大型外浮顶储罐油气空间爆炸风险研究

张晓明，申 晴，何佳康，2，赵培森，于占鲁，戴 波

（1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617；2.北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029）

0 引言

储罐浮盘落底是由于储罐内石油液位过低，浮顶的支柱落在了储罐底部。正常高液位［1］操作时，浮盘浮在油品上，阻隔了石油液体和空气，既减少空气污染、又降低了火灾发生的概率。浮盘落底的情况往往发生在储罐大修或者装卸业务的需要。对于外浮顶储罐［2］，其浮盘落底是有很大风险的，比如雷击风险、静电风险、支柱受力风险等。美国标准API RP-2003［3］明确指出，“对于外浮顶储罐，如果浮盘落底且在浮顶下面形成油气空间，则着火的危险会增加。为了将危险最小化，在正常操作期间或雷暴期间不能有浮盘支撑着地，以及避免雷暴期间储罐进油。”同时，按照API RP2026-2017 标准［4］，浮盘落底过程有2 个阶段的风险：“当浮盘未浮起且液位低于浮顶支撑时，浮顶下方的大气中可能存在易燃的蒸气、空气混合物（例如，浮顶密封无法正确密封，空气进入间隙）。当向浮盘未浮起且液位低于浮顶液位的储罐加注时，可能会迫使蒸气通过罐顶密封层并进入浮顶上方的大气中。”

与固定顶储罐相比，外浮顶储罐发生火灾事故更为频繁［5］。在已有调查的全球480 例储罐火灾事故中，由于雷击外浮顶储罐原因引起的火灾占了1/3［6］。针对该油气混合区域的火灾爆炸风险，毕海普等［7］构建爆炸三角形并结合数值模拟结果分析油气混合区域的爆炸危险性。结果表明：储罐横截面的油蒸气质量分数整体上在增加，罐壁附近质量分数较高，氧气质量分数变化不明显，中间区域分布稳定但不均匀；油气混合空间的爆炸危险区分布在油蒸气质量分数相对较低的区域，多集中于罐壁附近，分布位置随油气扩散未发生明显变化。但是，该文仅从油气的质量分数角度出发进行的风险分析；本实验另辟蹊径，从爆炸极限的角度对浮盘落底进行风险分析。

目前，大型外浮顶储罐浮盘落底运行已经成为一种常态，而其运行风险研究却鲜见文献报道。原油挥发所产生的油气在遇到雷击［8］后，可能发生爆炸、燃烧等安全事故［9-10］，所以油气浓度分析显得尤为重要。本文研究了浮盘落底运行中的油气空间浓度变化，通过数据建模和仿真分析，探索其形成规律和爆炸风险程度。

1 流动控制方程

针对外浮顶储罐油气扩散方式，以及无化学反应的单项多组分扩散的模型，采用流动控制方程及湍流模型进行理论分析［7，11-12］。

连续性方程：

式中：ρ为混合油气的密度；uj为（x，y，z）3 个方向的速度。

动量守恒方程：

式中：g 为重力加速度；μt为流体的湍流黏度；p 为绝对压力。

能量守恒方程：

式中：T为油气流体的温度；kl为流体湍流导热系数；σT为常数，取值范围是0.9～1.0；cp为混合流体定压比热；cpv为泄漏物质定压比热容（J/（kg·K））。

组分质量守恒方程：

有关油面的湍流模型如下：

（1）应用于油面下降，直到原油完全排出，油气挥发产生的油气空间。此时选择RNG k-ω湍流模型［12］：

（2）应用于原油液面从0 m升至浮盘刚好浮起来为止，此时所有油气刚刚完全排至浮顶外部，受外部风速影响。这里选用realizable k-ω湍流模型［11］：

式中：ρ为混合油气密度（kg/m3）；uj为3 个方向的速度（m/s）；μt为湍流黏度（Pa·s）；g 为重力加速度（m/s2）；p为绝对压力（Pa）；T 为流体温度（K）；ω 为质量分数；D1为湍流扩散系数；常数σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9，C1ε=1.44；Gk为湍流动能，因层流速度梯度而产生；Gb也为湍流动能，因浮力产生；γM为过度扩散时产生的波动（m2/s2）；C1=maxη为有效因子；C3ε=tanh［v/u］；SK、Sz为用户自定义；k为湍流能（m2/s2）；ε 为耗散率（m2/s3），其中，k 和ε在不同规格大小的储罐中取不同的值，取值情况见表1［11］。

表1 湍流能和耗散率与储罐规格的关系

2 大型外浮顶储罐油气空间的建模与分析

使用ANSYS 软件的fluent 模块进行仿真。研究对象为某公司实际储罐，具体参数为：储罐直径80 m、浮盘高度为1.8 m，浮盘上一共有12 个自动通气阀、6个浮顶呼吸阀。经过网格划分后，浮盘的几何模型如图1 所示。可见，网格划分密集的地方主要集中在通气阀附近，浮盘落底后，通气阀进出气体频繁。由于浮盘内部压强是非常重要的油气浓度的衡量指标，所以先来研究浮盘内部的压强情况。

