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摘要：随着油气资源储备的增加，石油化工企业步入大型化发展阶段，浮顶储罐成为原油主要的储存设施。与此同时，储罐无组织排放也带来了严重的环境问题和油品损耗。大型外浮顶储罐的无组织排放，大量挥发性有机物（VOCs）以油气的形式进入大气环境，造成油料数量减少、油品质量降低、潜在火灾隐患和环境污染等一系列问题。
关键词：外浮顶原油罐；二次密封；可燃气超标
前言
近年来，随着外浮顶储油罐不断朝大型化发展，由密封圈密封不严或失效导致的油气泄漏、起火爆炸事故逐年增加，不仅造成能源浪费，还会引起环境污染甚至人员伤亡。CHANG和LIN[1]对国内外529起油罐火灾事故进行统计表明，在雷击引起的浮顶油罐火灾事故中，因雷击密封圈引起的约占83%。因此，有必要对大型外浮顶储油罐密封圈油气扩散规律进行研究，以便正确预测油气分布规律、预估起火爆炸风险及范围，为外浮顶罐火灾事故的预防和救援提供理论支持。
1浮顶储罐
在现阶段使用的浮顶储罐方面，主要由装有盖板的钢壁圆筒所构成，而其中盖板系漂浮存储的液体表面，可以伴随着液面的上升而上升。而在液体表面被完全覆盖之后，仅仅就剩下罐顶以及管壁当中，存在着少量的空隙。因此，可以在未来的发展过程中，其罐顶上的密封垫，可以与罐壁进行有效接触，以此形成环状空隙。在罐顶升高或者下降的时候，其密封垫就可以进行快速滑动。而在漂浮灌顶，或者在密封垫的使用中，可以有效降低存储液体的蒸发量，避免损失。
2浮顶储罐面临的危害
在长期的使用过程中其浮盘在实际的运行过程中，会由于腐蚀的作用下，而出现腐蚀减薄、储油品温度发生变化、罐体部分变形，甚至还会出现一些浮盘上的附件，出现不同程度的损害，就会导致运行的故障问题。对于这种发生变形的浮盘而言，则在实际的运行中，由于浮力的不均匀，就会使得一边浸油较深，而另一边浸油线以及浮盘发生相应的倾斜，导致在浮盘的使用过程中，不断提升倾斜角度。而在浮盘与其受到的浮动力度，无法很好地抵消上升的阻力时，就会导致浮盘出现一定程度的卡阻现象。另一方面，有卡阻的出现，就会导致油品或从原本的密封圈当中，泄漏到其他的位置上，甚至发生沉盘的可能性。
3大涡模拟解法验证
大型外浮顶罐的罐容大且储存介质易燃易爆，难以通过现场试验获取强风作用下的密封圈油气扩散数据。浮顶油罐的油气扩散研究归根结底是确定风场绕流障碍物时对油气的裹挟、运移规律，因此基于HUBER试验，验证本文大涡模拟解法的准确性。根据HUBER等的风洞实验建立数值计算模型，数值计算模型与实验模型的尺寸比为1∶1（图1）。在计算域为26H×14H×7H（H为长方体建筑物的高度，0.25m）的流场中放置尺寸为H×H×2H的长方体建筑物（长边垂直于来流方向）。建筑物迎风面距流场上游进口5H，建筑物背风侧距流场下游出口20H，中心距流场两侧边界7H，建筑物顶部距流场顶部6H。紧贴建筑物后墙面有1个高为1.5H、直径为0.042H的烟囱，烟囱顶部垂直向上排放泄漏气体（甲烷和空气的混合物，甲烷体积分数为1%），气体泄漏速度为We=1.5u∞。流场进口自由来流对应的雷诺数为Re=6.4×104（基于H）。边界条件设置如下：流场进口采用速度进口，流场出口采用自由出流边界条件，流场两侧采用对称边界条件，流场顶部采用滑移边界条件，烟囱顶部设置速度入口边界条件，流场底部、建筑物表面和烟囱侧面均采用无滑移边界条件。
4大型外浮顶罐密封圈油气扩散
