儲罐油品蒸發(fā)擴散規(guī)律研究

石俊杰，趙東旭，王德陽，林宇奇，王衛(wèi)強

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化銷售股份有限公司遼寧石油分公司，遼寧 沈陽 110031）

“呼吸”損耗作為固定頂油罐日常存儲過程中最為常見的油品損耗形式，其在油庫管理、安全與計量等方面所帶來的影響不容忽視。長期以來，為明確不同因素對油罐內(nèi)油蒸氣生成過程的影響、降低油氣蒸發(fā)所帶來的損失，研究人員進行了廣泛研究與探討，以尋找“呼吸”損耗過程中儲罐內(nèi)部相關(guān)物性變化規(guī)律。早期的油品蒸發(fā)損耗研究集中于較為廣泛的生產(chǎn)實際中，主要從降低油品的蒸發(fā)過程展開[1-2]。隨著世界各地油品儲量的逐年增加，罐區(qū)油品的蒸發(fā)損失逐漸受到關(guān)注，主要以帶有呼吸裝置的拱頂罐為主。前期研究工作主要是由國外研究者開展。Hassanvand等[3]針對罐區(qū)收發(fā)油過程中出現(xiàn)的大呼吸損耗問題展開研究，分析了油罐出油速率等因素對油品損失值的影響，并對收發(fā)有過程中罐內(nèi)蒸汽的分布及溫度變化進行了模擬。與Hassanvand的研究不同，Rodriguez等[4]利用數(shù)值模擬方法對溫度下降過程中油罐內(nèi)流體的換熱過程進行了計算，為分析油品蒸發(fā)過程提供了借鑒。相似的，Venart將Rodrigues所做的瞬態(tài)降溫過程進行了穩(wěn)態(tài)簡化，使得此過程變得更具有適用性[5]。隨著國內(nèi)各類油品儲量的增加，近年來的相關(guān)研究也逐漸得到學(xué)者們的重視。劉敏敏等[6]利用罐區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對影響油罐大呼吸損耗因素進行了較為全面的總結(jié)性研究，并對不同影響因素提出了具有一定針對性的減損措施。楊光等[7]通過室內(nèi)實驗對儲罐存在的小呼吸過程進行了研究，證明了罐區(qū)周邊溫度及罐內(nèi)油品類型對其呼吸過程存在影響。李明德等[8]研究人員注意到，通過改變罐內(nèi)壓力可以達到降低儲罐呼吸程度的效果。并在此基礎(chǔ)上針對儲罐承壓強度、耗材費用及壓力控制進行了最優(yōu)化分析，為優(yōu)化儲罐的設(shè)計提供了借鑒。康勇等[9]從呼吸損耗的理論研究著手，對影響損耗相關(guān)參量在不同環(huán)境下的影響程度進行了分析，從一定程度上完善了學(xué)者們對儲罐呼吸過程的理論研究，進一步明確了相關(guān)規(guī)律性變化。謝躍群等[10]對適用于儲罐大呼吸損耗的計算方法進行了進一步完善，提出了儲罐密封等相關(guān)細節(jié)會對損耗量計算會產(chǎn)生影響的論斷，并對此提出了合理建議。范開峰等[11]則從節(jié)流方向入手，設(shè)計了實用性較強的油蒸氣回收設(shè)備，為罐區(qū)的節(jié)能降耗提供了較為有效的輔助手段。梁穎[12]對儲罐的小呼吸損耗的計算方法進行了總結(jié)，并有針對性的對不同計算方法的適用范圍進行了分析。并利用氣體在儲罐內(nèi)的擴散規(guī)律，建立了儲罐出氣口氣量計算模型。有效降低了原有計算模型的計算誤差[13]。方潔等[14]從呼吸閥著手，利用其控制儲罐內(nèi)部壓力變化從而達到優(yōu)化儲罐設(shè)計、降低損耗的效果，這與李明德等的研究有著較好的互補優(yōu)勢。程賡等[15]對比了應(yīng)用于儲罐內(nèi)較為有效的降損方法，并利用實驗對溫度因素在儲罐呼吸損耗過程中的作用進行了分析。

根據(jù)已開展的相關(guān)研究，溫度因素在儲罐呼吸損耗過程中的作用顯著，且其變化過程受罐區(qū)氣候及季節(jié)變化等影響。通過數(shù)值方法對儲罐內(nèi)溫度變化、油蒸氣濃度及擴散過程進行模擬，為儲罐小呼吸損耗規(guī)律研究提供理論支撐。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 湍流計算模型

