某退役油罐氮氣惰化數值模擬

劉瑞 王冬 張培理 梁建軍 郭子航 黨金鵬 趙亞東

摘? ? ? 要：目前我國很多油庫油罐是20世紀60—70年代修建，已達到退役年限，隨之而來這些退役油罐面臨封存停用問題?；谕牧鱧-ε標準模型，對某退役覆土1 000 m3立式拱頂油罐進行氮氣惰化數值模擬研究。重點研究了油罐氮氣惰化過程中隨氮氣進口流量變化時，氧氣體積分數分布和油罐拱頂壓力變化規律。研究結果表明：相同氮氣進口流量時，油罐內氧氣體積分數隨時間不斷降低，且開始階段降低速度較快，之后較為平緩;氮氣進口流量越大惰化時間越短，同時為保護油罐拱頂對流量有相應限制;工程實踐中油罐惰化對氧氣體積分數提出了安全臨界值。為大量退役油罐安全處置提供參考方案。

關? 鍵? 詞：退役油罐;氮氣;進口速度;惰化;油罐拱頂;壓力;數值模擬

中圖分類號：TE 88? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2050-05

Abstract： Many of the oil tanks in our country have been built in1960s-1970s，now they have been decommissioned， and these decommissioned tanks are facing the mothballing problem. Based on the turbulent k-ε standard model， the numerical simulation of nitrogen inerting method was carried out for a 1 000 m3 decommissioned vertical arch tank. The distribution of oxygen volume fraction and the change law of pressure of oil tank dome were studied when nitrogen inlet flow changed in the process of nitrogen inerting in oil tank. The results showed that， with the same nitrogen inlet flow rate， the volume fraction of oxygen in the tank decreased continuously with time， and the decrease rate was faster in the initial stage， and then was relatively stable; The larger the nitrogen inlet flow rate， the shorter the inerting time. At the same time， the flow was limited to protect the oil tank dome; In engineering practice， the safety critical value of oxygen volume fraction in nitrogen inerting was proposed.It provides a reference scheme for the safe disposal of large number of decommissioned oil tanks.

Key words： Decommissioned oil tank; Nitrogen; Inlet speed; Inerting; Tank dome; Pressure; Numerical simulation

目前我國很多油庫油罐是20世紀60-70年代修建，這些油罐已達到退役年限。這些退役油庫隱藏著大量的油氣危險源，面臨管理人員少，周圍情況復雜，部分油庫退役油罐位于鬧市區，如果不能妥善處置隨時可能引發燃燒爆炸，造成大量的人員傷亡、財產損失以及環境污染等危害。因此對退役油罐的安全處置研究，具有重大意義[1]。

目前直接研究退役油罐安全處置文獻資料較少，但是對一些油氣危險源安全處置方法可以借鑒。國內外學者采用模擬實驗和數值模擬研究油氣危險源處置較多，大量研究表明惰性氣體對爆炸具有較好抑制作用[2-6]。有文獻[2]指出，隨著初始混合氣體中惰性氣體氮氣或二氧化碳含量的升高，瓦斯爆炸超壓均明顯降低;氮氣和二氧化碳對較高濃度瓦斯氣的抑爆效果更為顯著。李恩田[3]等對浮頂油罐的油氣空間進行惰化，根據氮氣對油罐氣體空間的惰化原理，針對大型雙重密封型浮頂油罐的油氣空間進行氮氣惰化研究。張培理[4]等以燃惰氣為介質，實驗研究進氣口位置和進氣體積流量對燃惰氣惰化置換油罐油氣的影響。

本文主要通過數值模擬研究某退役覆土立式油罐氮氣惰化過程[7-8]，建立了適合惰化的湍流k-ε標準模型[9-10]，采用PISO [11]算法對離散后的控制方程進行求解。本文重點研究了油罐氮氣惰化過程中隨氮氣進口流量變化，氧氣體積分數分布和油罐頂部壓力變化規律。

1? 構建退役油罐惰化模型

1.1? 幾何模型與網格劃分

以華北某油庫為例，該油庫有4座1 000 m3退役覆土油罐，且油罐罐底超過50年未更換。通過調查發現罐內油氣味較大，且超過油氣濃度爆炸下限，危險性較大。現利用覆土油罐原形尺寸構建模型，直徑為15 725 mm，壁高5 900 mm，頂高7 600 mm，在固定頂對稱布置測量管路、呼吸管路各1個，直徑均為150 mm，測量管路和呼吸管路中心距油罐中心5 000 mm，輸油管道中心軸線距罐底300 mm處有管道，直徑150 mm。劃分網格（圖1），生成網格數75 585個，節點數15 317個。圖中展示了呼吸管路、測量管路、輸油管路位置以及坐標位置。排氣口1和2中心坐標為（0 m，8 m，5 m），（0 m，8 m，5 m）及罐頂點（0 m，7.6 m，0 m）。

