加油站水封隔油裝置數(shù)值模擬研究

王子文，王文明

(1.中建安裝集團有限公司，江蘇南京 210046 2.中國石化江蘇鹽城石油分公司，江蘇鹽城 224005)

0 前言

加油站在油品接卸、加注、設備故障及檢修中，容易發(fā)生油品跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，對其清洗以及定期的油罐清洗和附設的車輛清洗會產生含油污水的排放。如果含油污水不經處理或處理不當發(fā)生超標排放，不僅會對加油站附近水體及土壤產生影響，還可能存在火災、爆炸的危險。因此，GB50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2014年版，以下簡稱《規(guī)范》)第10.3.2條規(guī)定：排出站外的污水，應符合國家現(xiàn)行有關排放標準的規(guī)定；《中華人民共和國水污染防治法》第10條規(guī)定：排放水污染物，不得超過國家或者地方規(guī)定的水污染物排放標準和重點水污染物排放總量控制指標；HJ1118—2020《排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范 儲油庫、加油站》及2021年3月1日施行的國令第736號《排污許可管理條例》陸續(xù)發(fā)布實施后，各級地方政府也相繼出臺了旨在實現(xiàn)藍天碧水工程的配套措施及地方標準，更是對違法者的相關法律責任作了嚴格的規(guī)定，對未取得排污許可排放污染物、超標排放污染物等違法排污行為，加大了處罰力度，也由此對加油站環(huán)保經營提出了更高的要求。

雖然水封井和隔油池在石化煉制和儲運行業(yè)早就有著廣泛的應用，且前者應用于加油站從《規(guī)范》2002年版施行就已開始，后者則是中國石化根據(jù)國企的擔當和HSE管理體系的提升，高于現(xiàn)行國家標準率先提出并應用于加油站。但由于現(xiàn)有小型排水構筑物中的隔油池，主要是從職工食堂、營業(yè)性餐廳等對含油污水的隔離來考慮，不適宜直接應用于加油站。加之現(xiàn)無專門研究文獻可供參考，目前一些加油站隔油池全憑設計人員理解自行設計，因此存在著較多功能性的問題。隨著生態(tài)環(huán)境要求的不斷提高，在《規(guī)范》再版修訂時，三級隔油池應用作為強制條款添加將成為可能。為此，對加油站水封隔油裝置進行深入研究，是優(yōu)化設計和正確選用水封隔油裝置，實現(xiàn)含油污水達標排放的基本保證。

之前對加油站水封隔油裝置進行了數(shù)值模擬研究，初步揭示了1%假設初始濃度下，入口含油污水在不同流速(0.1～0.75 m/s)對水封隔油裝置速度場及隔油效果的影響，當流速為0.75 m/s時，水封井隔油能力已不能滿足最低排放標準的要求，大量油液從水封井出口流出，而三級隔油池仍能保持良好的隔油效果。且0.75 m/s流速，也正是前期現(xiàn)場實驗和模型實驗時，散流狀態(tài)下裝置入口所能達到的最大(平均)流速。由于加油站含油污水濃度呈無規(guī)律的變化，本文采用商業(yè)數(shù)值模擬軟件ANSYS中的FLUENT17.0研究了0.75 m/s流速下含油污水不同初始濃度對水封隔油裝置隔油能力的影響，也由此得到了裝置入口含油污水的臨界濃度。綜合本文及之前研究結果，可對加油站水封隔油裝置的設計優(yōu)化和正確選用，提供更為全面的理論基礎和技術指導。

1 水封隔油裝置幾何模型

1.1 水封井

水封井是利用一定高度的靜水壓力抵抗排水管內氣壓變化，防止廢水中產生的氣體發(fā)生爆炸或火災時通過管道蔓延的重要安全裝置。為確保水封井本身的防滲性能，水封井宜采用鋼筋混凝土結構。根據(jù)《規(guī)范》中水封井水封高度和沉泥段高度應不小于0.25 m的規(guī)定，加油站通常采用的水封井幾何模型如圖1(a)所示。

