朱文杰 趙文兵 趙奇 顧勇

（1. 中國機(jī)械總院集團(tuán)江蘇分院有限公司，江蘇常州 213164；2. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

1 引言

由于加油站靠近公路，灰塵和汽車排放等導(dǎo)致空氣中的PM2.5，PM10含量高。同時油罐車裝卸、加油作業(yè)等過程中逸散的油氣成為VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）污染物的一個重要來源。VOCs 易與空氣中的氫氮化合物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，造成臭氧污染。臭氧與PM2.5是我國空氣污染的兩個主要來源。加油操作需要在戶外進(jìn)行，夏天溫度過高以及冬天的氣候干燥，都會導(dǎo)致環(huán)境舒適度變差。在當(dāng)前城市PM2.5，PM10治理中比較有效的是霧化除塵技術(shù)。高博等［1-2］總結(jié)了霧化除塵技術(shù)的原理并比較了不同的實(shí)現(xiàn)方法。通過霧化技術(shù)產(chǎn)生1～30 μm 之間的微小水顆粒，與PM2.5，PM10等微小粉塵顆?；ハ辔胶蟪两?，達(dá)到凈化目的。霧化主要有高壓霧化、超聲波霧化、介質(zhì)霧化等方法。超聲波霧化能夠產(chǎn)生更小的水顆粒，抑制PM2.5更有效，但因?yàn)樗髁枯^小，對環(huán)境溫度和濕度的影響有限，高壓霧化則正好相反。陳家慶等［3-4］總結(jié)了加油站的VOCs 治理技術(shù)，加油站VOCs 污染源是油罐車卸油過程的泄漏和加油時油箱中的汽油揮發(fā)。因此加油站的VOCs 控制主要是依靠卸油和加油時的回收技術(shù)，避免讓汽油揮發(fā)到空氣中，已經(jīng)揮發(fā)到空氣中的汽油則通過活性炭等過濾技術(shù)來進(jìn)行凈化抑制。當(dāng)前空氣凈化研究中，PM2.5和VOCs 一般都分開單獨(dú)研究與處理，而針對加油站的特殊空氣凈化需求同時考慮PM2.5以及VOCs 的研究還比較少見。本文提出了一種基于云平臺的加油站空氣凈化綜合解決方案，既可以抑制PM2.5，PM10，又可以消除VOCs，同時還可以控制加油站加油空間的溫濕度，提高加油環(huán)境的舒適度，通過云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控大大提升了設(shè)備的管控水平。

2 綜合解決方案

如圖1 所示，本方案綜合了高壓霧化技術(shù)、超聲波霧化技術(shù)、活性炭過濾技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)［5-7］。高壓霧化通過高壓水泵和高壓噴頭實(shí)施，主要用于PM10的抑制和溫濕度的控制；超聲波霧化通過水泵提供水流、空壓機(jī)提供高壓空氣采用超聲波噴頭實(shí)施，主要用于PM2.5的抑制；活性炭過濾器用于消除空氣中的VOCs。當(dāng)系統(tǒng)需要高壓霧化時，通過變頻器的頻率控制高壓水泵的水壓，進(jìn)而控制加油環(huán)境的溫濕度，高壓霧化主要用于溫濕度的控制及PM10等較大灰塵顆粒的抑制。當(dāng)需要降低PM2.5，VOCs時，系統(tǒng)啟用超聲波霧化功能，空壓機(jī)開始工作，超聲波利用水泵工作，壓縮空氣和加壓水流進(jìn)入超聲波噴頭，進(jìn)行空氣凈化?；钚蕴窟^濾器主要清除空氣中的VOCs，超聲波噴嘴產(chǎn)生超細(xì)水顆粒，抑制PM2.5等較小灰塵顆粒［8-10］。