4.1计算模型采用验证后的气体扩散大涡模拟
为反映不同的泄漏情况，本文的数值模型将环形密封圈均匀分为4份，选用最易挥发的轻烃组分CH4作为泄漏物，对应设置4种泄漏位置。上风侧为-45°<θ<45°的红色区域；侧风向为45°<θ<135°的绿色区域和225°<θ<315°的黄色区域；下风侧为135°<θ<225°的蓝色区域；整个环向为0°<θ<360°的整个环形密封圈区域（θ为泄漏点与迎风子午线的夹角）。储罐蒸发损耗与油品性质、风速、所在地的大气压及密封形式等因素有关，现场数据不易获取。因此，本文将某油田5×104m3原油外浮顶罐的年油气损耗量折算为泄漏速度，设置泄漏区域的速度入口边界条件，以甲烷作为泄漏介质，假设其以u=0.03u∞的速度沿竖直方向从泄漏口逸出。对于现场实测数据已知的情况，可将实测泄漏速度与油气组分代入，采用与本文相同计算流程求解。来流雷诺数固定在Re=1.64×106（基于储罐直径D），计算液位h=25%H*、50%H*、75%H*、100%H*和泄漏位置为上风侧、侧风向、下风侧和整个环向等共16种工况。无量纲时间步长Δt*=Δt×u∞/D=0.0375，待CH4浓度波动稳定后，将t*=30~70的CH4体积分数进行时均统计。
4.2环向油气浓度分布
不同情况下密封圈上方2.5%H*高度处的CH4体积分数分布。当油气从上风侧泄漏时，甲烷浓度沿环向缓慢升高，达到峰值后迅速减小；随液位升高，浓度峰值沿环向后移，但泄漏扩散范围变化不大。当油气从侧风向泄漏时，甲烷浓度沿两端逐渐减小，且45°<θ<135°范围内的上风侧甲烷浓度略高于下风侧。液位高度为h=25%H*和h=50%H*时，在泄漏口上风侧0°<θ<45°范围内充满了较低浓度的甲烷，而液位高度为h=75%H*和h=100%H*时上风侧的甲烷浓度几乎为0。说明低液位时泄漏气体在浮盘上方空间的扩散更显著。当油气从下风侧泄漏时，泄漏的甲烷聚集在泄漏口附近，不会向上游扩散；随液位升高，浓度零值沿环向略有前移。当油气从整个环向泄漏时，液位较低时，上风侧甲烷浓度高于下风侧，浓度最高值位于θ=45°附近；满液位时，甲烷气体沿整个环向分布均匀。
5结论
（1）当液位较低时，气流在储罐浮盘上方空腔内形成大尺度旋涡，在旋涡的输运作用下，泄漏油气从下风侧向上风侧扩散，上风侧油气浓度高于下风侧；随着液位升高，浮盘上方空腔内大尺度旋涡分裂为小尺度旋涡，输运作用降低，油气聚集在泄漏口附近。
（2）当油气沿整个环向密封圈均匀泄漏时，油气浓度最高值位于迎风面左右两侧45°附近，应及时维护和检修这一区域的可燃液体监测装置。
（3）随着液位升高，泄漏油气在浮盘上的环向扩散作用减弱，主要聚集在泄漏口附近，可燃区减小；满液位时，浮盘只有在靠近迎风面的部分区域被旋涡覆盖，同时气流将部分泄漏油气带离浮盘，可燃区达到最低值。
（4）当油气分别从上风侧、侧风向和下风侧泄漏时，低液位储罐的可燃区范围由大到小依次为下风侧、侧风向、上风侧，满液位储罐的可燃区范围由大到小依次为侧风向、上风侧、下风侧，低液位储罐的可燃区范围比高液位储罐高1.3~1.7倍。
参考文献：
[1]董振龙，王赫婧.储罐VOCs排放分析及减排策略[J].环境影响评价，2018，40（6）：16-19.
[2]赵静，张其琛.浮顶罐一二次密封之间油气浓度超标问题分析[J].应用科技，2015（11）：71.
[3]石油储罐附件第5部分：二次密封装置：SY／T0511.5—2010[S]