油品內(nèi)電荷注入試驗研究*

李義鵬，劉全楨，高 鑫

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100； 2.化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266100)

0 引言

管線油品輸送過程中，不可避免會有靜電的產(chǎn)生[1]，在油品裝卸過程中，經(jīng)常引發(fā)靜電燃爆事故[2-4]。企業(yè)為降低管輸油品靜電風險，一般采用管道接地、降低油品流速等措施，但是影響油品裝卸過程靜電起電的因素很多，還包括油品電導率、油品含雜質(zhì)情況、管道管徑、管道材質(zhì)、油品裝卸方式、環(huán)境溫濕度等[5]。單純的只控制油品流速，并不能從根本上杜絕油品靜電事故的發(fā)生[6]。目前，油品靜電在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成熟，該技術(shù)能實時監(jiān)測管線中油品的靜電電荷密度[7-8]，當電荷密度超過閾值時，可采取切斷輸油的方式來預(yù)防靜電事故的發(fā)生；但此種方式一定程度上影響了輸油的正常操作，如果監(jiān)測到油品靜電超過閾值時能采取措施消除管線中的油品靜電，將會進一步確保輸油操作的安全性與連續(xù)性。

目前，石化企業(yè)在用的管線油品靜電消除器是無源、自感應(yīng)式消除器[9]，其原理決定了其只能消除粗管線內(nèi)油品的靜電。由于石化企業(yè)用的許多管道、特別是成品油管道，其直徑小于100 mm，所以傳統(tǒng)的管線油品靜電消除器起不到靜電消除的作用。為解決以上問題，本文通過理論分析及試驗研究，對有源油品靜電消除技術(shù)進行了探索。

1 管線油品靜電消除理論研究

相關(guān)標準提出：當不能以控制流速等方法來減少靜電積聚時，可以在管道的末端裝設(shè)液體靜電消除器[10]。這里的液體靜電消除器指的是無源油品靜電消除器。

1.1 無源管線油品靜電消除機理

無源管線油品靜電消除器利用放電針在油品中感應(yīng)出與油流極性相反的電荷，進而實現(xiàn)消除靜電的目的。其主要結(jié)構(gòu)包括金屬法蘭、金屬外殼、聚合物內(nèi)襯層、放電針、固定螺栓等[11]。其中，金屬法蘭用來跟輸油管道連接與固定，金屬外殼主要起到保護與接地的作用，兩者都采用不銹鋼材料制成。聚合物內(nèi)襯層由聚四氟乙烯做成，內(nèi)襯層的主要作用是減小靜電消除器對地電容。根據(jù)電容、電量與電壓的關(guān)系：

Q=CU

(1)

式中：C為對地電容；Q為消除器管道包裹的電荷量；U為消除器內(nèi)油品的對地電位。

結(jié)合式(1)，由于進入內(nèi)襯層后靜電消除器管體內(nèi)的帶電量不變，對地電容C下降，則聚合物內(nèi)襯層中的電壓U上升，如此一來，靜電消除器內(nèi)部形成1個局部高壓段，使得油品電壓更容易達到放電針的起暈電壓，方便進行靜電消除。

但其存在如下幾個缺陷[12-13]：

1)絕緣套管的厚度較大，其厚度一般不應(yīng)小于25 mm；

2)主要消除高帶電量的油品，消電效率低、消除效果差；

3)對針尖要求高，消電器使用時間越長,針尖磨損越嚴重，消電效果越差；

4)主要消除較大管徑(200 mm以上)中的油品靜電。

油庫及成品油輸送所使用的管道，其直徑一般不超過200 mm，傳統(tǒng)的靜電消除器很難起到靜電消除的效果。為解決細管道內(nèi)油品靜電問題，就需要開發(fā)有源油品靜電消除器。

