch tank. The distribution of oxygen volume fraction and the change law of pressure of oil tank dome were studied when nitrogen inlet flow changed in the process of nitrogen inerting in oil tank. The results showed that， with the same nitrogen inlet flow rate， the volume fraction of oxygen in the tank decreased continuously with time， and the decrease rate was faster in the initial stage， and then was relatively stable; The larger the nitrogen inlet flow rate， the shorter the inerting time. At the same time， the flow was limited to protect the oil tank dome; In engineering practice， the safety critical value of oxygen volume fraction in nitrogen inerting was proposed.It provides a reference scheme for the safe disposal of large number of decommissioned oil tanks.

Key words： Decommissioned oil tank; Nitrogen; Inlet speed; Inerting; Tank dome; Pressure; Numerical simulation

目前我國(guó)很多油庫(kù)油罐是20世紀(jì)60-70年代修建，這些油罐已達(dá)到退役年限。這些退役油庫(kù)隱藏著大量的油氣危險(xiǎn)源，面臨管理人員少，周圍情況復(fù)雜，部分油庫(kù)退役油罐位于鬧市區(qū)，如果不能妥善處置隨時(shí)可能引發(fā)燃燒爆炸，造成大量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失以及環(huán)境污染等危害。因此對(duì)退役油罐的安全處置研究，具有重大意義[1]。

目前直接研究退役油罐安全處置文獻(xiàn)資料較少，但是對(duì)一些油氣危險(xiǎn)源安全處置方法可以借鑒。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究油氣危險(xiǎn)源處置較多，大量研究表明惰性氣體對(duì)爆炸具有較好抑制作用[2-6]。有文獻(xiàn)[2]指出，隨著初始混合氣體中惰性氣體氮?dú)饣蚨趸己康纳?，瓦斯爆炸超壓均明顯降低;氮?dú)夂投趸紝?duì)較高濃度瓦斯氣的抑爆效果更為顯著。李恩田[3]等對(duì)浮頂油罐的油氣空間進(jìn)行惰化，根據(jù)氮?dú)鈱?duì)油罐氣體空間的惰化原理，針對(duì)大型雙重密封型浮頂油罐的油氣空間進(jìn)行氮?dú)舛杌芯?。張培理[4]等以燃惰氣為介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)氣口位置和進(jìn)氣體積流量對(duì)燃惰氣惰化置換油罐油氣的影響。

本文主要通過(guò)數(shù)值模擬研究某退役覆土立式油罐氮?dú)舛杌^(guò)程[7-8]，建立了適合惰化的湍流k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型[9-10]，采用PISO [11]算法對(duì)離散后的控制方程進(jìn)行求解。本文重點(diǎn)研究了油罐氮?dú)舛杌^(guò)程中隨氮?dú)膺M(jìn)口流量變化，氧氣體積分?jǐn)?shù)分布和油罐頂部壓力變化規(guī)律。

1? 構(gòu)建退役油罐惰化模型

1.1? 幾何模型與網(wǎng)格劃分

以華北某油庫(kù)為例，該油庫(kù)有4座1 000 m3退役覆土油罐，且油罐罐底超過(guò)50年未更換。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)油氣味較大，且超過(guò)油氣濃度爆炸下限，危險(xiǎn)性較大?，F(xiàn)利用覆土油罐原形尺寸構(gòu)建模型，直徑為15 725 mm，壁高5 900 mm，頂高7 600 mm，在固定頂對(duì)稱布置測(cè)量管路、呼吸管路各1個(gè)，直徑均為150 mm，測(cè)量管路和呼吸管路中心距油罐中心5 000 mm，輸油管道中心軸線距罐底300 mm處有管道，直徑150 mm。劃分網(wǎng)格（圖1），生成網(wǎng)格數(shù)75 585個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)15 317個(gè)。圖中展示了呼吸管路、測(cè)量管路、輸油管路位置以及坐標(biāo)位置。排氣口1和2中心坐標(biāo)為（0 m，8 m，5 m），（0 m，8 m，5 m）及罐頂點(diǎn)（0 m，7.6 m，0 m）。

1.2? 基本假設(shè)和控制方程

覆土罐罐室內(nèi)油氣惰化過(guò)程是一個(gè)典型的瞬態(tài)傳質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)氮?dú)庵脫Q出油氣混合物中氧氣，使氧氣濃度置換到爆炸下限即可達(dá)到不燃不爆本質(zhì)安全型油罐[12]。采用計(jì)算流體力學(xué)模型對(duì)瞬態(tài)組分輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬。本論文做了以下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

1）覆土罐內(nèi)為油氣混合物，無(wú)液態(tài)汽油，不予考慮汽油相變[13]過(guò)程，初始?xì)怏w分布均勻，無(wú)流動(dòng)，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，遵循理想氣體狀態(tài)方程;

2）氣體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程維持熱平衡，忽略其溫度差異和熱量傳遞;

3）油罐內(nèi)僅考慮氧氣、氮?dú)馀c油氣（用C8H18代替），不考慮其他組分的混合氣體，該混合氣體視為理想氣體，遵循理想氣體狀態(tài)方程，在流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)變化。