图1 网格划分图浮盘结构

本研究基于原油完全排出储罐外的情况，选用RNG k-ω湍流模型。设置储罐内气体成分为fuel-oilair，其中fuel-oil-air 内含烷烃类气体、H2O、N2、CO2。此时，假设在油都排出储罐的瞬间，整个油气空间在1.8m高度的时候进行仿真。

其次，在设置通气阀的时候，为了简化模型，将通气阀的压强等效在整个浮盘表面。当浮盘落底后，自动通气阀同时开启，大气缓慢进入浮盘内部，其中成分包含H2O、N2、CO2等。

短时间内浮盘底部的空间的压强大小如下，首先是油气空间顶部的压强分布（即，浮盘一侧的俯视图），如图2 所示。

图2 油气空间顶部的压强分布趋势（浮顶表面）

油气空间底部的压强分布如图3 所示。从图2、3中可以看出，在同一高度上，罐壁所受的压强较罐中心大，这是因为大气进入自动通气阀后，气体被挤压到罐壁边缘的缘故。

图3 油气空间底部的压强分布趋势图（罐底视角）

储罐底面压强的数值分布见表2。从侧面图中也可以看到渐变的压强值，压强从上往下变得越来越大（颜色从蓝绿色变为深红色），如图4 所示。

表2 储罐底面压强的数值分布

图4 油气空间侧面的压强趋势

油气空间的底部（罐底侧）和顶部（浮盘侧）的压强分布明显是有差异的。总体来说，底部的压强差更大，甚至出现了红色区域（压强较大处，从蓝色到红色，压强越来越大），也就是说，空气进入气相空间后，气体扩散到了储罐边缘，对罐底边缘处产生了较大的压力。在上述几张图中，深红色区域的压强达到了97.5 kPa。

从中得出结论，即油面升降对压强分布关系不大，甚至几乎不变。无论内部产生多少油气，无论液面多高，都是到达4.0 kPa时才吸入大气，所以在吸入的瞬间，压强分布几乎不变。

继续观察浮盘内部气体的流速图，可以更清晰地看到气体的流动方向和速度大小，如图5 所示。从图5 可以看到，浮盘内部的油气流动方向呈向心趋势，红色代表流速最大的区域；相比于压强图可得知，流速越大处，压强相对越小。

图5 浮盘内部混合气体流速趋势矢量图

以上的压强、气体流速矢量仿真，皆是油气浓度的表征方式。通过以上仿真，可以清晰地看到浮盘内部混合气体的状态情况。

3 油气空间浓度的风险分析

3.1 油气体积和压强关系

基于上述仿真结果，可以通过理想气体状态方程算出浮盘落底时吸入的最大的空气量（空气体积），方程如下：

式中：p为压强；V 为气体体积；n 为气体物质的量；R为理想气体常数（其中：R=8.314 J/（mol·K））；T 表示理想气体的热力学温度（T=273.15 ℃）。

仿真得到最大的压强值为97.5 kPa，仿真值与1个标准大气压近似吻合，所以仿真值可以参考。储罐内的原油完全排出后，油气空间的体积为9 043.2 m3。根据式（8）计算，得出原油完全排出后，浮盘下的混合气体总的物质的量为388 kmol。

进油之后，当油量达到刚刚托起浮盘时，可以计算出排放到浮盘外部的油气总量：已知气体的物质的量是不变的（因为油气的量n是定值），而气体全部排到浮盘外部，即变为1 个标准大气压，所以可以得出，排放到外面的混合油气总量的体积为8 703.97 m3（体积约为8 704 m3），物质的量为388 kmol。

如此庞大体积的混合油气一旦发生事故是非常危险的。

3.2 油气浓度和爆炸下限的分析

通过查阅资料，在25 ℃的条件下，原油（烷烃类）的挥发量（体积V≈8 704 m3）在4 h 时间趋于饱和最大值。而且，0.5 h 内烷烃挥发的体积百分数已经达到10.981%［13］。

已知混合气体爆炸下限公式［14］：

式中：L为可燃混合气体的爆炸极限；Vi为混合油气中各组分的体积分数；Li为混合油气中各个组分的爆炸下限值［14］，甲烷5.0%，乙烷3.0%，丙烷2.2%，异丁烷1.8%，正丁烷1.9%，异戊烷1.4%，正戊烷1.4%。

通过式（9）和以上数据，可以计算出外浮顶储罐浮盘内部的混合油气爆炸极限L 为19.04%。已知混合油气的爆炸下限为1.4%～2.1%［15］，可见，0.5 h内原油的有机物挥发浓度已经超过了发生爆炸的最低限度，因此会有爆炸的风险。

4 结语

本研究基于RNG k-ω 模型，首先采用ANSYS 仿真，对大型外浮顶储罐的浮盘落底、原油完全排出后的储罐油气空间进行油气分析，得出了压强分布规律和压强值，最大达到97.5 kPa，油气空间的体积达到9 043 m3。然后，基于浓度模型和爆炸下限计算方法，得出半小时内混合油气的爆炸极限达到了19.04%，远远高于爆炸下限，存在爆炸风险。如果此时遇到火花雷电等情况，就极容易发生爆炸事故。因此，在雷暴天气下，严禁储罐进出油操作。并且，在浮盘落底过程中，必须采用防静电措施，禁止人员上罐操作。