圖1 加油站環(huán)境凈化系統(tǒng)組成

3 方案的具體實(shí)施

3.1 調(diào)試運(yùn)行

本方案在常州青果巷某加油站進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，高壓水泵為BOTUO 的BM－15－18 型高壓柱塞式水泵，水壓為180 bar，功率為5.5 kW。采用港特1010 型高壓噴嘴100 個，流量為0.09 L/min。超聲波水泵采用光泉40F－13 離心水泵，功率為0.55 kW，水壓為1.3 bar。超聲波霧化噴嘴采用華崛霧寶的SK508 型噴嘴5 個，氣流量為112 L/min，水流量為0.359 L/min，氣壓為5 bar，水壓為1 bar。空壓機(jī)采用奈紳150L－4500W，空氣流量為750 L/min，氣壓為8 bar。圖2 為加油站凈化系統(tǒng)控制柜。

圖2 加油站凈化系統(tǒng)控制柜

3.2 控制系統(tǒng)

3.2.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，采用網(wǎng)絡(luò)控制和開關(guān)量控制相結(jié)合的技術(shù)，如圖3 所示。以信捷XD3 系列PLC 為核心，采用MODOBUS 485 串行網(wǎng)絡(luò)連接信捷變頻器、溫濕度＋PM2.5＋PM1.0傳感器、聲音提示模塊等，通過I/O 連接空壓機(jī)接觸器、遠(yuǎn)程控制器等模塊。

圖3 加油站凈化控制系統(tǒng)組成

3.2.2 控制系統(tǒng)軟件

軟件分PLC 程序、觸摸屏程序和遠(yuǎn)程控制程序3 個部分。PLC 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)測控制，觸摸屏程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場人機(jī)交互的控制和監(jiān)視功能，遠(yuǎn)程控制程序通過無線控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的運(yùn)行控制與監(jiān)控。

3.2.2.1 PLC 程序

PLC 程序的層次結(jié)構(gòu)如圖4 所示。主程序根據(jù)邏輯條件調(diào)用時間處理、狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、語言處理、運(yùn)行控制等子程序。時間處理子程序處理系統(tǒng)的累積運(yùn)行時間，同時計(jì)算高壓泵的潤滑油更換的剩余時間和空壓機(jī)活性炭過濾板的更換時間。狀態(tài)數(shù)據(jù)處理子程序主要通過解析RS485 的通訊協(xié)議獲取溫度、濕度、PM10、PM2.5等數(shù)據(jù)并保存。語言處理子程序主要處理系統(tǒng)運(yùn)行時的語言提示，包括開關(guān)機(jī)的語言、按鈕的提示音以及缺水、換潤滑油、換過濾板等提示音。運(yùn)行控制子程序包括連續(xù)運(yùn)行、開停的間隙運(yùn)行以及以溫濕度、PM2.5、PM10的極限值為參考控制系統(tǒng)運(yùn)行的保護(hù)運(yùn)行方式，缺水、潤滑油、過濾板到期時保護(hù)系統(tǒng)停止運(yùn)行并進(jìn)行報(bào)警提示。

圖4 PLC 程序的層次結(jié)構(gòu)

3.2.2.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的人機(jī)交換監(jiān)控功能，如圖5 所示。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制功能，監(jiān)視的內(nèi)容為水泵、空壓機(jī)、泄壓閥的工作狀態(tài)，以及溫度、濕度、PM2.5、PM10、濾芯更換剩余小時、機(jī)油更換剩余小時、累積運(yùn)行小時等；控制主要選擇設(shè)備的運(yùn)行模式，進(jìn)行設(shè)備的開始、停止控制，過濾復(fù)位及加油復(fù)位的操作。

圖5 現(xiàn)場控制人機(jī)界面

3.2.2.3 遠(yuǎn)程控制程序

遠(yuǎn)程控制程序包括無線控制器程序、服務(wù)器管理程序、手機(jī)客戶端APP 程序3 個部分。無線控制器以ADRUNO 控制器為核心，包括通過RS485 通訊采集PLC 的狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器端；服務(wù)器管理程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、管理以及提供手機(jī)的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)功能；手機(jī)客戶端APP 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)視和控制功能。遠(yuǎn)程控制APP 界面如圖6 所示。