1.2 三級隔油池

三級隔油池是利用物理方法，將含油污水中的浮油進行三級連續(xù)隔離,并采用水封方式阻斷站內外油氣傳播路徑，實現(xiàn)含油污水達標排放的裝置。三級隔油池應采用鋼筋混凝土結構，以確保本身的結構強度和防滲性能。參考現(xiàn)行國家建筑標準04S519《小型排水構筑物》設計圖集中隔油池結構，設計了適用于加油站的基礎型三級隔油池幾何模型如圖1(b)所示。

圖1 水封隔油裝置幾何模型

2 數(shù)學模型及計算方法

2.1 控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：

ρ

(

φ

)——兩相混合密度，kg/m；

μ

(

φ

)——兩相混合動力黏度，Pa·s；

P

——壓力，Pa；

v

——流體速度，m/s；

t

——時間，s；

F

——體積力，N。

VOF控制方程：

(3)

湍流模型采用standard

k

-

ε

模型，其湍流動能

k

和耗散率

ε

的傳輸方程模型為：

(4)

(5)

其中：

(6)

(7)

式中：

ρ

——流體密度，kg/m；

u

、

u

——平均相對速度分量，m/s；

C

、

C

、

C

——常數(shù)項；

σ

、

σ

——

k

和

ε

的湍流普朗特數(shù)；

μ

——湍流黏度，Pa·s。本模型取值如下：

C

=0.09、

C

=1.44、

C

=1.92、

σ

=1、

σ

=1.3。其中包含密度和黏度在內的整體性質是由兩種流體的體積分數(shù)加權平均值確定。

2.2 網(wǎng)格劃分

為簡化模型，將水封井和三級隔油池三維模型化簡為二維模型，分別選用包含所有流動通道的剖面作為計算模型。采用ICEM-CFD軟件對二維剖面模型進行網(wǎng)格劃分，采用結構性網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 初始條件

設定模型處于滿流狀態(tài)，且無氣體存在。液體兩相分別為水和柴油，物性參數(shù)為常溫常壓下取值。水密度為1 000 kg/m，動力黏度為1.003×10Pa·s，柴油密度為850 kg/m，動力黏度為6.8×10Pa·s。計算采用直角坐標系，X軸是流動方向，重力沿Y軸負方向，重力加速度為-9.81 kg/s。在管道入口端設置質量流量入口(mass-flow-inlet)為邊界條件，出口邊界條件采用outflow條件。選取VOF模型和Standard k-湍流模型進行油水兩相二維瞬態(tài)模擬，采用壓力基和分離求解器。壁面條件采用無滑移邊界條件和標準壁面函數(shù)法。

以0.75 m/s作為裝置入口流速，將水封井初始濃度下探至0.1%～0.75%區(qū)間、三級隔油池初始濃度上延至3%～10%區(qū)間進行進一步的研究。

2.4 網(wǎng)格無關性驗證

為了減小網(wǎng)格數(shù)量對計算結果的影響及提高模擬的效率，采用網(wǎng)格無關性驗證對網(wǎng)格數(shù)量進行篩選。選取網(wǎng)格數(shù)在1×10～2×10范圍內的網(wǎng)格在相同初始條件和邊界條件下進行模擬。對比不同網(wǎng)格數(shù)目對水封井和三級隔油池內流速極值的影響，結果如圖3所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)水封井網(wǎng)格數(shù)目大于6×10時以及三級隔油池網(wǎng)格數(shù)目大于9×10時，速度極值受網(wǎng)格數(shù)目變化的影響較小。故水封井選用網(wǎng)格數(shù)目為6×10的網(wǎng)格，三級隔油池選用網(wǎng)格數(shù)目在1.1×10的網(wǎng)格，以同時確保計算高效率性和結果高精確性。

圖3 網(wǎng)格無關性驗證

2.5 模型可行性驗證

2.5.1 前期現(xiàn)場實驗

以場地散流方式向某加油站攔截式集水槽注水，期間持續(xù)保持其與三級隔油池連接管道(隔油池進水管)的滿流狀態(tài)，經一段時間后，采用單位時間注入體積的方法，計算出三級隔油池進水管流速為0.76 m/s。

2.5.2 前期模型實驗

按幾何模型制作一定比例水封井、三級隔油池及集水槽的實物模型如圖4所示。將集水槽與三級隔油池模型安裝連接后，采用與現(xiàn)場實驗同樣的方法，測得散流狀態(tài)下進水管流速為0.74 m/s，與現(xiàn)場實驗測得的流速基本一致，表明模型實驗結果具有較高的可靠度。

