陳廣衛(wèi)，周亮，范路，王新偉

[1. 中國石化能源管理與環(huán)境保護部，北京朝陽區(qū) 100728；2. 勝利油田技術(shù)檢測中心，山東東營 257000；3. 中國石油大學(華東)新能源學院，山東青島 266580]

石油及石油產(chǎn)品是由多種碳氫化合物組成的混合物，其中輕質(zhì)組分具有較強的揮發(fā)性[1]。油品蒸發(fā)損耗量較大，我國油品的損耗率高達1.5%～3%。原油儲罐揮發(fā)出的氣體中主要成分是甲烷[2-3]，因此，降低原油儲罐油氣損耗量是石油石化行業(yè)的一項緊急而又重要的工作。

在原油儲罐實際運行中，存在3種油氣損耗的方式，分別是閃蒸排放、大呼吸排放和小呼吸排放，這3種排放方式同時存在且相互影響。閃蒸排放是指當原油進入儲罐時，原高壓環(huán)境溶解的天然氣由于壓力突然降低從原油中閃蒸出來；大呼吸排放指原油儲罐在收、發(fā)油過程中，由于罐內(nèi)油液面發(fā)生變化而導致的排放；小呼吸排放指由于季節(jié)、晝夜溫差等變化而導致的排放。原油儲罐的油氣損耗是一種無組織的逸散排放行為，影響因素較多，規(guī)律性不強。傳統(tǒng)的油氣損耗測試多采用實地檢測的手段，利用高精度的機械式玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量排放氣體流量，采用集氣袋取樣，利用氣相色譜儀分析氣體成分，獲得甲烷、乙烷等成分的濃度，進而通過流量、濃度計算儲罐的油氣損耗量。然而，該傳統(tǒng)的測量方法具有取樣不定期、氣樣成分隨機、監(jiān)測操作不便捷、測點有限、耗時費力等特點，且沉降罐的運行參數(shù)、晝夜溫差、天氣變化等直接影響油氣損耗大小的因素難以掌控等缺點。

黃維秋等[4]針對石油儲運過程中存在嚴重的蒸發(fā)損耗問題，建立了小型錐頂金屬蒸發(fā)損耗測試平臺，對小型錐頂汽油罐的蒸發(fā)損耗進行了實驗測定，但因安全性及方法復雜等問題不適于現(xiàn)場監(jiān)測。在一些原油儲罐基本參數(shù)測試的基礎(chǔ)上，通過軟件模擬計算了儲罐閃蒸排放和大小呼吸排放量，但并未開展溫室氣體排放相關(guān)研究[5]。鄭煒博[6]針對勝利油田儲罐的呼吸損耗問題，開展監(jiān)測技術(shù)方面的研究，并設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，提出全參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測方案。通過對硬件電路及軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了在線監(jiān)測的目標，但監(jiān)測點較多，監(jiān)測器帶電，安全隱患問題依然難以解決。由于油氣損耗的揮發(fā)氣體溫度往往遠高于環(huán)境空氣的溫度，紅外熱像儀可在不接觸測量物體的情況下準確測量出目標的溫度，并呈現(xiàn)其溫度分布情況[7]，因此，借助紅外成像進行儲罐油氣損耗的測量是一種解決傳統(tǒng)測量效率低、監(jiān)測器帶電等缺點的好方法。目前，很多研究單位開發(fā)了大量的紅外熱像儀產(chǎn)品，但其應(yīng)用一直局限于無損檢測、電氣設(shè)備熱診斷、集成電路板檢測、醫(yī)學熱像診斷等定性判斷方面，較少有將熱像儀應(yīng)用于呼吸損耗半定量表征方面的研究，嚴重制約了紅外熱像技術(shù)在儲罐等大型設(shè)備呼吸損耗半定量表征方面的應(yīng)用。因此，開展基于紅外熱成像的儲罐油氣損耗半定量測試方法研究較有意義。

筆者研究設(shè)計一種原油儲罐甲烷排放檢測方法，以期為降低原油儲罐油氣損耗的深入研究提供一定的技術(shù)支持。主要對油氣損耗紅外熱圖像采集處理與辨識關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，建立了針對油田企業(yè)儲罐油氣損耗排放的紅外半定量監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計加工了配套的油氣損耗排放半定量測試裝置，構(gòu)建了CH4排放量計算模型，并通過試驗驗證了該方法的可行性。該技術(shù)可擴展延伸到類似于井口、裝卸油、污油池等設(shè)備進行油氣損耗測量，對于實現(xiàn)石油石化油氣損耗高效檢測、減少甲烷排放具有重要的技術(shù)參考價值。

1 油氣損耗量測量裝置設(shè)計及計算模型構(gòu)建

油氣損耗主要通過原油儲罐罐頂?shù)暮粑y逸散排放，在罐頂連接1個空心管，管外側(cè)等間距開數(shù)個同口徑的排氣孔，管內(nèi)放置1個合適的浮子，浮子受儲罐排放氣體的浮力、自身重力及管壁摩擦力作用，當3種力達到平衡時，浮子位置固定，即可由排氣孔排出氣體的流量計算出儲罐油氣損耗量，油氣損耗量測量裝置設(shè)計原理示意見圖1。

