油罐外淋水冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化與降耗效果研究

梁 穎，蘇群英，聶 玲，白云云，高續(xù)春

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中油國際管道(新疆)有限公司,新疆 烏魯木齊 830014；3.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司采油三廠,新疆 阿克蘇 842012;4.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

油品在罐內(nèi)存儲(chǔ)的過程中，受日光輻射的影響內(nèi)部油氣空間壓力變化，在壓力達(dá)到承載極限時(shí)，通過呼氣閥排出超壓氣體以保證油罐的安全，但同時(shí)也造成了很大程度上的烴類氣體的釋放。由于此過程排出的是油品的輕質(zhì)組分，影響油品的存儲(chǔ)質(zhì)量，并且在低洼處氣體聚集會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，總?cè)莘e大于50 m3或單罐容積大于20 m3的液化石油氣儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐區(qū)和設(shè)置在儲(chǔ)罐室內(nèi)的小型儲(chǔ)罐應(yīng)當(dāng)設(shè)置固定噴水冷卻裝置[3]。

巫丕[4]以固定噴水裝置降溫理論為基礎(chǔ)，闡述水噴霧系統(tǒng)中雨淋閥組的工作節(jié)能特性，但沒有引入具體的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化研究，整體缺乏數(shù)據(jù)支撐。于海麗[5]根據(jù)臥式儲(chǔ)罐的面積近似計(jì)算，進(jìn)一步確定微型儲(chǔ)罐的冷卻水用量，認(rèn)為10%的安全余量是足夠的。王建偉[6]通過通過指出淋水降溫過程的間斷會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)溫差急速加大，呼吸損耗的加速，反而起到了反作用。候利中[7]著重介紹了淋水降溫的優(yōu)勢(shì)，和其他降耗措施進(jìn)行了理論優(yōu)勢(shì)分析，缺少數(shù)值證明。王建偉[8]通過各種降耗措施的應(yīng)用效果和研究重心，給出了降耗措施的選擇規(guī)則。石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提供了供水強(qiáng)度的計(jì)算辦法，但是沒有提出其他匹配設(shè)施以形成系統(tǒng)，具體的降耗效果難以評(píng)估。

本研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬油罐以及呼吸損耗測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)淋水降溫裝置，通過調(diào)整頂管、環(huán)管、立管裝配方式，計(jì)算設(shè)置淋水強(qiáng)度，對(duì)比分析原始實(shí)驗(yàn)裝置的油氣損耗量與淋水降溫作用下的油氣損耗量，優(yōu)化降耗效果。

1 淋水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成

淋水降溫實(shí)驗(yàn)裝置主要由淋水降溫管線、溫度巡檢儀、奧式氣體分析儀、模型油罐、恒溫水浴箱、氣體流量計(jì)、太陽燈、壓力計(jì)等組成。

(1)淋水降溫管線：主要由實(shí)驗(yàn)室鵝頸三聯(lián)水龍頭、鋁塑管、三通、不銹鋼接頭組成。

(2)模型油罐：本實(shí)驗(yàn)所用模型油罐由中國石油大學(xué)(華東)研制，主要為不銹鋼制成，模型油罐直徑0.60 m，高度0.65 m，體積在172 L左右，設(shè)有上、中、下不同高度的3個(gè)取樣口，取氣孔高度分別為上部570 mm，中部350 mm，下部350 mm，取氣孔距離180 mm，上、中、下有四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)高度分別是70、130、350、570 mm，各測(cè)點(diǎn)安裝溫度傳感器[9]。

(3)奧式氣體分析儀：用于測(cè)定分析氣體組成成分，本實(shí)驗(yàn)中被用于測(cè)量油蒸汽的濃度。由吸收瓶、量氣管、水準(zhǔn)瓶和梳形管組成。

(4)恒溫水浴箱：保持量氣管溫度恒定。

(5)太陽燈：模擬室外高溫天氣。

(6)壓力計(jì)：測(cè)量罐內(nèi)氣體壓力。

1.2 裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1供水強(qiáng)度

根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》表8.4.5消防冷卻水供水范圍和供水強(qiáng)度規(guī)定，供水強(qiáng)度取2.5，供水范圍以油罐表面積計(jì)算[10]。對(duì)于直徑小于20 m的固定頂儲(chǔ)罐冷卻水供給時(shí)間為4小時(shí)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M汽油儲(chǔ)罐。汽油閃點(diǎn)較低且易燃，它的閃點(diǎn)為-50 ℃，爆炸極限在1.3%～6.0%，蒸發(fā)后與空氣接觸形成爆炸型混合物，易發(fā)生爆炸[11-12]。

