油田儲油罐非甲烷總揮發實驗及仿真模擬

劉華欣，王永強，2，劉 芳，趙朝成，段濰超，王 歌

（1. 中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580；2. 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，山東 青島 266580；3. 中國石油大學（華東） 安全環保與節能技術中心，山東 青島 266580）

目前，我國油氣田行業中一些位置偏遠、油量規模較小的油氣井需要在周圍設立臨時儲油罐，簡稱單井拉油罐，定期由裝油罐車運輸油品到聯合站。此過程中存在嚴重的油氣揮發，已成為油氣田主要揮發性有機化合物（VOCs）的排放源。單井拉油罐的VOCs排放包括靜置損耗和工作損耗［1-2］。據現場實地調研，由于油氣井儲油量較小，單井拉油罐進油速率慢，收發油周期約為3～5 d，一年的周轉量不大，因此儲油罐主要的損耗來自靜置損耗。本文就儲油罐的靜置損耗展開研究。

油氣田中存在的單井拉油罐主要包括：高架立式方罐、立式固定頂罐及臥式固定頂罐。其中只有臥式固定頂罐安有呼吸閥，其余兩種類型儲油罐未裝呼吸閥且直接與大氣相連，油品長時間靜置儲存必定會產生較大的揮發量［3-4］。在環境監測領域油氣揮發量常用非甲烷總烴（NMHC）質量濃度進行表征。NMHC是指從總烴中扣除甲烷后其他氣態有機化合物（主要是C2～C8）的總稱［5］，可作為油氣田行業VOCs排放的指標。

本研究建立了小型單井拉油罐蒸發損耗實驗平臺，研究不同因素對NMHC質量濃度的影響，同時利用Fluent14.5進行仿真模擬，為油氣田行業VOCs的排放核算提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 原料及裝置

原油樣品取自勝利油田，經GC-MS檢測，主要VOCs組分為C5～C15的飽和烷烴。單井拉油罐蒸發損耗實驗裝置如圖1所示［6］。儲油罐為直徑25 cm、高35 cm的圓柱體，原油通過泵從儲油罐下部裝入或排出。罐頂設有直徑2 cm、高1.5 cm的揮發口，在此處設置采樣點S。儲油罐下端設有水浴加熱系統，儲油罐左側為供風系統，調控環境風速，室內裝有空調可以調節室內溫度（環境溫度）。根據《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》（GB 50341—2014）［7］將儲油罐的液面高度劃分為最低液面（H1，7 cm）、操作液面（H2，23 cm）和最高液面（H3，30 cm）。

圖1 單井拉油罐蒸發損耗實驗裝置

1.2 實驗方法

將原油通過泵裝入罐中，設定液面高度，以6℃/h的升溫速率加熱原油，保持無風環境，室內環境溫度保持25 ℃，然后通過調節溫控系統、風力系統及室內空調進行具體實驗條件設定，采集不同條件下的S點處氣樣，測定其NMHC質量濃度。

1.3 分析方法

采用氣相色譜法測定NMHC質量濃度［8］。

2 結果與討論

2.1 儲液溫度對NMHC質量濃度的影響

在儲油罐處于無風環境、液面高度為H2、升溫速率為6 ℃/h的條件下，儲液溫度對NMHC質量濃度的影響如圖2所示。由圖2可見：隨儲液溫度升高，NMHC質量濃度明顯增大；當儲液溫度為16℃時，NMHC質量濃度只有84 mg/m3；當儲液溫度為28 ℃時，NMHC質量濃度超過900 mg/m3，可見，儲液溫度對儲油罐油氣揮發影響程度較大。

圖2 儲液溫度對NMHC質量濃度的影響

2.2 儲液高度對NMHC質量濃度的影響

在儲油罐處于無風環境、升溫速率為6℃/h的條件下，儲液高度對NMHC質量濃度的影響如圖3所示。由圖3可見，隨著儲液高度的增加，NMHC質量濃度不斷增大。

圖3 儲液高度對NMHC質量濃度的影響

儲液高度對單位體積儲液揮發量的影響如圖4所示。由圖4可見，除去19 ℃以外，其余溫度下儲液高度均在H2時單位體積儲液揮發量最小。因此儲油罐液面高度應保持在H2處，即儲油罐的2/3高度處，可減少單位體積油品的揮發損耗。

