毕业设计资料任志军1任志军论文.doc

摘要原油从开采到炼油厂加工，以及成品油从炼油厂的产出到最终用户消费，通常要经历若干储存、装卸过程。在这些过程中，由于温度、气压、盛装油品容器的气液相体积变化等因素影响，有一部分油气会挥发进入大气，造成油气的蒸发损耗。 油气蒸发威胁安全, 蒸发的油蒸气易引发爆炸, 从而导致油罐爆炸着火。油蒸气是气相烃类, 属有毒物品, 漂浮地面易致人窒息。油蒸气还易形成光化学烟雾的二次污染物。由于油蒸气的蒸发损耗, 全世界每年散失于大气中的油气约为110吨, 折合人民币2400亿元。因其所蒸发的都是油料中的最轻组分且油气蒸发还严重影响成品油质量。我分析了轻质油罐油气蒸发损耗的危害、产生原因及各种影响因素,针对汽油等轻质油品在收发过程中蒸发排放大量油气,造成严重的油品蒸发损耗问题,提出了降低油品蒸发损耗技术及应用研究,对比了几种降低油品蒸发损耗方案,通过推导油品蒸发损耗量的计算公式及实例分析,对某油罐区提出了新的降耗方案,并对其蒸气集气系统进行了工艺设计,得到相应的结论并给出了建议。Abstractthreat to the security of oil and gas evaporation, evaporation of the oil vapor easily lead to an explosion, resulting in a fire tank explosion. Gas oil is a hydrocarbon vapors are toxic substances, suffocation floating ground. Oil vapor is also easy to form secondary pollutants in photochemical smog. Oil vapor as a result of evaporation losses, the annual global loss of oil and gas in the atmosphere is about 1 10 tons, equivalent to 240 billion yuan. Because the evaporation is the lightest component in the oil and gas evaporation has also seriously affected the quality of refined oil. I analyzed the evaporation loss of light gas oil tank of the hazards, causes and various influencing factors, and to reduce evaporative loss of oil and gas solutions.目 录摘要IAbstractII1.前 言12.油气蒸发带来的危害12.1油气蒸发威胁安全12.2油蒸气污染大气22.3浪费宝贵的能源22.4降低了油料质量23.油气蒸发损耗的成因23.1温度变化23.2油罐上方空间的影响23.3油罐严密程度23.4油罐大呼吸23.5小呼吸损失34.降低油品蒸发损耗措施34.1 抑制油品蒸发损耗的措施34.2 采用油气回收技术方法35.油蒸气集气系统降耗66.某油罐区设计概况87.油蒸气集气系统设计依据87.1 集气罐选型及其工作压力87.2 集气管道管径的计算87.3 输气流量的计算97.4 集气罐容量的确定107.5 安全设施108.油蒸气集气系统工艺流程109.集气系统的设计计算119.1 基本参数的确定119.2 输气流量的计算119.3 集气管道内径计算119.4 集气罐工作压力计算129.5 集气罐容积计算129.6 集气罐的选型129.7 安全设施1210.小结12参考文献1415轻质油罐油品蒸发损耗控制技术任志军 (浙江海洋学院 石油化工学院 浙江 舟山 316004)摘要 原油从开采到炼油厂加工，以及成品油从炼油厂的产出到最终用户消费，通常要经历若干储存、装卸过程。在这些过程中，由于温度、气压、盛装油品容器的气液相体积变化等因素影响，有一部分油气会挥发进入大气，造成油气的蒸发损耗。 油气蒸发威胁安全, 蒸发的油蒸气易引发爆炸, 从而导致油罐爆炸着火。