圖4 水封井與三級隔油池模型實驗

3 結果與討論

3.1 速度場變化規(guī)律

圖5為流動300 s后不同初始濃度

a

下水封井內部速度矢量圖。圖5表明，流體在水封井內流動時有固定流道，初始濃度越大其固定流道越完整。三通外壁間存在一個螺旋強度較大的渦流，水封井下方流場趨于穩(wěn)定。當初始濃度

a

為0.1%和0.3%時，入口三通在水平方向轉豎直方向的流道轉彎處，內側流場不連續(xù)流道存在斷裂，隨著初始濃度增大，三通上端油液回流現(xiàn)象造成流道截面變窄，從而促使流道逐漸轉變?yōu)橥暾B續(xù)的流道。

圖5 不同初始濃度下水封井內部速度矢量

圖6為流動300 s后不同初始濃度

a

下三級隔油池內部速度矢量圖，可以看出隨著初始濃度的增大，速度矢量的極大值也隨之增大。由于一級池內流道一直處于斷裂狀態(tài)，其非完整性導致了大流速工況下油液進入隔油池內不會隨著主流道直接流出，而是受浮力作用向上浮動。當初始濃度為3%時，速度矢量極大值處于入口三通下端，隨著初始濃度的增加，速度矢量極值范圍沿一級池左側池壁下移。

圖6 不同初始濃度下三級隔油池內部速度矢量

圖7為

v

=0.75 m/s、

a

=10%工況下流動600 s不同時刻三級隔油池內部速度矢量圖。當

t

=150 s時，一級池內左池壁與池底已開始形成流道。流動至300 s時，一級池左池壁與池底的流道與二、三級池的主流道相連，并且二級池內新流道開始沿左池壁處豎直向上方向形成。當

t

=450 s時，二級池內的流道已形成并隨著二級池內聚集油液的油水界面下移。600 s時，二級池內流道已下移至3個池間連通的通道處，并且三級池左池壁和池頂形成新流道。

圖7 v=0.7 m/s、a0=10%工況下不同時刻三級隔油池內部速度矢量

3.2 隔油效果對比

由于含油污水排放有國家標準、行業(yè)標準和地方標準，各標準中又有不同排放級別，各地要求也不盡一致，故仍按照GB8978—1996《污水綜合排放標準》中石油類一級、二級、三級最高允許排放濃度應分別不大于5，10，20 mg/L的規(guī)定，選取通常環(huán)境位置加油站的三級排放標準，換算成柴油體積分數(shù)為2×10，故在后處理時將柴油最大體積分數(shù)設置為2×10而不是1。

圖8為不同初始濃度

a

下流動300 s后水封井內部柴油體積分數(shù)分布云圖。從圖中可以明顯看出，在0.75 m/s流速下，將初始濃度從先前研究的1%下探至0.1%，出口管段中仍有少量油液逃逸，而水封井內部并未聚集過多油液，只在入口三通處呈第一階段油品隔離。隨著初始濃度的增加油相變多，水封井內部油液增加，從出口管段中逃逸出去的油液也在增加。根據(jù)測算，初始濃度為0.1%工況下流動300 s時，約有19.327 mg/L油液逃逸，已接近標準規(guī)定20 mg/L的三級允許排放濃度。當初始濃度分別增至0.3%，0.5%，0.75%時，300 s內從出口逃逸出的油液量必然大于甚至遠遠大于20 mg/L。故可認定在0.75 m/s流速下，水封井符合污水排放標準所能承受的臨界濃度為0.1%。

圖8 不同初始濃度下水封井內部油相體積分數(shù)分布

圖9為

v

=0.75 m/s、

a

=0.1%工況下流動300 s不同時刻水封井油相體積分數(shù)分布云圖，可以看出在

t

=100 s時，水封井出口管已有油液從出口逃逸，隔離效果已降低。隨著流動時間的增加，油液從出口管段持續(xù)逃逸，也未在水封井內部有過多聚集。因為云圖是水封井的2D剖面圖，實際三通體積跟水封井相比非常小，故水封井隔油效果應以井內效果為主。

