强降雨天气外浮顶储罐排水情况的计算流体力学模拟分析

朱昆鹏， 仲维超， 刘子豪， 赵启文， 刘家新， 潘一鸣

（1.大连长兴岛港口投资发展有限公司， 辽宁 大连 116000；2.大连港石化有限公司， 辽宁 大连 116000）

浮顶排水装置是浮顶储罐重要的附件之一［1-3］，可以将浮顶上积聚的雨水、雪水排放至罐外，避免雨水、 雪水过多聚积在浮顶上造成浮盘沉没，从而确保储罐的安全运行。 因储罐所存油品的高度存在差异， 排水装置的排水情况也会呈现不同的流态。 当外浮顶储罐浮盘的积水量超过一定限值后， 积水会直接从紧急排水装置进入储罐内，影响油品质量。

近年来，针对外浮顶储罐中央排水的特性［4］及基础沉降， 内部金属软管材质、 规格对中央排水系统所产生影响［5-6］的相关研究日益增多。 计算流体力学（CFD）是利用计算机对流体流动和传热等物理现象进行数值模拟的技术，通过CFD 分析计算机内显示的流场现象， 可较快预测出流场变化情况。与实验相比，CFD 具有易获得流场中的数据、成本低、耗时短和流场无干扰的特点，被广泛用于石油、化工、机械、水处理、航空航天和船舶等领域［7-12］，特别适用于某些实验成本较高、规模较大、工艺流程复杂的内部流体的研究。

本文利用CFD 对某10 万m3外浮顶油品储罐的中央排水装置进行仿真模拟， 研究排水过程中排水管内部的水流状态， 从而分析储罐浮盘排水情况， 通过计算不同液位高度下中央排水管的排水流量，分析强降雨天气时储罐的排水能力。

1 储罐排水装置简介

外浮顶储罐浮顶呈W 型分布。 中央排水装置及紧急排水装置均设置在W 型中心最低点处，距离储罐中心的距离约25.6 m，浮顶边缘及中心均以1/64 的坡度坡向W 型中心最低点。

中央排水装置一般由浮顶集水坑、单向阀、底部控制阀门及排水管4 部分组成。 其中浮顶集水坑安装于浮顶地势较低的圆周上， 用于收集浮顶上的积水。 单向阀设置于集水坑内， 出现漏油事故时可防止罐内油品流至浮盘而造成的环境污染和浮盘倾斜的情况。 底部控制阀门通过管线与罐壁及排水管相连， 用于将水排至罐外， 若排水管出现故障，可以关闭该阀门，防止油品流出罐外，避免油品损失并减小污染。 排水管一端设置在浮顶处，一端设置在储罐底板以上0.2 m 处，呈之字形分布，随浮顶一起升降。

2 储罐中央排水装置排水能力CFD 模拟

2.1 中央排水管物理模型

以外浮顶油品储罐的中央排水管原型为实例，其中中央排水管的直径为0.2 m，集水坑的直径为0.9 m。 充分考虑储罐内储存不同容量油品时的液位高度，分别构建储罐液位高度H 为2 m、5 m、7 m、10 m、15 m、19.2 m、20.2 m 时中央排水管的二维物理模型。 将模型拆分为4～5 个面域，采用四边形的结构性网格对模型进行网格划分，网格数量约20 万。 对模型的边界条件进行设定，模型顶端设定为压力入口，底端设定为压力出口，其他边界均设定为壁面。 外浮顶储罐中央排水管的二维结构图见图1。

图1 外浮顶储罐中央排水管二维结构图

2.2 中央排水管数学模型

2.2.1 流体运动基本控制方程

（1）连 续 性 方 程［13-14］该 定 律 可 表 述 为，单位时间内流出控制体的流体净质量总和应等于同时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量，由此得出流体流动连续性方程的微分形式为：

