章振保，楊述斌，金 璐

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430205）

1 引言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車保有量的急劇增加，油氣揮發(fā)造成的能源損耗，環(huán)境污染問題也隨之而來，這些問題不僅危害健康、污染環(huán)境、浪費能源、影響安全生活與生產(chǎn)，而且還降低了油品質(zhì)量。國家于2007年開始先后頒布實施了國家標準GB20952—2007《加油站大氣污染物排放標準》［1］和 HJ/T431—2008《儲油庫加油站大氣污染治理項目驗收檢測技術(shù)規(guī)范》［2］，對加油站控制要求、油氣排放限值和驗收檢測以及檢測方法提出了有力技術(shù)指標。

只安裝二次油氣回收系統(tǒng)而不能保證其長期高效的運行，使得很多加油站的油氣回收系統(tǒng)形同虛設(shè)，這樣不僅浪費了大量的人力和財力，還很大程度上污染了我們賴以生存的家園。因此如何設(shè)計和完善治理工程，保證油氣回收系統(tǒng)的高效運行，真正發(fā)揮節(jié)能減排，降低污染的效益值得深入研究［3～5］。本文提出了一種油氣回收檢測系統(tǒng)的設(shè)計思路和方案，通過在回收系統(tǒng)中串接此檢測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內(nèi)的壓力、流量等傳感器，測量計算出回收系統(tǒng)的密閉性、液阻以及氣液比，來判定回收系統(tǒng)的性能和回收效果，以保證油氣回收系統(tǒng)的高效、可靠的運行。

2 工作原理

油氣回收系統(tǒng)工作原理及整體系統(tǒng)流程圖如圖1所示，在進行油氣系統(tǒng)性能檢測時務(wù)必在停止營業(yè)的情況下進行，在進行密閉性和液阻測量時應(yīng)掛好加油槍。

在進行系統(tǒng)密閉性檢測時，只需通過氮氣入口向檢測系統(tǒng)沖入500Pa左右的氮氣，關(guān)閉相應(yīng)電磁閥，系統(tǒng)維持5min，通過比較系統(tǒng)內(nèi)5min的前后壓力，依據(jù)國家規(guī)定的標準限制［1］來判斷系統(tǒng)的密閉性是否合格；在進行液阻測量時，連接方式同密閉性檢測，只需通過參數(shù)設(shè)置向系統(tǒng)中通入不同流量的氮氣，利用壓力傳感器測出管線液阻并與標準限制進行比對，從而判定系統(tǒng)液阻合格與否；氣液比檢測，如圖1所示，將加油槍接上加油槍配器，如圖1連接，設(shè)置好參數(shù)后，啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)自動打開相應(yīng)電磁閥，進行油氣流量和體積的測量，計算出加油槍的氣液比。以上測量結(jié)果都會直觀地顯示在界面上，并對不合格的指標進行報警提醒。

3 硬件電路設(shè)計

硬件電路框如圖2所示，此系統(tǒng)主要包括3個模塊：信號采集與處理模塊、微控制器與顯示輸入模塊、控制驅(qū)動模塊。信號采集主要包括系統(tǒng)壓力和氣體流量信號，對于壓力信號的采集預(yù)采用進口高精度電子式壓力傳感器（滿量程范圍為0～2.5kPa，精度為滿量程的0.5%；滿量程范圍0～5kPa，精度為滿量程的0.25%），有效的克服了原有指針式讀數(shù)誤差；在對回收油氣體積測量時預(yù)選用德萊賽VRM8C175，是專門用于油氣回收的ROOTS流量計，ROOTS運用體積測量原理，不受大氣壓和環(huán)境溫度的影響，很適合油氣回收測量，且減小了原有利用流量與體積乘積，測量結(jié)果十分準確，其示值誤差為0.75%，重復(fù)性為0.09%；在采集信號處理上直接將信號經(jīng)過調(diào)理電路，進入STM32自帶的12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，減少了AD轉(zhuǎn)換芯片，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。

