加油站油槍口油氣蒸氣擴(kuò)散數(shù)值模擬研究*

李棲楠

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

截至2019年底，我國加油站數(shù)量達(dá)到10.66×10座。運(yùn)營過程中涉及的油氣排放過程主要包括卸油“大呼吸”、加油、滴漏和油罐“小呼吸”4個過程，其中，加油環(huán)節(jié)的油氣排放量在整個汽油儲、存、銷過程中占比較高。加油站排放的油氣導(dǎo)致環(huán)境破壞、資源浪費(fèi)，造成了安全隱患。根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部與國家市場監(jiān)督管理總局最新聯(lián)合發(fā)布的《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，各省市開展油氣污染排放治理工作迫在眉睫。目前，國內(nèi)外關(guān)于加油排放的研究主要集中在氣體分析、排放量、溫度等因素對油氣排放的影響、油氣回收工藝設(shè)計等方面。本文從油氣溢流方向與風(fēng)速方向的關(guān)系方面，對加油過程油槍口排放的油氣進(jìn)行了建模，通過數(shù)值模擬獲取油氣排放規(guī)律及特點，以期對解決加油站環(huán)保安全問題提供技術(shù)參考。

1 加油過程油槍口油氣擴(kuò)散模型

1.1 油氣溢流方向與風(fēng)向平行

1.1.1 模型假設(shè)

a) 假設(shè)加油口截面為直徑0.07 m的圓形。

b) 假設(shè)油氣排放處距離地面0.5 m。

c) 假設(shè)加油口汽油濃度為0.13 mol/L。

d) 假設(shè)模型計算區(qū)域為5 m×2 m×4 m的六面體，如圖1所示。

圖1 平行條件下幾何結(jié)構(gòu)與局部網(wǎng)格劃分示意

e) 假設(shè)計算區(qū)域YZ平面除加油口外的區(qū)域為進(jìn)風(fēng)口，計算區(qū)域的下表面為地面。

f) 油氣溢流速度為0.1 m/s。

1.1.2 邊界條件

模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對局部進(jìn)行了加密處理，總網(wǎng)格數(shù)約70 000。圖1中YZ面圓形區(qū)域為加油口，即油蒸氣入口，除加油口以外區(qū)域設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)速為2.5 m/s。

1.2 油氣溢流方向與風(fēng)向垂直

1.2.1 模型假設(shè)

a) 假設(shè)加油口截面為直徑0.07 m的圓形。

b) 假設(shè)油氣排放處距離地面0.5 m。

c) 假設(shè)加油口汽油濃度為0.13 mol/L。

d) 假設(shè)模型計算區(qū)域為5 m×2 m×2 m的六面體，如圖2所示。

圖2 垂直條件下幾何結(jié)構(gòu)與局部網(wǎng)格劃分示意

e) 假設(shè)計算區(qū)域XY平面除加油口外的區(qū)域為進(jìn)風(fēng)口，計算區(qū)域的下表面為地面。

f) 油氣溢流速度為0.2 m/s。

1.2.2 邊界條件

模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，局部進(jìn)行了加密處理，總網(wǎng)格數(shù)約480 000。圖2中XY面圓形區(qū)域為加油口，即油蒸氣入口，除加油口以外區(qū)域設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)速為2.5 m/s。

2 模型計算

2.1 模型穩(wěn)定性驗證

本文模型的計算時間步長為0.0074 s，通過讀取計算穩(wěn)定后時間差距較大的700和900時間步，發(fā)現(xiàn)沿

x

方向0.3，0.5，0.7 m界面的汽油蒸氣濃度分布差別極小，表明計算結(jié)果具有穩(wěn)定性。

2.2 油氣溢流方向與風(fēng)向平行

2.2.1 汽油蒸氣溢流速度對擴(kuò)散的影響

當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s，溫度為30 ℃，不同油氣溢流速度的汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度分布如圖3所示。

圖3 汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度分布云圖

由圖3可知，汽油蒸氣溢流速度的變化對水平方向的擴(kuò)散距離影響較大，對垂直方向擴(kuò)散的影響并不顯著。

沿加油口圓心所在軸線，溢流速度為0.1，1 m/s時，汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度分布如圖4所示。

圖4 汽油蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)沿x方向的分布曲線

由圖4可知，當(dāng)汽油蒸氣溢流速度分別為0.1，1 m/s時，汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度0.003 mol/L處對應(yīng)的水平方向距離分別為0.28，0.9 m，汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度大于0.027 mol/L處對應(yīng)的水平方向距離分別為0.045，0.23 m。