儲罐內(nèi)的氣體熱運動屬于非定常湍流流動，選取RNG k-ε模型：

式中：C1ε=1.42；

C2ε=1.68；

Gk—由流體流動梯度引起的動量變化；

Gb—浮力引起的動量變化；

YM—流體波動引起的能量損耗率。

αk、εα—K、ε倒數(shù)；393.1≈=εααk。

Sk和 εS為源項。

其中：

1.2 組分輸運計算模型

物質(zhì)變化及運輸由N-S方程控制，并根據(jù)雷諾平均進行求解。流體湍動過程通過梯度擴散進行描述。根據(jù)概率密度函數(shù)對輸運方程進行推導(dǎo)，考慮相態(tài)變化，復(fù)合輸運方程為：

式中：ρ—流體密度，kg·m-3；

ui—流體速度分量，m·s-1；

Sk—反應(yīng)速度；

ψ—流動空間向量；

ui

''

—流體波動矢量；

Ji,k—擴散分量。

等式右側(cè)兩項代表流體組分對流及擴散對輸運過程的影響。

1.3 熱力學(xué)模型

蒸發(fā)過程能量方程可以表示為：

式中：effK—導(dǎo)熱率；

K—湍流影響下的導(dǎo)熱率；

Jj—組分j在湍流下的擴散通量；

Keff?T—熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的能量輸出量；

hfJj—組分?jǐn)U散過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移；

τeffυ—組分黏性造成的能量損失；

Sh—反應(yīng)熱和其他體積熱源；

h—氣體的焓值。

對于罐壁等固體區(qū)域的能量方程可以表示為：

式中：ρ—密度，kg·m-3；

h—熱焓值；

K—導(dǎo)熱率；

T—溫度，℃；

sh—體積熱源；

?(υρh)—對流換熱產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移。

2 物理模型

2.1 拱頂罐尺寸

以華北油田某場站內(nèi)2 000 m3拱頂罐為研究對象，罐內(nèi)介質(zhì)為氣油，油罐直徑15.5 m，罐頂端距地面12.4 m，罐內(nèi)油品距罐底高度7.0 m?？紤]到計算模型的實際效率，對罐體進行等比例縮小以降低計算量。縮小后模型尺寸如圖1所示。

圖1 儲罐尺寸

由于儲罐內(nèi)存在氣液兩相介質(zhì)，為更清晰獲得罐內(nèi)相關(guān)物理量變化規(guī)律，在儲罐縱向共設(shè)置10個監(jiān)測點，每個觀測點間隔為100 mm，其中，氣體空間監(jiān)測點3個，液體空間中7個。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM對模型進行網(wǎng)格劃分。全區(qū)網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在罐壁及呼吸閥位置進行邊界層設(shè)置，邊界層數(shù)設(shè)置為4層并沿罐壁及罐頂展開，根據(jù)油氣界面位置進行網(wǎng)格加密。初始油氣界面位于距罐底上方700 mm處。圖2為網(wǎng)格剖分結(jié)果。

圖2 儲罐網(wǎng)格劃分

2.3 基本假設(shè)

考慮到罐內(nèi)油品蒸發(fā)過程的復(fù)雜性，為簡化模擬計算量，對相關(guān)過程進行簡化，并作出以下假設(shè)：

1）罐內(nèi)液體介質(zhì)僅包含汽油，上層氣體空間為空氣與氣油蒸氣的混合物。

2）忽略太陽輻射與罐內(nèi)介質(zhì)間的輻射換熱，儲罐內(nèi)部空間與外界的熱量交換為罐壁與氣液介質(zhì)間的導(dǎo)熱過程。

3）忽略除溫度外其它環(huán)境因素對罐內(nèi)油品蒸發(fā)過程的影響。

2.4 物性及邊界

表1為罐內(nèi)油品模擬蒸發(fā)過程中出現(xiàn)的相關(guān)物性參數(shù)。

表1 油品蒸發(fā)相關(guān)物性參數(shù)

為更加準(zhǔn)確的分析儲罐內(nèi)油氣物性，對該地區(qū)夏季（6月）晴朗天氣條件下的罐壁及罐頂溫度進行測量，圖3為24 h內(nèi)不同時刻的月平均測量結(jié)果。

