固定顶油罐小呼吸蒸发损耗的研究

0 引言

石油和石油产品是各种烃的混合物其中轻组分带有很强的挥发性。在石油产品的储存和运输过程中，由于各种因素，势必会有一些石油产品进行气化，造成空气污染以及失油[1-2] 。石油作为重要的战略物资和能源储备，在国家的经济发展和国防事业中发挥着举足轻重的作用。然而，由于石油资源和环境因素的限制，近几年我国石油开采量大大降低，进口量大大增加，由BP指数可以看出我国能量的利用形式在向多极化发展，这就使得石油的储存和运输方面对油气蒸发耗量控制技艺的要求大大提高。

本文阐述了油库中的油损类型，分析了原因及影响因素，列举了蒸发损失造成的危害。重点关注固定顶部储罐的小呼吸蒸发损耗造成的损失，并通过小呼吸蒸发损耗的理论公式计算蒸发损耗量。最后提出了降低罐温差和优化操作以减少损失的方法。

1 蒸发损耗带来的危害

1.1 油气蒸发引起的安全问题

自20世纪60年代以来，美国、英国、日本等发达国家因石油品蒸发而引发了重大火灾事故，造成大量人员伤亡和石油泄漏，漏油事故附近大范围的水质受到污染，不少鱼类，鸟类，海洋生物以至植物都受到严重的影响，漏油还会影响当地的渔业和旅游业。

1.2 污染环境

石油和天然气的蒸发对环境造成了相当大的污染。蒸发于空气中是气相烃类有毒物质，人通过空气吸入体内会造成多种呼吸疾病，严重者出现胸腔积液，甚至死亡，过量的油蒸发会增加对周围人和环境的影响。

1.3 浪费宝贵资源及降低油品质量

油品的蒸发损耗在小基数及短期时间内很难发现它所带来的危害，但从长久生产实践及全球范围内的数据来看，油品蒸发损耗所带来的经济损失巨大。同时蒸发过程中最轻组分蒸发会降低油品质量，油料不合格，造成生产油品成本提高，加大工作量。不合格的油在使用过程中会造成发动机性能不佳，防爆性能会恶化，影响使用者的使用。

2 固定顶储罐蒸发损耗类型

固定顶油罐蒸发损耗的类型主要分以下几种：

2.1 自然通风损耗

由于罐顶有间隙或穿孔，并且两个穿孔之间存在着高度差，因此混合物的密度大于空气的密度，它将使罐中的混合气体从下孔排放到大气中，外部空气会从高孔流入罐中，由于孔的孔径和气体密度的差异，由气体的自然对流引起的损失被称为自然通风损耗。

2.2 “大呼吸”损耗

当油箱关闭时，油和气体被压缩，压力逐渐增大，呼吸阀盘自动打开，混合油气从油箱中排出。当油箱油腻时，油气压力降低，油气浓度降低，油不断蒸发，保持一定的平衡。当罐中的气体压力空间压力低于呼吸阀的额定负压值时，真空阀盘自动打开，外部空气被吸入罐中。

2.3 “小呼吸”损耗

当油在油箱中静止时，油蒸气填充整个气体空间。随着大气温度升高和太阳辐射强度增加，罐中的气体空间和油表面温度升高，并且油的蒸发增强，从而气体压力升高。当压力大于某个值时，呼吸阀打开油箱中的油蒸气挥发。当夜间温度降低时，储罐中的油表面温度也降低，并且储罐中的压力也降低。

3 小呼吸蒸发损耗实验

3.1 实验原理及方法

本实验中实测蒸发损耗量G可通过以下公式计算：

其中罐的呼出气体的体积Q可以通过气体流量计测量，并且气体中包含的油蒸气的浓度C可以通过奥氏气体分析仪测量，并且 ρ是油蒸汽的密度。

在本实验中的，我们在油箱的气体空间中取三个测量点，并在油中取一个测量点来了解温度分布规律。使用基于点温度和气体空间中的浓度的测量的小呼吸损失的理论公式来计算损失量。根据公式可以计算实际损失，计算过程如下：

式中，Q为油罐呼出的气体体积；ΔQ为冲洗和分析完排入大气的体积；ρ=(ρ1+ρ2)/2起始状态和终了状态油蒸气密度的平均值；C=(C1+C2)/2起始状态和终了状态油蒸气浓度的平均值；ρ′=(6ρ0+2ρ1+2ρ2)/10 原始状态和终了状态油蒸气密度的平均值；C=(6C0+2C1+2C2)/10原始状态和终了状态油蒸气浓度的平均值；ρ=MyPa/(RT)，其中My是油品的分子量，R是通用气体常数，T是绝对温度。

经分析仪分析后的油气浓度C：

式中，V1为取样体积；V2为剩余体积；ΔV=V1-V2为气体体积变化量；Pa为当地大气压；Ps为水的饱和蒸气压；Pm为煤油的饱和蒸气压。

将计算的实际损耗与理论损耗进行比较，并计算出相对误差。通过测量的蒸发损失验证小呼吸损失，掌握计算蒸发损失的理论公式，掌握计算蒸发损失的方法。

3.2 实验仪器

该实验装置主要由模型油罐、奥氏气体分析仪 、水浴、太阳灯、气体流量计等组成，实验油品为92#汽油，见图1。

3.3 实验步骤

(1)原始状态参数测定

测量原始状态，即当未呼出气体时罐中的温度，压力和浓度。在太阳光开启之前，从温度检测仪器依次读取上部，中部，下部和油性油气的温度t0值。从差压计读取罐压力P0，从罐的上部，中部和下部取出气体样品，用奥氏体气体分析仪进行分析。分别求出三个点的浓度CO。

