王振中 金 幗 吳鋒棒 王 潔

(1. 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071；2. 中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東 青島 266071)

近年來，我國大氣污染的狀況日趨嚴(yán)重，為了有效控制加油站在日常生產(chǎn)過程中向大氣排放的有機氣體，2007年出臺了GB 20952《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)要求，我國大部分城市建成區(qū)的加油站已經(jīng)逐步進(jìn)行了油氣回收改造。為了保證油氣回收的實施效果，部分經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)的加油站安裝了電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備和油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)。而就功能原理來講，電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備和油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)有著較多的相似之處，同時安裝會增加油氣回收的一次投資成本，造成資源浪費。為此，筆者通過對比分析電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備與油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，對二者的功能進(jìn)行了優(yōu)化整合，研制了兼具調(diào)節(jié)和監(jiān)測作用的油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備原理①

加油油氣回收指的是將汽車加油過程中產(chǎn)生的油氣，在真空泵的輔助下，通過密閉方式收入埋地油罐的過程。而為保證油箱內(nèi)的汽油蒸氣盡可能地被回收，就要使真空泵的抽氣流量和汽油的加油流量滿足一定的比例，該比例即所謂的氣液比。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，加油油氣回收的氣液比應(yīng)在1.0～1.2的范圍內(nèi)[1]。因此，氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備是保證加油站二次油氣回收系統(tǒng)氣液比達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵組件。常用的氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備主要有機械式和電子式兩種。傳統(tǒng)的機械式氣液比調(diào)節(jié)閥主要通過管路油壓來對閥門開度進(jìn)行控制；電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備可以實時監(jiān)測加油流量脈沖，根據(jù)流量大小來實時修正氣液比，按照控制方式不同，又可分為兩種：一種為通過控制比例調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)氣液比；另一種則采用變頻真空泵，通過控制真空泵的工作頻率來改變抽氣流量，達(dá)到調(diào)節(jié)氣液比的目的。其中，第一種控制方式較為成熟，在現(xiàn)場應(yīng)用也最為廣泛。

常見的電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備主要由氣液比調(diào)節(jié)閥、氣液比調(diào)節(jié)主控板、流量計及電源等部分構(gòu)成。其基本原理如圖1所示。

圖1 電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備原理框圖

一般來說，電子式氣液比調(diào)節(jié)主控板主要有兩路輸入信號和一路輸出信號，輸入信號分別為來自加油機主板的汽油流量脈沖信號和來自油氣流量計的信號，輸出信號為控制電磁閥的開度信號。主控板可通過手操器來設(shè)置氣液比控制值，并通過內(nèi)部控制算法精確控制閥門的開度。在實際應(yīng)用中，由于氣體流量計較為昂貴，通常僅在標(biāo)定時才會使用。

2 油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)原理

加油站油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)主要用來對油氣回收系統(tǒng)的氣液比、密閉性及液阻等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)國家和地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、超標(biāo)報警及歷史記錄等功能[2]。

一般來說，油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由油氣流量計、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器及監(jiān)控機等部分構(gòu)成。如圖2所示，該系統(tǒng)的輸入信號有：汽油流量脈沖信號、油氣流量脈沖信號及壓力傳感器信號；輸出信號為報警輸出和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

圖2 油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

3 功能對比與整合

通過對二者的功能進(jìn)行對比分析，不難發(fā)現(xiàn)：二者都具備汽油流量脈沖和油氣流量信號的采集功能，且都能對氣液比進(jìn)行實時監(jiān)測；油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)具備了電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備的硬件電路，只需外加調(diào)節(jié)閥并重新設(shè)計內(nèi)部程序便可實現(xiàn)其所有功能。

因此，可以從功能和硬件上對二者進(jìn)行整合，形成兼具控制和調(diào)節(jié)功能的油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)，這樣做的優(yōu)勢是：

a. 節(jié)省加油站的投資成本。在油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加控制調(diào)節(jié)功能僅會增加少量成本，避免原來采購兩套具有重復(fù)功能系統(tǒng)的投資浪費。

b. 提升了控制的穩(wěn)定性，減少維護(hù)工作量。原有的電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備為節(jié)省投資成本，僅在標(biāo)定時才會使用氣體流量計，使用一段時間后，不可避免地會出現(xiàn)調(diào)節(jié)誤差變大的問題，產(chǎn)品需要定期維護(hù)；而整合后的系統(tǒng)一直裝有氣體流量計，可以有效提升氣液比控制的穩(wěn)定性，避免了經(jīng)常性的微調(diào)和標(biāo)定，減少產(chǎn)品維護(hù)的工作量。

c. 提升了產(chǎn)品的功能性和易用性。原有的油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)僅能對氣液比進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦超標(biāo)就只能報警，而連續(xù)報警會導(dǎo)致強制停車，影響加油站的正常營業(yè)；增加控制調(diào)節(jié)功能后，一旦超標(biāo)，產(chǎn)品可以通過控制調(diào)節(jié)閥開度調(diào)整氣液比，使其處于正常范圍，這樣不僅可以有效避免由于氣液比超標(biāo)報警而對加油站運營帶來的影響，而且可以保障氣液比時刻處于正常范圍，提升二次油氣回收的效率。

