王良旺 陳國(guó)華
(華南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究所, 廣東 廣州 510640)
立式柱形油品儲(chǔ)罐充裝中靜電電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布*
王良旺 陳國(guó)華
(華南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究所, 廣東 廣州 510640)
考慮儲(chǔ)罐充裝過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度隨填充時(shí)間的變化特性,建立了充裝過(guò)程中立式柱形儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布計(jì)算模型.對(duì)比模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),驗(yàn)證了模型的有效性.將該模型用于分析無(wú)輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn):3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)的空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)均隨油品填充率先增加后降低;底部輸入管道對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)分布的影響較小,中間輸入鶴管可以顯著降低儲(chǔ)罐內(nèi)的靜電電勢(shì);采用中間鶴管輸入時(shí),保持油品流量恒定,空間電勢(shì)最大值隨鶴管直徑增大而減小,流速恒定時(shí)空間電勢(shì)最大值則隨鶴管直徑增大而增大.研究結(jié)果能夠?yàn)閮?chǔ)罐充裝過(guò)程中輸送條件、輸送參數(shù)的選取提供指導(dǎo),以降低充裝過(guò)程中的靜電風(fēng)險(xiǎn).
油品儲(chǔ)罐;空間電荷密度;靜電電勢(shì);動(dòng)態(tài)分布;模型
儲(chǔ)罐是石油產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)的重要設(shè)備,儲(chǔ)罐注油過(guò)程中,油品中的靜電電荷隨著油品流入儲(chǔ)罐,并在儲(chǔ)罐內(nèi)不斷積聚,罐內(nèi)靜電電勢(shì)可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)伏[1- 2],極易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故,甚至引發(fā)多米諾效應(yīng)[3- 4].儲(chǔ)罐事故中約5%是由靜電引起的[5],因此,研究?jī)?chǔ)罐充裝過(guò)程中的靜電電勢(shì)分布規(guī)律,指導(dǎo)靜電危害防控,對(duì)于減少靜電火災(zāi)爆炸事故具有重要意義.
儲(chǔ)罐內(nèi)液相空間、氣相空間靜電電勢(shì)分布分別滿足Poisson方程和Laplace方程,董巨輝等[6]利用貝塞爾函數(shù)、Williams等[7]利用格林公式、Micu等[8]利用分離變量法、王福眾[9]利用有限差分法建立了儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的數(shù)值計(jì)算模型,但在模型計(jì)算與分析時(shí)均假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷密度不隨填充時(shí)間發(fā)生變化.實(shí)際充裝過(guò)程中,油品中靜電電荷隨油品流入儲(chǔ)罐后,通過(guò)罐壁、罐底以及其他接地裝置逸散,使得儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷密度隨填充時(shí)間不斷變化[1- 2,10- 12].Matsubara等[1]、Udoetok等[13]通過(guò)分析儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷的產(chǎn)生、逸散、積聚規(guī)律,推導(dǎo)出了儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷密度隨填充時(shí)間變化的關(guān)系式,但并未見(jiàn)到變電荷密度時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)規(guī)律的相關(guān)理論研究.
輸入管道既影響流入儲(chǔ)罐內(nèi)液體攜帶的電荷量[14- 16],又通過(guò)輸送方式(采用底部管道輸入、采用中間鶴管輸入)影響儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)分布[17],但儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)計(jì)算模型建立時(shí)輸入管道的影響通常被忽略[6- 9].王菊芬等[17]將鶴管等效為與儲(chǔ)罐同軸的圓柱體,分析了填充率為50%時(shí)鶴管直徑對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)軸向分布的影響,但輸入管道對(duì)整個(gè)充裝過(guò)程罐內(nèi)靜電電勢(shì)的影響還有待進(jìn)一步研究.
文中充分考慮儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)隨填充時(shí)間變化的特性以及輸入管道對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的影響,建立了充裝過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布計(jì)算模型,提出了無(wú)輸入管道、采用底部管道輸入、采用中間鶴管輸入3種情況下模型求解的邊界條件.應(yīng)用該模型可以分析充裝過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以及管道輸送方式、管徑、液體性質(zhì)等對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的影響,為降低儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)、提升油品充裝過(guò)程安全性提供理論依據(jù).
