近年来，为了预防大型浮顶油罐在储运过程中可能因雷击、静电、着火引发的火灾爆炸事故[1-4]，国内已有100多座大型浮顶油罐安装了大型石油储罐主动防护系统，该系统应用在线气体分析系统与主动惰化保护系统相结合的闭环控制方式对外浮顶油罐一、二密封装置间的环形区域进行主动防护[5-9]。大型浮顶油罐安装该系统后，其分析检测数据有效，主动防护效果显著，较好地解决了大型浮顶油罐安全防护的难题[7-9]。但是，由于该系统在主动保护过程中会往油罐密封圈内注入较多氮气，考虑到密封圈可能存在密封不良等因素造成氮气从二次密封溢出，有可能会对浮顶上操作人员的人身安全造成一定威胁[10]。为此，有必要对大型石油储罐主动防护系统在应用过程中的氮气溢出扩散进行分析和评价。
常见的有害气体扩散模型有高斯模型、重气云扩散模型等。高斯模型常用于描述危险物质泄漏形成的非重气云扩散行为[11]。氮气密度稍小于空气，在主动保护过程中会连续从二次密封溢出，溢出后不会与外界发生化学反应，不会被油罐吸取，自身也不会产生解析现象；浮顶罐内部空间的环境条件相对变化较小。因此，对氮气泄漏扩散分析适合采用高斯扩散模型。
为了计算氮气溢出影响范围内某一点的质量浓度，首先以氮气初始溢出中心在油罐浮顶面的投影点O为原点建立如图 1所示的空间坐标系，X轴沿油罐径向方向水平延伸，Y 轴沿油罐罐壁切线方向延伸且在水平面上，Z轴垂直向上延伸[12]。
设氮气溢出的计算高度为H，主风向为沿油罐径向方向，则空间坐标系中的某一点(x、y、z)处的氮气质量浓度计算如式(1)[13]。
式中：c(x、y、z、H)为坐标内某点氮气的质量浓度，kg/m3；Q为溢出源强, kg/s；V为平均风速, m/s；σx、σy、σz为x、y、z方向的蔓延系数；H为计算高度, m, 等于初始溢出高度与提升高度之和，即：H=H0+ΔH；H0为初始溢出高度，m；ΔH为提升高度, m。
氮气溢出主要发生在二次密封处，从最不利原则考虑，假设二次密封处有一段弧长为10 m、缝隙宽度为10 mm的狭长缝隙，溢出后氮气主要是往两边扩散，少量会往中间扩散，如图 2所示。
以10×104 m3油罐为例，油罐直径80 m，油罐在安装大型石油储罐主动安全防护系统后，油罐一、二密封装置内环形空间沿圆周等分均布设置32个Pt05型专用喷头，其额定流量为4.5 m3/h(1.25 L/s)。因此，在10 m长的溢出段上安装有2个喷头，从最不利原则考虑，注氮保护时，与溢出段两端相邻的喷头气体也从此处溢出，即：共有4个喷头的氮气从此段溢出至外界。
注氮保护时的氮气溢出源强计算如式(2)。
式中：Q为溢出源强, kg/s；n为喷头数量，个；q为喷头额定流量，L/s；ρ为氮气密度，1.16×10-3 kg/L。代入以上数据，即Q =4×1.25×1.16×10-3=5.8×10-3 kg/s。
蔓延参数是影响高斯扩散模型分析结果的主要参数, 而蔓延参数则直接受大气稳定度的影响。通常，将大气稳定度根据气象环境条件分为6个等级(见表 1)[11]。在选取了大气稳定度后，再按表 2选择各方向上的蔓延参数。
大型石油储罐的浮顶上部空间的形状为盆形，且氮气是罐壁的二次密封溢出，受环境风速影响较小，因此在模拟分析时假设风速为1 m/s。大气稳定度越高，溢出的氮气越不易蔓延，造成的事故后果可能会更严重。因此，在模拟分析时假设大气稳定度为B级。