圖9 v=0.75 m/s、a0=10%工況下不同時刻水封井油相體積分數(shù)分布

由此可以看出，在較大流速工況下水封井的隔油效果局限性很大，0.75 m/s流速下能起效的臨界濃度僅為0.1%。而基于水封井基本結構擴展成的三級隔油池，能夠極大地提升隔油效果。

圖10為不同初始濃度下流動300 s后三級隔油池內部柴油體積分數(shù)分布云圖，可以看出，隨著初始濃度的增大，油液含量的增多，三級隔油池仍能保持較好的隔油效果，從一級池逃逸出的油液可在二級、三級池內上浮聚集得到隔離。經測算，初始濃度為3%工況下流動300 s時，約有1.49 mg/L油液逃逸；初始濃度為5%工況下流動300 s時，約有1.283 mg/L油液逃逸；初始濃度為7.5%工況下流動300 s時，約有0.967 mg/L油液逃逸；初始濃度為10%工況下流動300 s時，約有0.622 mg/L油液逃逸。在各初始濃度下油液逃逸的量皆小于石油類污水排放一級標準的5 mg/L的要求，故可認定0.75 m/s流速下、初始濃度在0～10%范圍內，三級隔油池可滿足石油類污水排放一級標準的要求。

圖10 不同初始濃度下三級隔油池內部油相體積分數(shù)分布

上述研究發(fā)現(xiàn)，隨著初始濃度的增加，從出口段末端逃逸的油液不增反降，為研究這一現(xiàn)象原因，將原先流動時間由300 s增加到三級隔油池功能完全失效為止。

圖11為

v

=0.75 m/s、

a

=10%工況下流動至功能失效時，不同時刻三級隔油池油相體積分數(shù)分布云圖。可以看出，油液有3個時間段可從出口末端逃逸，分別為：①油液從入口三通進入一級池至油液布滿一級池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時；②油液從一級池進入二級池至油液布滿二級池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時；③油液從二級池進入三級池至油液布滿三級池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時。故可推斷初始濃度的增加使油液布滿下一池頂?shù)臅r間縮短，從而減少油液可逃逸的時間段。但在初始濃度低于3%時，油液逃逸量會隨著初始濃度的增大而增加，體現(xiàn)為初始濃度1%時油液逃逸量為0.93 mg/L，3%時增至1.49 mg/L。并經測算可知，流動600 s時出口段逃逸出的油液為4.675 mg/L，較300 s時的0.622 mg/L有著數(shù)倍的增長，這是由于一、二級池內油液已滿，油液開始進入三級池內，此時三級池的隔油效果已等同于水封井，隔油效果顯著降低，說明三級隔油池的隔油效果主要體現(xiàn)在一、二級。當流動時間增至700 s時，三級池內油液高度達到出口三通浸入液面(水封液面)的深度，此時的三級隔池已徹底失去隔油作用，油液可直接從出口流出。因此，當加油站一次性或多次累積有較多含油污水進入三級隔油池時，應注意檢查一、二級隔池內油液的積聚情況，必要時及時抽取，以保持三級隔油池良好的隔油能力。

圖11 v=0.75 m/s、a0=10%工況下不同時刻三級隔油池油相體積分數(shù)分布

將水封井與三級隔油池隔油效果整理出如表1所示的對比表表明：在散流狀態(tài)所能達到0.75 m/s的最大流速下，水封井能夠起效的臨界濃度僅為0.1%；而三級隔油池在0～10%初始濃度區(qū)間內仍保持良好的隔油效果，在不考慮排放污水中溶解油存在的可能時，能夠滿足現(xiàn)行《污水綜合排放標準》中石油類一級排放標準。

表1 水封隔油裝置流動300 s模擬計算效果對比

4 結論

a) 較大流速工況下流體在水封井內部流動有固定的流道，不會隨初始濃度的增大而改變；而三級隔油池內主流道的位置，則隨著初始濃度的增大而斷裂、改變，并形成新的流道。

b) 0.75 m/s流速下，水封井的臨界濃度為0.1%，而三級隔油池在0～10%初始濃度下尚無臨界濃度。

c) 三級隔油池中油液逃逸有3個時間段，當初始濃度大于3%時，隨著初始濃度的增大，油液逃逸量反而降低。