應(yīng)用較多的油品儲(chǔ)罐是圓柱形立式儲(chǔ)罐,如圖1(a)所示,半徑為R1、高為H(H=H1+H2)的圓柱形立式儲(chǔ)罐內(nèi)液體高度為H1,氣相空間高度為H2,以儲(chǔ)罐底部圓心O為坐標(biāo)原點(diǎn),建立柱坐標(biāo)系(r,θ,z).文中在建模與計(jì)算的過(guò)程中忽略了對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)影響較小的附件(如液位計(jì)、旋梯等).假設(shè)充裝過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)液相空間靜電電荷均勻分布,且儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間無(wú)靜電電荷[6,8,17],則儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間電勢(shì)、液相空間電勢(shì)分別滿足Laplace方程和Poisson方程:
(1)
式中:φg是氣相空間電勢(shì),V;φl(shuí)是液相空間電勢(shì),V;ρ(t)是空間電荷密度,C/m3;ε=ε0εr,ε是液體介電常數(shù),ε0=8.854×10-12F/m,是真空介電常數(shù),εr是液體的相對(duì)介電常數(shù).
圖1 儲(chǔ)罐幾何模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometrical model for tanks
1.1 邊界條件
在進(jìn)行儲(chǔ)罐充裝時(shí),可以選擇從儲(chǔ)罐頂部通過(guò)中心鶴管進(jìn)行(見(jiàn)圖1(b)),鶴管與儲(chǔ)罐同軸,鶴管半徑為R2,鶴管出口端離儲(chǔ)罐底部距離為h1.也可以選擇從儲(chǔ)罐底部通過(guò)管道輸入(見(jiàn)圖1(c)),圖中管道的半徑為R2,管道長(zhǎng)度為R1,管道下端離儲(chǔ)罐底部的距離為h2.
(1)無(wú)輸入管道時(shí)(見(jiàn)圖1(a))
大型儲(chǔ)罐在運(yùn)行的過(guò)程中始終保持良好的接地狀態(tài),故儲(chǔ)罐壁和儲(chǔ)罐底部、頂部的電勢(shì)均為零,即
(2)
由于電勢(shì)和電勢(shì)梯度的連續(xù)性,在氣液界面處氣相空間、液相空間電勢(shì)值與電勢(shì)梯度值分別相等,即z=H1時(shí),有
(3)
(2)輸入管道位于儲(chǔ)罐中心位置時(shí)(見(jiàn)圖1(b))
當(dāng)液體從儲(chǔ)罐頂部中心位置通過(guò)鶴管輸入時(shí),鶴管的接地使得鶴管上的電勢(shì)為零.此時(shí)邊界條件為
r=R2,h1≤z≤H→φ=0
(4)
(3)輸入管道位于儲(chǔ)罐底部時(shí)(見(jiàn)圖1(c))
當(dāng)液體經(jīng)過(guò)儲(chǔ)罐底部的管道輸入時(shí),接地管道上的電勢(shì)為零,此時(shí)有
φ(r,θ,z)=0
(5)
其中,
1.2 空間電荷密度
Matsubara等[1]通過(guò)分析儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷的產(chǎn)生、逸散、積聚規(guī)律,建立了儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷守恒微分方程,求解方程得出填充時(shí)間t后儲(chǔ)罐內(nèi)的空間電荷密度為
(6)
(7)
式中:V0為t=0s時(shí)刻儲(chǔ)罐內(nèi)存在的液體體積,m3;v為液體在管道中的流動(dòng)速度,m/s.
