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    大型储油罐静电电势分布机理研究.pdf

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    大型储油罐静电电势分布机理研究.pdf

    第43卷第3期 2014年5月 石油化工设备 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.3 May 2014 文章编号10007466201403000605 大型储油罐静电电势分布机理研究 贺 敏,马庆春,张来斌,张继旺 中国石油大学北京机械与储运工程学院,北京1O2249 摘要研究了球形储罐和圆柱形储罐静电电势的分布机理,给出了相应的数学模型。应用数值计 算软件对油罐内的电势分布进行了计算,得到了罐内静电电势3D分布图,进一步分析了罐内静电 电势分布与空间位置的关系,得到了对称型储罐静电电势分布的一般性规律。提出了两种储罐防 静电方法,并对方法的有效性进行了验证。 关键词大型储罐;电势分布;数值计算;静电防护 中图分类号TE972;TQO53文献标志码A doi10.3969/].issn.i0007466.2014.03.002 Study on Electrostatic Potential Distribution of Large Oil Tanks HE Min,MA Qing-chun,ZHANG Laibin,ZHANG Ji。wang College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing,Beijing 102249,China AbstractThe potential distribution mechanism of the spherical and cylindrical tanks is studied. The corresponding mathematical models have been presented.Calculation software is used to cal culate potential distribution of oil tanks.The 3D distribution chart of electrostatic potential in tanks has been obtained.A further analysis about the relationship between electrostatic potential in the oil tank and space position are given.Some general laws of electrostatic potential distribution [6] [7] [8] YANG Fan,ZHANG Chao,WANG Chengshuo,et a1.Analysis of Design Allowable Stress in 9 Ni Steel of Liquefied Natural Gas Storage Tank[J].Petro chemical Equipment,2012,41699101. 孙青峰,赵德贵.LNG接收站储罐配置[J].油气储运, 2009,28317-18,48. SUN Qing-feng。ZHAO De-gui.Configuration of Tanks in LNG Terminal Stations[J].Oil&Gas Stor age and Transportation,2009,2831718,48. 王海蓉,马晓茜.LNG管路水击压力的Volterra级数 滤波预测[J].石油机械,2006,34102628,31. WANG Hairong,MA Xiaoqian.Prediction on LNG Pipeline Water Hammer Pressure Filter Volterra Series [J].China Petroleum Machinery,2006,34102628, 31. 朱红钧,林元华,谢龙汗.Fluent 12流体分析及工程仿 真[M].北京清华大学出版社,2011. ZHU Hong-jun,LIN Yuanhua,XIE Longhan.Fluid Analysis and Engineering Simulation of Fluent 12[M]. BeijingTsinghua University Press,20 1 l_ [9]周俊杰,徐国权,张华俊.Fluent工程技术与实例分析 [M].北京中国水利水电出版社,2010. ZHOU Jun_jie,XU Guoquan,ZHANG Hua-jun. Engineering Technology and Example Analysis of Flu entEM].BeijingChina Water Power Press,2010. [1O]宋学官,蔡林,张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例 [M].北京中国水利水电出版社,2012. SONG Xue-guan,CA1 Lin,ZHANG HHa.ANSYS Fluidstructure Interaction Analysis and Engineering Examples[M].BeijingChina Water Power Press, 2012. 张编 收稿日期201311-30 基金项目国家自然科学基金项目No.51204196;中国石油大学北京基金资助No.KYJJ20120422 作者简介贺 敏1989一,男,山东济宁人,在读硕士研究生,从事石油化工安全检测与事故模拟技术研究。 第3期 贺敏,等大型储油罐静电电势分布机理研究 in symmetrical tank are obtained.Two electrostatic discharge prevention s are analyzed, and the effectiveness of two s are verified. Key wordslarge oil tank;electrostatic potential;numerical calculation;electrostatic discharge prevention 低电导率的石油产品在管线中流动,会与管壁 发生摩擦,极易产生流动带电n]。流动带电产生的 电荷在油液体中积累到一定的程度就会产生静电放 电,导致严重火灾或者爆炸事故_2。]。近几年国内因 静电引起的火灾和爆炸事故次数已经达到了过去的 数倍 ]。 关于注油过程中静电的积累问题,国内外不少 学者都进行了研究,研究大都基于拉普拉斯和泊松 方程,采用有限差分和分离变量的两种方法进行计 算[6 ]。文中采用大型高级数值仿真软件COMSOL Multiphysics对两种大型储油罐的静电电势分布进 行了计算。 l储油罐静电电势分布数学模型 石油化工企业生产过程中使用的比较多的储油 罐是圆柱形和球形的,所以可以构造如图1和图2 所示的圆柱模型和球形模型进行分析,图中R为半 径,h为液面高度,H为储罐高度,m。分别对圆柱 形储罐和球形储罐建立柱坐标系r, , 和球坐标 系r, , 。 对于给定的两种储罐模型,需作以下假设①储 油罐已经输入了部分带电油品,油面上部有一定的 气空间。②在稳定状态下,油中的电荷密度分布是 均匀的,油面上部的气体空间不存在电荷。基于此, 油面上部的气体空间和带电油品内部空间分别满足 拉普拉斯方程和泊松方程[7]。 图1 圆柱形储罐静电数学模型 图2球形储罐静电数学模型 1.1 圆柱形储罐 圆柱形储罐罐内的静电场为两相介质的轴对称 场,电势的分布与角度0无关,则油罐内的气空间和 油空间电势应满足 f Or 一。 I ar。 。 r az u I 一一卫 l ar 。 r ar 。 a e 式中,u 、己厂 分别为圆柱形储罐内气空间和油空间 的电势,V;e为油品的相对介电常数;.0为油品电荷 密度,C/m。;r为径向坐标,m。 因为金属油罐是接地的,因此在所有的边界上 电势都应为0,即边界条件为 UI,RUI 一HUI 。一0 2 假定油品表面不存在表面电荷,则在气液界面 上应满足电势连续的条件 U1U2 3 1.2球形储罐 球形储罐内部的电场分布与角度 无关,其内 部的气空间和油空间应满足以下方程组 r 1 a l l 1 a 【 Or aU3 sin 一。㈣ 1 asin 一一 ㈤ 式中,U。、U 分别为球形储罐内气空间和油空间的 电势,V。 因球形储罐的材质也是钢,且和大地接触,因此 在所有球形储罐的边界上电势都应为0,即边界条

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