整個系統(tǒng)是以ARM Cotex－M3內(nèi)核的STM32F107VC為核心設(shè)計開發(fā)，并利用3.2吋四線電阻式觸摸屏進行輸入、顯示。此控制器AD端口可以直接讀取脈沖信號或者電壓信號（0～VDDA），解決了壓力變送器和流量計的信號讀取問題；3.2吋四線電阻式觸摸液晶增加了儀器界面的可操作性和直觀性，同時電阻式觸摸屏克服了電容式在低溫條件下靈敏度差等問題。

控制驅(qū)動模塊利用電磁閥進行氣路選擇，以實現(xiàn)各個模塊的獨立運行，同時對不合格參數(shù)進行報警提醒；外部存儲器實現(xiàn)了采樣結(jié)果長效記錄，客戶可以根據(jù)需求對數(shù)據(jù)進行打印和U盤讀取。

主要使用對象：加油站油氣回收系統(tǒng)檢測，加油站油氣回收系統(tǒng)建成驗收等。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)原理示意

主要接口電路：電磁閥控制口、打印機接口、顯示接口、通訊接口、存儲器擴展接口，報警電路接口。

4 系統(tǒng)防爆設(shè)計

根據(jù)加油站實際使用場合的危險性，按防爆等級ExibIIAT3進行設(shè)計，因此此檢測儀內(nèi)部不能產(chǎn)生電火花，不可含有高儲能部件。為此采取以下措施。①整機采用一個外部電源（12V適配器）和8.4V鎳氫/鋰電充電電池組供電，電池組引出電纜的防錯接插件與主板可靠相連，接插件具有防脫落卡緊結(jié)構(gòu)。串聯(lián)限能電阻后的電池組最大短路輸出電流為3A，經(jīng)過主板入口快速熔斷保險絲后最大短路輸出電流為300mA。電池組經(jīng)過控制主板的電源控制集成電路調(diào)整，輸出6V、5V、3.3V工作電壓，作為整機工作電源電壓。②控制主板元件均采用低壓低功耗防爆性器件，整機最大工作電流小于50mA。③檢測儀機箱需采用鋁塑箱式外殼，箱蓋帶鎖扣。鋁塑箱外表面所覆鋁箔及內(nèi)部所有輕金屬含鎂量均需小于6%；外機箱及其附屬結(jié)構(gòu)均采用接地線接地，及時泄流。④檢測儀面板操作按鈕需采用防水、防靜電結(jié)構(gòu)，通過電路設(shè)計達到動作無火花產(chǎn)生，從而有效保證檢測儀在危險場合的安全操作使用。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖2 硬件電路框

油氣回收檢測系統(tǒng)主流程如圖3所示，系統(tǒng)主要程序流程包括開機之后進行儀器自檢（如有故障，顯示故障信息，提醒檢修），之后進入主界面，顯示時間、大氣壓、溫度等信息。操作人員可以根據(jù)需求進入相應(yīng)的界面（檢測界面、參數(shù)設(shè)置界面、儀器校準界面）。

軟件實現(xiàn)儀器開機自檢，節(jié)省了硬件電路和儀器成本，同時通過對故障模塊的報警提醒，減小了儀器檢修人員檢修的工作量，節(jié)約了工作時間，同時也更好了體現(xiàn)了智能儀器的優(yōu)勢。

檢測儀在參數(shù)設(shè)置界面和儀器校準維護界面都采取了密保措施，防止非檢測人員誤操作儀器，使得參數(shù)改變，影響檢測儀檢測的說服力和準確度。同時在維護界面中設(shè)置了恢復(fù)出廠設(shè)置功能，方便用戶在誤操作情況下誤改動相關(guān)設(shè)置參數(shù)以最方便最快捷的方式恢復(fù)原有狀態(tài)，高效快速的投入正常工作。

