羅洋 劉凱 王逸偉

摘 要： 針對(duì)兩種原油在模擬油罐存儲(chǔ)條件下進(jìn)行了相平衡實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了原油到達(dá)相平衡后揮發(fā)氣的體積及其組成。激光氣體檢測(cè)儀利用光譜吸收原理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體中丙烷濃度的原位在線監(jiān)測(cè)，是一種頗具前景的監(jiān)測(cè)技術(shù)。在模擬油罐環(huán)境下對(duì)激光氣體檢測(cè)儀的測(cè)量性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)量相對(duì)誤差較小，滿足工業(yè)應(yīng)用的精度要求。

關(guān) 鍵 詞：激光氣體檢測(cè)儀；原油揮發(fā)氣；丙烷；模擬油罐

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-2036-03

Abstract： Phase equilibrium experiments of two kinds of crude oil under simulated tank storage conditions were carried out to determine the composition and volume of volatile gas of the oil. Laser gas detector can be used to realize in situ monitoring of propane content in the volatile gas based on spectrum absorption. Detecting performance of the laser gas detector under simulated oil tank environment was studied. The result shows that the measurement error of this laser gas detector system is little， which can meet the demand of industry.

Key words： laser gas detector； volatile gas； propane； simulated oil tank

1 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和國(guó)際環(huán)境的復(fù)雜多變，能源、安全和環(huán)境問(wèn)題日益突出。被稱(chēng)為工業(yè)血液的原油是能源的主要供應(yīng)者，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常廣泛的作用與功能。為保障國(guó)家能源戰(zhàn)略的安全，原油儲(chǔ)備成為了最為有效的手段。特別是近年來(lái)油價(jià)的波動(dòng)，使得原油儲(chǔ)備這一話題再次成為了焦點(diǎn)：如何有效、安全地對(duì)原油進(jìn)行存儲(chǔ)，成為了研究者的研究重點(diǎn)。

原油在收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和初步處理及加工各環(huán)節(jié)中，其中的輕組分不斷蒸發(fā)，揮發(fā)出的烴蒸汽比空氣重，容易在油罐周?chē)暗屯萏幘奂坏乖偷臄?shù)量減少，品質(zhì)下降，而且會(huì)在作業(yè)站場(chǎng)及其周?chē)裣掳踩[患[1，2]。因此，研究如何降低儲(chǔ)罐內(nèi)油品的蒸發(fā)損耗，無(wú)論是從安全環(huán)保的角度，還是從回收能源、提升企業(yè)效益的角度都具有極其重要的意義。多年來(lái)，為減少這些油氣損耗，采取了許多方法，其中最有效的方法就是浮頂?shù)膽?yīng)用。由于浮頂是漂浮在油面上工作，因而有效的減小了油氣蒸發(fā)空間，使油氣損耗控制在很小的空間范圍，大大降低了油氣損耗，同時(shí)這種方法也使得儲(chǔ)罐因不必采用固定頂而易于大型化[3，4]。

在一定溫度下，液體與在其表面蒸汽會(huì)達(dá)到汽液平衡，如果建立起來(lái)的平衡被打破，蒸汽就向大氣中不斷散失。浮頂油罐的蒸發(fā)損耗主要來(lái)自浮頂與罐壁間的環(huán)形空隙以及浮頂上其它有可能與大氣相連的蒸發(fā)空間，其次是由于罐中油品抽出時(shí)粘附在罐壁上的液體蒸發(fā)而產(chǎn)生的損耗。目前，在原油站庫(kù)中，大多使用浮頂油罐以減少油氣揮發(fā)及對(duì)空氣的污染、保證油庫(kù)安全和油品質(zhì)量。盡管浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)是為了減少原油的揮發(fā)，但是由于液體蒸汽壓的存在，原油中的輕組分就必然揮發(fā)，這部分氣體為油罐原油揮發(fā)氣。由于浮頂與罐壁之間封閉不嚴(yán)，特別是罐體或浮頂發(fā)生變形時(shí)，揮發(fā)氣會(huì)揮發(fā)到油罐一二次密封之間的空間貯儲(chǔ)罐的安全[3-5]。