當(dāng)管道足夠長(zhǎng)時(shí),液體到達(dá)出口之前,液體與管壁接觸處雙電層已經(jīng)完全形成,Schon通過(guò)大量的管道內(nèi)液體流動(dòng)起電實(shí)驗(yàn),總結(jié)出通過(guò)管道直徑、液體流速計(jì)算靜電雙電層完全形成的管道內(nèi)液體流動(dòng)靜電電流的經(jīng)驗(yàn)公式[18]:
Iin=β(vd)2
(8)
式中:β為比例常數(shù)(C·s/m4);d為管道的直徑(m),文中d=2R2.
將式(7)、(8)代入式(6),得
(9)
式(9)即為考慮管道直徑、管道內(nèi)液體流速、液體的逸散時(shí)間時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度隨填充時(shí)間變化的關(guān)系式.將式(9)代入式(1),并應(yīng)用邊界條件式(2)-(5),得到不考慮輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下罐內(nèi)靜電電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布計(jì)算模型.
2.1 模型的有效性驗(yàn)證
針對(duì)儲(chǔ)罐充裝過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)隨填充時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)比文中計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與Matsubara 等[1]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以驗(yàn)證模型的有效性.
Matsubara 等[1]的實(shí)驗(yàn)中使用的儲(chǔ)罐高度為4.6 m,儲(chǔ)罐直徑為5.8 m,通過(guò)管道輸送的油品為煤油,流量為0.9 m3/min,油品電導(dǎo)率為0.1~0.2 pS/m,對(duì)比計(jì)算時(shí)取電導(dǎo)率為0.17 pS/m,相對(duì)介電常數(shù)為2.空罐注油過(guò)程開(kāi)始階段罐內(nèi)油品的飛濺、碰撞以及不均勻分布等不便于實(shí)驗(yàn)測(cè)量,所以Matsubara 等[1]在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)已經(jīng)填充了25%體積的不帶電油品.實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)罐為底部管道注油,因此選用圖1(c)的幾何模型及式(1)-(3)、(5)進(jìn)行計(jì)算,得出儲(chǔ)罐充裝過(guò)程中液面最大電勢(shì)隨填充時(shí)間的變化規(guī)律,模型計(jì)算結(jié)果與Matsubara 等[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示.從圖中可以看出,模擬結(jié)果能較好地匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果,相對(duì)誤差小于7.8%.
圖2 液面最大電勢(shì)的模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
Fig.2 Comparison of maximum surface potential between calculation and experimental results
2.2 模型的應(yīng)用與分析
文中在進(jìn)行模型分析計(jì)算時(shí),液體為煤油,管道、儲(chǔ)罐以及煤油相關(guān)參數(shù)如表1所示(有特別說(shuō)明的除外),這些參數(shù)均來(lái)自實(shí)際的工藝過(guò)程.
表1 儲(chǔ)罐、管道、石油液體參數(shù)值Table 1 Parameter values of tank,pipeline and oil
2.2.1 電荷密度恒定時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的電勢(shì)分布
應(yīng)用式(1)及邊界條件式(2)-(5),設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度值為恒定值ρ=1.5×10-8C/m3,得出油品填充高度為10 m時(shí),無(wú)輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的三維分布,如圖3所示.3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)最大值和液面電勢(shì)最大值隨填充率的變化規(guī)律如圖4所示.圖4、5中,下標(biāo)1表示空間最大電勢(shì),2表示液面最大電勢(shì);w表示無(wú)輸入管道,m表示采用中間鶴管輸入,b表示采用底部管道輸入.
圖3 無(wú)輸入管道、采用鶴管輸入、采用底部管道輸入情況下儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)分布(ρ=1.5×10-8 C/m3,H1=10 m)
Fig.3 Spatial distribution of potential in tanks without pipeline,filling by middle crane tube and filling by bottom pipeline(ρ=1.5×10-8C/m3,H1=10 m)
圖4 電荷密度恒定時(shí)空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)隨填充率的變化
Fig.4 Change of maximum space potential,maximum surface potential with fill fraction at constant charge density
圖5 電荷密度變化時(shí)空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)隨填充率的變化
Fig.5 Change of maximum space potential,maximum surface potential with fill fraction at various charge density
從圖3可以看出,接地的中間鶴管可以顯著降低儲(chǔ)罐內(nèi)的靜電電勢(shì),底部輸入管道只對(duì)管道周?chē)撵o電電勢(shì)有降低作用,對(duì)整個(gè)空間的靜電電勢(shì)影響較小.