1.2 有源管線油品靜電消除機理

在管道內(nèi)安裝1個電極，如果一段時間內(nèi)電極上的注入電荷與管線中油品產(chǎn)生的電荷完全相等、極性相反，那么理論上通過有源的方式可以完全消除管線中的油品靜電。假設(shè)管道中油品的電荷密度為ρ，μC/m3；管道中油品流量為L，m3/s；有源注入的電流為I，A；電荷量為Q，C。則經(jīng)過一段時間t，s；管道中油品產(chǎn)生的電荷Q1可用下列公式計算：

Q1=ρLt

(2)

相同時間內(nèi)，注入的電荷Q2可用下列公式計算：

Q2=It

(3)

要完全消除油品靜電，那么應(yīng)該Q1=Q2，則

I=ρL

(4)

即注入電流等于油品的流量與油品電荷密度的乘積，可完全消除管道中的油品靜電。管道中油品的流量越大、油品電荷密度越高，需要的注入電流就越大。

對成品油罐車裝車而言，假設(shè)油品起電最大為30 μC/m3，管道的的最大流量為1 000 L/min，根據(jù)公式(4)，經(jīng)計算當電極的注入電流為500 nA，就可以完全消除管道中的油品靜電。對加油站加油而言，假設(shè)油品起電最大為30 μC/m3，管道的的最大流量為50 L/min，根據(jù)公式(4)，經(jīng)計算當電極的注入電流為25 nA，就可以完全消除管道中的油品靜電。

從以上分析可以看出，理論上有源靜電消除技術(shù)可以完全消除細管徑管道中的油品靜電，但其使用過程中需要解決以下2個問題：

1)注入電流要平穩(wěn)，避免出現(xiàn)反向充電；

2)有源靜電消除器的動作應(yīng)與油品帶電量的監(jiān)測連鎖。

無源靜電消除是通過放電針的電暈放電來消除油品靜電的，油中的起暈電壓較高，一般超過14 kV[14]。電暈放電其電流不但具有一定隨機性，且其數(shù)量級可以達到mA級[15]，而低流量油品的有源靜電消除，其電流的數(shù)量級只是μA甚至nA級別，因此，有源靜電消除過程中，放電電極不需要電暈放電，應(yīng)研究低電壓時放電電極的電流注入特性。

2 油品內(nèi)電流注入試驗

檢測電極上的注入電流，最直觀簡單的方法是使用電流表，但根據(jù)上文的分析，注入電流的數(shù)值很小，使用電流表測量不但要考慮信號干擾，還需考慮檢測后的電流進入油品前是否存在泄漏。為解決以上問題，選擇使用法拉第筒開展試驗研究，法拉第筒內(nèi)盛有試驗油品，電荷量直接反映油品內(nèi)的電荷注入情況，而電荷量除以時間就是注入電流。

2.1 試驗系統(tǒng)的組成

建立如圖1所示的試驗裝置，主要包括：Teslaman TD2202型50 kV直流高壓源， ME284數(shù)字電荷量表，Tektronix TPS 2024B型示波器，試驗電極、試驗油品等。試驗過程如下：在法拉第筒中裝入試驗油品，將電極深入油品內(nèi)，給電極施加電壓，用數(shù)字電荷量表測量電荷量的變化情況。數(shù)字電荷量表將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化成0～2 V的電壓信號，輸出給示波器，根據(jù)電荷量表的量程，通過示波器圖形可以計算出實際檢測的電荷量值。

為確保安全，采用燃爆性差、電導率低的白油開展試驗，其電導率為1 pS/m。

圖1 試驗原理示意Fig.1 Test schematic diagram

首先使用與無源靜電消除器放電針類似的針狀電極，其針尖的曲率半徑為0.2 mm，當施加電壓為-7 kV時，出現(xiàn)如圖2所示的波形。

圖2 針狀電極電荷量變化曲線Fig.2 Charge variation curve of needle electrode

從電荷量的變化來看，注入電流是非線性的，不滿足有源靜電消除注入電流應(yīng)平穩(wěn)的要求。所以實際試驗選擇了直徑為4 mm、無尖端且表面光滑的柱狀電極來開展，并將電壓控制在8 kV以下。