油蒸气是气相烃类, 属有毒物品, 漂浮地面易致人窒息。油蒸气还易形成光化学烟雾的二次污染物。由于油蒸气的蒸发损耗, 全世界每年散失于大气中的油气约为110吨, 折合人民币2400亿元。因其所蒸发的都是油料中的最轻组分且油气蒸发还严重影响成品油质量。我分析了轻质油罐油气蒸发损耗的危害、产生原因及各种影响因素,针对汽油等轻质油品在收发过程中蒸发排放大量油气,造成严重的油品蒸发损耗问题,提出了降低油品蒸发损耗技术及应用研究,对比了几种降低油品蒸发损耗方案,通过推导油品蒸发损耗量的计算公式及实例分析,对某油罐区提出了新的降耗方案,并对其蒸气集气系统进行了工艺设计,得到相应的结论并给出了建议。关键词 油罐区;油品;蒸发损耗;降耗;集气系统1.前 言随着科学技术在石油工业中的应用, 石油勘探、开发过程中的安全生产问题正在逐步得以解决。但是, 在石油储运过程中, 由于工艺技术、设备和管理等方面的原因, 石油的一部分较轻的组分逸入大气, 造成损失, 此现象称为油气的蒸发损耗。油气蒸发损耗是缓慢而持续进行的, 而且这种损耗形式表现得非常隐蔽。加之管理部门对油气的损耗没有明确要求和指标约束, 损耗量的大小常常被计量误差所掩盖。因而未引起部分主管人员的重视。但是, 调查资料表明, 油气蒸发损耗的累计数量是十分惊人的。根据1995年国际石油会议报道: 在美国, 油气蒸发损耗数量约占原油产量的3%; 1975年前苏联石油化学工业部所属企业的调查表明,油气蒸发损耗数量约占原油产量的2.47%。1980年, 我国对11个石油企业的测试结果表明,油气蒸发损耗数量约占原油产量的2%。这些数据表明, 油气蒸发损耗的数量确实相当可观。若以总耗率为3% 估算, 全世界每年散失于大气中的油气约为110吨,几乎相当于我国一年的原油产量。2.油气蒸发带来的危害2.1油气蒸发威胁安全油蒸气与空气混合, 可形成爆炸混合物,且易在低洼、不通风的地方积聚。当油气混合物中, 油蒸气含量达到爆炸极限浓度时, 容易引发爆炸。1976年7月28日, 一座30000m的油罐遭雷击被烧毁, 油库守备战士亲眼目睹了雷电击毁油罐的经过。由于油蒸气通过呼吸阀呼出后积聚在呼吸阀周围, 呼吸阀又高出罐顶, 因此, 首先是滚动的雷电火球在油罐呼吸处放电起火。大火烧起后, 几十辆消防车赶赴现场救火都无济于事, 眼看大火把油罐烧毁。2.2油蒸气污染大气油蒸气是气相烃类, 属有毒物品, 因其密度大于空气而漂浮于地面之上, 易致窒息。油品蒸气本身具有的毒性，会引起皮肤、内脏和神经系统的疾病，有些还有致癌作用。油气挥发到大气中在紫外线的作用下，与大气中的污染物氮氧化物发生一系列光化学反应，生成以臭氧（占反应产物85%以上）为主的二次污染物；如果大气中有二氧化硫存在，就会生成硫酸盐气溶胶（即光化学气溶胶），形成光化学烟雾，而光化学烟雾有很强的氧化性，产生的有毒物质对眼睛、咽喉有强烈的刺激，使人头痛、呼吸道疾病恶化，严重的会造成死亡。因此，同等数量油气直接挥发到大气中所造成的危害，远比油品燃烧变成CO、NO 等对环境所造成的危害更大。这种情况, 随着环境保护要求的提高, 所引起对大气的污染越来越受到人们的重视。2.3浪费宝贵的能源由于油蒸气的蒸发损耗, 全世界每年散失于大气中的油气约为110吨, 按市场牌价2400元每吨计算, 折合人民币2400亿元, 经济损失相当严重。2.4降低了油料质量蒸发的都是油料中的最轻组分油气蒸发还会严重影响成品油质量, 甚至使合格油料变成不合格。如汽油蒸发损失, 造成起动性能变差, 抗爆性下降。此外, 还将加速汽油氧化, 增加胶质, 降低辛烷值, 而辛烷值的降低会使燃料在发动机中燃烧时抗爆性能变差。3.油气蒸发损耗的成因引起油气蒸发损耗的原因主要有: 油温变化; 油罐顶壁同液面间体积大小; 油罐罐顶不严密; 油罐大小呼吸等。3.1温度变化油气储存过程中, 当温度升高时, 罐内油气体积膨胀, 部分油气蒸发出罐外, 当温度降低时, 罐内油气减少, 罐外部分空气进入罐内。另外, 储存温度愈高, 油气蒸发愈严重。3.2油罐上方空间的影响油罐中装油量越少, 相对蒸发损失越大。实验表明, 在相同温度和密封条件下, 储存同一种汽油, 装油量为油罐容积20% 时的蒸发损失比装油量为油罐容积95% 时大8倍。3.3油罐严密程度如果, 罐顶不严密, 有孔眼, 且孔眼不在同一高度, 则罐内外气体因比重不同将发生对流,形成自然通风。