1.2.2設(shè)計(jì)流量

冷卻面積：A=πdh=3.14×0.6×0.65=1.23 m2

(1)

式中，d為油罐直徑，m；h為油罐高度，m。

安全系數(shù)取1.05～1.10，計(jì)算流量

Q計(jì)=1.23m2×2.5 L/(m3.min)=3.1 L/min。

設(shè)計(jì)流量：Q設(shè)=3.1L/min×1.10=3.41 L/min。

1.2.3給水總管

根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管內(nèi)水平流速，允許不大于5 m/s。取鋁塑管型號(hào)DN16，直徑16 mm，得流速：

=0.27 m/s<5 m/s

(2)

則給水總管直徑取16 mm，給水總管的流速為0.27 m/s。

1.2.4給水立管

一根給水立管的流量為：

(3)

初取鋁塑管型號(hào)DN16，鋁塑管直徑16 mm，則

則給水立管直徑取16 mm，給水立管的流速為0.27 m/s。

1.2.5環(huán)管流量及流速計(jì)算

第一圈(上圈)環(huán)管管徑流速(距罐頂0.143 m)Q1=πd×0.143×2.5×1.05 =3.14×0.6×0.143×2.5×1.05=0.71 L/min，取鋁塑管管徑DN16，則流速

則第一圈管徑取16 mm，流速為0.059 m/s。

(2)第二圈(中圈)環(huán)管管徑流速(距上圈0.157 mm)

Q2=πd×0.157×2.5×1.0

=3.14×0.6×0.157×2.5×1.05=0.78 L/min

取鋁塑管管徑DN16，流速

則第二圈管徑取16 mm，流速為0.064 m/s。

(3)第三圈(下圈)環(huán)管管徑流速(距中圈0.3 m)

Q3=πd×0.3×2.5×1.05

=3.14×0.6×0.3×2.5×1.05=1.48 L/min

取鋁塑管管徑DN16，流速

則第三圈管徑取16 mm，流速為0.123 m/s。

1.2.6噴頭數(shù)量及流量計(jì)算

水幕噴頭的安裝布置方式有兩種，若采用矩形布置，則噴頭間距不超過1.4倍的水幕噴頭錐底圓半徑，若采用菱形布置，則噴頭間距不超過1.7倍的水幕噴頭錐底圓半徑。水幕噴頭錐底圓半徑的計(jì)算：

R=Btgθ/2

(4)

式中，R為水幕錐底圓半徑，m；B為水幕噴頭與管壁之間的距離，m；θ為水幕噴頭的霧化角，°。

選擇矩形布置，噴頭的霧化角取120°，B取0.05 m；

錐底圓半徑：R=0.05×tg120°/2=0.09 m；

噴頭間距：1.4R=1.4×0.09=0.13 m；

噴頭環(huán)管周長(zhǎng)：l=2π(D/2+0.05)=2×3.14×(0.3+0.05)=2.2 m。

每圈噴頭個(gè)數(shù)，取整為17個(gè)。共由上中下三圈環(huán)管，噴頭總數(shù)3×17=51個(gè)(實(shí)驗(yàn)時(shí)噴頭使用管壁鉆孔代替，數(shù)量仍取每圈17個(gè)，間距0.13 m)。

1.2.7噴頭流量計(jì)算

第一圈(上圈)環(huán)管噴頭流量：(Q1=0.71)/17=0.042 L/min；

第二圈(中圈)環(huán)管噴頭流量：Q2=0.78/17=0.046 L/min；

第三圈(下圈)環(huán)管噴頭流量：Q3=1.48/17=0.087 L/min。

1.3 設(shè)計(jì)校核

1.3.1給水總管流量校核

消防噴淋水冷卻的實(shí)際流量：

Q實(shí)=(0.042+0.046+0.087)×17=2.975 L/min

實(shí)際流量與計(jì)算流量比值滿足要求。

1.3.2供水壓力校核

初步設(shè)計(jì)使用實(shí)驗(yàn)室鵝頸三聯(lián)水龍頭提供水源和壓力。已知實(shí)驗(yàn)室鵝頸三聯(lián)水龍頭可提供最大壓力為1×106Pa。