2.2.2 風(fēng)速對擴(kuò)散的影響

溫度為30 ℃，油氣溢流速度為0.1 m/s時，不同風(fēng)速下的汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度分布如圖5所示。

圖5 汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度分布云圖

由圖5可知，隨著水平風(fēng)速的增加，汽油蒸氣擴(kuò)散的距離逐漸減少。由于溢流口為常壓，風(fēng)力對溢流口有擠壓作用，導(dǎo)致溢流口周圍壓力顯著增加，不利于汽油蒸氣的水平擴(kuò)散。同時，風(fēng)速的增加導(dǎo)致汽油蒸氣在垂直方向的擴(kuò)散范圍減小。

2.3 油氣溢流方向與風(fēng)向垂直

溫度為30 ℃，油氣溢流速度為0.2 m/s時，不同風(fēng)速條件下汽油蒸氣在兩個截面的濃度分布云圖及其局部放大圖如圖6所示，濃度分布等值線圖如圖7、圖8所示。其中A面為汽油蒸氣溢流口所在的平面，B面為通過溢流口水平直徑所在直線且垂直于A面的截面。

圖6 風(fēng)速為2.5 m/s時汽油蒸氣濃度分布云圖

圖7 風(fēng)速為2.5 m/s時汽油蒸氣物質(zhì)的

由圖6可知，汽油在垂直風(fēng)向的作用下沿汽車壁面擴(kuò)散，擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)且遠(yuǎn)大于相同工況下水平風(fēng)向的擴(kuò)散距離。

結(jié)合圖7、圖8可知，風(fēng)速為2.5 m/s時，距離溢流口1.4 m處，汽油蒸氣的物質(zhì)的量濃度約為0.003 4 mol/L，風(fēng)速為4 m/s時，距離溢流口約1 m的位置，汽油蒸氣的物質(zhì)的量濃度為0.003 375 mol/L。對比可知，風(fēng)速越大，相同位置汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度越低，擴(kuò)散速度越快，濃度沿擴(kuò)散方向降低得越快。

圖8 風(fēng)速為4 m/s時汽油蒸氣物質(zhì)的

2.4 模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

在青島某加油站對5輛車進(jìn)行了實測，結(jié)果如下。

關(guān)閉二次油氣回收時，車輛1經(jīng)紅外攝像機(jī)檢測無油氣溢出；車輛2經(jīng)紅外攝像機(jī)檢測有大量油氣溢出，加油時距離油槍口處0，5，25 cm的油氣濃度分別為25%，5%，12.85%；車輛3經(jīng)紅外攝像機(jī)檢測有大量油氣溢出，距離油槍口處0，5，25 cm的油氣濃度分別為21%，13%，1.1%；車輛4經(jīng)紅外攝像機(jī)檢測有大量油氣溢出，加油時距離油槍口處0，25 cm的油氣濃度分別為26.5%，0.5%；車輛5經(jīng)紅外攝像機(jī)檢測有大量油氣溢出，加油時距離油槍口處0，5，25，30，40，50 cm的油氣濃度分別為31%，5%，1.4%，2.09%，0.13%。

將模擬所得的濃度值與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，在下風(fēng)向5 cm處，實測汽油蒸氣排放濃度約為5%，與模擬濃度相近，驗證了所建立模型的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

a) 油氣溢流方向與風(fēng)向平行時，風(fēng)速不變，汽油蒸氣溢流速度越快，水平方向距離加油口的距離越遠(yuǎn)，汽油蒸氣的物質(zhì)的量濃度越?。黄驼魵庖缌魉俣炔蛔?，水平風(fēng)速越快，汽油蒸氣的擴(kuò)散距離越短，在垂直方向的擴(kuò)散范圍越小。

b) 油氣溢流方向與風(fēng)向垂直時，汽油蒸氣溢流速度不變，風(fēng)速越大，相同位置汽油蒸氣物質(zhì)的量濃度越低，擴(kuò)散速度越快，濃度沿擴(kuò)散方向降低得越快。

c) 本文所建模型的模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果處于同一數(shù)量級，模型準(zhǔn)確性較高。模型模擬的結(jié)果可詳細(xì)顯示汽油蒸氣的分布情況，有力彌補(bǔ)了實際測量中測量數(shù)據(jù)點單一的缺陷。