從圖4可以看出,開(kāi)始填充階段,3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)相差較小.隨著填充率的增加,無(wú)輸入管道和采用底部管道輸入時(shí),空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)均相差較??;采用中間鶴管輸入時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間最大電勢(shì)、液面最大電勢(shì)均小于無(wú)輸入管道和采用底部管道輸入情況,并且隨著填充率的增加,中間鶴管對(duì)電勢(shì)的降低作用越來(lái)越明顯.
從圖4還可以看出,隨著填充率的升高,儲(chǔ)罐內(nèi)空間最大電勢(shì)逐漸增加,但增加速率逐漸降低,最后趨于水平.液面最大電勢(shì)隨著填充率先增加后降低,在填充率為68%時(shí)達(dá)到最大值.
2.2.2 電荷密度變化時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的電勢(shì)分布
將式(9)代入式(1),得到儲(chǔ)罐內(nèi)電荷密度隨填充時(shí)間變化時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的空間電勢(shì)分布方程,應(yīng)用邊界條件式(2)-(5)求解方程,分析儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度隨填充時(shí)間變化時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)的分布規(guī)律.充裝過(guò)程開(kāi)始時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)初始液體體積為1 000 m3(初始填充率為20%).
(1)輸入管道對(duì)靜電電勢(shì)的影響
圖5為儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度隨填充時(shí)間變化時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間最大電勢(shì)與液面最大電勢(shì)隨填充率的變化圖.從圖5可以看出,隨著填充率的升高,采用中間鶴管輸入、底部管道輸入或無(wú)輸入管道3種情況下,儲(chǔ)罐內(nèi)空間最大電勢(shì)和液面最大電勢(shì)均先增加后降低.
對(duì)比圖5中采用底部管道輸入時(shí)氣液界面處最大電勢(shì)變化曲線與文獻(xiàn)[1- 2]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,液面電勢(shì)最大值均為先快速增加后降低,并且在增加填充20%~25%液體后達(dá)到最大值.圖4以及文獻(xiàn)[6,9]中假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷不隨填充時(shí)間變化,在填充率為70%左右達(dá)到液面電勢(shì)最大值.這說(shuō)明考慮儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷密度隨填充時(shí)間變化時(shí)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合.
圖6是填充時(shí)間分別為1 000、2 000、3 000、4 000 s時(shí),無(wú)輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下,儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)分布的剖面圖.從圖6中可以看出:中間輸入鶴管使得儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)分布呈現(xiàn)由罐壁到中間鶴管先增加后降低的趨勢(shì);底部輸入管道只影響管道附近的電勢(shì)分布.無(wú)輸入管道和采用底部管道輸入時(shí),液面最大電勢(shì)均在儲(chǔ)罐軸線上.
圖6 電荷密度變化時(shí)無(wú)輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)的電勢(shì)分布剖面圖
Fig.6 Cross-section views of potential in tanks without pipeline,with middle crane tube filling and with bottom pipeline filling at various charge density
(2)管道直徑對(duì)電勢(shì)的影響
由式(9)可知,管道的直徑直接影響儲(chǔ)罐的輸入電荷密度.由圖5可以看出,當(dāng)采用底部管道輸入時(shí),底部輸入管道對(duì)空間電勢(shì)的影響可以忽略,即底部輸入管道只通過(guò)影響儲(chǔ)罐的輸入電荷密度影響儲(chǔ)罐內(nèi)的空間電勢(shì);中間鶴管既影響儲(chǔ)罐的輸入電流,又通過(guò)接地影響儲(chǔ)罐內(nèi)的靜電電勢(shì)分布,因此,文中選擇中間鶴管輸入方式分析管道直徑對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的影響.
