儲罐油品蒸發損耗研究進展

摘 """""要：基于“碳達峰、碳中和”國家戰略目標，分析現有儲罐油氣蒸發研究方法，歸納現場實測、風洞實驗和數值模擬等方法的應用范圍，闡述不同模擬方法的研究對象和優缺點，提出油品蒸發損耗的主要影響因素及改進措施，指出了環境溫度與太陽輻射對其影響的重要性，為優化儲油設備及提高降耗效率提供了改進思路與借鑒。

關 "鍵 "詞：儲罐；蒸發損耗；現場實測；風洞實驗；數值模擬

中圖分類號：TE85"""""文獻標識志碼：A """"文章編號：1004-0935（20202024）0×12-1887-05

隨著我國油罐群數量不斷增多，一系列的環境安全問題也越發突出。“雙碳”目標提出以來，我國加快了揮發性有機物的排放綜合整治，力爭到2025年，實現揮發性有機物排放總量下降10%以上的目標^[1-2]。儲罐內油氣因蒸發量大、濃度高等特點，受到諸多學者關注。在早期研究中，認為油氣蒸發擴散過程是氣液相變、油氣傳質和油氣排放的綜合效應，歸納了儲罐油品蒸發擴散的整體變化規律，但與實際結果存在一定偏差^[3]。目前，最有效的研究方法主要是現場實測、風洞實驗和數值模擬^[4]，通過開展不同外界條件下的現場實測、風洞實驗，可以直接掌握油品的蒸發擴散機理；利用數值模擬軟件，可實現擴散物質的大范圍追蹤，節省成本和時間，因此數值模擬方法在儲罐油品蒸發擴散機理研究中被廣泛采用。

1 "蒸發損耗研究方法

現有的儲罐油氣蒸發研究方法包括：現場實測、風洞實驗與數值模擬等^[5]。

1.1 "現場實測

現場實測可直接觀察到油品蒸發損耗的真實情況。劉澤陽^[6]基于現場實測修正了API公式，使聯合站沉降罐的油品蒸發擴散規律的結論相對誤差從80%降低到10%以下。Tamaddoni等^[7]對碼頭油輪的油氣蒸發情況進行實驗研究，發現當油輪裝載30%的原油時，排出氣體中的碳氫化合物含量比裝載前增加15%；當裝載60%原油時，含量減少到9.73%。Hata等^[8]分析溫度和氣體空間等參數對蒸發速度的影響，得到了油氣蒸發速度與晝夜溫差和油罐內氣體空間成正比。Lu 等^[9]搭建了油氣的工作損耗和靜止損耗的評估實驗平臺，有效分析了拱頂罐排放的廢氣。

現場實測所得結論既可用于油氣蒸發機理的研究，也可為其他研究方法的修正和理論模型的建立提供依據。

1.2""風洞實驗

風洞實驗因具有優越的可控性與穩定性，在模型評估和數據驗證方面具有獨特優勢。ZHANG等^[10]借助風洞平臺搭建內浮頂罐縮比模型研究了正己烷蒸氣的擴散規律，提出儲罐內的氣體空間越大，儲罐內外的氣流交換越弱，隨著浮盤高度增加，艙內形成較大的渦流，加劇氣體擾動。許雪等^[11]建立罐區模型，通過風洞實驗和數值模擬，發現當儲罐高度相等時，儲罐間油氣主要積聚在前排儲罐背風側下方；當前排儲罐高于后排儲罐時，氣流會挾卷罐間油氣至后排儲罐罐頂，使其油氣質量分數較高于同等高度區域。為對儲罐油品蒸發擴散進行全面深入的研究，常州大學研究人員建立了直流式風洞平臺，討論了內浮頂罐外風場及風壓分布規律、風速對內浮頂罐油氣流場分布及油氣擴散濃度的影響，得到不同風速下，罐內油氣分布整體呈現對稱狀態，且浮盤位置越低、風速越大，蒸發速率越快^[12]。

風洞實驗研究主要集中于罐內油品的風荷載量、風向和儲罐結構的變化等方面，而對于儲罐內部氣體空間的蒸發實質分析以及光照輻射對內部氣體空間的影響等研究仍需進一步深入。

1.3""數值模擬

數值模擬技術成本低，周期短，效率高，可進行全尺寸模擬。目前，依據求解尺度的不同，數值模擬方法主要分為三種：直接數值模擬（DNS）、雷諾時均方法（RANS）和大渦模擬（LES）。