造成油罐自然通风损耗的原因有: 油罐破损; 冬天因防冻结取下呼吸阀阀盘; 液压阀未装油封或油封被吹掉; 采光孔或量油孔被打开而未及时关上等造成的蒸发损耗严重, 不仅使油蒸气大量逸出罐外, 而且会加速液面蒸发。据推算, 一个容量为5000m3的油罐, 因自然通风, 一个月损耗汽油53吨, 或损耗原油28吨。在一些油气储运单位进行安全检查时发现,不少单位对油罐及其附件缺乏严格管理, 液压安全阀缺油封, 量油孔、透光孔常开的现象时有发生, 造成油气蒸发损耗惊人。3.4油罐大呼吸大呼吸是指油罐进发油时的呼吸。油罐进油时, 由于油面逐渐升高, 气体空间逐渐减小, 罐内压力增大, 当压力超过呼吸阀控制压力时, 一定浓度的油蒸气开始从呼吸阀呼出, 直到油罐停止收油, 所呼出的油蒸气造成油品蒸发的损失。油罐向外发油时, 由于油面不断降低, 气体空间逐渐减小, 罐内压力减小, 当压力小于呼吸阀控制真空度时, 油罐开始吸入新鲜空气, 由于油面上方空间油气没有达到饱和, 促使油品蒸发加速, 使其重新达到饱和, 罐内压力再次上升, 造成部分油蒸气从呼吸阀呼出。影响大呼吸的主要因素有:（1)油品性质。油品密度越小, 轻质馏分越多, 损耗越大;（2)收发油速度。进油、出油速度越快, 损耗越大;（3)油罐耐压等级。油罐耐压性能越好, 呼吸损耗越小。当油罐耐压达到5kPa 时, 则降耗率为25.1% , 若耐压提高到26kPa 时, 则可基本上消除小呼吸损失, 并在一定程度上降低大呼吸损失。（4)与油罐所处的地理位置、大气温度、风向、风力及管理水平有关。3.5小呼吸损失油罐在没有收发油作业的情况下, 随着外界气温、压力在一天内的升降周期变化, 罐内气体空间温度、油品蒸发速度、油气浓度和蒸汽压力也随之变化。这种排出石油蒸气和吸入空气的过程造成的油气损失, 叫小呼吸损失。有资料表明: 一座10000m3的地上金属油罐储存汽油一年, 小呼吸损失可达117吨, 损耗率为1. 7%。小呼吸损失的影响因素主要有以下几点:（1)昼夜温差变化。昼夜温差变化愈大, 小呼吸损失愈大。（2)油罐所处地区日照强度。日照强度愈大, 小呼吸损失愈大。（3)储罐越大, 截面积越大, 小呼吸损失越大。（4)大气压。大气压越低, 小呼吸损失越大。（5)油罐装满程度。油罐满装, 气体空间容积小, 小呼吸损失小。4.降低油品蒸发损耗措施4.1 抑制油品蒸发损耗的措施抑制油品蒸发损耗的措施有很多,包括采取淋水冷却、正确选用防腐涂层、对油罐采取隔热措施以达到降低油罐内油品温度及变化幅度的效果;提高油罐的承压能力;消除油面上的气体空间;在油罐上安装呼吸阀挡板;强化工艺管理等。其中,消除油面上的气体空间的方法最有效,它不仅可以消除油罐的“小呼吸”损耗,而且能消除“大呼吸”损耗。4.2 采用油气回收技术方法 油气回收是指石油在加工、储运、销售及使用过程中对石油及其产品所挥发的气体进行收集、处理,以避免安全事故、大气污染和油品损失。我国已进入生产和消费石油的大国行列。2003 年全国的原油加工量已达1.7亿t ,按汽油的收率0.30计算,汽油的产量在4500万t 左右。因为油气量的计算不应仅仅计算汽油的挥发,实际在原油的生产、储运过程中也有轻组分的挥发,在油气回收问题上没有把原油产生的油气考虑在内,尚属一个问题。汽油从炼油厂生产出来,最后到达用户手中,平均按4 次装卸计算,分别发生在炼油厂、油库和加油站。根据美国实际油气回收的数值,反过来推算,每次装卸都有1.8 的挥发损失,4次装卸,则损失率为7.2,故油气总损失量为32.4万t ,按每吨价格为3657 元计算,则总价值为11.8 亿元。随着生活水平的提高,汽油的消耗量预计还会有较大的增长。 随着近年来环保意识的不断提高,我国政府也在不断加强环保工作的力度。北京市政府已对这一问题在前几年年采取了断然措施,限期完成一千多个加油站的油气回收工程,预计近期还要对北京几十个油库的油气回收工作进行决策,大力开展油气回收。北京的大型炼油厂燕山石化公司炼油厂也已经在计划实施油气回收的大规模改造,目前中石化北京设计院已经完成了其工程的可行性研究,预计工程设计很快就要开展。据了解,上海有的油库已经在主动进行油气回收的规划,目前已进入设备询价阶段。通过搞好油气回收,实现一定的经济效益,更重要的是为职工和全社会造福。