圖7是油品流量恒定為0.2 m3/s,鶴管直徑分別為0.2、0.3、0.4和0.5 m時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)最大值隨填充率的變化圖.從圖7可以看出,流量恒定時(shí),充裝相同的填充率,鶴管管徑越大儲(chǔ)罐內(nèi)的空間最大電勢(shì)值越??;但隨著鶴管管徑的增加,空間最大電勢(shì)的降低幅度逐漸變小.
圖7 流量恒定為0.2 m3/s時(shí)不同管徑下空間最大電勢(shì)隨填充率的變化
Fig.7 Maximum space potential variation versus fill fraction for different pipeline diameters at the flow rate of 0.2 m3/s
圖8是油品流速恒定為6 m/s,鶴管直徑分別為0.2、0.3、0.4和0.5 m時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)最大值隨液體填充率的變化圖.從圖8可以看出,流速恒定時(shí),充裝相同的填充率,鶴管管徑越大儲(chǔ)罐內(nèi)的空間最大電勢(shì)值越大.一方面由式(9)可知,鶴管管徑增加使得管道內(nèi)流動(dòng)電流增大,從而引起儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)的升高,另一方面鶴管管徑的增加使得儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)降低,由圖8可知,前者對(duì)電勢(shì)的增加作用要大于后者.
圖8 流速恒定為6 m/s時(shí)不同管徑下空間最大電勢(shì)隨填充率的變化
Fig.8 Maximum space potential variation versus fill fraction for different pipeline diameters at the flow velocity of 6 m/s
(1)文中考慮儲(chǔ)罐充裝過(guò)程儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電荷密度隨填充時(shí)間變化的特性,建立了儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì)動(dòng)態(tài)分布計(jì)算模型,應(yīng)用該模型能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算無(wú)輸入管道、采用中間鶴管輸入、采用底部管道輸入3種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)的動(dòng)態(tài)分布.
(2)底部輸入管道對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)影響較??;中間鶴管改變了儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)分布,可以顯著降低儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì);選擇中間鶴管輸入是降低儲(chǔ)罐充裝過(guò)程靜電風(fēng)險(xiǎn)的有效措施.
(3)考慮儲(chǔ)罐內(nèi)空間電荷密度隨填充時(shí)間的變化時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)空間電勢(shì)最大值、液面電勢(shì)最大值均隨油品填充率先快速增加后降低,在增加填充20%~25%儲(chǔ)罐容積的油品后達(dá)到最大值.
(4)采用中間鶴管輸入時(shí),保持油品流量恒定,空間電勢(shì)最大值隨鶴管管徑的增大而減??;保持油品流速恒定,空間電勢(shì)最大值隨鶴管管徑的增加而增大;為降低儲(chǔ)罐內(nèi)靜電電勢(shì),相同流量下應(yīng)選擇較大管徑,而相同流速時(shí)應(yīng)選擇較小管徑.
[1] MATSUBARA Y,MATSUSHIMA S,JONES T B.Charge accumulation in an oil tank during loading operations [J].Journal of Electrostatics,1997,40/41(1):191- 197.
[2] SUN K P,LIU Q Z,LI X W.Simulation test on charge density and surface potential in an oil tank during filling operation [J].Journal of Electrostatics,2009,67(2/3):340- 341.
[3] 蔣國(guó)輝,張曉明,閆春暉,等.國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐事故案例及儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)修改建議 [J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(6):633- 637. JIANG Guo-hui,ZHANG Xiao-ming,YAN Chun-hui.et al.Worldwide tank accidents and tank standards revision advices [J].Oil & Gas Storage and Transportations,2013,32(6):633- 637.
[4] 張虹,謝翔.油庫(kù)火災(zāi)爆炸事故原因分析及控制 [J].石油化工安全技術(shù),2006,22(4):21- 25. ZHANG Hong,XIE Xiang.Case analysis and control of fire explosion hazard in oil deport [J].Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2006,22(4):21- 25.