在氮气溢出后，最终会形成水平云状物，氮气溢出计算高度是指云羽中心的离地高度。在大多数情况下, 氮气溢出计算高度会大于初始溢出高度，为初始溢出高度与提升高度之和。而提升高度会受到诸多因素的干扰，主要包括：扩散气体的初始速度和方向、初始温度、泄漏口直径、环境风速及风速随高度的变化率、环境温度以及大气温度[12]。本研究采用Wilson管道破裂泄漏经验公式计算提升高度，如式(3)。
式中：ΔH为提升高度，m；d为泄漏截面当量直径，m；Vs为溢出气体初始速度，m/s；u为环境风速，m/s。
根据泄漏截面10 m×0.01 m换算成等面积的圆形截面后取d= 0.36 m，按4只喷头喷出的氮气全部从泄漏截面通过计算后取Vs =0.05 m/s，环境风速取u=1 m/s，计算得到提升高度ΔH=0.043 2 m。
取初始溢出高度H0(即二次密封挡板与罐壁接触处距浮顶上表面的距离)=0.8 m；溢出计算高度H=H0+ΔH=0.804 3 m。
根据式(1)，利用Matlab软件模拟氮气溢出扩散后质量浓度分布图，如图 3所示。
图 3中横坐标、纵坐标表示氮气到测量点的距离，涂色部分表示氮气质量浓度。
通过图 3的仿真分析可知，在最不利原则下，泄漏源中心处的氮气质量浓度最高(975.16 g/m3)；在泄漏源两端扩散过程中，氮气质量浓度快速降低；在泄漏源两端横向距离10 m和径向距离1 m的区域外几乎无氮气聚集。
据美国职业安全与卫生署(OSHA)相关资料，空气中氧气含量对人体影响见表 3[14]。氮气溢出后对人体的影响可按表 3分为4个区域(见图 4)，即：安全区(氧气体积分数≥19.5%)、吸入反应区(损害判断力，氧气体积分数为19.5%~17%)、致伤区(缺氧、肌肉受损、呼吸紊乱，氧气体积分数为17%~12%)和致死区(重伤或死亡，氧气体积分数＜10%); 其氮气质量浓度的极限判别值分别为：安全区为≤922 g/m3、吸入反应区为≤963 g/m3、致伤区为≤1 032 g/m3、致死区为≤1 079 g/m3。
根据图 3的仿真分析结果，对照图 4氮气溢出扩散影响区，可知大型石油储罐主动防护系统在主动惰化保护过程中不存在致伤区域和致死区域，仅在泄漏源两端横向距离10 m和径向距离1 m内存在吸入反应区，而其他区域对人体几乎无影响。
为了更真实地验证大型石油储罐主动防护系统在正常工作状态下的氮气溢出扩散情况，在油气消防四川省重点实验室进行了实体模型惰化保护试验，以观察在最不利扩散状态下二次密封外部空间氧气含量的变化以及氮气的扩散情况。
试验装置按照10×104 m3外浮顶石油储罐周长的1/12段制作, 弧长为22 m，模型的一、二次密封空间与真实油罐同结构、同尺寸(见图 5)，实体模型的一、二次密封空间安装了4个Pt05型专用喷头和3个样气分析探头。
采用大型石油储罐主动防护系统对整个实体模型进行手动惰化保护，取弧长4 m的试验段营造成最不利条件，即：在二次密封外的空间设置了密封膜，以减小空气流动对扩散的影响，在二次密封上部距浮顶高度1.7 m处设置了氮气分析探头和氧气分析探头(见图 6)。采用大型石油储罐主动防护系统上的气体分析仪检测一、二次密封空间内氧气含量，采用实验段密封膜外部的气体分析仪测试氮气含量和氧气含量。当密封空间内的氧气体积分数在20%以上时手动启动注氮，当氧气体积分数为8%时，停止注氮，同时记录各气体含量及注入氮气的累积流量。
试验过程中，密封圈内部及外部的气体含量见表 4。
