加油站油罐清洗模擬及試驗分析

程龍軍

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 加油站儲油罐清洗現狀

加油站埋地儲油罐主要存儲汽油、柴油，沉淀性殘渣較少，儲罐容積以30m3居多，最大不超過50m3[1]，由于大部分油罐壁厚為5～7mm，所以可采用低壓水射流系統作為加油站埋地儲油罐機械清洗設備。目前國內加油站埋地儲罐清洗正處于人工清洗向機械清洗過渡階段，大部分省市的加油站開始應用機械清洗技術[2]。

加油站機械清洗技術主要采用低壓水射流清洗。低壓水射流清洗采用增壓泵將新鮮水加壓到0.6～1.6MPa，通過專用的水射流旋轉噴頭，噴射到油罐內壁，對油罐內壁上的油污垢進行沖擊式三維旋轉清洗，帶有壓力的噴射流體沖擊沾附在內壁的污染物，污垢和油泥均被沖刷為容易抽取的溶液。同時利用真空抽水系統將罐內污水同步抽出，轉移到清洗車污水箱內[3]。埋地儲油罐內污水抽取干凈后，完成油罐清洗作業。埋地儲油罐清洗流程如圖1所示。

圖1 加油站清罐流程

加油站機械清洗技術關鍵在于水射流噴射技術，目前國內清罐公司直接購買國外噴頭，對于罐內的清洗噴頭孔徑的大小、水壓與清洗距離的關系研究和國外多種類型的噴頭水射性能分析研究近乎空白[4]。因此，有必要對加油站埋地罐內的射流噴射進行模擬和國內外多種類型的噴頭水射性能進行分析。

2 加油站清罐水射流模擬

油罐清洗的潔凈度與射流的水壓和水量大小有關，為了研究清洗噴頭孔徑的大小、水壓與清洗距離的關系，對油罐清洗進行建模模擬計算，為清罐自動化參數控制提供數據支持。通過資料分析，噴嘴直徑選擇為6～10mm，清洗壓力為0.6～1.6MPa[5]。

利用Fluent軟件模擬油罐容積為50m3，噴嘴直徑為6mm、入口壓力為1.6MPa和噴嘴直徑為10mm、入口壓力為0.9MPa兩種工況下，入口位置往里推進分別為1，2，3，4，5m時，水流噴射情況。

2.1 噴嘴直徑6 mm、壓力1.6 MPa模擬

模擬工況1：入口直徑為6mm，入口壓力為1.6MPa，相對大氣壓1.5MPa(計算過程中壓強都是相對于大氣壓的壓強)，出口為φ600人孔，入口位置往里推進距離分別有1，2，3，4，5m，如圖2～圖4網格圖所示。

圖2 入口推進工況示意

圖3 工況示意(出口)

圖4 工況示意(入口)

模擬計算結果(綠色代表水，紅色代表空氣)見圖5。

圖5 入口推進距離M為1 m,時間t為3.45 s時的水流體積分數情況

由模擬計算結果可以得出，入口位置推進1m，時間t為3.45s時的水流體積分數情況：入口處水射流平直，水流末端1m左右下降明顯。

由圖6可得到：入口推進1m時，水流在5m處的壓降為0.08MPa，隨后壓力突然衰減，到7.5m處，壓降為0.15MPa。可見這個工況下，水流直線性在前5m很好，壓降很小。水流到7.5m處，壓力依然能保持在1.35MPa。

圖6 入口推進距離M為1 m,時間t為3.45 s時的水流總壓衰減情況

由圖7模擬計算結果可以得出，入口位置推進2，3，4，5m水流基本保持水平。因此入口向里推進2m，可以保證水流沖洗到油罐最遠處。

由圖8入口推進距離2，3，4，5m工況時水流總壓衰減情況可得到，在水流3m內，水流總壓衰減情況基本一致。水流超過3m后，水流總壓會出現一段突降衰減，隨后保持壓力穩定。如：入口推進距離M=2m工況時，在水流3.5～4m處出現總壓衰減，在水流5.5～6m處再次出現總壓衰減；入口推進距離M=3m工況時，在水流4.5～5m處出現總壓衰減；入口推進距離M=4m工況時，在水流3～3.5m處出現總壓衰減；入口推進距離M=5m工況時，水流總壓未出現突降衰減。

2.2 噴嘴直徑10 mm、壓力0.9 MPa模擬

模擬工況2：模擬參數與模擬工況1一致，只是入口直徑為10mm，入口壓力為0.9MPa， 模擬計算結果見圖9。

圖7 不同入口推進距離M，時間t時的水流噴射情況

圖8 不同入口推進距離M，時間t時的水流總壓衰減情況

圖9 入口推進距離M為1 m,時間t為3.475 s時的水流情況

從圖9模擬計算結果可以看出入口水流基本保持水平，中間水流連續穩定。由于入口壓力為0.9MPa，水壓較低原因，水流末端1.7m位置豎直方向下降明顯，所以需要將入口處向里推進。