圖3 系統(tǒng)整體程序

6 系統(tǒng)模擬仿真

以下為對檢測系統(tǒng)進行密閉性、液阻、氣液比模擬實驗的結(jié)果。

6.1 密閉性模擬實驗

密閉性模擬實驗是基于正壓/負壓檢測原理，將檢測儀連接與一個密閉容器（10L），向其內(nèi)部充入一定量的氣體。

表1 密閉性模擬實驗數(shù)據(jù) Pa

此實驗數(shù)據(jù)表明：此系統(tǒng)可以完成油氣回收回收系統(tǒng)密閉性的檢測，原理成立，且方案可行。

6.2 液阻模擬實驗

液阻模擬實驗是基壓差孔檢測原理，管內(nèi)的積油就好比一個壓差孔。將檢測儀氮氣出口連接在一根內(nèi)壁光滑，內(nèi)徑50mm的軟管上，分別在管內(nèi)有積油和無積油兩種情況下分別通入18L/min，28L/min，38L/min進行模擬實驗。在管內(nèi)無積油的情況下見表2，在管內(nèi)有積油的情況下見表3。

表2 液阻模擬實驗動態(tài)壓力數(shù)據(jù)（管內(nèi)無積油）Pa

表3 液阻模擬實驗動態(tài)壓力數(shù)據(jù)（管內(nèi)有積油）Pa

由表2和表3可知，在有積油和無積油的情況下對氣體的阻力有明顯差別，依據(jù)以上原理表明此方案可以實現(xiàn)油氣回收管線內(nèi)阻力的測量，且靈敏度較高。

6.3 氣液比模擬實驗

氣液比模擬實驗是基于油氣與加油量之比的原理，將向一個固定容積（10L）容器上面安裝兩個管路接口，一個入口接注水口（模擬汽油）模擬加油槍加油，另外一個接檢測儀氮氣入口，測量從容器中排除的氣體體積，并計算模擬氣液比，分別在高速和低速兩種情況下進行模擬（表4和表5）。

表4 高速下氣液比模擬回收油氣實驗數(shù)據(jù)

表5 低速下氣液比模擬回收油氣實驗數(shù)據(jù)

由表4和5可知在低速與高速加油的情況下氣液比會有微小差別，主要是因為高速與低速的情況下融入水中空氣量不一樣，這點也符合油氣回收時低速與高速加油時油氣揮發(fā)的量會有所不同，很好了模擬了加油站加油，據(jù)以上模擬實驗數(shù)據(jù)可知氣液比檢測方案設(shè)計可行，且靈敏度較高。

7 結(jié)語

本文設(shè)計并從理論上初步實現(xiàn)了加油站油氣回收檢測系統(tǒng)的設(shè)計，并通過模擬實驗進行論證。此系統(tǒng)是基于STM32和SPI壓力傳感器和流量計的檢測系統(tǒng)，集成度高、性能穩(wěn)定；有效的將原有的分離檢測器集成為一體，減小了儀器體積，重量，提高了系統(tǒng)的便攜性；系統(tǒng)在油氣回收體積測量時采用煤氣表，大大減小了原有有時間與流量的乘積帶來的測量誤差，提高了測量精度。并對不合格指標進行報警，保證了油氣回收系統(tǒng)高效、可靠地運行。

［1］國家環(huán)境保護總局.GB 20952－2007加油站大氣污染物排放標準［S］.北京：國家環(huán)境保護總局，2007.

［2］國家環(huán)境保護總局.HJ/T431—2008儲油庫加油站大氣污染治理項目驗收檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：國家環(huán)境保護總局，2008.

［3］宋生奎，齊永生.油氣回收技術(shù)及其在加油站中的應(yīng)用［J］.安全、健康和環(huán)境，2007（11）.

［4］崔淑紅，李斌蓮.加油站油氣回收系統(tǒng)及其檢測技術(shù)探討［J］.石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2009（6）.

［5］戴頌文.油氣回收系統(tǒng)及其檢測技術(shù)在加油站的應(yīng)用［J］.石油庫與加油站，2009（10）.