油田儲油罐非甲烷總揮發(fā)實(shí)驗(yàn)及仿真模擬

劉華欣，王永強(qiáng)，2，劉 芳，趙朝成，段濰超，王 歌

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3. 中國石油大學(xué)（華東） 安全環(huán)保與節(jié)能技術(shù)中心，山東 青島 266580）

目前，我國油氣田行業(yè)中一些位置偏遠(yuǎn)、油量規(guī)模較小的油氣井需要在周圍設(shè)立臨時儲油罐，簡稱單井拉油罐，定期由裝油罐車運(yùn)輸油品到聯(lián)合站。此過程中存在嚴(yán)重的油氣揮發(fā)，已成為油氣田主要揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的排放源。單井拉油罐的VOCs排放包括靜置損耗和工作損耗［1-2］。據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研，由于油氣井儲油量較小，單井拉油罐進(jìn)油速率慢，收發(fā)油周期約為3～5 d，一年的周轉(zhuǎn)量不大，因此儲油罐主要的損耗來自靜置損耗。本文就儲油罐的靜置損耗展開研究。

油氣田中存在的單井拉油罐主要包括：高架立式方罐、立式固定頂罐及臥式固定頂罐。其中只有臥式固定頂罐安有呼吸閥，其余兩種類型儲油罐未裝呼吸閥且直接與大氣相連，油品長時間靜置儲存必定會產(chǎn)生較大的揮發(fā)量［3-4］。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域油氣揮發(fā)量常用非甲烷總烴（NMHC）質(zhì)量濃度進(jìn)行表征。NMHC是指從總烴中扣除甲烷后其他氣態(tài)有機(jī)化合物（主要是C2～C8）的總稱［5］，可作為油氣田行業(yè)VOCs排放的指標(biāo)。

本研究建立了小型單井拉油罐蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)平臺，研究不同因素對NMHC質(zhì)量濃度的影響，同時利用Fluent14.5進(jìn)行仿真模擬，為油氣田行業(yè)VOCs的排放核算提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及裝置

原油樣品取自勝利油田，經(jīng)GC-MS檢測，主要VOCs組分為C5～C15的飽和烷烴。單井拉油罐蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示［6］。儲油罐為直徑25 cm、高35 cm的圓柱體，原油通過泵從儲油罐下部裝入或排出。罐頂設(shè)有直徑2 cm、高1.5 cm的揮發(fā)口，在此處設(shè)置采樣點(diǎn)S。儲油罐下端設(shè)有水浴加熱系統(tǒng)，儲油罐左側(cè)為供風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)控環(huán)境風(fēng)速，室內(nèi)裝有空調(diào)可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度（環(huán)境溫度）。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50341—2014）［7］將儲油罐的液面高度劃分為最低液面（H1，7 cm）、操作液面（H2，23 cm）和最高液面（H3，30 cm）。

圖1 單井拉油罐蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將原油通過泵裝入罐中，設(shè)定液面高度，以6℃/h的升溫速率加熱原油，保持無風(fēng)環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境溫度保持25 ℃，然后通過調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)、風(fēng)力系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定，采集不同條件下的S點(diǎn)處氣樣，測定其NMHC質(zhì)量濃度。

1.3 分析方法

采用氣相色譜法測定NMHC質(zhì)量濃度［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、液面高度為H2、升溫速率為6 ℃/h的條件下，儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖2所示。由圖2可見：隨儲液溫度升高，NMHC質(zhì)量濃度明顯增大；當(dāng)儲液溫度為16℃時，NMHC質(zhì)量濃度只有84 mg/m3；當(dāng)儲液溫度為28 ℃時，NMHC質(zhì)量濃度超過900 mg/m3，可見，儲液溫度對儲油罐油氣揮發(fā)影響程度較大。

圖2 儲液溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

2.2 儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、升溫速率為6℃/h的條件下，儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖3所示。由圖3可見，隨著儲液高度的增加，NMHC質(zhì)量濃度不斷增大。

圖3 儲液高度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

儲液高度對單位體積儲液揮發(fā)量的影響如圖4所示。由圖4可見，除去19 ℃以外，其余溫度下儲液高度均在H2時單位體積儲液揮發(fā)量最小。因此儲油罐液面高度應(yīng)保持在H2處，即儲油罐的2/3高度處，可減少單位體積油品的揮發(fā)損耗。

圖4 儲液高度對單位體積儲液揮發(fā)量的影響

2.3 有風(fēng)和無風(fēng)環(huán)境對NMHC質(zhì)量濃度的影響

在液面高度為H2、升溫速率為 6℃/h的條件下，儲油罐處于有風(fēng)（風(fēng)速2 m/s）和無風(fēng)環(huán)境對NMHC質(zhì)量濃度的影響見圖5。由圖5可見，有風(fēng)環(huán)境下NMHC質(zhì)量濃度大大低于無風(fēng)環(huán)境，這是因?yàn)轱L(fēng)力的作用加速了揮發(fā)油氣的擴(kuò)散。