模擬工況2中水流總壓衰減情況見圖10，水流的壓降呈現階梯狀，分別在0.5，2.5，5，7m處，降幅約為0.009MPa，到7.5m處總的壓降為在0.036MPa，在水流5m處的水壓力為0.873MPa，水流7.5m處的水壓力為0.864MPa。

圖11為不同入口推進距離M，時間t時的水流噴射情況，由模擬計算結果可以得出，入口位置推進2，3，4，5m入口水流基本保持水平，中間水流連續穩定。入口位置推進2m時水流末端仍有豎直方向上下降；入口位置推進3m，水流末端基本沒有下降，可以保證水流沖洗到油罐最遠處。

圖10 入口推進1 m時，時間為3.475 s時的水流總壓衰減情況

如圖12所示，在模擬工況2中，由入口推進距離2，3，4，5m工況時水流總壓衰減情況可得到，整個水流的壓降呈現階梯狀，在0～0.5m處，水流總壓會出現一段突降衰減，隨后保持壓力穩定。入口推進距離M=2m工況時，在水流2～2.5m處出現總壓衰減，在4～4.5m處再次出現總壓衰減；入口推進距離M=3m工況時，在水流1.5～2m處出現總壓衰減，在4～4.5m處再次出現總壓衰減；入口推進距離M=4m工況時，在水流1.5～2m處出現總壓衰減；入口推進距離M=5m工況時，在水流2～2.5m處出現總壓衰減。

2.3 模擬分析對比結論

a)在保證水射流的直線性的情況下，出口壓力越高，使用的噴嘴直徑越小。

b)在不同的壓力情況下，通過改變噴嘴到罐壁的距離可以來保證所需的射流壓力和射流的直線性。

c)由模擬工況2的情況可以看出，當噴嘴伸進3m(即噴嘴距離罐壁5.5m)的時候，水射流的壓力為0.873MPa，降幅僅為0.027MPa，水射流的直線性保持依然很好。

d)對于30m3的油罐，人孔中心點距離遠側封頭5.36m，采用工況2噴嘴直徑10mm、壓力0.9MPa即可保證清洗效果；對于50m3的油罐，總長為10.6m，為了保證水射流的打擊力，應采用噴頭伸進的方式，縮短噴嘴與罐壁距離，以保證清洗效果。

圖11 不同入口推進距離M，時間t時的水流噴射情況

圖12 不同入口推進距離M，時間t時的水流總壓衰減情況

3 噴頭選型分析

目前國內外清罐常用噴頭有：瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美國JAMAJETX型、美國Butterworth型和國產BS-198型[6]，具體參數如表1所示。

表1 清罐常用噴頭參數

通過對瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美國JAMAJETX型、Butterworth型和國產BS-198型噴頭進行油罐清洗對比實驗，比較各清洗噴頭在埋地罐內的清洗距離和耗水量，實驗結果如圖13和圖14所示。

經過清洗油罐測試，距離噴頭3m范圍，所有噴頭清洗效果良好；超過3m，各種噴頭清洗效果不同，其中SC-15TW的射程和有效清洗距離較好，見圖14。由圖13可得到，在相同壓力條件下，SCANJET公司的SC-15TW型、JAMAJETX型用水量較少。

圖13 各清洗噴頭流量與壓力對比

圖14 各清洗噴頭清洗距離對比

通過對清洗距離、清洗時間、耗水量及性價比等綜合對比，SC-15TW型噴頭是比較理想的選擇。

4 加油站儲罐清洗試驗

采用SCANJETSC-15TW型噴頭在浙江省某兩個加油站進行機械清洗試驗，共清洗2個30m3容積油罐，清洗壓力為0.9MPa，清洗時間為12min。

從清洗效果來看，加油站儲罐清洗后內表面整潔光滑無油漬油渣，采用集成式便攜檢測儀對罐內有機氣體濃度數據和氧含量數據進行檢測。檢測結果如表2所示。

表2 埋地儲罐清洗完成空氣置換前后濃度數據

從檢測數據來看，罐內有機氣體濃度遠低于汽油油氣爆炸下限，氧含量也上升至人體安全水平，可按中國石化《油罐清洗安全技術規程》要求穿戴呼吸器下罐進行罐內檢測維修作業。

5 結論

a)利用Fluent軟件模擬不同噴嘴直徑不同入口壓力下，水流壓力隨射流距離的變化情況，可以得出：在保證水射流的直線性的情況下，出口壓力越高，使用的噴嘴直徑越小；在不同的壓力情況下，通過改變噴嘴到罐壁的距離可以來保證所需的射流壓力和射流的直線性；對于50m3的油罐，總長為10.6m，為了保證水射流的沖擊力，應采用噴頭伸進的方式，縮短噴嘴與罐壁距離，以保證清洗效果。

b)通過對瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美國JAMAJETX型、美國Butterworth型和國產BS-198型噴頭進行油罐清洗對比，對清洗距離、清洗時間、耗水量及性價比等綜合分析，SC-15TW型噴頭是比較理想的選擇。

c)采用SCANJETSC-15TW型噴頭在浙江省某兩個加油站30m3油罐進行清洗試驗，從清洗效果來看，加油站儲罐清洗后內表面整潔光滑無油漬油渣，清洗效果良好。