基于以上的簡(jiǎn)化和假設(shè)，認(rèn)為覆土油罐內(nèi)油氣惰化過(guò)程是無(wú)化學(xué)反應(yīng)的瞬態(tài)單相多組分?jǐn)U散問(wèn)題。因此，需要根據(jù)連續(xù)性方程、NS動(dòng)量方程、組分方程建立基本控制方程組。

1.3? 湍流模型

該油罐惰化過(guò)程適用于的湍流模型k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型[14]，該模型是求解紊流動(dòng)能方程k和紊流耗散方程ε，模型系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)擬合得到，適合完全湍流，可以處理浮力和壓縮性等物理現(xiàn)象。對(duì)于退役油罐氮?dú)舛杌闆r完全湍流，因此宜采用 k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型。

1.4? 初始條件與邊界條件

考慮工程實(shí)際，利用油罐進(jìn)出油管作為惰化進(jìn)氣口，油罐呼吸管路及測(cè)量管路作為排出口。在相應(yīng)管路上裝上閥門或盲板方便在油罐惰化完成后及時(shí)對(duì)油罐快速密封，避免拆去和安裝笨重的上下人孔蓋。以汽油蒸氣、氧氣、氮?dú)獾幕旌衔餅檠芯繉?duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬，取惰化前混合物中油氣用C8H18代替，不考慮其他組分，油氣占體積分?jǐn)?shù)為5%，氧氣體積分?jǐn)?shù)占19.95%，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)占75.05%，由于在本數(shù)值模擬中以質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算，故轉(zhuǎn)換為相應(yīng)質(zhì)量濃度為汽油蒸氣占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.22%，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)占19.29%，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)占63.49%。通入置換氮?dú)鉃榧兌葹?00%，設(shè)置環(huán)境為常溫（293.15 K）、常壓，進(jìn)口速度分別為5、10、15 m·s-1，對(duì)應(yīng)進(jìn)口流量為318、 636、954 m3·h-1，油罐兩個(gè)出口設(shè)為壓力出口，因與大氣相通，故相對(duì)壓力設(shè)為0，排氣口氣體組分為空氣。

1.5? 求解算法

PISO 算法不需要迭代既可以具有與迭代的全隱式算法相同的精度，又可以取較大的時(shí)間步長(zhǎng)，用于可壓縮及不可壓縮流動(dòng)均適合。本文退役油罐氮?dú)舛杌臄?shù)值模擬是典型的瞬態(tài)擴(kuò)散問(wèn)題，因此采用了PISO 算法對(duì)離散后的控制方程進(jìn)行求解更具優(yōu)勢(shì)。

2? 計(jì)算結(jié)果分析

2.1? 相同進(jìn)氣流量時(shí)氧氣濃度分布規(guī)律

在常溫常壓下油氣爆炸的臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)為11.4%，對(duì)應(yīng)的爆炸極限臨界點(diǎn)為1.22%[15]。由于本文退役油罐中底部仍然底油和油泥等未處理完油料，即使惰化后，在后期油氣揮發(fā)仍然會(huì)出現(xiàn)油氣濃度升高現(xiàn)象，因此本文不宜采用油氣濃度爆炸臨界點(diǎn)作為惰化標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)以氧氣濃度作為標(biāo)準(zhǔn)。為了確保惰化以后退役油罐絕對(duì)安全，把氧氣體積分?jǐn)?shù)控制到臨界值的40%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為4.56%。為了緊密結(jié)合工程實(shí)際，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)，便于觀察使用。

以氮?dú)膺M(jìn)口速度為10 m·s-1為例，進(jìn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)變化分析。氮?dú)馔ㄈ霑r(shí)間20 000 s，時(shí)間步長(zhǎng)10 s，每10步保存一次。為了便于觀察，將油罐整體向上傾斜一定角度。圖2為對(duì)退役油罐在7 000 s內(nèi)氮?dú)舛杌^(guò)程中氧氣體積分?jǐn)?shù)分布。通過(guò)500 s及 1 000 s氧氣體積分?jǐn)?shù)分布圖，很容易發(fā)現(xiàn)整個(gè)油罐惰化死角出現(xiàn)在油罐進(jìn)氣口兩側(cè)中部偏下位置。在惰化過(guò)程中油罐內(nèi)氧氣未均勻分布，有惰化死角出現(xiàn)，為了說(shuō)明問(wèn)題，單獨(dú)將6 200 s氧氣體積分?jǐn)?shù)分布圖（圖3）用單獨(dú)體積分?jǐn)?shù)顏色標(biāo)尺，顯示氧氣體積分?jǐn)?shù)最高處僅為5.039%，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)11.4%。因此，在工程實(shí)踐中，為便于測(cè)量氧氣濃度，一般情況下僅測(cè)量在排出口處氧氣體積分?jǐn)?shù)低于4.56%即可。