圖5 有無風(fēng)環(huán)境下NMHC質(zhì)量濃度對比

2.4 環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

在儲油罐處于無風(fēng)環(huán)境、儲液溫度為（16±0.5） ℃、液面高度為H2的條件下，環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響如圖6所示。由圖6可見：隨著環(huán)境溫度的升高，NMHC質(zhì)量濃度小幅增大。

2.5 小結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，儲液溫度和有無風(fēng)環(huán)境對儲油罐NMHC揮發(fā)影響較大，儲液高度和環(huán)境溫度對其影響較小。

圖6 環(huán)境溫度對NMHC質(zhì)量濃度的影響

3 儲油罐油氣擴(kuò)散數(shù)值模擬

數(shù)值模擬在描述組分?jǐn)U散現(xiàn)象中有著廣泛的應(yīng)用。不少學(xué)者利用Fluent等仿真模擬方法，對常規(guī)的拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐排放及加油站油氣擴(kuò)散傳質(zhì)進(jìn)行研究，揭示罐內(nèi)油品蒸發(fā)和油氣-空氣擴(kuò)散傳質(zhì)及罐外排放的規(guī)律［9-11］。本文選取組分傳輸模型模擬油罐VOCs揮發(fā)擴(kuò)散情況，通過模擬不同儲液溫度下的油罐揮發(fā)規(guī)律來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，再進(jìn)行油氣揮發(fā)的擴(kuò)散模擬，為管控油田儲油罐VOCs揮發(fā)擴(kuò)散提供技術(shù)支撐。

3.1 數(shù)學(xué)模型

基于Fluent軟件開展油氣擴(kuò)散模擬，建立的基本控制方程包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。風(fēng)沿一定方向吹向內(nèi)浮頂罐，會造成罐內(nèi)油品擴(kuò)散運(yùn)移，需遵守組分輸運(yùn)方程［12-13］。

湍流模型是為雷諾應(yīng)力建立起的表達(dá)式，目前常用的有零方程模型、一方程模型和兩方程模型，而在實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是k-ε兩方程模型及其改進(jìn)形式。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型都適用于湍流充分發(fā)展的流動［14］。Realizablek-ε湍流模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能更好地展現(xiàn)流動分離和旋渦，也比標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型能更準(zhǔn)確地展現(xiàn)濃度分布［15-17］。

3.2 模型驗(yàn)證

3.2.1 參數(shù)設(shè)定

儲油罐氣相空間內(nèi)油氣揮發(fā)模型如圖7所示。儲油罐內(nèi)液面為H2，計(jì)算區(qū)域?yàn)閮τ凸薜臍庀嗫臻g。將蒸發(fā)擴(kuò)散組分簡化為油氣和空氣兩種組分，模擬油氣組分傳輸，關(guān)鍵參數(shù)為組分質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)（Df，m2/s）。

圖7 儲油罐氣相空間內(nèi)油氣揮發(fā)模型

3.2.2 模擬結(jié)果

儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發(fā)0.5 h的模擬濃度場如圖8所示。由圖8可見，從油氣液面處到揮發(fā)口處濃度模擬值呈階梯式遞減。

圖8 儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發(fā)0.5 h的模擬濃度場

不同儲液溫度下儲油罐揮發(fā)口處油氣揮發(fā)濃度模擬值與實(shí)測值對比如圖9所示。

圖9 不同儲液溫度下儲油罐揮發(fā)口處油氣揮發(fā)濃度模擬值與實(shí)測值對比

二者的揮發(fā)程度與儲液溫度呈正相關(guān)，因?qū)崪y指標(biāo)為NMHC質(zhì)量濃度，而模擬值是用油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示燃料油氣的濃度場分布情況，所以二者數(shù)值上有一定差距，但二者總體變化趨勢一致，可以證明選取的數(shù)值模型是可靠的。

3.3 油氣揮發(fā)擴(kuò)散模擬

3.3.1 參數(shù)設(shè)定

選取某油田高架立式單井拉油罐進(jìn)行油氣擴(kuò)散模擬（見圖10）。油罐容積30 m3，直徑3.5 m，高3.0 m，罐頂量油口直徑0.15 m，高架臺高2.0 m。利用Fluent前處理軟件Gambit建立高架儲油罐及周圍區(qū)域的二維幾何模型，其計(jì)算域?yàn)?0 m（x）×14 m（y），高架臺處做空白區(qū)域處理，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流動區(qū)域網(wǎng)格劃分為370 022單元，185 884個總體節(jié)點(diǎn)（見圖11）。建立模型時做以下基本假設(shè)：

