浮頂罐中央排水管泄漏油氣擴散激光檢測研究

李 棟，郭 曦，王 迪,，馬鵬博，孫偉棟，王明吉

（1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3.中國石化管道儲運有限公司，江蘇 徐州 221008）

引言

中央排水管是大型浮頂罐必需的排水裝置，其有效防止浮頂雨雪堆積，但由于儲液腐蝕、儲罐沉降、受力不均等原因?qū)е缕淦茡p發(fā)生油品微泄漏，其泄漏通常難以察覺，若不及時發(fā)現(xiàn)則將導(dǎo)致環(huán)境污染，甚至引發(fā)燃爆事故[1-2]。因此，開展中央排水管泄漏油品擴散研究對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和安全預(yù)警措施制定具有重要工程意義。

目前，關(guān)于浮頂罐中央排水管油氣泄漏的相關(guān)研究較少，而對輸油輸氣管道及儲罐泄漏的研究較多[3-5]。中央排水管泄漏油氣擴散不同于現(xiàn)有管道及儲罐泄漏研究，其需要考慮半封閉空間內(nèi)多組分氣體擴散過程。謝飛等人采用FLACS軟件對浮頂罐密封圈油氣泄漏狀態(tài)進行分析，建議在容易泄漏處安裝可燃氣體監(jiān)測裝置[6]。而中央排水管管徑較小，無法在泄漏口安裝氣體監(jiān)測裝置?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）不同于傳統(tǒng)的氣體檢測方法，具有檢測靈敏度高、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點，成為氣體泄漏安全監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點[7-10]。然而該技術(shù)是否適用于對浮頂罐中央排水管泄漏油氣濃度的檢測，目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。

基于以上研究成果，本文建立了浮頂罐中央排水管泄漏油氣擴散模型，以中央排水管出口監(jiān)測點的濃度為對象，模擬分析了泄漏位置對中央排水管泄漏油氣擴散的影響，并通過實驗驗證了中央排水管出口油氣泄漏激光檢測的可行性。

1 模型建立

1.1 中央排水管泄漏問題

圖1所示浮頂罐中央排水管出現(xiàn)破損點后，受壓力及重力影響罐內(nèi)儲液（通常為原油）從破損點流出。油品泄漏后中央排水管內(nèi)會聚集大量的輕烴組分（簡稱油氣）。當(dāng)排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，浮盤排水入口在中央排水管泄漏狀態(tài)下變成了油氣擴散出口，故出口處油氣濃度檢測結(jié)果可作為判斷中央排水管是否發(fā)生泄漏的重要依據(jù)。

圖1 浮頂罐中央排水管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of central drain pipe of floatingroof tank

1.2 數(shù)理模型

如圖2所示為中央排水管泄漏油氣擴散物理模型。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

原油揮發(fā)的油氣成分復(fù)雜，根據(jù)文獻[11]，揮發(fā)過程的油氣組分中丙烷、丁烷及戊烷所占體積分數(shù)較高，因此本文選用了丙烷、丁烷、戊烷的混合氣作為泄漏油氣。

中央排水管內(nèi)油氣泄漏擴散滿足以下方程[12]：

連續(xù)性方程

式中：ρ為油氣密度；u為油氣在中央排水管內(nèi)的流速。

動量守恒方程

式中：P為油氣微團上的壓力；μ為油氣動力黏度；τ為分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力；ρa為空氣密度。

能量守恒方程

式中：T為油氣溫度；σT、σc分別為油氣表面拉應(yīng)力和表面壓應(yīng)力；ω為各組分的質(zhì)量分數(shù)；cpv、cpa、cp分別為油氣定壓比熱容、空氣定壓比熱容、混合氣體定壓比熱容。

標準k-ε方程

式中：k、ε分別為湍動能和耗散率；μt為湍流黏度；Gk、Gb分別為由平均速度梯度和浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓湍流項中脈動擴張的貢獻；Sk、Sε為源項；C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。

組分運輸方程

1.3 邊界條件及模型求解

泄漏口采用速度入口邊界，泄漏速度為0.5 m/s，泄漏孔徑為5 mm；出口邊界采用壓力出口邊界條件，出口壓力采用標準大氣壓；其余均采用壁面邊界且無滑移?；趬毫η蠼馄鬟M行求解，壓力與速度耦合選用SIMPLE算法，除能量方程殘差收斂標準設(shè)定為10?6，其余均設(shè)為10?3，迭代時間步長設(shè)為0.1 s。

1.4 TDLAS技術(shù)濃度測量原理

根據(jù)比爾-朗伯定律，推導(dǎo)得出直接吸收光譜法待測油氣濃度表達式為[13]：

式中：C為待測油氣體積分數(shù)，%；A為油氣光譜吸光度；P為環(huán)境壓強，atm；S（T）為待測油氣在該波段的吸收譜線線強，僅與環(huán)境溫度有關(guān)，cm?2·atm?1；L為吸光光程，cm。

