儲罐油品蒸發擴散規律研究

石俊杰，趙東旭，王德陽，林宇奇，王衛強

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化銷售股份有限公司遼寧石油分公司，遼寧 沈陽 110031）

“呼吸”損耗作為固定頂油罐日常存儲過程中最為常見的油品損耗形式，其在油庫管理、安全與計量等方面所帶來的影響不容忽視。長期以來，為明確不同因素對油罐內油蒸氣生成過程的影響、降低油氣蒸發所帶來的損失，研究人員進行了廣泛研究與探討，以尋找“呼吸”損耗過程中儲罐內部相關物性變化規律。早期的油品蒸發損耗研究集中于較為廣泛的生產實際中，主要從降低油品的蒸發過程展開[1-2]。隨著世界各地油品儲量的逐年增加，罐區油品的蒸發損失逐漸受到關注，主要以帶有呼吸裝置的拱頂罐為主。前期研究工作主要是由國外研究者開展。Hassanvand等[3]針對罐區收發油過程中出現的大呼吸損耗問題展開研究，分析了油罐出油速率等因素對油品損失值的影響，并對收發有過程中罐內蒸汽的分布及溫度變化進行了模擬。與Hassanvand的研究不同，Rodriguez等[4]利用數值模擬方法對溫度下降過程中油罐內流體的換熱過程進行了計算，為分析油品蒸發過程提供了借鑒。相似的，Venart將Rodrigues所做的瞬態降溫過程進行了穩態簡化，使得此過程變得更具有適用性[5]。隨著國內各類油品儲量的增加，近年來的相關研究也逐漸得到學者們的重視。劉敏敏等[6]利用罐區現場數據對影響油罐大呼吸損耗因素進行了較為全面的總結性研究，并對不同影響因素提出了具有一定針對性的減損措施。楊光等[7]通過室內實驗對儲罐存在的小呼吸過程進行了研究，證明了罐區周邊溫度及罐內油品類型對其呼吸過程存在影響。李明德等[8]研究人員注意到，通過改變罐內壓力可以達到降低儲罐呼吸程度的效果。并在此基礎上針對儲罐承壓強度、耗材費用及壓力控制進行了最優化分析，為優化儲罐的設計提供了借鑒。康勇等[9]從呼吸損耗的理論研究著手，對影響損耗相關參量在不同環境下的影響程度進行了分析，從一定程度上完善了學者們對儲罐呼吸過程的理論研究，進一步明確了相關規律性變化。謝躍群等[10]對適用于儲罐大呼吸損耗的計算方法進行了進一步完善，提出了儲罐密封等相關細節會對損耗量計算會產生影響的論斷，并對此提出了合理建議。范開峰等[11]則從節流方向入手，設計了實用性較強的油蒸氣回收設備，為罐區的節能降耗提供了較為有效的輔助手段。梁穎[12]對儲罐的小呼吸損耗的計算方法進行了總結，并有針對性的對不同計算方法的適用范圍進行了分析。并利用氣體在儲罐內的擴散規律，建立了儲罐出氣口氣量計算模型。有效降低了原有計算模型的計算誤差[13]。方潔等[14]從呼吸閥著手，利用其控制儲罐內部壓力變化從而達到優化儲罐設計、降低損耗的效果，這與李明德等的研究有著較好的互補優勢。程賡等[15]對比了應用于儲罐內較為有效的降損方法，并利用實驗對溫度因素在儲罐呼吸損耗過程中的作用進行了分析。

根據已開展的相關研究，溫度因素在儲罐呼吸損耗過程中的作用顯著，且其變化過程受罐區氣候及季節變化等影響。通過數值方法對儲罐內溫度變化、油蒸氣濃度及擴散過程進行模擬，為儲罐小呼吸損耗規律研究提供理論支撐。

1 數學模型

1.1 湍流計算模型

儲罐內的氣體熱運動屬于非定常湍流流動，選取RNG k-ε模型：

式中：C1ε=1.42；

C2ε=1.68；

Gk—由流體流動梯度引起的動量變化；

Gb—浮力引起的動量變化；

YM—流體波動引起的能量損耗率。

αk、εα—K、ε倒數；393.1≈=εααk。

Sk和 εS為源項。

其中：

1.2 組分輸運計算模型

物質變化及運輸由N-S方程控制，并根據雷諾平均進行求解。流體湍動過程通過梯度擴散進行描述。根據概率密度函數對輸運方程進行推導，考慮相態變化，復合輸運方程為：

式中：ρ—流體密度，kg·m-3；

ui—流體速度分量，m·s-1；

Sk—反應速度；

ψ—流動空間向量；

ui

''

—流體波動矢量；

Ji,k—擴散分量。

等式右側兩項代表流體組分對流及擴散對輸運過程的影響。

1.3 熱力學模型

蒸發過程能量方程可以表示為：

式中：effK—導熱率；

K—湍流影響下的導熱率；

Jj—組分j在湍流下的擴散通量；

Keff?T—熱傳導所產生的能量輸出量；

hfJj—組分擴散過程中產生的能量轉移；

τeffυ—組分黏性造成的能量損失；

Sh—反應熱和其他體積熱源；

h—氣體的焓值。

對于罐壁等固體區域的能量方程可以表示為：

式中：ρ—密度，kg·m-3；

h—熱焓值；

K—導熱率；

T—溫度，℃；

sh—體積熱源；

?(υρh)—對流換熱產生的能量轉移。

2 物理模型

2.1 拱頂罐尺寸

以華北油田某場站內2 000 m3拱頂罐為研究對象，罐內介質為氣油，油罐直徑15.5 m，罐頂端距地面12.4 m，罐內油品距罐底高度7.0 m。考慮到計算模型的實際效率，對罐體進行等比例縮小以降低計算量。縮小后模型尺寸如圖1所示。

