陳廣衛(wèi)，周亮，范路，王新偉

[1. 中國(guó)石化能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京朝陽(yáng)區(qū) 100728；2. 勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257000；3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東青島 266580]

石油及石油產(chǎn)品是由多種碳?xì)浠衔锝M成的混合物，其中輕質(zhì)組分具有較強(qiáng)的揮發(fā)性[1]。油品蒸發(fā)損耗量較大，我國(guó)油品的損耗率高達(dá)1.5%～3%。原油儲(chǔ)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(chǔ)罐油氣損耗量是石油石化行業(yè)的一項(xiàng)緊急而又重要的工作。

在原油儲(chǔ)罐實(shí)際運(yùn)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(shí)存在且相互影響。閃蒸排放是指當(dāng)原油進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)，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(lái)；大呼吸排放指原油儲(chǔ)罐在收、發(fā)油過(guò)程中，由于罐內(nèi)油液面發(fā)生變化而導(dǎo)致的排放；小呼吸排放指由于季節(jié)、晝夜溫差等變化而導(dǎo)致的排放。原油儲(chǔ)罐的油氣損耗是一種無(wú)組織的逸散排放行為，影響因素較多，規(guī)律性不強(qiáng)。傳統(tǒng)的油氣損耗測(cè)試多采用實(shí)地檢測(cè)的手段，利用高精度的機(jī)械式玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)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(jìn)而通過(guò)流量、濃度計(jì)算儲(chǔ)罐的油氣損耗量。然而，該傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有取樣不定期、氣樣成分隨機(jī)、監(jiān)測(cè)操作不便捷、測(cè)點(diǎn)有限、耗時(shí)費(fèi)力等特點(diǎn)，且沉降罐的運(yùn)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(diǎn)。

黃維秋等[4]針對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中存在嚴(yán)重的蒸發(fā)損耗問(wèn)題，建立了小型錐頂金屬蒸發(fā)損耗測(cè)試平臺(tái)，對(duì)小型錐頂汽油罐的蒸發(fā)損耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但因安全性及方法復(fù)雜等問(wèn)題不適于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在一些原油儲(chǔ)罐基本參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件模擬計(jì)算了儲(chǔ)罐閃蒸排放和大小呼吸排放量，但并未開(kāi)展溫室氣體排放相關(guān)研究[5]。鄭煒博[6]針對(duì)勝利油田儲(chǔ)罐的呼吸損耗問(wèn)題，開(kāi)展監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究，并設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出全參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)方案。通過(guò)對(duì)硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，監(jiān)測(cè)器帶電，安全隱患問(wèn)題依然難以解決。由于油氣損耗的揮發(fā)氣體溫度往往遠(yuǎn)高于環(huán)境空氣的溫度，紅外熱像儀可在不接觸測(cè)量物體的情況下準(zhǔn)確測(cè)量出目標(biāo)的溫度，并呈現(xiàn)其溫度分布情況[7]，因此，借助紅外成像進(jìn)行儲(chǔ)罐油氣損耗的測(cè)量是一種解決傳統(tǒng)測(cè)量效率低、監(jiān)測(cè)器帶電等缺點(diǎn)的好方法。目前，很多研究單位開(kāi)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(wú)損檢測(cè)、電氣設(shè)備熱診斷、集成電路板檢測(cè)、醫(yī)學(xué)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(yán)重制約了紅外熱像技術(shù)在儲(chǔ)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(kāi)展基于紅外熱成像的儲(chǔ)罐油氣損耗半定量測(cè)試方法研究較有意義。

筆者研究設(shè)計(jì)一種原油儲(chǔ)罐甲烷排放檢測(cè)方法，以期為降低原油儲(chǔ)罐油氣損耗的深入研究提供一定的技術(shù)支持。主要對(duì)油氣損耗紅外熱圖像采集處理與辨識(shí)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了研究，建立了針對(duì)油田企業(yè)儲(chǔ)罐油氣損耗排放的紅外半定量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)加工了配套的油氣損耗排放半定量測(cè)試裝置，構(gòu)建了CH4排放量計(jì)算模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。該技術(shù)可擴(kuò)展延伸到類似于井口、裝卸油、污油池等設(shè)備進(jìn)行油氣損耗測(cè)量，對(duì)于實(shí)現(xiàn)石油石化油氣損耗高效檢測(cè)、減少甲烷排放具有重要的技術(shù)參考價(jià)值。

1 油氣損耗量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算模型構(gòu)建

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

圖1 油氣損耗檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)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(shí)，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(qiáng)，即管內(nèi)氣流的壓強(qiáng)，Pa；

p∞——浮子上表面的大氣壓強(qiáng)，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(dǎo)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(duì)密度進(jìn)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(gè)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(jì)系列油氣損耗檢測(cè)裝置，由上述公式計(jì)算出不同損耗流量下的油氣損耗檢測(cè)裝置外側(cè)排氣孔的個(gè)數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 油氣損耗測(cè)量裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表1中計(jì)算數(shù)據(jù)，制作了不同型號(hào)的油氣損耗檢測(cè)裝置，見(jiàn)圖2。油氣損耗量計(jì)算軟件界面見(jiàn)圖3。

圖2 不同型號(hào)的油氣損耗檢測(cè)裝置

由圖2可見(jiàn)：當(dāng)油氣損耗檢測(cè)裝置主管中的浮子處于平衡時(shí)，氣體通過(guò)浮子以下的出口流出。

圖3 軟件界面

由圖3可見(jiàn)：利用紅外熱像儀拍攝運(yùn)行工況下的油氣損耗檢測(cè)裝置，由于耗散的油氣溫度高于環(huán)境溫度，油氣損耗檢測(cè)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(guò)讀取圖像、管道區(qū)域處理、直線檢測(cè)以及連通區(qū)域計(jì)算等一系列處理，提取出浮子以下出口的個(gè)數(shù)，再基于力的平衡和伯努利方程，計(jì)算出油氣耗散的體積流量和質(zhì)量流量。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用風(fēng)機(jī)+電熱絲的組合提供50 ℃高溫空氣用以模擬儲(chǔ)罐呼氣損耗氣體，通過(guò)熱像儀拍攝油氣損耗檢測(cè)裝置的熱像圖，并通過(guò)開(kāi)發(fā)的熱像圖識(shí)別軟件計(jì)算出氣體流量，與經(jīng)熱線風(fēng)速儀計(jì)算的氣體流量進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)該裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性，具體驗(yàn)證步驟如下。

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

2)按照選定的試驗(yàn)風(fēng)速和加熱溫度對(duì)風(fēng)機(jī)和電加熱裝置進(jìn)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(fēng)速和加熱溫度進(jìn)行多組試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，拍攝紅外熱像圖見(jiàn)圖4。

圖4 紅外熱像圖

該裝置測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法測(cè)量的空氣流量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)：2種方法的測(cè)量誤差僅在5%左右，準(zhǔn)確度較高。因此，設(shè)計(jì)的油氣損耗檢測(cè)裝置及方法可用于現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐油氣損耗量的測(cè)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(jì)檢測(cè)方法與傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)比

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了油氣損耗測(cè)量裝置，基于紅外圖像識(shí)別原理編制了處理軟件，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置及其測(cè)量方法用于測(cè)量氣體排放量的可行性，準(zhǔn)確度達(dá)95%以上。根據(jù)不同儲(chǔ)罐的排放特性，通過(guò)改變油氣損耗測(cè)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(cè)裝置，為石油石化企業(yè)原油儲(chǔ)罐油氣損耗量測(cè)試和甲烷檢測(cè)提供了一定的技術(shù)支撐。