儲罐進油實驗修正油面電位公式的探討

馬端祝 戴麗平 婁仁杰

〔中國石油集團安全環保技術研究院有限公司 遼寧大連 116031〕

近年來，儲罐靜電事故時有發生。例如2011年8月某石化公司柴油罐靜電爆炸著火事故，2016年10月某油庫汽油裝車靜電閃爆事故，2015年1月某油庫汽油裝車靜電閃燃事故等，這些事故都說明了加強油品靜電安全管理的重要性。目前油品靜電安全控制措施主要靠控制油品流速的方法實現，但有些事故是在流速符合要求的情況下發生的，因此，控制油品流速不能完全控制靜電事故的發生。

衡量儲罐內油品靜電危險最有效的方法是測量儲罐內油品油面電位，我國規定輕質油品的安全電位為12 kV[1]。油面電位測量采用的方法是按照《GB6951-86輕質油品裝油安全油面電位值》規定的方法進行測量。該方法的原理是使用一個金屬銅球收集油面電荷來進行測量，有一定的危險性，在實際生產中，從安全因素的角度考慮，無法進行現場測量，因此生產過程中的實際油面電位無法通過這種方法測量，只能通過計算的方法來獲得。國內王菊芬等推導了管輸油品油流電流計算公式和儲油罐內電荷密度計算模型[2-4]，田強等研究了管輸油品沖流電流與油品流速的關系[5]，劉卓超等研究了儲罐油面電位分布規律及儲罐結構參數對油面電位的影響[6-7]，國外油品靜電的理論研究文獻較早，Koszman等提出了一個低電導率流體流動帶電的理論計算公式[8]。Klinkerberg等研究了電荷密度的計算方程[9]，Walmsley和Carruthers則分別建立了長方形儲油罐和圓柱形儲油罐的靜電勢計算模型[10-11]，Lees[12]等研究了低電導率油品在絕緣儲罐內的電場計算模型，但值得一提的是，這些計算模型中涉及的參數很多在實際情況下無法獲得，因此這些方法都具有一定的局限性，并且這些方法的準確性也尚無定論。

本文采用油品靜電模擬實驗裝置，模擬油品輸送起電過程，通過調節油品流速、空氣濕度、過濾器等影響油品靜電的參數來改變油品靜電起電量，取代通常計算的方法獲得儲罐入口油品電荷密度方法，采用實際測量的方法獲得油品電荷密度，將油品電荷密度測量值代入常用的油面最大電位計算公式[13]，找出油面電位計算值和測量值之間的關系，修正油面電位計算公式。

1 油面電位計算公式的理論分析

油面最大電位計算通常采用的比較簡單的公式為[13]：

(1)

式中：Q——為油品體電荷密度；

r0——圓柱體半徑；

ε——介電常數。

此公式適用條件為無限長帶電圓柱體中心對

表面的電壓計算公式，相比其它計算模型，此公式計算簡單，式中的各個參數容易獲得，但應用此公式需要滿足兩個條件，一是油品電荷密度恒定，二是圓柱體為無限長，因此是一種理想的狀態，與實際情況不符，用此公式計算油面電位比實際測得的電位值要大很多，主要是因為：

(1)沒有考慮油品靜電逸散問題，此公式假設油品電荷密度是恒定不變的，在實際情況下油罐都是接地的，油品是不斷進入儲罐的，不同時間進入儲罐后的油品的靜電荷隨著時間的變化會不斷地逸散，因此雖然油品在進入儲罐時的電荷密度是相同的，但經歷了不同時間的靜電荷逸散后油品電荷密度發生變化的量是不同的，因此，儲罐內油品的電荷密度和油罐入口的電荷密度是不一樣的，應用此公式時應考慮罐內油品電荷逸散問題。

(2)沒有考慮空氣濕度對儲罐油面靜電的影響，此公式是計算無限長帶電圓柱體中心對表面的電壓，而不是油面中心的電壓，油面靜電荷與空氣中的水分子接觸會加速靜電荷的逸散，因此，應用此公式計算油面電壓時還應考慮油面靜電荷與空氣接觸后靜電荷逸散的問題。

綜合以上兩點，要應用此公式來計算出符合實際情況的油面電壓，應考慮進入油罐的油品電荷逸散情況及油面與空氣接觸油面電荷逸散情況，需要對公式進行修正。

2 儲罐油面電位計算公式的修正

2.1 靜電荷逸散對進入儲罐油品電荷密度的影響

液態烴電荷逸散可以用下面的公式(2)表示[14]：

(2)

式中：Q——電荷密度，C/m3；

Q0——初始電荷密度，C/m3；

t——時間，S；

ε——介電常數，F/m；

σ——液體的電導率，pS/m。

電荷密度的變化情況與電量的變化情況是一致的，因此將上式進行積分，可以求出t時間內進入油罐內液體的電荷密度公式(3)：

(3)

將其帶入電位計算公式(1)得公式(4)：

(4)

(5)