式 中，ρ 为 密 度，kg/m3；t 为 时 间，s；ux、uy、uz分 别为x、y、z 方向的速度分量，m/s。

（2）动量方程［13-14］该定律可表述为，外界作用在该微元体上的各种力之和与微元体中流体的动量对时间的变化率相等， 由此可导出动量守恒方程为：

式中，ui、uj分别为i、j 方向的速度分量，m/s；p 为静压，τij为应力张量，Pa；gi为i 方向上的重力体积力，Fi为i 方向上的外部体积力（包含了其他的模型相关源项），m/s2。

（3）能量方程［13-14］该定律可表述为，进入微元体的净热流通量加上质量力和表面力对微元体所做功与微元体中能量的增加率相等， 其表达式为：

式中，E 为流体微团的总能（包含内能、动能和势能之和），J/kg；keff为有效热传导系数，W/（m·K）；T 为温度，K；hj为组分j 的焓，J/kg；Jj为组分j 的扩散通量；τeff为应力张量，Pa；Sh为包括了化学反应热及其他体积热源项；→u为速度向量。

为减少模拟过程的计算量， 加快迭代计算的收敛速度，设定雨水在管道中的流动状态为层流。

2.2.2 多相流模型

欧拉多相流模型可以用于模拟相间的相互作用及多相流运动。 欧拉多相流模型没有液-液、液-固、气-固等的差别，其颗粒流是一种简单的流动，定义时需要至少有一相被指定为颗粒相。

文中模型主要涉及雨水及空气在中央排水管内形成的气- 液两相流， 为了贴近实际的流动状态并保证迭代计算过程的持续收敛， 选用欧拉多相流模型，将气相设定为主相，液相设定为辅相，在初始化的过程设定一定液位高度的雨水作为模拟计算前的初始状态。在出口处设定速度监测线，实时观察中央排水管出口的质量流量， 判断雨水的出流状态。 设定时间步长为0.01 s，迭代步数为800。

2.3 数值模拟结果

分别构建不同储罐液位高度的数学模型，通过模拟计算， 截取8 s 前不同液位高度时中央排水管的质量流量监测曲线， 见图2。 需要说明的是， 因模拟计算中默认流体的流向为各坐标轴的正向，而底端出水受重力作用向下流出排水管，其方向与y 轴正向恰好相反， 因此图2 中纵坐标质量流量数值前的负号仅代表方向。

图2 不同液位高度下中央排水管的出口质量流量监测曲线

从图2 可以看出，各液位高度中央排水管雨水出流的整体质量流量变化趋势基本相同，均是随着出流时间的推移，质量流量不断增大，在达到峰值后存在短暂的波动， 随后基本趋于稳定。比较各监测曲线发现， 随着储罐液位的升高，质量流量的峰值越来越大，趋于稳定后的质量流量也在不断增大，说明储罐液位越高，出水口的质量流量越大。

此次分析主要是为了探究中央排水管出水口的出流速度，为了计算需要，在中央排水管二维模型构建过程中对中央排水管的部分结构进行了简化。如对本次计算过程中无需考虑的法兰、阀门等结构进行省略，同时弱化了排水管软管连接部分、集水槽等结构的局部阻力损失及沿程阻力损失，这些简化措施有利于更快地得到目标结果，便于后续进一步的计算分析。 此外，实际雨水中可能会携带少量泥沙等杂质，所以本模型的仿真结果与实际会有所差异，但不会影响中央排水管内雨水的出流状态。

3 储罐排水流量分析

3.1 单侧排水管流量核算

按照最不利工况， 即储罐浮盘上单侧中央排水管工作进行分析。 以储罐液位高度为5 m 时的质量流量监测曲线 （图2b） 为例， 雨水出流5 s后，其出口质量流量逐渐趋于稳定，对应的质量流量 为775 kg/s， 通 过ρ=m/V 计 算 （ρ 为 密 度，kg/m3；m 为质量，kg；V 为体积，m3）可知此时的体积流量为2 790 m3/h。 由于本模型为二维模拟，模拟软件中速度监测口默认的面积为1 m2， 而储罐实际雨水出流口的面积为0.01πm2，因此需要对计算后的体积流量进行校核， 校核之后的体积流量为87.606 m3/h，则24 h 的排水量为87.606×24=2 102.544（ m3）。 同理，对不同液位高度下的中央排水管出口质量流量模拟结果进行分析，可求得储罐在不同液位高度时的单侧排水管体积流量及24 h 排水量，见表1。