目前常用的油气回收技术从原理上分为4 种，即吸收法、冷凝法、吸附法及膜分离法。4.2.1 吸收法吸收分离过程是通过混合气与液体吸收剂接触，气体中的一个或几个组分便溶解于吸收液中，不能溶解的组分则保留在气相中，于是混合气体得以分离。易挥发油蒸气从吸收塔的底部进入，与从塔顶进入的向下流或喷淋的吸收液形成对流接触，大多数油气被吸收液吸收，剩余的气体排入大气。这种方法对吸收剂要求相当严格，吸收剂性能的好坏成为吸收法分离油气的关键。目前，国内外应用的吸收法有两种，即常压常温吸收法和常压冷却吸收法。常温常压吸收法该方法是在常温常压下，利用吸收剂使其与排放的气体接触以吸收油蒸汽的一种方法。吸收装置是利用填料塔使混合油气与从上部流下的吸收液进行对流接触，从而达到吸收的效果，这种方法主要要求气液接触吸收率高、压力损失小、而且吸收剂在向下流动过程中要防止产生静电以及吸收剂发泡。常压常温吸收法有两种油气回收类型，一是富吸收剂可以再生，吸收分离装置可视为独立完整的一个系统，使用的范围广，但对吸收剂的性能要求严格，如果能够筛选或开发出性能良好易于再生的吸收剂，这种方法就可以得到推广。这种方法在我国和日本都有应用案例。江苏工业学院黄维秋博士等研制的吸收剂2005 年在中国石化九江石化分公司得到成功应用。另一回收类型是富气吸收剂回炼油厂装置加工处理，也就是说吸收了油气的吸收剂只能使用一次，因此限制了使用范围，但对于炼油厂内部生产过程中，我们可以直接使用与油气相适应的成品油作为吸收剂，吸收剂在吸收了油气后直接返回装置进行回炼，工艺简单，不需要特殊的设备，因此可在炼油厂的成品灌区、原料灌区、装油栈桥等区域广泛应用。常压冷却吸收法常压冷却吸收法最早由丹麦库索深公司开发，并于1983 年申请专利。由于冷液体的分压远低于油气蒸气的分压，且液体的质量较蒸气重，故大部分的易挥发有机化合物蒸气不能保持气相，易被吸收到液相中。但方法要求吸收塔在0以下运行，需加入除冰剂（如甲醇）以防止吸收塔发生堵塞；另外轻质易挥发性有机化合物组份（如甲烷）不易被吸收。该方法是利用制冷设备将吸收剂冷却到低温，然后送到吸收塔对混合油气进行喷淋，由于吸收剂温度较低可省略吸收的轻组分的气提操作，因此作为吸收剂一般可直接使用产品汽油。但是为了达到良好的回收效果，吸收剂的温度要控制在-5度左右，所需要的制冷系统较复杂，吸收装置的设备也要有特殊的要求，因此装置的投资大，推广应用较难。该方法应注意2个问题.(1)防止由于空气的水份因低温而使吸收装置冻结(2)防止产生静电。4.2.2 冷凝法冷凝法是利用烃类物质在不同温度下的蒸汽压差异，通过降温使油气中一些烃类蒸汽压达到过饱和状态，过饱和蒸汽冷凝成液态，回收油气的方法。一般采用多级连续冷却方法降低油气的温度，使之凝聚为液体回收，根据挥发气的成分、要求的回收率及最后排放到大气中的尾气中有机化合物浓度限值，来确定冷凝装置的最低温度。一般按预冷、机械制冷等步骤来实现。预冷器是一单级冷却装置，为减少回收装置的运行能耗，现已开发出一种使用冷量回用的技术，使进入回收装置的气体温度从环境温度下降至4左右，使气体中大部分水汽凝结为水而除去。气体离开预冷器后进入浅冷级。可将气体温度冷却至3050，根据需要设定，可回收油气中近一半的烃类物质。离开浅冷的油气进入深冷级，可冷却至73到110，根据不同的要求设定温度和进行压缩机的配置。其优点是工艺原理简单；可直观的看到液态的回收油品；安全性高；自动化水平高 。缺点是单一冷凝法要达标需要降到很低的温度。4.2.3 吸附法吸附法是最古老但又是最重要的利用活性炭、硅胶或活性纤维等吸附剂对油气/空气混合气的吸附力的大小，实现油气和空气的分离混合物分离方法。在许多行业中一直都被广用，例如国内涂料、油漆作业车间利用吸附法回收溶剂油蒸汽，其分离原理已比较成熟。利用吸附法进行油气回收的技术在国外已经有很多成果、专利，也有较成熟的吸附法回收装置，目前国内也有个别成套的油气吸附法回收装置。吸附法回收油气的关键在于高质量吸附剂的研制、筛选，装置关键部件的优化设计，及工艺参数的确定，需要进行大量的研究、实验。在高质量吸附剂研究方面，国内已经取得了不错的成绩，例如国内现有一种烃气吸附剂专利，其表面积超过2900mm2/g，具有较强的吸附能力，初步实验的结果也较理想。在利用吸附法进行油气回收过程中，要考虑温度对油气吸附效果的影响，从吸附力学理论来看，温度较低有利于吸附，但从吸附动力学理论来看，适当提高温度对吸附过程有利。