[5] CHANG J I,LIN C C.A study of storage tank accidents [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19(1):51- 59.
[6] 董巨輝,黃永華.低導(dǎo)電性油品及液氫流體在儲(chǔ)罐內(nèi)的靜電電位計(jì)算 [J].化工學(xué)報(bào),2014,65(S1):409- 414. DONG Ju-hui,HUANG Yong-hua.Calculation of electrostatic potential of low conductivity hydrocarbon products and liquid hydrogen in tanks [J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2014,65(S1):409- 414.
[7] WILLIAMS T J,JONES R T.Modelling the electrostatic ignition hazards associated with the cleaning of tanks containing flammable atmospheres [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2001,14(2):129- 133.
[8] MICU D D,MICU D.Electric field computation inside a rectangular petrol tank [J].Journal of Electrostatics,2013,71(3):332- 335.
[9] 王福眾.大型鋼制石油儲(chǔ)罐內(nèi)的靜電分布規(guī)律研究 [D].青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東),2010.
[10] WALMSLEY H L.The calculation of the electrostatic potentials that occur when tanks are filled with charged li-quids [J].Journal of Electrostatics,1991,26(3):201- 226.
[11] WALMSLEY H L.The electrostatic potentials generated by loading multiple batches of product into a road tanker compartment [J].Journal of Electrostatics,1996,38(3):177- 186.
[12] BRITTON L G.Avoiding static ignition hazards in che-mical operations [M].New York:AIChE,2000.
[13] UDOETOK E S,NGUYEN A N.Grounding resistance for control of static electricity ignition hazards [J].Journal of Electrostatics,2009,67(2/3):247- 250.
[14] GLOR M.Ignition source static electricity:incident investigation [J].Journal of Electrostatics,2009,67(2/3):242- 246.
[15] GLOR M.Hazards and problems associated with liquids [J].Journal of Electrostatics,2001,51/52(1):359- 365.
[16] HEARN G L.Electrostatic ignition hazards arising from fuel flow in plastic pipelines [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2002,15(2):105- 109.
[17] 王菊芬,蒲家寧,孟浩龍.鶴管對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)靜電場(chǎng)影響分析 [J].天然氣與石油,2006,24(6):5- 8. WANG Ju-fen,PU Jia-ning,MENG Hao-long.Analysis on the electrostatic behavior in a vessel with filling pipe [J].Natural Gas and Oil,2006,24(6):5- 8.
[18] BRITTON L G,SMITH J A.Static hazards of the VAST [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2012,25(2):309- 328.
Dynamic Distribution of Electrostatic Potential in Vertical Cylindrical Oil Tank During Filling
WANG Liang-wang CHEN Guo-hua
(Institute of Safety Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)
In this paper, first, by taking into consideration the variation of space charge density with the filling time in oil tanks in the filling process, a dynamic distribution model of electrostatic potential in vertical cylindrical oil tanks is established. Then, the effectiveness of the model is verified by comparing the results obtained by the model with the experimental ones in the literature. Finally, the proposed model is employed to analyze the dynamic distribution laws of electrostatic potential in three kinds of tanks respectively without filling pipeline, with middle crane tube filling and with bottom pipeline filling. The results show that (1) both the maximum spatial potential and the maximum oil-surface potential of the three above-mentioned tanks first increase and then decrease with the oil filling rate; (2) the bottom pipeline slightly affects the electrostatic potential distribution in tanks, while the middle crane tube significantly reduces the potential; and (3) with the diameter increase of the middle crane tube, the maximum spatial potential decreases at constant filling flux but increases at constant filling velocity. This research provides references for the selection of transportation conditions and parameters and helps to reduce the electrostatic risk du-ring the filling of oil into tanks.
oil tank; space charge density; electrostatic potential; dynamic distribution; model
2016- 05- 03
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21576102) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(21576102)
王良旺(1990-),男,博士生,主要從事工業(yè)安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究.E-mail:wanglw1990@163.com
1000- 565X(2017)06- 0008- 07
TE 88
10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.002