圖4 儲液高度對單位體積儲液揮發量的影響

2.3 有風和無風環境對NMHC質量濃度的影響

在液面高度為H2、升溫速率為 6℃/h的條件下，儲油罐處于有風（風速2 m/s）和無風環境對NMHC質量濃度的影響見圖5。由圖5可見，有風環境下NMHC質量濃度大大低于無風環境，這是因為風力的作用加速了揮發油氣的擴散。

圖5 有無風環境下NMHC質量濃度對比

2.4 環境溫度對NMHC質量濃度的影響

在儲油罐處于無風環境、儲液溫度為（16±0.5） ℃、液面高度為H2的條件下，環境溫度對NMHC質量濃度的影響如圖6所示。由圖6可見：隨著環境溫度的升高，NMHC質量濃度小幅增大。

2.5 小結

根據實驗結果可以看出，儲液溫度和有無風環境對儲油罐NMHC揮發影響較大，儲液高度和環境溫度對其影響較小。

圖6 環境溫度對NMHC質量濃度的影響

3 儲油罐油氣擴散數值模擬

數值模擬在描述組分擴散現象中有著廣泛的應用。不少學者利用Fluent等仿真模擬方法，對常規的拱頂罐、外浮頂罐、內浮頂罐排放及加油站油氣擴散傳質進行研究，揭示罐內油品蒸發和油氣-空氣擴散傳質及罐外排放的規律［9-11］。本文選取組分傳輸模型模擬油罐VOCs揮發擴散情況，通過模擬不同儲液溫度下的油罐揮發規律來驗證模型的準確性，再進行油氣揮發的擴散模擬，為管控油田儲油罐VOCs揮發擴散提供技術支撐。

3.1 數學模型

基于Fluent軟件開展油氣擴散模擬，建立的基本控制方程包括：連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。風沿一定方向吹向內浮頂罐，會造成罐內油品擴散運移，需遵守組分輸運方程［12-13］。

湍流模型是為雷諾應力建立起的表達式，目前常用的有零方程模型、一方程模型和兩方程模型，而在實際工程中應用最多的是k-ε兩方程模型及其改進形式。標準k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型都適用于湍流充分發展的流動［14］。Realizablek-ε湍流模型相比于標準k-ε湍流模型能更好地展現流動分離和旋渦，也比標準k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型能更準確地展現濃度分布［15-17］。

3.2 模型驗證

3.2.1 參數設定

儲油罐氣相空間內油氣揮發模型如圖7所示。儲油罐內液面為H2，計算區域為儲油罐的氣相空間。將蒸發擴散組分簡化為油氣和空氣兩種組分，模擬油氣組分傳輸，關鍵參數為組分質量擴散系數（Df，m2/s）。

圖7 儲油罐氣相空間內油氣揮發模型

3.2.2 模擬結果

儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發0.5 h的模擬濃度場如圖8所示。由圖8可見，從油氣液面處到揮發口處濃度模擬值呈階梯式遞減。

圖8 儲液溫度16 ℃下儲油罐揮發0.5 h的模擬濃度場

不同儲液溫度下儲油罐揮發口處油氣揮發濃度模擬值與實測值對比如圖9所示。

圖9 不同儲液溫度下儲油罐揮發口處油氣揮發濃度模擬值與實測值對比

二者的揮發程度與儲液溫度呈正相關，因實測指標為NMHC質量濃度，而模擬值是用油氣質量分數來表示燃料油氣的濃度場分布情況，所以二者數值上有一定差距，但二者總體變化趨勢一致，可以證明選取的數值模型是可靠的。