DNS方法用于求解低雷諾數的流體模擬問題。早期DNS方法建立的氣液兩相混輸工藝分析模型，對于氣體擴散的模擬應用較少^[13]。隨著計算機性能的不斷提升，DNS方法現已能夠通過開展儲罐的油氣蒸發過程研究，對罐體內部的傳熱、傳質和化學反應運動規律進行總結^[14]。通過DNS方法來全面認識油品蒸發和油氣擴散的機理，有助于優化罐體設備結構，提高過程效率。

RANS方法計算效率高，解的精度可以滿足工程實際需要。Tan等^[15]將氣體通過簡單障礙物時擴散的CFD預測與風洞測量結果進行比較，探究了障礙物引起的流場特性與氣體濃度之間的相關性。Liu等^[16]建立罐內油品的傳熱和流動數學模型，繪制儲罐油溫場的中心溫度隨時間的動態曲線，分析了儲罐的軸向和徑向溫度。

LES方法能夠解決了DNS求解時間過長問題，又彌補了 RANS 無法計算非穩態、非平衡的大尺度效應不足^[17]。Sun等^[18]利用LES方法分析了外浮頂儲罐周圍的湍流流動和風荷載，得到LES方法在計算儲罐周圍非定常風荷載和渦流結構方面優于RANS方法的結論。針對強風作用下儲罐的繞流特性和密封圈的油氣耗散特點，李文欣^[19]基于儲罐繞流流場旋渦結構與風洞實驗結果，分析風速和液位對儲罐內外壁風荷載特性的影響規律，提出了基于LES的計算公式。

基于已有研究成果，對三種模擬方法的優勢、不足及適用對象等進行總結，見表1。

2 "儲罐蒸發損耗影響因素

2.1 "儲罐內部影響因素

2.1.1 "油品影響

儲罐內油品蒸發損耗會受到油品自身因素的影響。Sharma等^[20]對臥式儲罐中的15種汽油進行實驗分析，發現正丁烷和異戊烷的濃度越高，呼吸損耗越大。此外，儲罐收發油的裝載因素不同，油氣損耗率也不同。Hassanvand^[21]等利用VOF模型進行數值模擬，分析了裝油速度、油罐初始油氣濃度對油罐損失率的影響。Wang等^[22]通過模擬表明裝油速度增加，裝油蒸發損耗率變化不大，約為0.022%；初始油氣質量分數增加，蒸發損耗率上升明顯，見圖1。

針對收發油過程中造成的油氣損失，可采用氮封系統維持儲罐內壓力平衡，有效減少儲存介質蒸發損耗、防止空氣污染，保證儲存油品質量和儲罐安全。

2.1.2 "儲罐影響

我國工業儲罐結構類型眾多，儲罐的不同構造對油氣蒸發影響不一。Huang、Jing、黃維秋、李飛等基于儲罐自身結構對油品蒸發的影響進行了大量的工作，取得了一定的科研成果^[23-26]，見表2。

由表2可知，通風口位置、輸油口高度和浮盤位置等不同儲罐構造是影響油品蒸發損耗的主要儲罐因素。基于此，可以對油罐結構進行改造升級，以減少油品蒸發損耗。王建偉^[27]通過改變擋板的位置，發現當呼吸閥擋板的吊桿長度為呼吸閥接合口直徑的2倍時，對降低儲罐內油品蒸發損耗的效果最好。

2.2 "儲罐外部影響因素

大氣溫度是影響儲罐蒸發損耗的因素之一。Wang等^[28]和Li等^[29]基于數值模擬結果與現場監測數據，提出了有效的物理-數學模型。張佩宇等^[30]建立了拱頂罐的非穩態傳熱傳質理論模型，利用自制的儲罐實測罐內氣相溫度變化，對拱頂罐一天內的蒸發損耗過程進行了數值模擬，測得小呼吸損耗實驗值與模擬值最大誤差不超過4.7%。Ginestet等^[31]提出一種評估蒸發流量的熱分析方法，討論了溫度、壓力和蒸發量隨時間的變化規律，并對蒸發損耗進行了評估。

輻射是影響儲罐蒸發損耗的另一重要因素。建立拱頂罐非穩態傳熱傳質模型，見圖2，太陽輻射熱量通過大氣經罐壁傳遞到油品，由于油品與大氣之間存在較大的溫差，使得靠近儲罐邊界部分的油品通過與內壁之間的自然對流、罐壁導熱、強制對流及輻射的方式向外界散失熱量。