4 總體設(shè)計

筆者所設(shè)計的加油站油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，主要分為4個部分：安裝于油氣回收系統(tǒng)回氣管路上的現(xiàn)場儀表和閥門，包括氣體流量計、壓力變送器和調(diào)節(jié)閥；安裝于加油機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器；安裝于加油站控制室內(nèi)的監(jiān)控上位機；433MHz無線模塊組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

圖3 加油站油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)

在實際應(yīng)用時，考慮到加油機內(nèi)部安裝空間有限且需要節(jié)約投資成本，每兩條槍安裝一套油氣流量計。這樣，當(dāng)兩槍同時加油時，將兩路的回氣總量與加油總量的比值作為平均氣液比。每個加油站只安裝一臺微壓變送器即可[3]。

4.1 氣體流量計

目前，國外成熟的油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)主要采用體積式氣體流量計，即羅茨流量計。與其他流量計相比，羅茨流量計原理簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、測量精度高，且輸出為脈沖信號，易于檢測，能夠很好地滿足油氣回收在線測量的各項要求[3]。筆者選用的氣體流量計為LLQZ型氣體羅茨流量計，精度為1.5級。

4.2 微壓變送器

GB 50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》規(guī)定，加油站汽油儲罐的通氣管應(yīng)安裝呼吸閥。對于已實施油氣回收改造的加油站，呼吸閥的開啟壓力范圍為-2.0～-1.5kPa，2～3kPa[4]。據(jù)此，可確定微壓變送器的測量范圍應(yīng)為-2～3kPa，筆者所選的微壓變送器為MPM430系列。

4.3 調(diào)節(jié)閥

油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥安裝于油氣分離接頭引出的氣路銅管和油氣回收泵之間靠近油氣回收泵入口的位置。

4.4 數(shù)據(jù)采集器

目前我國常用的加油機多為四槍機，為此，筆者研制了最多可以同時監(jiān)控4條加油槍的數(shù)據(jù)采集器，該采集器包括：4路加油脈沖輸入通道、4路氣體流量脈沖輸入通道、兩路微壓傳感器輸入通道、4路調(diào)節(jié)閥輸出通道、4路繼電器輸出端口、一路無線數(shù)據(jù)收發(fā)端口和一路485數(shù)據(jù)收發(fā)端口。

在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)采集器的中央控制器為STM32F ARM微處理器，氣體流量脈沖信號和加油流量脈沖信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和光電隔離后直接輸入ARM處理器的計數(shù)單元。微壓變送器的輸出為4～20mA電流信號，使用高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸入ARM處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。

圖4 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器框圖

繼電器輸出端口的作用為發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常時，強制關(guān)斷該路油槍的電源。

調(diào)節(jié)閥開度的控制方式為電流信號，為了精確控制開度，采用PWM方式進(jìn)行控制。ARM處理器通過內(nèi)置定時器生成特定占空比的PWM波，經(jīng)過信號調(diào)理后輸入調(diào)節(jié)閥對其開度進(jìn)行控制。

因為同一加油站內(nèi)一般會有多個采集器，所以這里使用一個撥碼開關(guān)來標(biāo)明其地址。

由于很多加油站在建設(shè)時沒有為油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)留通信電纜，因此數(shù)據(jù)采集器設(shè)計了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：對于有預(yù)留電纜的加油站，采用485方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；對于沒有預(yù)留電纜的加油站，為避免電纜施工帶來的不便，采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。筆者選用的無線模塊基于最新高性能射頻芯片SI4432，并嵌入高速單片機，最大速率最高可達(dá)100kbit/s的無線模塊，工作頻段為433MHz開放頻率帶。無線模塊與ARM微處理器通過內(nèi)置的串口相連，能夠方便、可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于無線通信與485通信均為半雙工模式，因此正常通信時將監(jiān)控機作為主機，各采集器作為從機，只有收到主機的命令時，從機才會發(fā)送數(shù)據(jù)。

采集器的設(shè)置數(shù)據(jù)存放在ARM微控制器的內(nèi)置FLASH存儲器中。

4.5 監(jiān)控機

Windows XP系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的一種操作系統(tǒng)，具有開發(fā)簡單、操作方便、易上手及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，筆者選用的監(jiān)控機為基于Intel Atom系列處理器的工業(yè)一體機。監(jiān)控機預(yù)裝Windows XP系統(tǒng)，具備12英寸觸控界面，運行的上位機基于微軟的.Net平臺開發(fā)。

正常工作時，監(jiān)控機會周期性地查詢各采集器的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集器將返回目前的工作狀態(tài)和內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。監(jiān)控機收到數(shù)據(jù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)進(jìn)一步的曲線繪制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及實時報警等功能[5]。

5 結(jié)束語

筆者通過對比分析電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備和油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能原理，分析二者在實際應(yīng)用中存在的問題，對其功能進(jìn)行了整合優(yōu)化，研制出兼具監(jiān)測和調(diào)節(jié)功能的油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠自動監(jiān)測加油站油氣回收系統(tǒng)的氣液比、密閉性及液阻等參數(shù)，還可以在氣液比超標(biāo)報警的情況下自行調(diào)節(jié)，可以有效保障加油站油氣回收的應(yīng)用效果。