（1）環(huán)境壓力101 325 Pa，環(huán)境溫度和油溫為300 K（假設(shè)揮發(fā)過程中溫度恒定）；

（2）擴(kuò)散系數(shù)Df為常數(shù)，300 K時油氣與空氣的擴(kuò)散系數(shù)Df= 8.83×10-6m2/s；

（3）模擬有風(fēng)環(huán)境擴(kuò)散情況，揮發(fā)口油氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值1，不隨擴(kuò)散時間變化。

圖10 某油田高架立式單井拉油罐

圖11 高架儲油罐二維幾何網(wǎng)格劃分模型

3.3.2 模擬結(jié)果

3.3.2.1 無風(fēng)環(huán)境下油氣擴(kuò)散

無風(fēng)條件下油氣擴(kuò)散濃度場分布見圖12。由圖12可見：泄漏擴(kuò)散濃度場呈現(xiàn)蘑菇云狀，罐頂揮發(fā)口處油氣濃度最大，以此為中心濃度呈階梯狀向周圍降低；擴(kuò)散100 s，儲油罐頂部揮發(fā)口處油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.33%～6.67%，根據(jù)《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》［18］（GB/T12474—2008），常溫常壓、干燥及低點(diǎn)火能的工況下，油氣蒸氣的爆炸下限為1.3%，爆炸上限為6.0%，在較短時間內(nèi)，該區(qū)域危險系數(shù)大幅增加；隨著擴(kuò)散時間的增加，泄漏出的油氣與環(huán)境空氣不斷進(jìn)行對流，儲油罐油氣擴(kuò)散范圍逐漸縮小；擴(kuò)散300 s后，油氣積聚不明顯。

圖12 無風(fēng)條件下油氣擴(kuò)散濃度場分布

3.3.2.2 有風(fēng)環(huán)境下油氣擴(kuò)散

有風(fēng)條件下油氣擴(kuò)散濃度場分布如圖13所示。擴(kuò)散濃度場偏向下風(fēng)向無規(guī)則擴(kuò)散，因原油油氣蒸發(fā)速率較慢，隨著擴(kuò)散時間的延長，油氣在風(fēng)力作用下大部分散失在大氣中；隨著風(fēng)速增大，空氣對流會加速油品蒸發(fā)，導(dǎo)致擴(kuò)散濃度場面積不斷增大；在風(fēng)速為5 m/s的環(huán)境下，擴(kuò)散300 s的濃度場面積相比擴(kuò)散200 s時要小，但揮發(fā)口處的油氣積聚面積增大。由此可見，風(fēng)速對于非密封儲油罐的油氣擴(kuò)散影響顯著，風(fēng)速越大，泄漏量越多，油氣積聚現(xiàn)象明顯，企業(yè)應(yīng)采取安裝呼吸閥的方式密封罐體，可以有效減少空氣對流作用產(chǎn)生的油品蒸發(fā)問題。

圖13 有風(fēng)條件下油氣擴(kuò)散濃度場分布

4 結(jié)論

a）儲油罐內(nèi)液體溫度對損耗量影響較大，揮發(fā)的NMHC質(zhì)量濃度與儲液溫度成正比。在短時間儲存油品期間，油罐揮發(fā)口處NMHC質(zhì)量濃度隨儲液高度升高而增大，儲液高度在儲油罐2/3高度處，單位體積儲液揮發(fā)量最小；有風(fēng)環(huán)境下儲油罐內(nèi)原油揮發(fā)的NMHC質(zhì)量濃度低于無風(fēng)環(huán)境，環(huán)境風(fēng)速加快了空氣對流，加速油品的蒸發(fā)損耗；隨著環(huán)境溫度的升高，儲油罐揮發(fā)出的NMHC質(zhì)量濃度小幅度增大，環(huán)境溫度對儲油罐損耗的影響較小。

b）仿真模擬無風(fēng)環(huán)境下，油氣揮發(fā)口處短期存在油氣積聚現(xiàn)象，擴(kuò)散100 s，儲油罐頂部揮發(fā)口處NMHC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.33%～6.67%，存在安全隱患；擴(kuò)散300 s后，油氣積聚不明顯。仿真模擬有風(fēng)環(huán)境下，當(dāng)風(fēng)速為1 m/s，擴(kuò)散濃度場偏向下風(fēng)向無規(guī)則擴(kuò)散，油氣積聚不明顯；隨著風(fēng)速增大，擴(kuò)散濃度場面積不斷增大；在風(fēng)速為5 m/s的環(huán)境下，擴(kuò)散300 s的濃度場面積相比擴(kuò)散200 s時更小，但泄漏口處的油氣積聚面積增大。