2 模型驗證

為驗證本文模型，與文獻[14]天然氣管道泄漏擴散模型進行了對比。文獻中二維模型尺寸為200 m×2 m，泄漏口為速度入口，泄漏速度為100 m/s，泄漏孔徑為10 mm。本文建立了與文獻中尺寸相同的模型，其余設(shè)置參考1.3節(jié)模擬條件。

如圖3所示，通過對比本文和文獻中模擬10 s的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氣體有著相似的形狀和擴散規(guī)律，說明本文模型及求解方法的正確性。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果分析

當(dāng)泄漏口在Leak1、Leak2、Leak3位置時（見圖2），報警時間分別為561.5 s、1 023.5 s、1 869.5 s（報警時間取泄漏初始時刻至監(jiān)測點a體積分數(shù)到達0.3%的時間[15]）。

通過模擬得到監(jiān)測點a、b、c、d、e、f濃度變化曲線（監(jiān)測點位置見圖2）。觀察圖4的油氣濃度變化曲線，發(fā)現(xiàn)雖然3幅圖的曲線變化規(guī)律明顯不同，但結(jié)合各監(jiān)測點的位置，依然可以找到相似的擴散規(guī)律：當(dāng)監(jiān)測點位于泄漏口同一側(cè)時，各監(jiān)測點的曲線斜率接近，而不同側(cè)的監(jiān)測點曲線斜率相差較大。因此可以通過分析管內(nèi)各點濃度變化曲線的斜率，大致分析出泄漏點的位置。

圖4 不同泄漏位置各監(jiān)測點濃度變化曲線Fig.4 Concentration change curves of each monitoring point at different leak locations

3.2 實驗研究

采用10%濃度的CH4代替成分復(fù)雜的油氣進行TDLAS系統(tǒng)監(jiān)測中央排水管出口濃度的可行性研究，實驗檢測原理如圖5所示。

圖5 激光檢測實驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser detection experimental system

圖6所示為本實驗系統(tǒng)的實物圖。本實驗在壓力為1 atm、溫度為20 ℃的室內(nèi)進行。具體操作如下：開啟系統(tǒng)所有設(shè)備，校準激光器和光電探測器位置，使數(shù)字示波器輸出信號為鋸齒波的形狀。關(guān)閉控制閥1并打開控制閥2，調(diào)節(jié)甲烷輸配控制器，設(shè)定流量為100 ml/min后打開氣瓶。CH4在一段時間后擴散至模擬管道外，當(dāng)看到數(shù)字示波器吸收峰穩(wěn)定后開始記錄20組波形數(shù)據(jù)。繼續(xù)將流量分別調(diào)為150 ml/min、200 ml/min，各測20組數(shù)據(jù)。

圖6 實驗系統(tǒng)圖Fig.6 Picture of experimental system

本文采用直接吸收光譜法進行濃度反演，將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入至計算機中進行篩選得到如圖7所示的CH4分子原始吸收譜線波形。通過對該原始信號進行S-G卷積平滑降噪處理以及Voigt線型函數(shù)擬合得到CH4光譜吸光度曲線積分面積A，特定環(huán)境溫度下吸收譜線線強S（T）可根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫查出，在環(huán)境壓強P和測量光程L已知的情況下，根據(jù)（8）式即可計算得到待測CH4體積分數(shù)。

圖7 原始吸收譜線波形Fig.7 Original absorption spectral-line waveform

圖8所示Voigt線型函數(shù)擬合殘差，可以看出Voigt線型函數(shù)的擬合殘差在±5%以內(nèi)，曲線擬合優(yōu)度為0.997 9。

圖8 Voigt線型函數(shù)擬合殘差Fig.8 Voigt linear function fitting residual

計算結(jié)果如圖9所示，圖中CH4的濃度出現(xiàn)了較大的波動，這是室內(nèi)空氣的擾動和氣體擴散的不確定性造成的結(jié)果。排水管出口CH4的濃度隨流量的增大而增大，原因是當(dāng)氣體流量較小時，氣體動能較小，運移至排水管出口時立即向周圍空氣中擴散，導(dǎo)致濃度較低。當(dāng)流量為200 ml/min時，個別實驗組CH4濃度高于10%，可能因為濃度在反演的過程中，平滑降噪、Voigt擬合等處理均會產(chǎn)生誤差，對反演結(jié)果造成影響。由此實驗說明，TDLAS技術(shù)可以用于油氣擴散檢測實驗，并具有適用于中央排水管泄漏油氣檢測的前景，但尚需進一步完善其具體測量方法和求解算法。

圖9 不同流量下CH4濃度反演結(jié)果Fig.9 Inversion results of CH4 concentration at different flow rates

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬分析了不同泄漏位置對油氣擴散特性的影響，找到了中央排水管內(nèi)各點濃度變化曲線的斜率與泄漏口間的規(guī)律性。開展了TDLAS技術(shù)檢測原理的激光檢測實驗，對排水管出口的CH4濃度進行連續(xù)監(jiān)測，驗證了浮頂罐中央排水管泄漏激光檢測的可行性，為中央排水管監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供了一定的參考價值。