圖3 平均溫度變化

由于光照影響，儲罐罐頂溫度明顯高于大氣及罐壁溫度，三者均存在溫度峰值。其中，罐頂溫度變化最為劇烈。根據(jù)油罐不同位置溫度隨時間的變化趨勢，對模型罐頂及罐壁溫度邊界進行定義，罐底為絕熱邊界。模擬初始時間為上午8：00，每1 h為一統(tǒng)計周期。

3 模擬結(jié)果

3.1 溫度場分布

圖4為罐壁及罐頂開始升溫后1 h內(nèi)儲罐內(nèi)部空間的溫度變化情況?？梢钥吹?，初始階段等溫曲線與罐頂形狀相近，隨著光照時間延長，罐壁對儲罐內(nèi)部溫度影響逐漸顯現(xiàn)，其內(nèi)部等溫線彎曲程度逐漸增加，近壁面空間溫度上升速度加快。

圖4 模擬開始1 h內(nèi)儲罐溫度變化

與此同時，根據(jù)圖5的模擬結(jié)果可以看到，儲罐縱向空間內(nèi)溫度變化以氣液界面（監(jiān)測點3）為分界點，上層空間油蒸氣溫度明顯高于下層油品速度，且環(huán)境溫度越高，其兩者差距越明顯。在不同時間段內(nèi)，氣體及液體兩層空間內(nèi)溫度的分布均近似呈現(xiàn)為線性分布特征，并隨監(jiān)測點位置與罐底間距離增加而不斷上升。在環(huán)境溫度較高時段(14:00 PM)，氣體空間溫度變化幅度更明顯，溫度梯度大，液體空間溫差較小；隨著環(huán)境溫度的降低，氣液空間溫差逐漸降低，在環(huán)境溫度較低時段(2：00 AM)，氣液空間溫度基本保持一致。

圖5 監(jiān)測點處溫度變化

3.2 油氣擴散

圖6為罐內(nèi)氣體空間油蒸氣濃度隨時間變化的擴散過程。在溫度上升初期，氣液界面處的蒸氣濃度較高。隨著升溫時間延長，氣體空間中部濃度與底部濃度開始持平，并逐漸向頂部擴散，小呼吸損耗加劇。此外，在同一時刻，相同高度上的油蒸氣濃度基本保持一致。

圖6 罐內(nèi)油蒸氣擴散過程

圖7為氣體空間三個觀測點處油蒸氣濃度隨時間增加的變化過程。可以看到，隨著光照時間增加，罐內(nèi)油氣濃度呈現(xiàn)出明顯的峰值，在每天的午時左右達到最大，平均濃度超過50%。此時，越接近液面處的油蒸氣濃度梯度越小。隨著夜晚溫度下降，氣體空間內(nèi)的油蒸氣濃度逐漸下降，濃度梯度基本持平并維持在30%以下。

圖7 監(jiān)測點處油蒸氣濃度

3.3 液面高度影響

在全天溫度最高時段（14:00 PM），計算得到儲罐內(nèi)不同液面高度條件下氣體空間的濃度分布情況，如圖8所示。

圖8 不同液面高度儲罐內(nèi)油蒸氣濃度分布

可以看到，當(dāng)儲罐內(nèi)頁面高度較低時(100 mm、300 mm)，氣體空間內(nèi)上層區(qū)域油蒸氣濃度梯度較小，近液面處油蒸氣濃度梯度較大。當(dāng)儲罐內(nèi)頁面高度逐漸增加時，氣體空間內(nèi)油蒸氣濃度梯度逐漸向線性變化規(guī)律轉(zhuǎn)變。隨著液面高度的繼續(xù)增加，頂層油蒸氣濃度梯度開始高于近液面區(qū)域。

4 結(jié)論

通過對單日溫度變化下儲罐內(nèi)油氣兩相介質(zhì)蒸發(fā)及擴散規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)：

1）在光照影響下，罐體溫度升高使得氣體空間內(nèi)溫度梯度明顯，其等溫曲線分布呈現(xiàn)出上“凸”形態(tài)；油品內(nèi)部升溫幅度較均勻，且升溫速度較緩慢。

2）在一個自然日中，儲罐內(nèi)油氣濃度呈現(xiàn)出單“峰”波動規(guī)律，在儲罐小呼吸損耗最劇烈時段，上層氣體空間油氣濃度梯度大于下層空間，罐頂油氣濃度超過60%；夜晚時段氣體空間油氣濃度梯度基本一致。

3）在儲罐液位較低時，油蒸氣主要集中在底層氣體空間，上層空間濃度基本一致；隨著液位上升，油蒸氣濃度不斷升高，小呼吸損耗加劇。