基于Fluent的大型油罐主動防護系統注氮分析

譚凱 賈海海 張艷麗 演強 李永生 董艷國 李俐瑩

1長慶工程設計有限公司

2大慶油田設計院有限公司

外浮頂油罐具備油品蒸發損失小、儲存安全性高等優點，因而在大型石油儲備庫和輸油站中得到了廣泛應用。大型石油儲罐多采用外浮頂結構，工作過程中浮盤可沿罐體滑動，兩者之間設置有兩次密封。罐壁掛油和罐內油品揮發等因素易導致一、二次密封空間內的可燃氣體濃度超標，在雷暴天氣或靜電作用下存在燃燒甚至爆炸風險[1-2]。隨著外浮頂油罐的大量建設與使用，密封圈火災防范也越來越受關注，為預防外浮頂油罐火災，通常設計有固定式泡沫滅火系統、噴淋冷卻系統等，其缺點是事故發生后被動地做出系統響應，滅火效果易受天氣等因素影響。不同于傳統滅火方式，大型外浮頂油罐主動安全防護系統能在密封圈內氣體濃度達到一定值時進行惰性氣體注入保護[3]，保證氣體濃度始終處于安全范圍，做到事前有效預防，為油罐提供實時防護，能從根本上消除密封圈火災隱患。

1 研究目的與方法

主動安全防護系統通過在兩次密封之間充入惰性氣體來實現可燃氣體和氧氣的稀釋與置換，通過研究主動安全防護系統工作過程中不同注氮參數下油氣濃度變化情況，確定氣體注入參數的合理取值，實現密封空間的快速惰化，減少不必要的氮氣損耗，有助于進一步保障油罐運行安全，實現企業的降本增效。

以現有主動安全防護系統的工作參數為基礎，建立相應的計算模型，使用Fluent流體軟件進行分析計算，模型經過驗證后調整注氮參數，得到不同情況下系統的注氮時長、氮氣用量和油氣濃度分布情況，分析注氮參數對系統惰化效果的影響。

2 主動防護系統工作原理

外浮頂油罐罐體與浮頂之間存在制造、安裝誤差，加之收發油過程中浮盤的上下移動，兩次密封之間長期存在可燃氣體與氧氣的混合物，屬于爆炸危險區域。主動安全防護系統能對可燃氣體和氧氣濃度進行實時檢測，并根據各站場實際情況調整系統動作而改變氣體濃度[4-5]。前期在某站的應用中安全判定標準如表1所示，氣體濃度超標時，在自動保護模式下會進行氣體惰化保護，保證在達到臨界氣體濃度之前消除爆炸隱患。工作時，取樣泵持續運轉并檢測氣體濃度，檢測數據及系統運行狀態傳輸到遠程控制裝置，進行存儲并實現遠程操控。

表1 安全判定標準Tab.1 Safety judgment standard

3 系統工藝流程

主動安全防護系統由防護裝置、氣體制備存儲裝置、控制裝置及管網系統組成（圖1）。各部分通過管網和線纜連接，系統有一套專用控制裝置，用于實施密封空間內氣體濃度的監測、控制、聯鎖和報警，氣體制備及存儲裝置為系統的惰化保護提供氣源，而防護裝置作為系統的核心，是保證整個系統正常運轉的關鍵。

圖1 系統工藝流程Fig.1 System process flow

工作時，密封圈內氣體通過取樣管被抽取到防護裝置，經過氣體濃度檢測，系統進行安全判定后發出相應動作指令，惰化保護用氮氣存儲在氮氣儲罐內，壓力減小時從制氮裝置得到氣體補充。

系統控制方式分為現場手動控制、遠程控制和自動控制三種。通常情況下系統采用自動控制模式，能實時分析氣體濃度，自動執行相應動作指令，可上傳數據并記錄運行狀態。

4 系統注氮參數分析

4.1 模型建立

主動安全防護系統已在長慶油田的多座站庫得到應用，在某站場10×104m3油罐配套系統的運行中，油氣濃度由42%（體積分數）LEL降低至10%LEL共耗時1 400 s，系統運行過程中氣體濃度變化情況如圖2所示。截至目前，2×104m3油罐主動防護系統在長慶油田尚無應用案例。

圖2 氣體濃度變化情況Fig.2 Change of gas concentration

根據2×104m3外浮頂油罐密封圈的實際情況，建立密封空間氮氣惰化模型。首先，2×104m3油罐高17.4 m，罐體直徑40.5 m，注氮時防護系統的16 套噴頭組件同時向一、二次密封空間內注入氣體，工作狀態完全相同，為減小計算量，截取1/16 的密封圈長度作為研究對象。其次，一、二次密封之間的截面近似為直角梯形，可將其簡化為長200 mm、寬350 mm的矩形（圖3）。最后，把注氮孔面積（直徑10 mm）沿密封圈高度方向平均分配，假設同一位置對應的不同高度氣體濃度完全相同（圖4），在流體分析軟件ANSYS Workbench 中建立對應模型的長度為7 948 mm，寬度為200 mm，模型上方均勻分布8 個寬度為0.25 mm 的氣體出口，下方中間有1個進氣口，通過在矩形面內注氮來模擬系統工作過程。

圖3 一、二次密封之間的截面簡化模型Fig.3 Simplified model of the section between primary and secondary seal

圖4 ANSYS Workbench中的簡化模型Fig.4 Simplified moldel in ANSYS Workbench

4.2 網格劃分

為減少計算時間，在保證模擬精度的前提下應盡可能減少網格數量，由于模型中注氮口、氣體出口的寬度遠小于壁面長度，宜選用非結構化網格。設置各壁面網格尺寸為5 mm，注氮口網格尺寸為注氮口的1/10，氣體出口網格尺寸為氣體出口的1/10。