1.2? 基本假設和控制方程

覆土罐罐室內油氣惰化過程是一個典型的瞬態傳質擴散過程，通過氮氣置換出油氣混合物中氧氣，使氧氣濃度置換到爆炸下限即可達到不燃不爆本質安全型油罐[12]。采用計算流體力學模型對瞬態組分輸運過程進行模擬。本論文做了以下假設和簡化：

1）覆土罐內為油氣混合物，無液態汽油，不予考慮汽油相變[13]過程，初始氣體分布均勻，無流動，氣壓為標準大氣壓，遵循理想氣體狀態方程;

2）氣體的整個運動過程維持熱平衡，忽略其溫度差異和熱量傳遞;

3）油罐內僅考慮氧氣、氮氣與油氣（用C8H18代替），不考慮其他組分的混合氣體，該混合氣體視為理想氣體，遵循理想氣體狀態方程，在流動過程中不發生化學變化。

基于以上的簡化和假設，認為覆土油罐內油氣惰化過程是無化學反應的瞬態單相多組分擴散問題。因此，需要根據連續性方程、NS動量方程、組分方程建立基本控制方程組。

1.3? 湍流模型

該油罐惰化過程適用于的湍流模型k-ε標準模型[14]，該模型是求解紊流動能方程k和紊流耗散方程ε，模型系數通過試驗擬合得到，適合完全湍流，可以處理浮力和壓縮性等物理現象。對于退役油罐氮氣惰化情況完全湍流，因此宜采用 k-ε標準模型。

1.4? 初始條件與邊界條件

考慮工程實際，利用油罐進出油管作為惰化進氣口，油罐呼吸管路及測量管路作為排出口。在相應管路上裝上閥門或盲板方便在油罐惰化完成后及時對油罐快速密封，避免拆去和安裝笨重的上下人孔蓋。以汽油蒸氣、氧氣、氮氣的混合物為研究對象，進行數值模擬，取惰化前混合物中油氣用C8H18代替，不考慮其他組分，油氣占體積分數為5%，氧氣體積分數占19.95%，氮氣體積分數占75.05%，由于在本數值模擬中以質量濃度進行計算，故轉換為相應質量濃度為汽油蒸氣占質量分數為17.22%，氧氣質量分數占19.29%，氮氣質量分數占63.49%。通入置換氮氣為純度為100%，設置環境為常溫（293.15 K）、常壓，進口速度分別為5、10、15 m·s-1，對應進口流量為318、 636、954 m3·h-1，油罐兩個出口設為壓力出口，因與大氣相通，故相對壓力設為0，排氣口氣體組分為空氣。

1.5? 求解算法

PISO 算法不需要迭代既可以具有與迭代的全隱式算法相同的精度，又可以取較大的時間步長，用于可壓縮及不可壓縮流動均適合。本文退役油罐氮氣惰化的數值模擬是典型的瞬態擴散問題，因此采用了PISO 算法對離散后的控制方程進行求解更具優勢。

2? 計算結果分析

2.1? 相同進氣流量時氧氣濃度分布規律

在常溫常壓下油氣爆炸的臨界氧氣體積分數為11.4%，對應的爆炸極限臨界點為1.22%[15]。由于本文退役油罐中底部仍然底油和油泥等未處理完油料，即使惰化后，在后期油氣揮發仍然會出現油氣濃度升高現象，因此本文不宜采用油氣濃度爆炸臨界點作為惰化標準，而應以氧氣濃度作為標準。為了確保惰化以后退役油罐絕對安全，把氧氣體積分數控制到臨界值的40%，氧氣體積分數為4.56%。為了緊密結合工程實際，將質量分數轉化為相應體積分數，便于觀察使用。