吸附法油气回收装置一般包括三个单元：变压吸附单元、分离罐和吸收塔。油气收集设备收集到的油气通过密闭管线首先进入变压吸附单元，在变压吸附单元完成油气的吸附和脱附，目前常用的吸附剂有活性炭和硅胶；脱附的油气经过分离塔进入吸收塔，吸收液自塔的顶部喷淋下来，与自下而上纯烃气混合，由此实现烃在吸收液中的吸收。常用的吸收液有汽油、柴油。实际上，吸附法油气回收装置是吸附法与吸收法的组合。也有的厂家将吸附法与冷凝法组合,其优点是吸附法可以达到较高的处理效率；排放浓度低，可达到很低的值。缺点是工艺复杂，需要二次处理；吸附床容易产生高温热点，存在安全隐患；三苯易使活性炭失活，活性炭失活后存在二次污染问题；国产活性炭吸附力一般只有7%左右，而且寿命不长，一般2年左右要换一次，换一次活性炭成本很高。目前只有日本系统工程服务株式会社（SES)所设计生产的吸附法设备，不仅能够达到最新规定的高回收率，还能超过规定所要求的排放标准。此公司使用了特殊的疏水性硅胶，及中孔石炭活性炭作为吸附材料，大大提高了回收率，而且这些吸附材料的使用寿命分别在10年和5年以上。 该公司的设备设计合理，操作时常温常压，吸附材料不产生高温，也不产生静电，安全性能很高。是目前国际上最领先的油气回收技术。4.2.4 膜分离法膜分离技术的基本原理是利用了高分子膜对油气的优先透过性的特点，让油气-空气的混合气在一定的压差推动下经膜的“过滤作用”使混合气中的油气优先透过膜得以“脱除”回收，而空气则被选择性地截留。膜片为复合结构，由三层不同的材料构成。表层为致密的硅橡胶层，很薄，厚度小于1m，起分离作用。中间层的材料为聚丙烯腈，最下层为无纺布，这两层结构疏松，主要起支撑作用，以增强膜片的机械强度。与传统的卷式和中空纤维式膜组件相比，德国BORSIG 公司的膜组件是由数十个近似圆环状的膜袋并排套封在一起，中间自然形成一个开孔的中心管，然后装入桶状容器中而制成。膜袋是由两张膜片中间夹上格网，然后在膜袋中间开孔，四周密封而制成。这样的设计使膜的渗透侧流道变短，流速可调，一方面减少了压力损失，另一方面也可防止膜内产生静电，消除了爆炸的可能性，使膜组件更高效、安全。组件工作时，进料气在膜片两侧的压差推动下，从膜袋外渗透入膜袋内侧，然后由中心管收集排出。未渗透的气体则由组件的另一端排掉。由于油气通过膜片的渗透速率远大于空气，从中心管流出的膜的渗透气为富集油气，从尾气端流出的未渗透气则是部分脱除了油气的净化空气。膜法1988 年开始使用，至今全球已经安装150多套。通过单一的膜法分离处理排放的废气中非甲烷总烃量可以达到355g/Nm3。随着全球环保意识的增强，各国对油气回收装置尾气排放要求也越来越严，单一的一种油气回收技术和工艺，逐渐显露出其缺点。例如，对于尾气中非甲烷总烃允许排放标准，瑞士最初执行的是35 g/Nm3，所以当初安装了许多套活性炭再生吸附法油气回收装置；但2002 年后瑞士执行更加严格的标准150mg/Nm3，单一的活性炭再生吸附法不再能够满足要求，目前大多数在原有的活性炭再生吸附法油气回收装置前增加膜分离工艺。4.2.5 直接燃烧法这种方法是将储运过程中产生的含烃气体作为燃料直接氧化燃烧，燃烧产生的二氧化炭、水和空气作为处理后的净化气体直接排放。该工艺流程仅作为一种控制油气排放的处理措施，经济效益不高。在油气回收的早期阶段上述几种方法都有应用。随着人们对油气回收技术认识的加深，吸收法由于其尾气排放浓度高和氧化焚烧法由于其不能回收有价值烃类组分而被淘汰。80 年代，吸附法和冷凝法成为油气回收的主流技术。吸附法和冷凝法两种技术的投资对比基本相当，但在合理的投资和能耗范围内，如果冷凝法尾气排放浓度要达到低于25mg/l 的标准，投资和运行费用都将显著增加。而吸附法很容易满足低于10mg/l 的排放指标，但也存在着安全隐患。目前的几种油气回收工艺都有着各自的优缺点，单一的方法，不管是冷凝法还是吸附发都很难称的上完美，只有几种工艺相结合，各取优势互补，才能更好的发挥各种工艺的优势。冷凝法和吸附法相结合目前是比较流行的方法，也能得到大多数人的认可。一般，先采用二级冷凝将油气冷凝到-40度至-50度，通过二级冷凝后85%以上的油气都液化了，未冷凝为液态的浓度较低的油气再通过一个吸附系统，对油气进行富集，使油气浓度大大提高，同时体积大大减小了（经过吸附系统分离出来的达标尾气已经排放了），这时富集的油气再进入三级冷凝系统深度冷凝，此时三级冷凝器的功率就大大的减小了。