(1)通過伯努利方程計(jì)算各圈環(huán)管所需揚(yáng)程：

(5)

其中，v1為環(huán)管流速，m/s；z1為環(huán)管距罐底高度(0.6-0.143=0.457)，m；P1為環(huán)管壓力(壓力計(jì)測(cè)得3×105Pa)，Pa；p為鵝頸三聯(lián)水龍頭提供壓力，Pa；H為環(huán)管所需揚(yáng)程，m。

則第一圈環(huán)管所需揚(yáng)程為：

同理測(cè)得z2=0.443 m，z3=0.3 m求得第二圈環(huán)管所需揚(yáng)程H2=31.06m、第二圈環(huán)管所需揚(yáng)程H3=30.91 m，則鵝頸三聯(lián)水龍頭提供壓力為：

(H1+H2+H3)ρg=9.1×105Pa<1×106Pa

即可以使用實(shí)驗(yàn)室鵝頸三聯(lián)水龍頭提供水源和壓力。

1.4 裝置連接

(1)管線連接：首先使用不銹鋼接頭將給水總管一頭與鵝頸三聯(lián)水龍頭連接，給水總管延實(shí)驗(yàn)臺(tái)平鋪至油罐底部一側(cè)，再使用彎頭將給水總管另一頭與立管連接，立管延管壁垂直向上與管壁保持一定距離，三圈環(huán)管分別按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)環(huán)繞模型儲(chǔ)罐并使用三通與立管連接。立管和三圈環(huán)管與罐壁保持5 cm間距。

(2)多通道溫度巡檢儀的連接：罐內(nèi)安裝有四個(gè)熱電阻，分別測(cè)量油面上氣體空間的溫度和油品溫度，探針從罐頂引出，與多功能溫度巡檢儀連接。

(3)氣體流量計(jì)的連接：用橡皮管將油罐頂右側(cè)的呼吸閥與流量計(jì)進(jìn)氣孔連接，再將流量計(jì)出氣孔與外部的呼吸閥連接，可檢測(cè)是否油蒸汽呼出[13]。

(4)奧式氣體分析儀的連接：利用橡皮管將罐頂左側(cè)呼吸閥與奧式氣體分析儀量氣管梳形管連接。

(5)恒溫水浴箱的連接：利用橡皮管把奧式氣體分析儀量氣管下端與恒溫水浴箱進(jìn)水口連接，再將奧式氣體分析儀量氣管上部與恒溫水浴箱出水口連接。保證量氣管內(nèi)溫度恒定，測(cè)得油蒸汽體積準(zhǔn)確。

(6)壓力計(jì)：壓力計(jì)與罐頂左側(cè)呼吸閥連接。

2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，將汽油從油罐底部裝入，觀察油罐液位計(jì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)液位計(jì)的標(biāo)記線處時(shí)，停止裝樣，此時(shí)油品體積約為18 L。首先安裝好分析儀，把吸收液(煤油)倒入吸收瓶中，然后通過提高或降低壓力的方法來檢查其氣密性。

(1)在安裝好實(shí)驗(yàn)裝置后，由罐底加入實(shí)驗(yàn)用汽油約18 L，對(duì)儀器進(jìn)行氣密性檢測(cè)， 水浴箱溫度調(diào)至20 ℃。

(2)打開實(shí)驗(yàn)裝置，在未開太陽燈的情況下使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進(jìn)行吸收，記錄吸收油蒸汽體積△V1、罐內(nèi)壓力P1及氣體流量Q1，記錄此時(shí)罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t1)。

(3)隨后打開太陽燈，模擬日照使罐內(nèi)油品升溫，當(dāng)罐外的呼吸閥出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)，認(rèn)為此時(shí)油蒸汽開始逸散，快速使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進(jìn)行吸收，記錄吸收油蒸汽體積△V2、罐內(nèi)壓力P2及氣體流量Q2，記錄此時(shí)罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t2)。對(duì)照組實(shí)驗(yàn)同時(shí)打開淋水降溫裝置，對(duì)罐體進(jìn)行冷卻降溫，測(cè)得壓力約為3×105Pa。

(4)在3步驟進(jìn)行的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)10分鐘后，再次使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進(jìn)行吸收，記錄吸收油蒸汽體積△V3、罐內(nèi)壓力P3及氣體流量Q3，記錄此時(shí)罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t3)。