通过表 4数据可看出，当密封空间内氧气体积分数为8%时，密封泄漏源外的氧气体积分数最低为20%。停止注氮后，氮气体积分数为78%~79%，无明显积聚现象。通过实验发现，在大型石油储罐主动防护系统实际工作状态下，氮气的泄漏强度远小于仿真分析时的泄漏强度，对泄漏源附近的人体安全不会造成影响。
大型石油储罐在增设了主动防护系统后，一些使用单位对主动防护过程中氮气及油气溢出的安全性仍存在担忧。大连港油品码头公司T50和T51油罐已运行多年，一次密封结构为机械密封，罐内储存了轻质原油，经主动防护系统在线检测到密封圈内的油气含量一直高于100%LEL(爆炸下限体积分数)。为消除隐患，该公司组织了气体溢出测试验证工作。
在被测试储罐上选取6个气体溢出情况较为明显的缝隙作为测试区域，以缝隙中心为第1个测试点，以离第1测试点约0.3 m，等距依次选取第2、3、4、5测试点(见图 7)。启动系统进行手动注氮，检测人员在浮顶上采用手持式气体检测仪依次测量各点氧气含量和可燃气体含量，并记录该点数值(见表 5)，测试完毕后再停止注氮。
各点氧气与可燃气体含量的测试结果见表 5。
通过表 5可看出，氮气及可燃气体在距泄漏中心0.3 m范围外无集聚；泄漏点中心处溢出的可燃气体含量均低于10%LEL，无火灾爆炸危险；泄漏点中心处的氧气体积分数为16.1%，除极端情况外，不会导致人体致伤。
采用仿真模拟分析、实体模型试验和现场实罐测试3种方法对大型石油储罐主动防护系统氮气的溢出扩散进行了分析和测试，并对其安全风险进行了评价。
通过Matlab软件对大量氮气溢出扩散进行了定量分析，结果表明该系统不会给浮顶油罐带来致伤区域和致死区域，可能会存在部分人体吸入反应区域，安全风险到达可以接受的程度。
通过实体模型试验测试了在最不利扩散状态下的氮气溢出后对临近区域的氧气含量影响，验证了在大型石油储罐主动防护系统工作时，氮气的泄漏强度远小于仿真分析时的泄漏强度，对泄漏源附近的人体安全不会造成影响。
现场实罐测试结果表明，在正常工作状态下，距泄漏中心0.3 m范围外无氮气和可燃气体集聚现象。
多种分析结果表明，大型石油储罐主动防护系统在采用氮气进行主动防护过程中，不会使储罐产生新的危险区域。由于该系统采用了在线气体分析系统与主动惰化保护系统相结合的闭环控制方式，只是在检测到密封圈内部的氧气和可燃气体混合物处于爆炸临界状态时才启动注氮保护，当爆炸临界状态转换为安全状态后就停止注氮保护，注氮持续时间短。因此，不会导致储罐浮顶氮气或可燃气体聚集现象。
大型石油储罐主动防护系统除了通过在线气体分析对氮气注入流量进行闭环控制外，还设置了氮气注入时间、氮气流量及氮气压力的实时监测与控制，确保密封圈内可燃气体的含量处于爆炸下限以下。如果出现氮气注入流量失控的极端情况，一方面密封圈内可燃气体和氧气将会被迅速置换，消除了储罐密封圈火灾爆炸的风险；另一方面系统会发出现场声光报警信号和远程报警信号，操作人员可以分别在浮盘上、油罐顶平台、防护装置内部、远程控制中心等多个位置点进行手动紧急切断，多种应急处置方式确保了系统注氮区域操作人员的人身安全。
大型石油储罐主动防护系统创建了外浮顶油罐安全运行的新模式，将传统的事后灭火抢险转换为事前主动预防，填补了油气防火抑爆技术领域的重要空白, 先进的技术手段保证了系统的实用性和安全性。
2018, Vol. 47 Issue (3): 108-114
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