以氮氣進口速度為10 m·s-1為例，進行氧氣體積分數變化分析。氮氣通入時間20 000 s，時間步長10 s，每10步保存一次。為了便于觀察，將油罐整體向上傾斜一定角度。圖2為對退役油罐在7 000 s內氮氣惰化過程中氧氣體積分數分布。通過500 s及 1 000 s氧氣體積分數分布圖，很容易發現整個油罐惰化死角出現在油罐進氣口兩側中部偏下位置。在惰化過程中油罐內氧氣未均勻分布，有惰化死角出現，為了說明問題，單獨將6 200 s氧氣體積分數分布圖（圖3）用單獨體積分數顏色標尺，顯示氧氣體積分數最高處僅為5.039%，也是遠遠低于臨界氧氣體積分數11.4%。因此，在工程實踐中，為便于測量氧氣濃度，一般情況下僅測量在排出口處氧氣體積分數低于4.56%即可。

結合圖2、圖3和圖4分析得出：①通過曲線分析，隨著氮氣不斷進入油罐，油罐內氧氣體積分數不斷降低，且剛開始降低速度較快，之后較為平緩;②當氮氣進口流量為636 m3·h-1（進口速度為10 m·s-1），在6 200 s時，排氣口處氧氣體積分數低于4.56%，油罐內為本質安全狀態。

2.2? 不同進氣流量時氧氣體積分數對比變化規律

根據2.1可知，采用排氣口氧氣體積分數作為鑒定油罐惰化情況完全符合要求。通過對比分析不同氮氣進口速度，數值分析得到不同進口速度排出口氧氣體積分數（表1），再結合不同時刻排出口氧氣體積分數變化，繪出曲線（圖5）。

綜上所述得出如下結論：①氮氣進口流量分別為318、636、954 m3·h-1 （對應進口速度分別為5、10、15 m·s-1）時達到氧氣體積分數4.56%所需時間分別12 500 s、6 200 s和4 100 s;②在16 000 s時，氮氣進口流量954 m3·h-1（進口速度為15 m·s-1），此時油罐內幾乎沒有氧氣，排出口氧氣體積分數低于1%;③觀察曲線（圖5），氮氣進口流量954 m3·h-1時，在16 000 s后曲線幾乎與水平軸重合，氧氣體積分數幾乎不變。

2.3? 進口流量對油罐拱頂安全影響

退役油罐氮氣惰化過程中，整個油罐承受正壓力，最薄弱部位以及最容易失穩部位是油罐拱頂[16]，本油罐拱頂承受最大正壓力為2 000 Pa。由于惰化完成后還需要對退役油罐進行密封處置，因此必須確保退役油罐在惰化過程中的不受任何損壞。

下面以進口流量636 m3·h-1（進口速度10 m·s-1）為例進行分析。從油罐拱頂點（0 m，7.6 m，0 m）壓力變化曲線（圖6）可以看出，在15 000 s之前該點壓力波動較大，在15 000 s之后該點壓力相對穩定在某一很小的區域內。因此，取在15 000 s之后進口速度10 m·s-1時油罐頂部壓力分布云圖（圖7）進行分析，發現除了兩個排氣口以外，拱頂壓力基本在79～93 Pa波動。

結合圖6和圖7分析得到，油罐拱頂壓力達到穩定后，從工程實踐角度考慮，留有一定安全余量，取穩定后波動較大值93 Pa作為計算標準。同理得到其他進口速度時拱頂穩定壓力（表2），繪出不同氮氣進口速度時油罐拱頂穩定壓力變化曲線（圖8）。根據該油罐拱頂設計壓力，再結合圖8，可以得到油罐拱頂限制進口速度為46.6 m·s-1（流量為2 963 m3·h-1）。綜合以上分析可得出以下結論：①在同一進口流量下，開始階段油罐拱頂壓力波動較大，之后趨于穩定;②隨著氮氣進口流量不斷增加，油罐拱頂穩定壓力隨之增大，且增大速率越來越大;③油罐拱頂設計最大壓力為2 000 Pa，考慮工程實際確定氮氣最大進氣速度 46.6 m·s-1，即進口流量為2 963 m3·h-1。

3? 結 論

本文通過數值模擬的方式，采用湍流k-ε標準模型和PISO算法，研究了油罐氮氣惰化過程中隨氮氣進口流量變化時，氧氣體積分數分布和油罐拱頂壓力變化規律，得出以下結論：

1）相同氮氣進口流量下，油罐內氧氣體積分數隨時間不斷降低，且剛開始降低速度較快，之后較為平緩。

2）工程實踐中退役油罐惰化需要控制氧氣體積分數安全臨界值為4.56%。

3）氮氣進口流量越大惰化所需時間越短。

4）為了保護退役油罐拱頂免受破壞，應限制氮氣最大進口流量。

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