隨著浮頂罐的大量投建使用，為了減少由于浮頂罐的呼吸引起的油氣損失特別是確保原油貯罐的貯存安全，有必要對(duì)浮頂罐的油氣蒸發(fā)量和蒸汽組成進(jìn)行定量測(cè)定和研究。由文獻(xiàn)可知，影響油氣蒸發(fā)量的因素很多，主要為外界環(huán)境因素和罐體因素兩大類(lèi)。在不考慮外界影響的條件下，可將油氣空間視為相對(duì)獨(dú)立的體系，然而，目前對(duì)于這方面的研究報(bào)道較少。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)這一工業(yè)實(shí)際問(wèn)題，對(duì)兩種原油大慶原油和阿曼原油在模擬原油在油罐內(nèi)的儲(chǔ)存條件進(jìn)行了汽液相平衡實(shí)驗(yàn)，即壓力為常壓、溫度為油罐工作溫度，測(cè)量了兩種油品達(dá)到相平衡后所揮發(fā)的油氣量，分析了揮發(fā)氣的組成。并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光氣體監(jiān)控儀對(duì)原油揮發(fā)氣中丙烷濃度進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，考察了其監(jiān)測(cè)性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由分布式激光氣體感應(yīng)器、模擬油罐、氣體緩沖計(jì)量瓶和數(shù)據(jù)顯示與采集系統(tǒng)組成。分布式激光氣體感應(yīng)器利用半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減程度與被測(cè)氣體含量成正比，通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息獲得被測(cè)氣體的濃度。模擬油罐呈圓筒狀直徑20 cm，高15 cm，由有機(jī)玻璃制成，頂蓋由法蘭密封，其上面開(kāi)口三處，分別連接分布式激光氣體感應(yīng)器、熱電偶、取氣口。取氣口連接氣體緩沖計(jì)量瓶，可以保持模擬油罐內(nèi)的壓力一致，同時(shí)通過(guò)排水法計(jì)量原油受熱后揮發(fā)出的氣體體積。模擬油罐下部放置磁力攪拌器，驅(qū)動(dòng)模擬油罐內(nèi)的磁力攪拌轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，加速原油揮發(fā)使其快速達(dá)到相平衡。熱電偶用于測(cè)量模擬油罐內(nèi)氣相的溫度。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）連接實(shí)驗(yàn)裝置，預(yù)熱激光氣體感應(yīng)器；

（2）向模擬油罐內(nèi)加入特定原油200 mL，將頂蓋密封，設(shè)定恒溫實(shí)驗(yàn)箱溫度至實(shí)驗(yàn)溫度，同時(shí)打開(kāi)磁力攪拌器；

（3）恒溫穩(wěn)定4 h后，讀取激光氣體檢測(cè)儀顯示的丙烷濃度、氣體排水體積，并從取氣口取氣并用氣相色譜分析其組成，重復(fù)三次取平均值，并與監(jiān)控儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；

（4）等待模擬油罐中的原油達(dá)到汽液平衡（約4小時(shí)）將待測(cè)氣體進(jìn)行色譜分析，分析氣體組成，并與監(jiān)控儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 模擬油罐存儲(chǔ)環(huán)境下原油的相平衡研究

首先，本文分別對(duì)國(guó)內(nèi)外兩種典型原油（大慶原油和阿曼原油）進(jìn)行了常壓下的相平衡實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量原油揮發(fā)氣的體積及其組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，隨著溫度的增加，兩種原油揮發(fā)出的氣體量均有所增加，對(duì)比兩種原油的揮發(fā)氣體積，可以發(fā)現(xiàn)阿曼原油相對(duì)較輕，其單位體積原油會(huì)發(fā)出的氣體也更多。同時(shí)，分析揮發(fā)氣的組成，我們可以看出阿曼原油揮發(fā)氣中丙烷的摩爾濃度均在20%左右，而大慶原油揮發(fā)氣中丙烷摩爾濃度均在13%左右，也就是說(shuō)，對(duì)于特定一種原油揮發(fā)氣中丙烷含量占總揮發(fā)氣的釋放量的比例基本恒定。因此，以相對(duì)含量較多的丙烷氣體的濃度作為目標(biāo)氣體檢測(cè)原油揮發(fā)氣的整體釋放量具有可行性。

3.2 激光氣體檢測(cè)儀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)氣體的性能研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體中丙烷濃度時(shí)，不向模擬油罐中注入原油，而是連續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，待標(biāo)準(zhǔn)氣體將模擬油罐中的氣體置換完全后，開(kāi)始讀數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，相對(duì)誤差計(jì)算公式見(jiàn)公式（1）。

從表2可以看出，經(jīng)多次測(cè)量該系統(tǒng)測(cè)定混合氣體中丙烷的濃度的相對(duì)誤差最大為3.48%，同時(shí)測(cè)量穩(wěn)定性很好，滿足工業(yè)上的精度要求。

3.3 模擬油罐環(huán)境下激光氣體檢測(cè)儀原位測(cè)量原油揮發(fā)氣中丙烷濃度的性能研究

測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3，我們以色譜所測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)，利用公式（1）計(jì)算相對(duì)誤差。

從表3中可以看出，使用該系統(tǒng)的相對(duì)誤差最小值為4.48，最大值為4.84，其最大誤差略高于該系統(tǒng)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)的誤差水平。分析原因，我們認(rèn)為可能是原油揮發(fā)氣增加了測(cè)定環(huán)境的復(fù)雜程度，即原油揮發(fā)氣中的多個(gè)組分對(duì)該系統(tǒng)測(cè)量丙烷濃度造成了一定的干擾。但是，總體誤差仍在5%以內(nèi)，可以滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié) 論

本文首先模擬油罐存儲(chǔ)條件對(duì)國(guó)內(nèi)外兩種原油進(jìn)行了相平衡實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了原油到達(dá)相平衡后揮發(fā)氣的體積及其組成，發(fā)現(xiàn)通過(guò)丙烷作為目標(biāo)氣體檢測(cè)可燃?xì)怏w的總揮發(fā)量是可行的。在此基礎(chǔ)上，使用激光在線監(jiān)測(cè)主動(dòng)防防護(hù)系統(tǒng)在模擬油罐環(huán)境下對(duì)其監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)量相對(duì)誤差小于5%，滿足工業(yè)上的測(cè)量精度要求。

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