储罐进油实验修正油面电位公式的探讨

2020-03-12马端祝戴丽平娄仁杰

石油库与加油站 2020年6期

马端祝戴丽平娄仁杰

〔中国石油集团安全环保技术研究院有限公司辽宁大连 116031〕

近年来，储罐静电事故时有发生。例如2011年8月某石化公司柴油罐静电爆炸着火事故，2016年10月某油库汽油装车静电闪爆事故，2015年1月某油库汽油装车静电闪燃事故等，这些事故都说明了加强油品静电安全管理的重要性。目前油品静电安全控制措施主要靠控制油品流速的方法实现，但有些事故是在流速符合要求的情况下发生的，因此，控制油品流速不能完全控制静电事故的发生。

衡量储罐内油品静电危险最有效的方法是测量储罐内油品油面电位，我国规定轻质油品的安全电位为12 kV[1]。油面电位测量采用的方法是按照《GB6951-86轻质油品装油安全油面电位值》规定的方法进行测量。该方法的原理是使用一个金属铜球收集油面电荷来进行测量，有一定的危险性，在实际生产中，从安全因素的角度考虑，无法进行现场测量，因此生产过程中的实际油面电位无法通过这种方法测量，只能通过计算的方法来获得。国内王菊芬等推导了管输油品油流电流计算公式和储油罐内电荷密度计算模型[2-4]，田强等研究了管输油品冲流电流与油品流速的关系[5]，刘卓超等研究了储罐油面电位分布规律及储罐结构参数对油面电位的影响[6-7]，国外油品静电的理论研究文献较早，Koszman等提出了一个低电导率流体流动带电的理论计算公式[8]。Klinkerberg等研究了电荷密度的计算方程[9]，Walmsley和Carruthers则分别建立了长方形储油罐和圆柱形储油罐的静电势计算模型[10-11]，Lees[12]等研究了低电导率油品在绝缘储罐内的电场计算模型，但值得一提的是，这些计算模型中涉及的参数很多在实际情况下无法获得，因此这些方法都具有一定的局限性，并且这些方法的准确性也尚无定论。

本文采用油品静电模拟实验装置，模拟油品输送起电过程，通过调节油品流速、空气湿度、过滤器等影响油品静电的参数来改变油品静电起电量，取代通常计算的方法获得储罐入口油品电荷密度方法，采用实际测量的方法获得油品电荷密度，将油品电荷密度测量值代入常用的油面最大电位计算公式[13]，找出油面电位计算值和测量值之间的关系，修正油面电位计算公式。

1 油面电位计算公式的理论分析

油面最大电位计算通常采用的比较简单的公式为[13]：

(1)

式中：Q——为油品体电荷密度；

r0——圆柱体半径；

ε——介电常数。

此公式适用条件为无限长带电圆柱体中心对

表面的电压计算公式，相比其它计算模型，此公式计算简单，式中的各个参数容易获得，但应用此公式需要满足两个条件，一是油品电荷密度恒定，二是圆柱体为无限长，因此是一种理想的状态，与实际情况不符，用此公式计算油面电位比实际测得的电位值要大很多，主要是因为：

(1)没有考虑油品静电逸散问题，此公式假设油品电荷密度是恒定不变的，在实际情况下油罐都是接地的，油品是不断进入储罐的，不同时间进入储罐后的油品的静电荷随着时间的变化会不断地逸散，因此虽然油品在进入储罐时的电荷密度是相同的，但经历了不同时间的静电荷逸散后油品电荷密度发生变化的量是不同的，因此，储罐内油品的电荷密度和油罐入口的电荷密度是不一样的，应用此公式时应考虑罐内油品电荷逸散问题。

(2)没有考虑空气湿度对储罐油面静电的影响，此公式是计算无限长带电圆柱体中心对表面的电压，而不是油面中心的电压，油面静电荷与空气中的水分子接触会加速静电荷的逸散，因此，应用此公式计算油面电压时还应考虑油面静电荷与空气接触后静电荷逸散的问题。

综合以上两点，要应用此公式来计算出符合实际情况的油面电压，应考虑进入油罐的油品电荷逸散情况及油面与空气接触油面电荷逸散情况，需要对公式进行修正。

2 储罐油面电位计算公式的修正

2.1 静电荷逸散对进入储罐油品电荷密度的影响

液态烃电荷逸散可以用下面的公式(2)表示[14]：

(2)

式中：Q——电荷密度，C/m3；

Q0——初始电荷密度，C/m3；

t——时间，S；

ε——介电常数，F/m；

σ——液体的电导率，pS/m。

电荷密度的变化情况与电量的变化情况是一致的，因此将上式进行积分，可以求出t时间内进入油罐内液体的电荷密度公式(3)：

(3)

将其带入电位计算公式(1)得公式(4)：

(4)

(5)

2.2 油品表面静电荷与空气接触电荷逸散的影响

2.2.1 不同湿度下油品静电实验

2.2.1.1 实验系统

本实验采用油品静电模拟实验装置，模拟油品输送起电过程，如图1所示。实验装置主要由储油罐、输送系统、静电发生装置、测量罐、法拉第油品电荷密度测试系统、油面电压测试系统、油品电导率处理系统和控制系统构成。本实验通过改变油品静电的影响因素，比如油品流速、过滤器、空气湿度等来改变油品的静电起电量，测量储罐入口油品电荷密度和油面最大电压两个衡量油品静电危险的重要参数。

图1 油品模拟实验装置

2.2.1.2 储罐油面电压测量系统

储罐油面电压测量示意见图2。

图2 储罐油面电压测量示意图

油面电压测试系统按照《GB6951-86轻质油品装油安全油面电位》[1]进行设计，并对其进行了改进，取消了定滑轮系统，采用软导线直接等电位连接到集电板上，用静电场强仪进行测试。

2.2.1.3 油品电荷密度测量

利用该装置可进行油品电荷密度测量，其原理是采用法拉第法[15]，用电荷量表测试进入法拉第筒内的油品电荷量除以法拉第筒的体积即得到油品电荷密度。测试系统如图3所示：

图3 油品电荷密度测试示意图

2.2.2 利用实验数据修正油面电压计算公式

因为高电导率油品的静电荷逸散很快，不能反映纯净油品的真实起电情况，本实验采用电导率为(1pS/m～3pS/m)的柴油在油品模拟实验装置上模拟油品输送起电，实验测得不同湿度条件下储罐入口油品电荷密度Q(6次测量平均值)和储罐油面最大电压U(3次测量平均值)，以及利用一次修正后公式(5)计算得到的油面电压U0及U/U0比值如表1所示。