圖6 遠(yuǎn)程控制APP 界面

4 測試結(jié)果與討論

4.1 測試方案

測試的主要目標(biāo)有兩個，即比較不同工作模式的效果和不同霧化模式的效果。工作模式包括連續(xù)運(yùn)行模式和間隙運(yùn)行模式，霧化模式包括單獨(dú)高壓霧化模式、單獨(dú)超聲波霧化模式以及混合霧化模式。具體測試方案見表1。2021 年10 月24—27 日4 d 在青果巷加油站進(jìn)行了系統(tǒng)的測試，從每天12：00 開始至13：40 測試結(jié)束。通過安裝在固定點(diǎn)的傳感器來采集溫度、濕度、PM2.5、PM10數(shù)據(jù)，傳感器的數(shù)據(jù)采集周期為2 min。

表1 測試方案

4.2 比較分析

4.2.1 運(yùn)行模式的比較

正常的工作模式有連續(xù)運(yùn)行與間隙運(yùn)行（開4 min，停2 min）2 種?，F(xiàn)以單獨(dú)霧化的噴霧模式來進(jìn)行比較，如圖7 所示。溫度、濕度曲線比較中，2 種模式的效果相似，霧化產(chǎn)生的溫差和濕度差不大，連續(xù)運(yùn)行效果稍好。在2 種運(yùn)行模式中，PM2.5和PM10差距較大，連續(xù)運(yùn)行模式中，PM2.5和PM10的值甚至大于自然狀態(tài)值。出現(xiàn)這種狀況的主要原因是，霧化產(chǎn)生的液體顆粒沒有沉淀下來，在空氣中被傳感器認(rèn)為是PM2.5或者PM10顆粒，導(dǎo)致檢測值增大，當(dāng)采用間隙運(yùn)行時，霧化液體顆粒有充足的時間裹住尺寸類似的灰塵顆粒沉淀，因此檢測效果較好。綜合溫度、濕度、PM2.5、PM10的運(yùn)行模式比較實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，在正常運(yùn)行時采用間隙運(yùn)行方式綜合效果較好。只有在溫度極限或者濕度極限的條件下才進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)快速降溫、加濕的功能。

圖7 運(yùn)行模式比較曲線

4.2.2 霧化模式的比較

霧化模式有高壓霧化、超聲波霧化、混合霧化3種，采用的運(yùn)行模式是間隙運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)如圖8 所示。從PM2.5和PM10的比較曲線可看出，超聲波霧化能顯著降低PM2.5的值，但對PM10無效果，高壓霧化能顯著降低PM10的值，對PM2.5效果不明顯。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是，根據(jù)霧化除塵的原理，霧化產(chǎn)生的液體顆粒只吸附與自己直徑類似的灰塵顆粒。超聲波霧化可以產(chǎn)生小于5 μm 的液體顆粒，因此對PM2.5效果明顯，高壓霧化產(chǎn)生的顆粒大于10 μm，因此對PM10的效果比PM2.5要好。

圖8 霧化模式比較曲線

綜合溫度、濕度、PM2.5、PM10的霧化模式比較實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在正常工作情況下采用混合霧化模式的效果較好。

5 結(jié)論

針對加油站存在的環(huán)境污染比較嚴(yán)重、環(huán)境舒適度較差等問題，提出了一種基于云平臺的加油站空氣凈化的綜合解決方案，綜合抑制PM2.5，PM10，VOCs 等污染物，同時通過控制加油站加油空間的溫濕度，提高加油環(huán)境的舒適度。該方案已經(jīng)進(jìn)行樣機(jī)的試制及測試，達(dá)到預(yù)期效果，下一步需對該方案進(jìn)行細(xì)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行市場推廣。