此工艺的优点：（1）有效的结合了冷凝法和吸附法的优点；（2）由于用吸附系统对油气进行了富集，三级冷凝要处理的油气就大大的降低了，能耗也降低了；（3）经过二级冷凝的油气是中低温油气，活性炭床的不会产生高温热点，吸附系统也克服了安全隐患。在油品储运领域推广油气回收技术、使用油气回收装置是一种能使能源合理利用行之有效的途径和手段,经过国外发达国家近些年的推广使用经验来看,是十分成功和有效的。采用油气回收装置,可降低油气对石油储运企业及周围环境的污染,保护人们身心健康,意义深远。采用油气回收技术产品可以从根本上解决问题,切断危险源的存在,对储运安全方面的技术革新作用巨大,可有效降低储运环节因油气蒸发引起的火灾发生概率,防止爆炸事故。5.油蒸气集气系统降耗是将几座储存同类固定顶油罐的顶部用管道连接起来,并与一座适当容积的集气罐相连构成的连通系统。其集气系统基本原理为,将储存同类油品的固定顶油罐的顶部用管道连接起来而构成一个罐组气体空间,这个连通系统是一种降低油罐大呼吸损耗的技术措施。它是在理论分析的基础上,考虑到同类储罐几乎不可能全部同时收油的实际情况下提出的。装有呼吸阀的油罐同大气罐相比不仅可以降低小呼吸损耗,而且能在一定程度上降低大呼吸损耗,即从油罐开始进油到油罐呼吸阀的压力阀盘开启之前,罐内混合气不断受到压缩,压力升高,但不会逸出罐外,在此期间的进油量称为无呼吸损耗进油,以V 13 表示,其数值可按下式计算: V 13= V 1（Pya - P1）（Pa + Pya - Py） (1)式中P1 进油前油罐气体空间的压力,Pa ; Pya 罐呼吸阀压力阀盘的控制压力,Pa ;Py 油品蒸气压力,Pa ;Pa 当地大气压,取101325 Pa ;V 1 一次连续最大收(发) 油量,m 。P1 越小则V 13 越大,当P1 等于真空阀盘的控制压力Pz 时,V13达到最大值,即:V= V（Pya - P）（Pa + Pya - Py） (2) 从式(2) 可以看出,对于给定油罐,呼吸阀的正、负控制压力Pya 、PZ ,油品蒸气压力Py ,当地大气压Pa 均为定值,因此无呼吸损耗进油量正比于进油前气体空间的容积V1。对于储存汽油的拱顶罐,其比例系统K K = ( Pya - Pz ) / ( Pa + Pya - Py )约为0.06 。如果将几座同类油品储罐的气体空间连通起来,则式(2)中的V1为系统所有油罐气体空间容积之和,增大了无呼吸损耗进油量。当一次进油量V 1小于KV1 时, 系统将没有油气呼出, 降耗率为100%;当一次进油量V1大于KV1 时,也会显著减少油气的呼出体积,其降耗率为KV1/ V1。罐组气体空间连通系统仅适用于降低油罐大呼吸损耗(即收发作业比较频繁的油库),而且其降耗效果受到油罐组装程度和一次进油量的制约。一次进油量越大,降耗率越低。针对上述不足,可在罐组气体空间连通系统的基础上增设适当容量的集气罐,构成一个密闭的集气系统,集气罐的储气容积可根据系统的压力状况自动调节。当气温降低或发油而使系统的压力降低时,集气储气容积自动减小,以防止系统内的真空度超过呼吸阀的控制真空度,吸入空气;当气温上升或油罐进油而使系统的压力上升时,集气罐的储气容积自动增大,以防止系统内的压力超过呼吸阀的控制压力,排出混合气。而对于收发作业比较频繁的油库,即使不设集气罐,只是将同类油品油罐的气体空间连接起来,构成连通系统,也可以收到降低大呼吸损耗的效果。采用集气系统或连通用系统,在每个油罐附近的气体通管上都应安装防火器,由于系统内油罐气体空间是相互连通的,一个油罐着火很容易危及其它油罐,造成比分散更大的经济损失,而且难于扑灭,因此集气系统的安全保障设施尤为重要。此外,还应配备自动油品计量装置,以保证不会因人工检尺计量而破坏系统的严密性。集气系统也是油气回收循环必不可少的部分,目前,炼油厂、油库、加油站、油码头等挥发排放的油气和空气混合气都是先通过集气系统引导到油气分离回收系统的。此方案的优点是,若集气罐的容积足够大,则降耗率为100% ,且设计简单;缺点是,由于系统内油罐气体空间相互连通,一个油罐着火很容易波及其它油罐,造成比分散油罐更大的经济损失,因此需加强安全设施管理。