2.2 油品表面靜電荷與空氣接觸電荷逸散的影響

2.2.1 不同濕度下油品靜電實驗

2.2.1.1 實驗系統

本實驗采用油品靜電模擬實驗裝置，模擬油品輸送起電過程，如圖1所示。實驗裝置主要由儲油罐、輸送系統、靜電發生裝置、測量罐、法拉第油品電荷密度測試系統、油面電壓測試系統、油品電導率處理系統和控制系統構成。本實驗通過改變油品靜電的影響因素，比如油品流速、過濾器、空氣濕度等來改變油品的靜電起電量，測量儲罐入口油品電荷密度和油面最大電壓兩個衡量油品靜電危險的重要參數。

圖1 油品模擬實驗裝置

2.2.1.2 儲罐油面電壓測量系統

儲罐油面電壓測量示意見圖2。

圖2 儲罐油面電壓測量示意圖

油面電壓測試系統按照《GB6951-86輕質油品裝油安全油面電位》[1]進行設計，并對其進行了改進，取消了定滑輪系統，采用軟導線直接等電位連接到集電板上，用靜電場強儀進行測試。

2.2.1.3 油品電荷密度測量

利用該裝置可進行油品電荷密度測量，其原理是采用法拉第法[15]，用電荷量表測試進入法拉第筒內的油品電荷量除以法拉第筒的體積即得到油品電荷密度。測試系統如圖3所示：

圖3 油品電荷密度測試示意圖

2.2.2 利用實驗數據修正油面電壓計算公式

因為高電導率油品的靜電荷逸散很快，不能反映純凈油品的真實起電情況，本實驗采用電導率為(1pS/m～3pS/m)的柴油在油品模擬實驗裝置上模擬油品輸送起電，實驗測得不同濕度條件下儲罐入口油品電荷密度Q(6次測量平均值)和儲罐油面最大電壓U(3次測量平均值)，以及利用一次修正后公式(5)計算得到的油面電壓U0及U/U0比值如表1所示。

表1 實驗數據表

因為空氣中的水分子是均勻分布的，因此可以假設空氣濕度對油面電壓影響為近似線性關系[16]，以橫坐標為濕度，縱坐標為U/U0作圖，從圖中點的分布可以看出呈近似線性，做直線使點均布兩側，如圖4所示。

圖4 濕度與U/U0關系圖

設U=(KH+B)U0

取直線上兩點a(0.32，0.076)，b(0.8，0.01)，代入上式，通過計算得K=-0.1375，B=0.12，即：

U=(-0.1375H+0.12)U0

(6)

式中：H為空氣相對濕度。

將公式(6)帶入一次修正公式(5)，得到油面電壓二次修正公式(7)。

(7)

此公式適用條件：濕度： 30%

3 修正公式驗證及誤差分析

利用二次修正后的油面電壓計算公式，計算出油面電壓值U2，與實際實驗測得的油面電壓值U1比較，計算相對誤差(U2-U1)/U2×100%整理如表2所示。

表2 修正結果誤差表

從表2中可以看出，利用二次修正公式計算的油面最大電位的計算值的相對誤差基本都控制在20%以內。由于油品靜電的不可控因素很多，實際實驗過程中，在同一條件下實驗數據相差也很大，因此，20%的誤差對于油面最大靜電電壓來說是可接受的，分析誤差存在的原因主要有以下幾點：

(1)由于實驗裝置的限制，參數變化范圍有限，得出的實驗數據有限，需要改進裝置進一步獲得更多的數據進行驗證；

(2)由于實驗過程中的環境濕度不可控，實驗過程中濕度在一定的區間內變化，因此實驗數據存在一定的誤差；

(3)電荷密度的測量與油面電壓的測量無法同時進行，會使計算使用的電荷密度與進行油面電壓測量時的實際電荷密度間存在一定量的誤差；

(4)儀器儀表存在一定的測量誤差。

4 結論

本文對油品進入儲罐過程中油面最大電位計算公式進行了修正研究，考慮了油品靜電荷逸散以及空氣濕度對油面最大電位的影響，從二次修正后油面最大電位的計算公式可以得出如下結論：

(1)油面最大電位與儲罐直徑的平方成正比。儲罐的直徑越大，油面能夠達到的最大電位越大。因此，對于大直徑大容積的儲罐，要保證足夠的油品靜置時間，再進行其它操作，確保油品靜電荷充分逸散；

(2)空氣濕度對油品靜電的影響很大。隨著空氣濕度的增加，油面最大電位顯著降低。因此，在對于空氣相對濕度較低的秋天和冬天，要格外關注油品靜電問題；

(3)隨著油品入口電荷密度增加，油面最大電位增加，油品電荷密度與油品的流速、管徑、過濾器、雜質、水分等因素有關。因此，在油品進入儲罐的過程中要控制油品流速；在油品中含有水分和雜質的時候要降低油品流速來控制油品靜電的產生量。油品經過過濾器后要保證30 s的弛豫時間，確保油品靜電的充分釋放。