马云修 李东泽

(1.中石化长输油气管道检测有限公司，江苏 徐州 221000；2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266000)

1 概述

由于油气回收能力高，浮顶罐在石油石化行业得到了广泛应用。但是近年来在浮顶油罐推广的过程中暴露出各种安全隐患，其中油罐起火、爆炸事故频繁出现[1-4]。油罐起火有三个必要条件：可燃物、助燃剂和火源。油品蒸气和空气混合后，可能形成爆炸性混合气体，但是只有当油品蒸气在空气中达到一定的体积浓度范围，并遇明火时，才会发生爆炸。

为减少油品蒸发损耗，浮顶罐常采用两次密封，这导致一二次密封空间容易存在油蒸气与空气的混合物，并很容易处于爆炸区间内，此时罐内若出现静电、电位差、明火或者温度过高等，极可能引发火灾爆炸事故。

目前国内外有许多学者开展了加强密封的研究。Heisterberg[5]、Kinghorn[6]、李世超[7]等人通过改善机械结构，增加了浮顶机械密封效果；李恩田[8-9]指出向浮顶油罐一二次密封间的油气空间中加入氮气，可缩小浮顶油罐的一二次密封之间环形空间油气爆炸极限范围，可以有效防止爆炸事故的发生。

事实上，液态油表面油蒸气浓度高(近似为100%)，大气中油蒸气浓度极低(近似为0%)，则必然存在油蒸气浓度处于爆炸区间内的某个区域，若该区域恰好存在氧气，则很容易引发事故。使用氮气保护技术，将一二次密封体之间的油气空间中氧气驱替，可以降低“爆炸区间内油蒸气与氧气共同存在”的可能性，极大程度避免爆炸事故的发生。考虑到氮气可能由于密封圈不严等因素发生逸出泄漏，对浮顶罐上操作人员的人身安全造成威胁，因此有必要对浮顶一二次密封空间内氮气填充、逸出规律开展研究[10]。

本文对浮顶一二次密封空间内氮气填充、逸出规律开展研究，利用Fluent数值模拟软件，计算收发油时浮盘上下移动对氮气逸出的影响，分析氮气充填置换过程中，一二次密封空间垂直方向上不同组分气体浓度分布规律。

2 一二次密封空间氮气扩散规律数值仿真

2.1 浮顶移动对充填氮气逸出的影响

当一次氮气充填作业结束后，氮气主入口与浮顶密封空间排气口关闭，可以认为氮气在浮顶周向流动扩散较弱，一二次密封环形空间可以近似认为中心对称。利用Fluent软件对一二次密封环形空间截面进行建模，如图1(a)所示。其中，下方矩形空间代表罐内油气空间，上方矩形空间代表大气空间，中间梯形空间代表一二次密封空间。图1(b)为计算结果，展示了不同浮盘移动速度下密封空间内氮气扩散规律。可以看出，不同浮盘移动速度下，密封空间内氮气浓度变化规律略有不同，但基本变化不大。可以认为，收发油产生的浮盘移动对密封空间内氮气逸出速率基本没有影响。

图1 利用Fluent软件对一二次密封环形空间截面进行的建模

边界条件：下方矩形底边为压力入口边界，上方矩形的顶边为压力出口边界，图中其他边均为wall边界，其中左侧wall边界可以设置为静止或一定速度移动。初始条件：下方矩形空间充满油蒸气，其组分如表1所示，上方矩形空间充满空气，中间梯形空间充满氮气。

表1 气体组分表

2.2 氮气充填过程中空间垂直方向浓度分布

氮气充填过程中，因组分密度差、重力协同作用，无法保证一二次密封空间截面内浓度均一。所以，需要监控一二次密封空间内氮气浓度最低的位置。对于现场实际密封空间，设有氮气注入口与气体排出口，显然排出口附近氮气浓度最低，故对排出口附近垂直方向氮气浓度进行监控。

以10000m3浮顶罐一二次密封油气空间为原型，建立如图2所示的仿真模型，其外环半径为14.5m，内环半径为14.3m，高为1.5m，进气口、出气口直径均为0.1m。边界条件：进气口为速度入口，其进气速度为1m/s；排气口为压力出口，其压力设置为大气压。初始条件：假设初始时密封空间充满油气，以1m/s的速度向其中通入氮气。

图2 一二次密封环形空间三维模型

采集注气开始4h后的出口位置处浓度数据，如图3所示。可以看出，氮气浓度随空间高度增加而降低，油蒸气随着空间高度的增加而增加，这是由于密度差与重力作用造成的。大约4.2h后，空间最低氮气浓度达到99%，氮气置换油气基本完成。

图3 不同时刻排气口气体浓度随垂直高度变化规律

3 结语

本文利用Fluent软件，建立一二次密封环形空间截面数值模型，计算空间内氮气浓度随时间的变化规律，得到的具体结论如下：

(1)浮盘移动速度对氮气逸出速率影响不大；

(2)充填氮气过程中，一二次密封空间的垂直方向上，氮气浓度随高度增加而降低，油蒸气反之；

(3)以1m/s流速注入氮气，大约4.2h后，空间最低氮气浓度达到99%，氮气置换油气基本完成。