加油站油罐清洗模拟及试验分析

程龙军

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

1 加油站储油罐清洗现状

加油站埋地储油罐主要存储汽油、柴油，沉淀性残渣较少，储罐容积以30m3居多，最大不超过50m3[1]，由于大部分油罐壁厚为5～7mm，所以可采用低压水射流系统作为加油站埋地储油罐机械清洗设备。目前国内加油站埋地储罐清洗正处于人工清洗向机械清洗过渡阶段，大部分省市的加油站开始应用机械清洗技术[2]。

加油站机械清洗技术主要采用低压水射流清洗。低压水射流清洗采用增压泵将新鲜水加压到0.6～1.6MPa，通过专用的水射流旋转喷头，喷射到油罐内壁，对油罐内壁上的油污垢进行冲击式三维旋转清洗，带有压力的喷射流体冲击沾附在内壁的污染物，污垢和油泥均被冲刷为容易抽取的溶液。同时利用真空抽水系统将罐内污水同步抽出，转移到清洗车污水箱内[3]。埋地储油罐内污水抽取干净后，完成油罐清洗作业。埋地储油罐清洗流程如图1所示。

图1 加油站清罐流程

加油站机械清洗技术关键在于水射流喷射技术，目前国内清罐公司直接购买国外喷头，对于罐内的清洗喷头孔径的大小、水压与清洗距离的关系研究和国外多种类型的喷头水射性能分析研究近乎空白[4]。因此，有必要对加油站埋地罐内的射流喷射进行模拟和国内外多种类型的喷头水射性能进行分析。

2 加油站清罐水射流模拟

油罐清洗的洁净度与射流的水压和水量大小有关，为了研究清洗喷头孔径的大小、水压与清洗距离的关系，对油罐清洗进行建模模拟计算，为清罐自动化参数控制提供数据支持。通过资料分析，喷嘴直径选择为6～10mm，清洗压力为0.6～1.6MPa[5]。

利用Fluent软件模拟油罐容积为50m3，喷嘴直径为6mm、入口压力为1.6MPa和喷嘴直径为10mm、入口压力为0.9MPa两种工况下，入口位置往里推进分别为1，2，3，4，5m时，水流喷射情况。

2.1 喷嘴直径6 mm、压力1.6 MPa模拟

模拟工况1：入口直径为6mm，入口压力为1.6MPa，相对大气压1.5MPa(计算过程中压强都是相对于大气压的压强)，出口为φ600人孔，入口位置往里推进距离分别有1，2，3，4，5m，如图2～图4网格图所示。

图2 入口推进工况示意

图3 工况示意(出口)

图4 工况示意(入口)

模拟计算结果(绿色代表水，红色代表空气)见图5。

图5 入口推进距离M为1 m,时间t为3.45 s时的水流体积分数情况

由模拟计算结果可以得出，入口位置推进1m，时间t为3.45s时的水流体积分数情况：入口处水射流平直，水流末端1m左右下降明显。

由图6可得到：入口推进1m时，水流在5m处的压降为0.08MPa，随后压力突然衰减，到7.5m处，压降为0.15MPa。可见这个工况下，水流直线性在前5m很好，压降很小。水流到7.5m处，压力依然能保持在1.35MPa。

图6 入口推进距离M为1 m,时间t为3.45 s时的水流总压衰减情况

由图7模拟计算结果可以得出，入口位置推进2，3，4，5m水流基本保持水平。因此入口向里推进2m，可以保证水流冲洗到油罐最远处。

由图8入口推进距离2，3，4，5m工况时水流总压衰减情况可得到，在水流3m内，水流总压衰减情况基本一致。水流超过3m后，水流总压会出现一段突降衰减，随后保持压力稳定。如：入口推进距离M=2m工况时，在水流3.5～4m处出现总压衰减，在水流5.5～6m处再次出现总压衰减；入口推进距离M=3m工况时，在水流4.5～5m处出现总压衰减；入口推进距离M=4m工况时，在水流3～3.5m处出现总压衰减；入口推进距离M=5m工况时，水流总压未出现突降衰减。

2.2 喷嘴直径10 mm、压力0.9 MPa模拟

模拟工况2：模拟参数与模拟工况1一致，只是入口直径为10mm，入口压力为0.9MPa， 模拟计算结果见图9。

图7 不同入口推进距离M，时间t时的水流喷射情况

图8 不同入口推进距离M，时间t时的水流总压衰减情况

图9 入口推进距离M为1 m,时间t为3.475 s时的水流情况

从图9模拟计算结果可以看出入口水流基本保持水平，中间水流连续稳定。由于入口压力为0.9MPa，水压较低原因，水流末端1.7m位置竖直方向下降明显，所以需要将入口处向里推进。

模拟工况2中水流总压衰减情况见图10，水流的压降呈现阶梯状，分别在0.5，2.5，5，7m处，降幅约为0.009MPa，到7.5m处总的压降为在0.036MPa，在水流5m处的水压力为0.873MPa，水流7.5m处的水压力为0.864MPa。