圖1 儲罐尺寸

由于儲罐內存在氣液兩相介質，為更清晰獲得罐內相關物理量變化規律，在儲罐縱向共設置10個監測點，每個觀測點間隔為100 mm，其中，氣體空間監測點3個，液體空間中7個。

2.2 網格劃分

利用ICEM對模型進行網格劃分。全區網格采用結構網格，在罐壁及呼吸閥位置進行邊界層設置，邊界層數設置為4層并沿罐壁及罐頂展開，根據油氣界面位置進行網格加密。初始油氣界面位于距罐底上方700 mm處。圖2為網格剖分結果。

圖2 儲罐網格劃分

2.3 基本假設

考慮到罐內油品蒸發過程的復雜性，為簡化模擬計算量，對相關過程進行簡化，并作出以下假設：

1）罐內液體介質僅包含汽油，上層氣體空間為空氣與氣油蒸氣的混合物。

2）忽略太陽輻射與罐內介質間的輻射換熱，儲罐內部空間與外界的熱量交換為罐壁與氣液介質間的導熱過程。

3）忽略除溫度外其它環境因素對罐內油品蒸發過程的影響。

2.4 物性及邊界

表1為罐內油品模擬蒸發過程中出現的相關物性參數。

表1 油品蒸發相關物性參數

為更加準確的分析儲罐內油氣物性，對該地區夏季（6月）晴朗天氣條件下的罐壁及罐頂溫度進行測量，圖3為24 h內不同時刻的月平均測量結果。

圖3 平均溫度變化

由于光照影響，儲罐罐頂溫度明顯高于大氣及罐壁溫度，三者均存在溫度峰值。其中，罐頂溫度變化最為劇烈。根據油罐不同位置溫度隨時間的變化趨勢，對模型罐頂及罐壁溫度邊界進行定義，罐底為絕熱邊界。模擬初始時間為上午8：00，每1 h為一統計周期。

3 模擬結果

3.1 溫度場分布

圖4為罐壁及罐頂開始升溫后1 h內儲罐內部空間的溫度變化情況。可以看到，初始階段等溫曲線與罐頂形狀相近，隨著光照時間延長，罐壁對儲罐內部溫度影響逐漸顯現，其內部等溫線彎曲程度逐漸增加，近壁面空間溫度上升速度加快。

圖4 模擬開始1 h內儲罐溫度變化

與此同時，根據圖5的模擬結果可以看到，儲罐縱向空間內溫度變化以氣液界面（監測點3）為分界點，上層空間油蒸氣溫度明顯高于下層油品速度，且環境溫度越高，其兩者差距越明顯。在不同時間段內，氣體及液體兩層空間內溫度的分布均近似呈現為線性分布特征，并隨監測點位置與罐底間距離增加而不斷上升。在環境溫度較高時段(14:00 PM)，氣體空間溫度變化幅度更明顯，溫度梯度大，液體空間溫差較小；隨著環境溫度的降低，氣液空間溫差逐漸降低，在環境溫度較低時段(2：00 AM)，氣液空間溫度基本保持一致。

圖5 監測點處溫度變化

3.2 油氣擴散

圖6為罐內氣體空間油蒸氣濃度隨時間變化的擴散過程。在溫度上升初期，氣液界面處的蒸氣濃度較高。隨著升溫時間延長，氣體空間中部濃度與底部濃度開始持平，并逐漸向頂部擴散，小呼吸損耗加劇。此外，在同一時刻，相同高度上的油蒸氣濃度基本保持一致。

圖6 罐內油蒸氣擴散過程

圖7為氣體空間三個觀測點處油蒸氣濃度隨時間增加的變化過程。可以看到，隨著光照時間增加，罐內油氣濃度呈現出明顯的峰值，在每天的午時左右達到最大，平均濃度超過50%。此時，越接近液面處的油蒸氣濃度梯度越小。隨著夜晚溫度下降，氣體空間內的油蒸氣濃度逐漸下降，濃度梯度基本持平并維持在30%以下。

圖7 監測點處油蒸氣濃度

3.3 液面高度影響

在全天溫度最高時段（14:00 PM），計算得到儲罐內不同液面高度條件下氣體空間的濃度分布情況，如圖8所示。

圖8 不同液面高度儲罐內油蒸氣濃度分布

可以看到，當儲罐內頁面高度較低時(100 mm、300 mm)，氣體空間內上層區域油蒸氣濃度梯度較小，近液面處油蒸氣濃度梯度較大。當儲罐內頁面高度逐漸增加時，氣體空間內油蒸氣濃度梯度逐漸向線性變化規律轉變。隨著液面高度的繼續增加，頂層油蒸氣濃度梯度開始高于近液面區域。

4 結論

通過對單日溫度變化下儲罐內油氣兩相介質蒸發及擴散規律進行研究發現：

1）在光照影響下，罐體溫度升高使得氣體空間內溫度梯度明顯，其等溫曲線分布呈現出上“凸”形態；油品內部升溫幅度較均勻，且升溫速度較緩慢。

2）在一個自然日中，儲罐內油氣濃度呈現出單“峰”波動規律，在儲罐小呼吸損耗最劇烈時段，上層氣體空間油氣濃度梯度大于下層空間，罐頂油氣濃度超過60%；夜晚時段氣體空間油氣濃度梯度基本一致。

3）在儲罐液位較低時，油蒸氣主要集中在底層氣體空間，上層空間濃度基本一致；隨著液位上升，油蒸氣濃度不斷升高，小呼吸損耗加劇。