Huang等^[32]基于CFD數值模擬方法，分析不同季節下太陽輻射對拱頂罐呼吸損耗的影響，得到了不同VOCs的日損失率的估算公式。張佩宇^[30]對拱頂罐進行數值模擬，發現總傳熱系數中與液相接觸的罐壁的總傳熱系數最大，與氣相接觸的罐壁的次之，罐頂的最小。Sun等^[18]對浮頂儲罐溫度場進行數值模擬，指出罐頂溫降速率隨著太陽輻射強度的降低而增大；罐壁溫降速率隨大氣溫度的降低而增大；罐底近似于絕熱，溫降速率受外界環境影響較小。

除了以上兩種因素外，風速對儲罐蒸發的影響也不能忽視。周寧等^[33]考慮到LNG儲罐蒸發泄漏過程中的特點，結合相平衡原理和歐拉多相流模型進行數值模擬，開展了風速、泄漏速率和地面粗糙度對LNG氣云擴散影響的研究。Fang等^[34]通過分析儲罐的風速場和濃度場的疊加效應，發現在不同的環境風速下，油罐之間的干擾是不同的，外浮頂儲罐數量越多，其在順風方向的疊加效應就越明顯。Kountouriotis等^[35]通過分析汽油擴散規律，發現風速可以加速蒸汽的擴散，在高溫和低風速的情況下，罐體泄漏處上方存在可燃云，通過控制揮發性有機物的排放可將可燃云最小化，從而降低爆燃的風險。

大氣溫度，輻射和環境風速是影響儲罐蒸發損耗的重要外部因素。針對儲罐外部因素造成的蒸發損耗，Chen等^[36]研發了一種應用于儲罐外壁的聚合物被動輻射冷卻涂層（PRCC），該涂層對陽光的反射率達96.2%，可以減少儲罐內50%以上的油品損耗。劉風章^[37]進一步研究發現，涂覆隔熱反射涂層的罐體全天外表面平均溫度可降低21.1%，罐頂外表面平均溫度可降低 37.1%，罐內呼吸氣體平均溫度可降低 27.4%。因此，開發儲罐隔熱涂層，可以降低罐體所受輻射，達到理想的降耗效果。

3 "結論與建議

通過蒸發損耗的產生規律分析與綜合探討，得到以下結論與建議：

1）環境溫度和太陽輻射是影響儲罐蒸發損耗的主控因素。使用儲罐隔熱涂層控制溫度以降低油品的蒸發損耗是最為簡單有效的方法。當使用隔熱涂層時，罐體外表面平均溫度可降低20%以上，大幅度減少油品的蒸發損耗。

2）結合現有儲罐的研究方法，得到各自的應用范圍。現場實測的數據既可用于油氣蒸發機理的研究，也可為其他實驗方法的修正和理論模型的建立提供依據；數值模擬能夠有效分析罐內流場特征，節約分析時間和成本；風洞實驗的研究主要集中于罐內油品的風荷載量、風向和儲罐結構的變化等方面，而對于儲罐內部氣體空間的蒸發實質分析等研究仍需進一步深入。

3）從綜合效能出發，應優化呼吸閥結構，減少油面上的氣體空間；當儲罐進行收發油作業時，可以采用氮封系統維持儲罐內壓力平衡，防止油氣外泄，降低呼吸損耗。

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Research Progress oin Evaporation Loss of Oil in Storage Tanks

ZHANG Guang-jian¹，"ZHAO Dong-xu²，"QIN Li-guang²，"YU Bing²，"LI Yao²，"WANG Wei-qiang¹

（1."College of Petroleum Engineering， Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China;

2."Sinopec Marketing Liaoning Branch， Shenyang Liaoning 110031， China）

Abstract："Based on the national strategic goal of \"carbon peaking and carbon neutrality\"， this paper analyzes the existing research methods for oil and gas evaporation in storage tanks"were"analyzed，"summarizes"the application scopes"of on-site measurement， wind tunnel experiments，"and numerical simulation methods"were"summarized， elaborates on the research objects and advantages and disadvantages of different simulation methods"were"discussed， proposes the main influencing factors and improvement measures for oil evaporation loss"were"proposed， and"points"out"the importance of environmental temperature and solar radiation on its impact"was"pointed"out， provideing"improvement ideas and references"for optimizing oil storage equipment and improving consumption reduction efficiency.

Key words："Storage tank;"Evaporation loss;"Field measurement;"Wind tunnel experiments;"Numerical simulation