(5)在4步驟進(jìn)行的同時(shí)再次計(jì)時(shí)10 min，10 min后使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進(jìn)行吸收，記錄吸收油蒸汽體積△V4、罐內(nèi)壓力P4及氣體流量Q4，記錄此時(shí)罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t4)。氣體流量Q5，記錄此時(shí)罐內(nèi)氣體空間上、中、下部位的溫度及汽油溫度(t上、t中、t下、t5)。

(6)將水浴箱溫度調(diào)至30 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，認(rèn)為此時(shí)為終了狀態(tài)，使用奧式氣體分析儀取100 mL油蒸汽進(jìn)行吸收，記錄吸收油蒸汽體積△V5、罐內(nèi)壓力P5。

(7)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置，待實(shí)驗(yàn)裝置完全冷卻后在進(jìn)行一次測(cè)量，并記錄兩組數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)記錄與處理

3.1 原始數(shù)據(jù)記錄

原始數(shù)據(jù)記錄見表1、表2、表3。

表1 對(duì)照組數(shù)據(jù)記錄(未使用淋水降溫裝置)

表2 實(shí)驗(yàn)組(1)數(shù)據(jù)記錄(使用淋水降溫裝置 )

表3 實(shí)驗(yàn)組(2)數(shù)據(jù)記錄(使用淋水降溫裝置)

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

(6)

計(jì)算出油氣濃度C0、C1、C2。其中,V1為取樣體積，mL；V2為剩余體積，mL；△V為氣體體積變化量，mL；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a；Ps為水的飽和蒸汽壓Pa；Pm為煤油的飽和蒸汽壓，Pa；

再利用公式計(jì)算蒸發(fā)損耗量：

(7)

ρ=MyPa/(RT)

(8)

表4 對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果(未使用淋水降溫裝置)

表5 實(shí)驗(yàn)組1數(shù)據(jù)(使用淋水降溫裝置)

表6 實(shí)驗(yàn)組2數(shù)據(jù)(使用淋水降溫裝置)

圖1 油氣濃度對(duì)比分布圖

根據(jù)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)可以看出，在未打開淋水降溫裝置時(shí)，罐體溫度持續(xù)上升，罐頂溫度上升最快在短短半小時(shí)內(nèi)從26.0 ℃上升到60.8 ℃上升了34 ℃左右，通過管壁傳熱使油品溫度上升了8 ℃，油品持續(xù)蒸發(fā)油蒸汽濃度也在不斷上升，實(shí)驗(yàn)終了時(shí)油蒸汽濃度達(dá)到0.57 mol/L，整個(gè)過程中損失油品782 mL。由兩組實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)(表2，表3)可以看出，油蒸汽剛開始向外逸散時(shí)立即打開淋水降溫裝置此時(shí)罐體溫度21.3 ℃，經(jīng)過半小時(shí)的太陽燈照射和淋水降溫，最終溫度僅僅上升了22 ℃，油品的溫度也只增長(zhǎng)了4 ℃。實(shí)驗(yàn)終了時(shí)油蒸汽濃度也僅有0.30 mol/L，油氣濃度下降20.75%，損耗量下降達(dá)29.47%，兩次實(shí)驗(yàn)平均損耗油品604 mL。

通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，存在淋水降溫裝置的情況下，油罐溫度、油品溫度和油蒸汽濃度的上升都有所減緩，并且隨著淋水時(shí)間的延長(zhǎng)這些數(shù)值慢慢達(dá)到一個(gè)平衡，最終使油品的損耗減少了178 mL。

4 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，證明淋水降溫裝置能夠有效減緩太陽燈照射下油品溫度的上升。未采用淋水降溫裝置油品溫度上升了7.9 ℃，而采用淋水降溫的兩組實(shí)驗(yàn)最終油品溫度僅上升了3.1 ℃和3.6 ℃，降低了外界環(huán)境對(duì)油品溫度的影響。

(2)未采用淋水降溫時(shí)油品損耗了782 mL，采用淋水降溫油品損耗明顯減少只有626 mL和604 mL，油氣濃度下降20.75%，損耗量下降達(dá)29.47%，可見淋水降溫對(duì)減少油品蒸發(fā)損耗有明顯的效果。

(3)隨著模擬日照的時(shí)間增加，采用淋水降溫的實(shí)驗(yàn)組油蒸汽濃度逐漸趨于穩(wěn)定。