总之,该方案降耗效果和经济效益明显,且不会造成环境污染,特别是对于固定顶油罐老罐区的技术改造具有明显的优势。6.某油罐区设计概况某老油罐区原采用拱顶罐装轻质油(大部分是车用汽油) ,蒸气损耗量非常大,需对该老油罐区进行改造。该罐区有5 座拱顶汽油罐,其中5 000 m3的罐4个,10000m3 的罐1 个,总容积为30000m3 。气体空间的日平均最低温度为10 ,日平均最高温度为50 。压力阀的控制压力Pya = 1960 Pa ,真空阀的控制压力PZ = 343 Pa 。储罐温度下油气平均饱和浓度c = 0.4 ,罐区发油泵Qlc = 30 m/h ,收油泵Qlj = 100 m/h ,一次连续最大收(发) 油量V1 = 7 000 m3 。在标准状态下, Pa = 101325 Pa ,当地空气密度k = 1.293 kg/ m ,车用汽油雷特蒸气压PR = 415 mmHg。7.油蒸气集气系统设计依据7.1 集气罐选型及其工作压力罐组集气系统属于低压储气系统,为了使集气罐的有效容积得以充分利用,减少系统中初始的空气量,宜选用可变容积的气罐,例如套筒式湿式气罐和带有耐油橡胶密封围幕的活塞式气罐。集气罐的工作压力,即气罐变容积移动部件的启动压力。在正常工作条件下,可变容积式气罐的工作压力Pg 是一恒定值,根据气罐移动部件的受力平衡,可得4:Pg =（G1 - G2）/F (3)式中Pg 集气罐的工作压力,Pa ;G1 气罐移动部件的重量,kgG2 平衡块的重量,kg ;F 气罐的横截面积,m 。另一方面,集气罐的工作压力又取决于气体沿集气流动时的工艺条件。根据气体流经集气管道的能量平衡,集气管道两端的压差(油罐气体空间压力与气罐工作压力之差) 应等于相应流量下管道的压降P。集气管道的摩擦阻力压降不仅与流量有关,而且与管道内径、长度、气体特性参数等因素有关,因此由工艺条件决定的气罐最佳工作压力必须与管径同时考虑。充分发挥油罐的承载能力,在某气罐的最大进气流量和最大气流量下,应分别满足式(4) 和式(5) 。Pya - Pg = Pj (4)Pg - Pz = Pc (5)式中Pj 相应于气罐最大进气流量的集气管道压降,Pa ;Pc 相应于气罐最大气流量下的集气管道的摩擦阻力压降,Pa 。7.2 集气管道管径的计算集气罐属于短程低压输气管道,可以不考虑高差及沿程相对密度变化的影响。根据天然气输送管道的威莫斯公式,当气体从油罐气体空间流向集气罐时,气罐的最大进气罐流量Qj 同管径和气罐工作压力之间有如下关系Q=0.3967d (6)当气体从集气罐流向油罐气体空间时,气罐的最大出气流量Qc 同管径和气罐工作压力之间有如下关系Q=0.3967d (7)式中Qj 从油罐流向集气罐的最大输入流量,m/s ;Qc 从集气罐流向油罐的集气罐最大输出流量,m/s ;Pz 油罐真空阀压力阀盘的控制压力,Pa ;d 集气管道内径,m ; 混合气对空气的相对密度;T 混合气的温度,K;Z 天然气压缩系数;L 集气管道的计算长度,m。混合气的相对密度可按下式计算: = (8)式中 h 混合气的密度,kg/ m; k 空气的密度,kg/ m; Yi 混合气中i 组分的摩尔组成; i 混合气中i 组分的密度,kg/m。由于集气系统中的混合气经常处于油气饱和状态,若把各种烃组分组成的油气看成一个整体,则式(8) 又可写成: =c+(1-c)/ (9)式中c 储油温度下的油气饱和浓度;yg 油蒸气的密度,kg/m。在已知气罐的进气流量Qj 和出气流量Qc,以及集气管道布局的情况下,将式(6)和式(7) 联立,即可求得其中的待定参数d 和Pg 。7.3 输气流量的计算输气流量包括油罐收(发) 油时的泵送流量和由于油罐气体空间温度变化而引起的呼(吸) 气流量两部分。油罐收油和发油的泵送流量通常是不同的,因此应分别按收油泵和发油泵的额定测量计算(不考虑系统中几个油罐同时进油的情况) ,而且收油泵流量与集气罐进气流量Qj 相对应,发油泵流量与集气流量Qc 相对应4。Qj = Qlj + Kwt (1 - ) V oy /1 (10)Qc = Qlc + Kwt (1 - ) V oy /2 (11)式中Qlj 油罐收油泵的额定流量,m/h ;Qlc 油罐发油泵的额定流量,m/h ;t 油罐气体空间的昼夜差, ; 油罐气体膨胀系数,= 1/273 ,1/;Kw 2 一天内气体空间的温降时间,取16h 。