加油站油枪口油气蒸气扩散数值模拟研究*

李栖楠

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

0 前言

截至2019年底，我国加油站数量达到10.66×10座。运营过程中涉及的油气排放过程主要包括卸油“大呼吸”、加油、滴漏和油罐“小呼吸”4个过程，其中，加油环节的油气排放量在整个汽油储、存、销过程中占比较高。加油站排放的油气导致环境破坏、资源浪费，造成了安全隐患。根据国家生态环境部与国家市场监督管理总局最新联合发布的《加油站大气污染物排放标准》，各省市开展油气污染排放治理工作迫在眉睫。目前，国内外关于加油排放的研究主要集中在气体分析、排放量、温度等因素对油气排放的影响、油气回收工艺设计等方面。本文从油气溢流方向与风速方向的关系方面，对加油过程油枪口排放的油气进行了建模，通过数值模拟获取油气排放规律及特点，以期对解决加油站环保安全问题提供技术参考。

1 加油过程油枪口油气扩散模型

1.1 油气溢流方向与风向平行

1.1.1 模型假设

a) 假设加油口截面为直径0.07 m的圆形。

b) 假设油气排放处距离地面0.5 m。

c) 假设加油口汽油浓度为0.13 mol/L。

d) 假设模型计算区域为5 m×2 m×4 m的六面体，如图1所示。

图1 平行条件下几何结构与局部网格划分示意

e) 假设计算区域YZ平面除加油口外的区域为进风口，计算区域的下表面为地面。

f) 油气溢流速度为0.1 m/s。

1.1.2 边界条件

模型采用非结构化四面体网络进行网格划分，对局部进行了加密处理，总网格数约70 000。图1中YZ面圆形区域为加油口，即油蒸气入口，除加油口以外区域设置为进风口，风速为2.5 m/s。

1.2 油气溢流方向与风向垂直

1.2.1 模型假设

a) 假设加油口截面为直径0.07 m的圆形。

b) 假设油气排放处距离地面0.5 m。

c) 假设加油口汽油浓度为0.13 mol/L。

d) 假设模型计算区域为5 m×2 m×2 m的六面体，如图2所示。

图2 垂直条件下几何结构与局部网格划分示意

e) 假设计算区域XY平面除加油口外的区域为进风口，计算区域的下表面为地面。

f) 油气溢流速度为0.2 m/s。

1.2.2 边界条件

模型采用非结构化四面体网络进行网格划分，局部进行了加密处理，总网格数约480 000。图2中XY面圆形区域为加油口，即油蒸气入口，除加油口以外区域设置为进风口，风速为2.5 m/s。

2 模型计算

2.1 模型稳定性验证

本文模型的计算时间步长为0.0074 s，通过读取计算稳定后时间差距较大的700和900时间步，发现沿

x

方向0.3，0.5，0.7 m界面的汽油蒸气浓度分布差别极小，表明计算结果具有稳定性。

2.2 油气溢流方向与风向平行

2.2.1 汽油蒸气溢流速度对扩散的影响

当风速为2.5 m/s，温度为30 ℃，不同油气溢流速度的汽油蒸气物质的量浓度分布如图3所示。

图3 汽油蒸气物质的量浓度分布云图

由图3可知，汽油蒸气溢流速度的变化对水平方向的扩散距离影响较大，对垂直方向扩散的影响并不显著。

沿加油口圆心所在轴线，溢流速度为0.1，1 m/s时，汽油蒸气物质的量浓度分布如图4所示。

图4 汽油蒸气摩尔分数沿x方向的分布曲线

由图4可知，当汽油蒸气溢流速度分别为0.1，1 m/s时，汽油蒸气物质的量浓度0.003 mol/L处对应的水平方向距离分别为0.28，0.9 m，汽油蒸气物质的量浓度大于0.027 mol/L处对应的水平方向距离分别为0.045，0.23 m。

2.2.2 风速对扩散的影响

温度为30 ℃，油气溢流速度为0.1 m/s时，不同风速下的汽油蒸气物质的量浓度分布如图5所示。

图5 汽油蒸气物质的量浓度分布云图

由图5可知，随着水平风速的增加，汽油蒸气扩散的距离逐渐减少。由于溢流口为常压，风力对溢流口有挤压作用，导致溢流口周围压力显著增加，不利于汽油蒸气的水平扩散。同时，风速的增加导致汽油蒸气在垂直方向的扩散范围减小。

2.3 油气溢流方向与风向垂直

温度为30 ℃，油气溢流速度为0.2 m/s时，不同风速条件下汽油蒸气在两个截面的浓度分布云图及其局部放大图如图6所示，浓度分布等值线图如图7、图8所示。其中A面为汽油蒸气溢流口所在的平面，B面为通过溢流口水平直径所在直线且垂直于A面的截面。

图6 风速为2.5 m/s时汽油蒸气浓度分布云图

图7 风速为2.5 m/s时汽油蒸气物质的

由图6可知，汽油在垂直风向的作用下沿汽车壁面扩散，扩散距离较远且远大于相同工况下水平风向的扩散距离。

结合图7、图8可知，风速为2.5 m/s时，距离溢流口1.4 m处，汽油蒸气的物质的量浓度约为0.003 4 mol/L，风速为4 m/s时，距离溢流口约1 m的位置，汽油蒸气的物质的量浓度为0.003 375 mol/L。对比可知，风速越大，相同位置汽油蒸气物质的量浓度越低，扩散速度越快，浓度沿扩散方向降低得越快。

图8 风速为4 m/s时汽油蒸气物质的

2.4 模拟数据与实测数据对比

在青岛某加油站对5辆车进行了实测，结果如下。

关闭二次油气回收时，车辆1经红外摄像机检测无油气溢出；车辆2经红外摄像机检测有大量油气溢出，加油时距离油枪口处0，5，25 cm的油气浓度分别为25%，5%，12.85%；车辆3经红外摄像机检测有大量油气溢出，距离油枪口处0，5，25 cm的油气浓度分别为21%，13%，1.1%；车辆4经红外摄像机检测有大量油气溢出，加油时距离油枪口处0，25 cm的油气浓度分别为26.5%，0.5%；车辆5经红外摄像机检测有大量油气溢出，加油时距离油枪口处0，5，25，30，40，50 cm的油气浓度分别为31%，5%，1.4%，2.09%，0.13%。

将模拟所得的浓度值与实测数据进行对比可知，在下风向5 cm处，实测汽油蒸气排放浓度约为5%，与模拟浓度相近，验证了所建立模型的准确性。

3 结论

a) 油气溢流方向与风向平行时，风速不变，汽油蒸气溢流速度越快，水平方向距离加油口的距离越远，汽油蒸气的物质的量浓度越小；汽油蒸气溢流速度不变，水平风速越快，汽油蒸气的扩散距离越短，在垂直方向的扩散范围越小。

b) 油气溢流方向与风向垂直时，汽油蒸气溢流速度不变，风速越大，相同位置汽油蒸气物质的量浓度越低，扩散速度越快，浓度沿扩散方向降低得越快。

c) 本文所建模型的模拟结果与实际测量结果处于同一数量级，模型准确性较高。模型模拟的结果可详细显示汽油蒸气的分布情况，有力弥补了实际测量中测量数据点单一的缺陷。