4.3 參數設置

密封圈內可燃氣體的主要成分為丙烷，其爆炸下限為2.1%（體積分數）[6]，參照現役主動安全防護系統實際工作情況，設置初始階段密封圈中氧氣占比15%，從Fluent 自帶的材料庫中選擇添加氣體，按照不同分析工況輸入丙烷占比，其余均為氮氣，氮氣純度為100%。取氮氣注入速度不大于28 m/s，模擬初期取14 m/s。為防止壓力過高導致的密封破壞，限制工作狀態下密封空間內的壓力高于外界50 Pa，整個過程中密封圈內的氣體壓力保持不變。

4.4 求解過程

選用軟件中Fluent 模塊自帶的壓力基求解器、計算瞬態模型，因氣體流速較小，可認為其不可壓縮，設置整個過程中無熱傳遞[7-9]。氮氣在密封圈中的流動屬于湍流模型，使用k-ε模型[10-11]。出口壓強設定為50 Pa，溫度均為300 K，收斂精度取10-4，計算步長為0.2 s，迭代步數為10 000。計算結果以圖片文件輸出，觀察計算區域內油氣濃度分布云圖。

4.5 模擬結果

（1）注氮孔直徑10 mm，氣體注入速度14 m/s。系統初始油氣濃度為42%LEL（體積分數為0.008 7），工作時注氮口處油氣濃度迅速降低，逐漸向兩邊擴展。從第715 s 開始，平面內最高油氣濃度開始下降，降至油氣濃度為10%LEL（體積分數為0.002 1）系統停止工作，歷時1 402 s，過程如圖5～圖8所示。系統設計中，根據不同罐容對應的儲罐密封圈空間設置了不同的噴頭數量，使單個噴頭對應的惰化空間基本相同，參照10×104m3儲罐主動防護系統的應用情況，模擬結果與實際情況相符，等效方法可行。

圖5 t=300 s時油氣濃度分布云圖Fig.5 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 300 s

圖6 t=600 s時油氣濃度分布云圖Fig.6 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 600 s

圖7 t=1 000 s時油氣濃度分布云圖Fig.7 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 1 000 s

圖8 t=1 400 s時油氣濃度分布云圖Fig.8 Distribution cloud picture of oil and gas concentration at 1 400 s

（2）不同初始油氣濃度。設置密封圈中初始油氣濃度分別為100%LEL、80%LEL、60%LEL、42%LEL、20%LEL，其余參數保持不變，通過有限元模擬計算將油氣濃度降低至10%LEL 所需時間，得到相應的氮氣用量，結果如圖9所示。從圖9可以看出，系統動作初始油氣濃度降低時，對應的注氮時長減少，初始濃度為100%LEL比20%LEL的注氮耗時增加25.7%。

圖9 不同初始油氣濃度時的注氮情況Fig.9 Nitrogen injection situation at different initial hydrocarbon concentrations

（3）氣體流量為定值。以注氮孔直徑10 mm（對應模型上氮氣注入口寬度0.224 4 mm），氣體流速14 m/s為基礎，設置氣體流量為定值，改變注氮口尺寸與氣體流速，計算并觀察密封圈油氣濃度從42%LEL 降至10%LEL 時的注氮情況，結果如圖10 所示。從圖10可以看出，流量一定時，隨著注氮口減小，對應氮氣注入速度增加，氮氣分子的動能越大，擴散能力越強，惰化效果越好，注氮口寬度為1.346 4 mm比0.112 2 mm時的注氮時長增加了2.6%。

圖10 氣體流量為定值時的注氮情況Fig.10 Nitrogen injection situation at a constant gas flow rate

（4）氣體出口大小固定。注氮噴頭內徑為10 mm，設置氣體流速為8～23 m/s，觀察密封圈內油氣濃度從42%LEL 降至10%LEL 所需時間，計算氮氣消耗量，結果如圖11 所示。從圖11 可以看出，氣體出口大小一定時，隨著注氣流量的增加，單次注氮時長減小，但總的用氮量會增加。

圖11 氣體出口大小一定時的注氮情況Fig.11 Nitrogen injection situation when the gas outlet size is fixed

（5）注氮口形狀不同。氮氣出口形狀會影響注氮效果，通過模擬計算使用不同形狀注氮噴頭時的氮氣用量，分別設置噴頭為氮氣注入方向與入口垂直、沿密封圈切線雙向注氣，圓弧狀、等腰直角三角形狀、正方形狀三邊注氣，計算氮氣消耗量，結果如表2所示。分析可知，在五種噴頭形式中，沿密封圈切線雙向注氣效果最佳，相比于等腰直角三角形狀雙邊注氣，同等注入口大小和注氣速度的情況下減少了2.0%的注氮時長。

表2 注氮口形狀不同時的注氮情況Tab.2 Nitrogen injection situation with different nitrogen injection port shapes

5 結論

（1）以有限元流體分析為基礎，可對大型油罐主動安全防護系統不同注氮參數下的惰化效果進行有效的量化分析。

（2）同等流量下減小注氮口面積和沿密封圈切線雙向注入氮氣能縮短系統惰化保護時間，進一步保障了石油儲罐的安全運行。

（3）在保證安全的前提下降低氣體注入流量能減少氣體用量，通過精細化設計和管理，有助于實現企業降本增效。

（4）不同初始氣體濃度對應惰化時間不同，且各站場實際情況存在差異，可根據實際需要調整系統注氮參數。