图11为不同入口推进距离M，时间t时的水流喷射情况，由模拟计算结果可以得出，入口位置推进2，3，4，5m入口水流基本保持水平，中间水流连续稳定。入口位置推进2m时水流末端仍有竖直方向上下降；入口位置推进3m，水流末端基本没有下降，可以保证水流冲洗到油罐最远处。

图10 入口推进1 m时，时间为3.475 s时的水流总压衰减情况

如图12所示，在模拟工况2中，由入口推进距离2，3，4，5m工况时水流总压衰减情况可得到，整个水流的压降呈现阶梯状，在0～0.5m处，水流总压会出现一段突降衰减，随后保持压力稳定。入口推进距离M=2m工况时，在水流2～2.5m处出现总压衰减，在4～4.5m处再次出现总压衰减；入口推进距离M=3m工况时，在水流1.5～2m处出现总压衰减，在4～4.5m处再次出现总压衰减；入口推进距离M=4m工况时，在水流1.5～2m处出现总压衰减；入口推进距离M=5m工况时，在水流2～2.5m处出现总压衰减。

2.3 模拟分析对比结论

a)在保证水射流的直线性的情况下，出口压力越高，使用的喷嘴直径越小。

b)在不同的压力情况下，通过改变喷嘴到罐壁的距离可以来保证所需的射流压力和射流的直线性。

c)由模拟工况2的情况可以看出，当喷嘴伸进3m(即喷嘴距离罐壁5.5m)的时候，水射流的压力为0.873MPa，降幅仅为0.027MPa，水射流的直线性保持依然很好。

d)对于30m3的油罐，人孔中心点距离远侧封头5.36m，采用工况2喷嘴直径10mm、压力0.9MPa即可保证清洗效果；对于50m3的油罐，总长为10.6m，为了保证水射流的打击力，应采用喷头伸进的方式，缩短喷嘴与罐壁距离，以保证清洗效果。

图11 不同入口推进距离M，时间t时的水流喷射情况

图12 不同入口推进距离M，时间t时的水流总压衰减情况

3 喷头选型分析

目前国内外清罐常用喷头有：瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美国JAMAJETX型、美国Butterworth型和国产BS-198型[6]，具体参数如表1所示。

表1 清罐常用喷头参数

通过对瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美国JAMAJETX型、Butterworth型和国产BS-198型喷头进行油罐清洗对比实验，比较各清洗喷头在埋地罐内的清洗距离和耗水量，实验结果如图13和图14所示。

经过清洗油罐测试，距离喷头3m范围，所有喷头清洗效果良好；超过3m，各种喷头清洗效果不同，其中SC-15TW的射程和有效清洗距离较好，见图14。由图13可得到，在相同压力条件下，SCANJET公司的SC-15TW型、JAMAJETX型用水量较少。

图13 各清洗喷头流量与压力对比

图14 各清洗喷头清洗距离对比

通过对清洗距离、清洗时间、耗水量及性价比等综合对比，SC-15TW型喷头是比较理想的选择。

4 加油站储罐清洗试验

采用SCANJETSC-15TW型喷头在浙江省某两个加油站进行机械清洗试验，共清洗2个30m3容积油罐，清洗压力为0.9MPa，清洗时间为12min。

从清洗效果来看，加油站储罐清洗后内表面整洁光滑无油渍油渣，采用集成式便携检测仪对罐内有机气体浓度数据和氧含量数据进行检测。检测结果如表2所示。

表2 埋地储罐清洗完成空气置换前后浓度数据

从检测数据来看，罐内有机气体浓度远低于汽油油气爆炸下限，氧含量也上升至人体安全水平，可按中国石化《油罐清洗安全技术规程》要求穿戴呼吸器下罐进行罐内检测维修作业。

5 结论

a)利用Fluent软件模拟不同喷嘴直径不同入口压力下，水流压力随射流距离的变化情况，可以得出：在保证水射流的直线性的情况下，出口压力越高，使用的喷嘴直径越小；在不同的压力情况下，通过改变喷嘴到罐壁的距离可以来保证所需的射流压力和射流的直线性；对于50m3的油罐，总长为10.6m，为了保证水射流的冲击力，应采用喷头伸进的方式，缩短喷嘴与罐壁距离，以保证清洗效果。

b)通过对瑞典SCANJET公司的SC-15TW型、美国JAMAJETX型、美国Butterworth型和国产BS-198型喷头进行油罐清洗对比，对清洗距离、清洗时间、耗水量及性价比等综合分析，SC-15TW型喷头是比较理想的选择。

c)采用SCANJETSC-15TW型喷头在浙江省某两个加油站30m3油罐进行清洗试验，从清洗效果来看，加油站储罐清洗后内表面整洁光滑无油渍油渣，清洗效果良好。