(2)起始状态参数测定

打开太阳灯进行加热，注意水箱内的温度变化。当压力达到一定值时，第一个气泡从呼吸阀出来并被认为是初始状态。记下气体流量计读数Q,并记录上，中，下油气的温度t1值和罐的压力P1。取该状态的中点气体样品进行浓度分析以确定C1。

(3)终了状态参数测定

当气体空间中的点温度达到某个值时，假设结束状态是呼吸的结束。读取气体流量计的值Q2，记录油气空间，中间，底部和油的温度t2以及罐中的压力P2。取该状态的中点气体样品进行浓度分析以确定C2。

(4)在测量罐内各点的浓度，温度和压力后，可以根据公式计算实际损失和理论损失，并计算相对误差。

本实验设置了对比试验，即在储罐上方加装遮光板，模拟储罐设置反射隔热板条件，分别测试升温相同时间、油罐不同液位高度下各点的油气浓度及蒸发损耗量，如图2所示。

图1 实验装置

图2 反射隔热板实验装置

3.4 实验数据及分析

通过表1可发现，汽油上方的油气空间中油气的浓度随着远离液面的距离越来越大，油气浓度在逐渐减小，以被测的3个点为例我们发现，最上方的测点油气含量在其空间中油气占比最小，中间的测点油气含量在其空间中较最上方的点稍大，最下方的测点油气含量在其空间中油气占比最大。

通过对比相同位置，模拟室外气温的日变化发现，随着温度的逐渐升高，油气浓度在其气相空间中浓度越来越大。

根据实验一我们设计对比试验，保持其余条件不变，我们改变日光一天对固定顶储罐罐顶的光照强度，我们用遮光板覆盖在罐顶表面，通过实验我们发现光照强度对油气浓度有较大影响。实验数据如表2所示。

对其罐中温度的影响较大，对比实验在没有遮光板的条件下温度变化的幅度较实验一较小，降低40，这降低了实验温度对油气浓度蒸发损失的影响。

对比标准状态下的实验我们发现油罐内的罐内压强，罐内的气体流量也变小了，也就说明了通过在罐顶加上遮光板大大的减少了油罐内汽油的小蒸发损耗。当反射隔热板安装在储罐顶部或悬挂在储罐外壁上时，反光隔热板具有良好的隔热效果，从而降低了罐体外壁的温度和气体空间及其变化。

3.5 小呼吸损耗的成因

当油箱停止加油时，油箱中的气体空间温度，油蒸发速率，油气浓度和蒸汽压力随着外部空气温度和压力的.上升和下降而周期性地变化。在日间，由于太阳光照强度增强，油罐罐壁吸收热量，罐内油温升高，加快油蒸气的蒸发，当罐压力达到一定压力时，气体空间压力升高，呼吸阀打开，油蒸气排出。在夜间，油温随着外界温度降低而下降，上部蒸气被冷凝成液体，气压随之降低，当气压下降到一定真空度时，真空阀打开，吸入空气。由排出油蒸气和吸入空气的过程引起的油气损失称为小呼吸损失[4] 。

3.6 降低小呼吸蒸发损耗的措施

为了减少油罐油的小的呼吸蒸发损失，可以使用具有更高反射率的涂层材料，正确使用和改进呼吸阀，以及氮气密封技术。

(1)正确选用油罐涂料颜色

罐的外涂层对罐内温度和罐的保护有很大影响。选用合适的涂层材料能大幅度降低罐内油温的变化幅度，稳定罐内气体空间压力，从而很大程度降低蒸发损耗量。涂层的颜色效果非常重要。将四种不同颜色卧式油罐储存一年后，蒸发损失银灰色油罐的蒸发损失率为1.3,而黑色油罐的蒸发损耗率为1.9 以上[5,6] 。

(2)安装呼吸阀挡板

在呼吸阀的下端安装挡板，以对水箱内的蒸汽进行分层。当罐内的空气压力下降时，空气被吸入，当空气通过挡板时，空气分散在罐顶部周围。当油蒸气被呼出时，在气体空间的上层中具有小浓度的油蒸气从呼吸阀呼出，从而大大减少蒸发损失[6] 。

(3)氮封技术

当管道进入和离开油时，罐中气体的压力也不断变化。氮气密封技术通常用于避免过大的负压。氮气密封系统正常运行的关键是确保在0.5到2kPa的压力范围内各种安全附件的压力范围之间没有交叉。氮气密封系统可以有效控制每个阀门的压力，控制水箱内的压力，使氮气密封系统的设计更加合理，避免安全事故。氮封技术充分利用了氮气的活性低、氮气比油气轻，其漂浮在气体空间上部，罐内气压增大呼出的是氮气和油气的混合气，油蒸气的比例减少，当呼吸阀处于负压时吸入空气，并且气体以正压排出。排出的气体可以直接排放到大气中或连接到氮气回收系统进行再循环，从而实现节能[6] 。

表1 标准状态下(室温20℃、空气大气压101.325KPa)

表2 遮阳板条件下实验数据