圖1 油氣損耗檢測裝置設(shè)計原理示意

在不考慮管內(nèi)空氣的垂向重力差，且浮子在流體中處于平衡狀態(tài)時，3種力的平衡關(guān)系式為：

式中：G為浮子自身的重力，N；F為浮子受到排放氣體的浮力，N；FN為浮子與空心管內(nèi)壁的摩擦力，N。

由式(1)可得：

式中：Δp——浮子上下壓力差，Pa；

A——浮子上下表面的表面積，m2；

pi——浮子下表面的壓強，即管內(nèi)氣流的壓強，Pa；

p∞——浮子上表面的大氣壓強，Pa；

ρ——油氣的密度，kg/m3；

v——小孔出口流速，m/s；

m——浮子質(zhì)量，kg；

FN——浮子與管內(nèi)壁之間的摩擦力，N。

由式(2)推導出小孔出口流速v：

小孔的出口流量qi為：

式中：Ai——小孔面積，m2。

主管氣流流量Q為：

式中：V——主管內(nèi)氣流流速，m/s。

在壓力存在條件下，對密度進行修正：

式中：ρ'——修正后的油氣密度，kg/m3；

k——絕熱指數(shù)。

管壁排氣孔個數(shù)n為：

改變不同的浮子質(zhì)量、主管內(nèi)徑及排氣孔內(nèi)徑，設(shè)計系列油氣損耗檢測裝置，由上述公式計算出不同損耗流量下的油氣損耗檢測裝置外側(cè)排氣孔的個數(shù)，見表1。

表1 油氣損耗測量裝置設(shè)計參數(shù)

根據(jù)表1中計算數(shù)據(jù)，制作了不同型號的油氣損耗檢測裝置，見圖2。油氣損耗量計算軟件界面見圖3。

圖2 不同型號的油氣損耗檢測裝置

由圖2可見：當油氣損耗檢測裝置主管中的浮子處于平衡時，氣體通過浮子以下的出口流出。

圖3 軟件界面

由圖3可見：利用紅外熱像儀拍攝運行工況下的油氣損耗檢測裝置，由于耗散的油氣溫度高于環(huán)境溫度，油氣損耗檢測裝置中主管自下而上呈現(xiàn)不同的溫度分布，并且在浮子所在位置呈現(xiàn)出清晰的溫度界面。通過讀取圖像、管道區(qū)域處理、直線檢測以及連通區(qū)域計算等一系列處理，提取出浮子以下出口的個數(shù)，再基于力的平衡和伯努利方程，計算出油氣耗散的體積流量和質(zhì)量流量。

2 試驗驗證

采用風機+電熱絲的組合提供50 ℃高溫空氣用以模擬儲罐呼氣損耗氣體，通過熱像儀拍攝油氣損耗檢測裝置的熱像圖，并通過開發(fā)的熱像圖識別軟件計算出氣體流量，與經(jīng)熱線風速儀計算的氣體流量進行對比，評價該裝置測量的準確性，具體驗證步驟如下。

1)試驗前盡可能關(guān)閉除試驗裝置以外的其他熱源，以便獲取清晰的紅外圖像，并對裝置的氣密性進行檢驗，防止裝置漏氣影響試驗結(jié)果。

2)按照選定的試驗風速和加熱溫度對風機和電加熱裝置進行調(diào)節(jié)，待空氣流速和溫度穩(wěn)定后，利用紅外熱像儀觀察多方向浮子位置以及其下方氣孔出氣情況。

3)改變風速和加熱溫度進行多組試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進行整合分析，拍攝紅外熱像圖見圖4。

圖4 紅外熱像圖

該裝置測量結(jié)果與傳統(tǒng)方法測量的空氣流量結(jié)果對比見表2。

由表2可見：2種方法的測量誤差僅在5%左右，準確度較高。因此，設(shè)計的油氣損耗檢測裝置及方法可用于現(xiàn)場儲罐油氣損耗量的測量，再根據(jù)排放氣體中甲烷的濃度可折算甲烷的排放量。

表2 設(shè)計檢測方法與傳統(tǒng)檢測方法對比

3 結(jié)論

設(shè)計開發(fā)了油氣損耗測量裝置，基于紅外圖像識別原理編制了處理軟件，通過室內(nèi)試驗驗證了該裝置及其測量方法用于測量氣體排放量的可行性，準確度達95%以上。根據(jù)不同儲罐的排放特性，通過改變油氣損耗測量裝置的尺寸及浮子質(zhì)量等參數(shù)，可以制作系列化的油氣損耗半定量檢測裝置，為石油石化企業(yè)原油儲罐油氣損耗量測試和甲烷檢測提供了一定的技術(shù)支撐。