在石油开采、炼制、储运过程中, 由于工艺技术、设备和管理和其他等方面的原因, 油品中较轻的组份会逸入大气, 造成损失, 此现象称为油品的蒸发损耗。油品蒸发给从石油开采到成品油使用整个过程带来了隐患, 环境中油蒸气达到一定浓度易引发火灾、环境污染。油品蒸发还会造成大量油品浪费, 并且因油品中轻组分的蒸发, 使油品质量下降。以拱顶罐为例, 虽然可以保证应对恶劣环境下油品的储存, 具有节省钢材、投资小、配件少等优点, 在油田上游油品的开采和加工过程中得到广泛应用, 但是拱顶罐的蒸发损耗量要比其他类型储罐大得多。因此, 为了保障油田安全生产运行、减少油品损失, 对固定顶罐的蒸发损耗量进行准确计算有重大意义。下文列举比较了多国对于蒸发损耗的计算方法, 并结合实例进行了计算与对比分析。
1 固定顶储罐蒸发损耗的类型
蒸发损耗过程包括发生在气液接触面的相继传质, 以及发生在容器气体空间中烃分子的扩散。通过上述过程, 容器气体空间原有的空气, 逐渐变为趋于均匀分布的烃蒸气和空气的混合气体, 当外界条件变化引起混合气体状态改变时, 混合气体由罐体排入大气, 造成了油品的蒸发损耗。
固定顶储罐油品的蒸发损耗主要有以下几种:
1. 1“大呼吸”损耗
油罐收油时, 罐内油面逐渐升高, 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, 呼吸阀打开, 混合气开始从呼吸阀排出, 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, 油面不断降低, 气体空间逐渐增大, 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, 罐内油蒸汽浓度减少, 促使油品蒸发加速, 使其重新达到饱和。发油结束后, 罐内压力再次上升, 造成部分油蒸气从呼吸阀排出。
1.2“小呼吸”损耗
油品在油罐中处于静止状态时, 随着外界气温、压力在一天内的周期变化, 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。白天罐体由于吸收了太阳光的辐射, 罐内混合气体温度升高, 加剧了油品的蒸发和气体的膨胀。罐内气体压力超过呼吸阀控制压力时, 呼吸法打开, 混合气排放至罐外。夜晚温度降低, 罐内温度也随之下降, 气体收缩和油蒸汽凝结引发罐内压力下降, 当罐内压力小于呼吸阀控制真空度时, 真空阀打开, 空气进入罐内。
1.3 自然通风损耗
如果罐体不严密, 有两个或两个以上的孔洞, 且孔洞不在同一高度, 因储罐内外气体密度将会产生流动。新鲜空气从上部孔洞进入罐体, 罐内混合气体从下部孔眼逸出, 造成通风损耗。
2 固定顶储罐蒸发损耗量的计算
对于固定顶罐大、小呼吸排放的主要蒸发损耗量的计算, 国内外均开展了许多研究工作, 其中得到公认的有API MPMS19.1 (美国石油学会) , VDI 3479 (德国工程师协会) , 契尔尼金-康斯坦丁诺娃公式, 现基于的有关公式进行计算和分析。
2.1“大呼吸”损耗计算公式
2.1.1 API MPMS 19.1 (美国石油学会)
式中:——拱顶罐大呼吸蒸发损耗量, m3/a
——周转系数
——油品系数
——油品平均温度下的蒸汽压, k Pa
——油蒸汽摩尔质量, kg/kmol
K ——单位换算系数
——泵送液体入罐量, m3
2.1.2 VDI 3479 (德国工程师协会)
式中:fB——饱和度, 推荐选用Fb=0.85
T——储罐内温度, K
PT——在油品温度下储罐内油品的平均饱和蒸汽压
M——油品蒸汽的平均分子质量
Q——年产量, M3
2.1.3契尔尼金-康斯坦丁诺娃公式
式中:Vн——油罐内的的油品体积, M3
Vг——在泵入油品前罐内的气体空间体积, M3
P2——在泵入油品后罐内气体空间的绝对压强, Pa
P1——开始泵入油品时罐内气体空间的绝对压强, Pa
Pузак——在装满油罐过程中油蒸汽的平均计算分压, Pa
ρу——油蒸气密度, kg/M3
2.2“小呼吸”损耗计算公式
2.2.1 API MPMS 19.1 (美国石油学会)
式中:Ly——拱顶罐小呼吸蒸发损耗量, m3/a
Py——油品平均温度下的蒸汽压, k Pa
D——油罐直径, m
H——气体空间高度, m
∆T——大气温度的平均日温差, °C
Fp——涂漆系数
C——小罐修正系数
K2——油品系数
K1——单位换算系数
2.2.2 VDI 3479 (德国工程师协会)