結(jié)合圖2、圖3和圖4分析得出：①通過(guò)曲線分析，隨著氮?dú)獠粩噙M(jìn)入油罐，油罐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)不斷降低，且剛開(kāi)始降低速度較快，之后較為平緩;②當(dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)口流量為636 m3·h-1（進(jìn)口速度為10 m·s-1），在6 200 s時(shí)，排氣口處氧氣體積分?jǐn)?shù)低于4.56%，油罐內(nèi)為本質(zhì)安全狀態(tài)。

2.2? 不同進(jìn)氣流量時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)比變化規(guī)律

根據(jù)2.1可知，采用排氣口氧氣體積分?jǐn)?shù)作為鑒定油罐惰化情況完全符合要求。通過(guò)對(duì)比分析不同氮?dú)膺M(jìn)口速度，數(shù)值分析得到不同進(jìn)口速度排出口氧氣體積分?jǐn)?shù)（表1），再結(jié)合不同時(shí)刻排出口氧氣體積分?jǐn)?shù)變化，繪出曲線（圖5）。

綜上所述得出如下結(jié)論：①氮?dú)膺M(jìn)口流量分別為318、636、954 m3·h-1 （對(duì)應(yīng)進(jìn)口速度分別為5、10、15 m·s-1）時(shí)達(dá)到氧氣體積分?jǐn)?shù)4.56%所需時(shí)間分別12 500 s、6 200 s和4 100 s;②在16 000 s時(shí)，氮?dú)膺M(jìn)口流量954 m3·h-1（進(jìn)口速度為15 m·s-1），此時(shí)油罐內(nèi)幾乎沒(méi)有氧氣，排出口氧氣體積分?jǐn)?shù)低于1%;③觀察曲線（圖5），氮?dú)膺M(jìn)口流量954 m3·h-1時(shí)，在16 000 s后曲線幾乎與水平軸重合，氧氣體積分?jǐn)?shù)幾乎不變。

2.3? 進(jìn)口流量對(duì)油罐拱頂安全影響

退役油罐氮?dú)舛杌^(guò)程中，整個(gè)油罐承受正壓力，最薄弱部位以及最容易失穩(wěn)部位是油罐拱頂[16]，本油罐拱頂承受最大正壓力為2 000 Pa。由于惰化完成后還需要對(duì)退役油罐進(jìn)行密封處置，因此必須確保退役油罐在惰化過(guò)程中的不受任何損壞。

下面以進(jìn)口流量636 m3·h-1（進(jìn)口速度10 m·s-1）為例進(jìn)行分析。從油罐拱頂點(diǎn)（0 m，7.6 m，0 m）壓力變化曲線（圖6）可以看出，在15 000 s之前該點(diǎn)壓力波動(dòng)較大，在15 000 s之后該點(diǎn)壓力相對(duì)穩(wěn)定在某一很小的區(qū)域內(nèi)。因此，取在15 000 s之后進(jìn)口速度10 m·s-1時(shí)油罐頂部壓力分布云圖（圖7）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除了兩個(gè)排氣口以外，拱頂壓力基本在79～93 Pa波動(dòng)。

結(jié)合圖6和圖7分析得到，油罐拱頂壓力達(dá)到穩(wěn)定后，從工程實(shí)踐角度考慮，留有一定安全余量，取穩(wěn)定后波動(dòng)較大值93 Pa作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。同理得到其他進(jìn)口速度時(shí)拱頂穩(wěn)定壓力（表2），繪出不同氮?dú)膺M(jìn)口速度時(shí)油罐拱頂穩(wěn)定壓力變化曲線（圖8）。根據(jù)該油罐拱頂設(shè)計(jì)壓力，再結(jié)合圖8，可以得到油罐拱頂限制進(jìn)口速度為46.6 m·s-1（流量為2 963 m3·h-1）。綜合以上分析可得出以下結(jié)論：①在同一進(jìn)口流量下，開(kāi)始階段油罐拱頂壓力波動(dòng)較大，之后趨于穩(wěn)定;②隨著氮?dú)膺M(jìn)口流量不斷增加，油罐拱頂穩(wěn)定壓力隨之增大，且增大速率越來(lái)越大;③油罐拱頂設(shè)計(jì)最大壓力為2 000 Pa，考慮工程實(shí)際確定氮?dú)庾畲筮M(jìn)氣速度 46.6 m·s-1，即進(jìn)口流量為2 963 m3·h-1。

3? 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方式，采用湍流k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型和PISO算法，研究了油罐氮?dú)舛杌^(guò)程中隨氮?dú)膺M(jìn)口流量變化時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)分布和油罐拱頂壓力變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）相同氮?dú)膺M(jìn)口流量下，油罐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間不斷降低，且剛開(kāi)始降低速度較快，之后較為平緩。

2）工程實(shí)踐中退役油罐惰化需要控制氧氣體積分?jǐn)?shù)安全臨界值為4.56%。

3）氮?dú)膺M(jìn)口流量越大惰化所需時(shí)間越短。

4）為了保護(hù)退役油罐拱頂免受破壞，應(yīng)限制氮?dú)庾畲筮M(jìn)口流量。

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