3.3 油氣揮發擴散模擬

3.3.1 參數設定

選取某油田高架立式單井拉油罐進行油氣擴散模擬（見圖10）。油罐容積30 m3，直徑3.5 m，高3.0 m，罐頂量油口直徑0.15 m，高架臺高2.0 m。利用Fluent前處理軟件Gambit建立高架儲油罐及周圍區域的二維幾何模型，其計算域為20 m（x）×14 m（y），高架臺處做空白區域處理，網格采用結構化網格劃分，流動區域網格劃分為370 022單元，185 884個總體節點（見圖11）。建立模型時做以下基本假設：

（1）環境壓力101 325 Pa，環境溫度和油溫為300 K（假設揮發過程中溫度恒定）；

（2）擴散系數Df為常數，300 K時油氣與空氣的擴散系數Df= 8.83×10-6m2/s；

（3）模擬有風環境擴散情況，揮發口油氣體積分數設定值1，不隨擴散時間變化。

圖10 某油田高架立式單井拉油罐

圖11 高架儲油罐二維幾何網格劃分模型

3.3.2 模擬結果

3.3.2.1 無風環境下油氣擴散

無風條件下油氣擴散濃度場分布見圖12。由圖12可見：泄漏擴散濃度場呈現蘑菇云狀，罐頂揮發口處油氣濃度最大，以此為中心濃度呈階梯狀向周圍降低；擴散100 s，儲油罐頂部揮發口處油氣質量分數為3.33%～6.67%，根據《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》［18］（GB/T12474—2008），常溫常壓、干燥及低點火能的工況下，油氣蒸氣的爆炸下限為1.3%，爆炸上限為6.0%，在較短時間內，該區域危險系數大幅增加；隨著擴散時間的增加，泄漏出的油氣與環境空氣不斷進行對流，儲油罐油氣擴散范圍逐漸縮小；擴散300 s后，油氣積聚不明顯。

圖12 無風條件下油氣擴散濃度場分布

3.3.2.2 有風環境下油氣擴散

有風條件下油氣擴散濃度場分布如圖13所示。擴散濃度場偏向下風向無規則擴散，因原油油氣蒸發速率較慢，隨著擴散時間的延長，油氣在風力作用下大部分散失在大氣中；隨著風速增大，空氣對流會加速油品蒸發，導致擴散濃度場面積不斷增大；在風速為5 m/s的環境下，擴散300 s的濃度場面積相比擴散200 s時要小，但揮發口處的油氣積聚面積增大。由此可見，風速對于非密封儲油罐的油氣擴散影響顯著，風速越大，泄漏量越多，油氣積聚現象明顯，企業應采取安裝呼吸閥的方式密封罐體，可以有效減少空氣對流作用產生的油品蒸發問題。

圖13 有風條件下油氣擴散濃度場分布

4 結論

a）儲油罐內液體溫度對損耗量影響較大，揮發的NMHC質量濃度與儲液溫度成正比。在短時間儲存油品期間，油罐揮發口處NMHC質量濃度隨儲液高度升高而增大，儲液高度在儲油罐2/3高度處，單位體積儲液揮發量最小；有風環境下儲油罐內原油揮發的NMHC質量濃度低于無風環境，環境風速加快了空氣對流，加速油品的蒸發損耗；隨著環境溫度的升高，儲油罐揮發出的NMHC質量濃度小幅度增大，環境溫度對儲油罐損耗的影響較小。

b）仿真模擬無風環境下，油氣揮發口處短期存在油氣積聚現象，擴散100 s，儲油罐頂部揮發口處NMHC質量分數為3.33%～6.67%，存在安全隱患；擴散300 s后，油氣積聚不明顯。仿真模擬有風環境下，當風速為1 m/s，擴散濃度場偏向下風向無規則擴散，油氣積聚不明顯；隨著風速增大，擴散濃度場面積不斷增大；在風速為5 m/s的環境下，擴散300 s的濃度場面積相比擴散200 s時更小，但泄漏口處的油氣積聚面積增大。