式中:T1, S;T1, W——在气体空间内的夏季和冬季的平均最低温度, K
T2, S;T2, W——在气体空间内的夏季和冬季的平均最高温度, K
A, S, A, W——夏季和冬季的油蒸汽饱和度 (油品温度)
PT——在油品温度下储罐内油品的平均饱和蒸汽压
M——油品蒸汽的平均分子质量
P ——大气压强, GPa
VG——油罐内油品液面上方蒸汽空间体积, M3
dS, dW——一年间夏季和冬季的天数 (一年只分夏季和冬季)
Tn——常温, K (Tn=273K)
Pn——常压, GPa (Pn=1013GPa)
2.2.3 契尔尼金·康斯坦丁诺娃公式
式中:σ ——从储罐中排出的气体中油品蒸汽的平均质量含量
Vг——储罐内气体空间体积, M3
Pa——大气压强, Pa
Pкв——排气阀的真空度, Pa
Pкд——排气阀的控制压力, Pa
Pmax——一昼夜罐内气体空间中油蒸汽的最大分压, Pa
Tг.max——一昼夜罐内气体空间的最高温, K
Tг.min——一昼夜罐内气体空间的的最低温度, K
3 固定顶储罐蒸发损耗实例计算
以20000 立原油罐为例采用上述几种公式分别计算:油品于20°C下的平均密度为845.4kg/m3, 雷特蒸汽压为52.4k Pa, 年平均净周转量为345km3/a。年平均温度为-0.7°C, 大气压101.39k Pa (绝压) 。
计算结果见表1。
以上几种蒸发损耗计算公式中各自所需要的参数见表2。
4 几种固定顶储罐蒸发损耗计算方法的比较分析
通过实例, 对几种计算固定顶储罐蒸发损耗的方法 (API MPMS 19.1[美国石油学会], VDI 3479[德国工程师协会], 契尔尼金-康斯坦丁诺娃公式) 进行了分析和比较, 得出以下结论。
这几种计算方法都描述并解释了固定顶储罐内蒸发损耗发生的过程, 然而造成各种方法间显著差异的主要因素是公式中的主要参数、取值详尽程度和检测精度的不同。
其中契尔尼金·康斯坦丁诺娃的蒸发损耗计算方法中参考了较多的参数, 包含了一些没有必要的参数计算公式, 并且缺少清晰的分步骤的计算。
然而VDI 3479 (德国工程师协会) 的蒸发损耗计算方法通过计算三个基本公式得到大部分数据, 其他数据根据德国当地气候从表格中查得。这种计算方法或许适用于德国, 或者达到欧盟的某标准, 但由于中德两国在地域气候和储罐规格上的差异, 或许无法得到广泛的应用。
至于API MPMS 19.1 (美国石油学会) 的蒸发损耗计算方法, 假设暂不考虑其公式中由于未采用SI单位系统而造成复杂的运算, 根据其取值的精准度、参数的有效性及多样性, 或许可以称其为“黄金平衡计算方法”。
5 减少固定顶储罐蒸发损耗的方法
降低油罐内外温差及其变化幅度, 对减小油品小呼吸损耗具有决定性意义。
提高油罐的承压能力。改进油罐的结构设计, 以便在提高油罐承受压力的同时, 尽量减少钢材耗量。目前广泛采用的是具有加强结构的立式园柱形拱顶罐, 据有关数据表明, 其承受能力大容积罐可提高10~20 KPa, 小容积罐可提高30~40 KPa。
收集回收油蒸气。为防止油气散发在大气中, 将储存同类油品油罐的气体空间用管道连接, 并与一集中罐相连, 构成密闭的集气系统。集气罐的储气容积可根据系统的压力状况自动调节, 已达到降低损耗的效果。随着环境保护要求的提高, 利用油气回收法控制油气混合气的排放浓度, 得到国内外有关人士的普遍重视, 但由于设备庞大, 结构复杂等原因, 目前尚未推广。
油罐安装呼吸阀挡板。这样可使油罐内部空间油气分层, 呼出的气体主要是上层浓度较低的油气, 从而减少了蒸发损失。
加强对储油设备的维护保养, 严格执行油品储运操作规程, 是减少损耗的重要保证。重点是要定期或不定期地检查油罐的密封情况。特别是机械呼吸阀和液压安全阀。
强化工艺管理。通过改进操作技术, 减少油品蒸发损耗。如尽量高液位储存, 减少中液位储存, 以减少油面上气体空间体积, 降低呼吸损耗, 减少油品输转, 适时收发, 控制好收发油速等。
摘要：分析了固定顶储罐蒸发损耗的类型, 介绍了几种计算固定顶储罐蒸发损耗的方法 (API MPMS 19.1[美国石油学会], VDI 3479[德国工程师协会], 契尔尼金-康斯坦丁诺娃公式) , 对其进行了比较分析, 并列举了几种有效降低蒸发损耗的方法。
关键词：固定顶储罐,蒸发损耗,计算
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