表1 不同液位高度下储罐单侧排水管流量及排水量

3.2 地区降雨量统计

根据历史气象资料， 储罐所在地区的年平均降雨量为578.3 mm， 年最大降雨量为877.9 mm（1966 年）， 而 日 最 大 降 雨 量 为 142.2 mm（1966-07-27），特大暴雨级别的小时降雨量至少为50 mm。 降雨量主要集中在6 月～9 月，该4 个月的降雨量约占全年的75%。

3.3 降雨量等级划分

某一时段内，从天空降落到地面上的液态（降雨）或固态（降雪，经融化后）降水，未经蒸发、渗透、 流失而在水面上积聚的水层深度， 称为降雨量，它可以直观表示降水的多少。降水强度指单位时段内的降雨量。 根据GB/T 28592—2012《降水等级标准》［15］查得的不同时段的降雨量等级划分见表2。

表2 不同时段降雨量等级划分

3.4 日最大降雨量时排水能力

按照该地区历年日最大降雨量142.2 mm 取值，10 万m3储罐的半径取40 m， 通过qV=Av（qV为体积流量，m3/d；A 为表面积，m2；v 为速度，m/d）计算得出浮盘上的日降雨量为714.41 m3。 将24 h 排水量与浮盘上日降雨量相减推算出不同液位高度下储罐浮盘表面的盈余排水量，见表3。

从表3 可以看出， 当浮盘以单侧排水管工作时，在日最大降雨量情况下，不同液位高度储罐浮盘表面的降水均能被及时排出， 使浮盘表面不产生积水， 其排水能力还有一定的盈余。 即使按GB/T 28592—2012 中的特大暴雨情况计算，24 h降雨量取250 mm，浮盘表面降雨量达到1 256 m3，仍然小于液位高度2 m 时对应的24 h 排水量1 899.072 m3，同样满足排水要求。

表3 日最大降雨量时不同液位高度下储罐浮盘表面日积水量

3.5 最大小时降雨量时排水能力

取特大暴雨级别小时降雨量为50 mm， 对应的最大小时降雨量为251.2 m3。 分别计算单侧排水时不同液位高度储罐浮盘表面的小时积水量，结果见表4。

由表4 可见， 单侧中央排水管起作用时，如遇特大暴雨（小时降雨量50 mm），浮盘上部将会积存雨水。 假设浮盘上部紧急排水装置高度为100 mm，通过储罐面积换算得到的浮盘积水量允许上限为109.58 m3。 因此，在单侧中央排水管工作的情况下，当液位高度在10 m 以上时，短时强降雨天气不会对油品质量产生影响。

表4 最大小时降雨量时不同液位高度下储罐浮盘表面小时积水量

4 结语

①采用CFD 软件对10 万m3外浮顶储罐的中央排水装置进行仿真数值模拟， 模拟结果能较好地反映出储罐中央排水过程内部雨水的流动状态。②通过监测中央排水管出口的质量流量曲线，发现储罐液位高度与中央排水管出水口的流出量成正比。 ③通过对降雨量及储罐中央排水量的分析认为，在日最大降雨量时，不同液位高度储罐的排水能力均能满足日最大降雨量的排水需求。 ④当最大小时降雨量达到50 mm 时，10 m 以上液位高度储罐单侧中央排水管的排水能力能够满足相应的排水需求，保证储罐浮盘不会产生积水。但应重点加强对10 m 以下液位高度储罐的关注，提前准备应急物资，遇雨水无法及时排出时，可利用虹吸原理及潜水泵将雨水抽出， 避免长时间积水导致储罐浮盘倾斜，造成安全风险。