2.2 法拉第筒中有油及無油的試驗對比研究

對法拉第筒中有油及無油2種情況下電荷量變化情況進行對比。試驗結(jié)果見圖3，其中，圖3(a)是法拉第筒中無油時的波形，施加電壓為4 kV；圖3(b)是在法拉第筒中放入白油，深度80 mm，電極深入油面40 mm，施加電壓4 kV。

圖3 有油及無油的電荷量變化曲線Fig.3 Charge variation curve with oil or without oil

空筒無油時，電荷量不變，此時電荷量的數(shù)值主要由感應(yīng)電壓引起；法拉第筒中有白油時，電荷量隨時間持續(xù)均勻增大，說明電極將電荷注入到油品中，其電荷的極性與電極極性相同。根據(jù)這一特性，認為可以用此方式向油品中注入電荷，以消除油品中原有的電荷。而電荷量隨時間是近似均勻增大，也就是電極上產(chǎn)生了恒定電流。

2.3 電壓對注入電流的影響試驗研究

電極在油內(nèi)的深度為20 mm不變，在電極上，使用電壓源分別施加正負1，2，3，4，5，6，7和8 kV的電壓，根據(jù)電荷量的變化情況，計算注入電流的大小。試驗結(jié)果表明，在施加以上電壓后，電荷量皆均勻變化，表明注入電流都是恒定的。正負8 kV的試驗波形見圖4，其中圖4(a)施加電壓為8 kV，圖4(b)施加電壓為-8 kV。

根據(jù)示波器波形，計算出的電流數(shù)據(jù)，將負極性的數(shù)據(jù)反極性處理后與正極性的數(shù)據(jù)繪制在一張圖里，見圖5。

圖5 電壓對注入電流的影響Fig.5 The effect of voltage on injection current

圖5顯示，注入電流隨電壓的增大而增大，注入電流與電壓是近似成線性關(guān)系，而最大的注入電流達到了1.12 nA。

2.4 電極深度對注入電流的影響試驗研究

在法拉第筒內(nèi)放入深度為80 mm的白油，改變電極在油中的深度，以改變電極在油中的面積，每個位置施加正負4 kV電壓各一次，測量電荷量隨時間的變化情況。試驗發(fā)現(xiàn)當電極深度大于40 mm時，電極距離筒底的距離比筒壁近，注入電流不隨時間均勻增大，為方便進行試驗對比，我們對電極深度小于等于40 mm 的數(shù)據(jù)進行了記錄。根據(jù)示波器波形，計算出的電流數(shù)據(jù)，將負極性的數(shù)據(jù)反極性處理后與正極性的數(shù)據(jù)繪制在一張圖里，見圖6。

圖6 電極深度對注入電流的影響Fig.6 The effect of electrode depth on injection current

從圖6中可以看出，注入電流隨電極的深度增大而增大，注入電流與電極的深度近似成線性關(guān)系，即注入電流與電極的面積是近似線性關(guān)系。

2.5 油品有源靜電消除可行性分析

試驗中檢測到的最大注入電流為1.12 nA，根據(jù)試驗結(jié)果，增加施加電壓或增加電極表面積可以增大注入電流，并最終可能實現(xiàn)靜電消除的目的。

3 結(jié)論

1)在油品內(nèi)電極上施加電壓，可以將電荷注入到油品中，其電荷的極性與電極極性相同。

2)有源靜電消除應(yīng)選擇曲率半徑大的電極，并建議進行光滑處理，避免尖端的出現(xiàn)。

3)注入電流隨施加電壓的增大而增大，并近似成線性關(guān)系。注入電流隨電極表面積的增大而增大，并近似成線性關(guān)系。

4)試驗測試到的最大注入電流為1.12 nA，根據(jù)注入電流與施加電壓及電極表面積的關(guān)系，注入電流可以更大。

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