温度变化的不均匀系数,取1.2 ;V oy 系统中油罐组的总容量,m ; 油罐组的平均装满程度系数,根据统计资料确定,取0. 5 ;1 一天内气体空间的温升时间,取8 h ;7.4 集气罐容量的确定集气系统的设计建造主要包括集气管道和集气罐两部分。集气管道的建设投资主要取决于设计流量,而且对降耗效果几乎没有影响。而集气罐的设计容量不仅对建设投资有影响,并且直接影响系统的降耗效果。如果集气罐的容量足够大,则可消除全部大小呼吸损耗,其降耗率达到100 %,但投资最大。相反,如果减小集气罐的容量,投资也相应减少,但降耗率也相对降低。因此,从经济分析的角度存在一个最优值。集气罐的最大容量应满足系统中油罐大、小呼吸同时出现的呼出量或吸入量。此时,集气罐的容积可按下式计算4,并取呼出量或吸入量的较大值。V max = Ka V 1 +t (1 - ) V oy (12)式中V max 集气罐的最大设计容量,m;Ka 考虑到集气罐开始进(出) 气时其移动部件未必处于极限位置的安全系统。7.5 安全设施防火安全设施的可靠性是集气系统及其所属油罐能否长期正常运转的关键。由于系统内油罐气体空间是相互连通的,一个油罐着火很容易危及其它油罐,造成比分散更大的经济损失,而且难于扑灭,因此集气系统的安全保障设施尤为重要,需要设计安全设施。8.油蒸气集气系统工艺流程当拱顶罐内空气空间的压力大于压力阀控制压力时,压力阀打开,油蒸气通过集气管道进入集气罐中储存。当拱顶罐内空气空间的压力小于真空阀控制压力时,真空阀打开,油蒸气通过集气管道进入拱顶中,其工艺流程见图1 。图1 集气系统工艺流程图9.集气系统的设计计算9.1 基本参数的确定(1) 混合气的温度T混合气温度可取日平均最小温度与日平均最高温度的平均值,即T =（Tmin + Tmax）/2（10 + 50）/2= 30 (2) 混合气的平均压力P混合气的最高压力为:P1 = Pa + Pya = 101.325 + 1.960 = 103.285 kPa混合气的最低压力为:P2 = Pa + Pz = 101.325 + 0.343 = 100.982 kPa混合气的平均压力为: P= 102.134 kPa(3) 油蒸气的摩尔质量y当车用汽油雷特蒸气压PR = 4069.8 Pa 时,可由15.6 时石油产品蒸气的摩尔质量表查得y15.6= 63 kg/ kmol ,可由油气摩尔质量温度修正系数表查得y = 0.106 ,则y = y15.6 + ( t - 15.6)y= 63 + (30 - 15.6) 0.106= 64.5 kg/ kmol(4) 油蒸气的密度yg集气系统中的混合气经常处于油气饱和状态,若把各种烃组分组成的油气看成一个整体。当T =30 时油气的密度为: y =PyR T= （102.134 64.5）/（8.31303）= 2. 62 kg/m9.2 输气流量的计算输气流量包括油罐收(发) 油时的泵送流量和由于油罐气体空间温度变化而引起的呼(吸) 气流量两部分。油罐收油和发油的泵送流量通常是不同的,因此应分别按收油泵和发油泵的额定流量计算,根据式(10) 和式(11) 得,从油罐流向集气罐的最大输入流量Qj 和从集气罐流向油罐的集气罐最大输出流量Qc 计算可得, Qj = 299.8 m/h , Qc = 229. 8m/h 。9.3 集气管道内径计算集气管道属于短程低压输气管道,设计时可以不考虑高差及沿程相对密度变化的影响。集气管道计算长度可取L = 200 m ,由式(6) 和式(7) 可以导出,集气罐的初始工作压力Pg 为:Pg = = 1223. 1 Pa 由式(6) 可以导出集气管道的内径d : d=0.303m 集气管道的最大工作压力Pmax = Pya + Pa =103. 311 lPa ,由此可知,集气管道属于低压输气管道,通过以上计算可知,集气管道的计算内径d =151 mm。参考GB3091 - 82 、GB3092 - 82 低压液体输送焊接管标准5,则集气管道可选用325 8mm。9.4 集气罐工作压力计算由式(6) 可推导出集气罐的工作压力Pg 为:=1318Pa9.5 集气罐容积计算若回收率达到100% ,则集气罐容积需求达到最大值。集气罐的最大容量应满足系统中油罐大、小呼吸同时出现的呼出