關(guān)于加油站密閉性檢測(cè)最小剩余壓力限制的分析

霍東陽，劉紅旗，隰永才

（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

0 引言

汽油作為與我們?nèi)粘Ｉ钭钕⑾⑾嚓P(guān)的石油資源，其重要性是不言而喻的。汽油的輕質(zhì)組分具有較強(qiáng)揮發(fā)性，使汽油在裝、卸和運(yùn)的過程中易揮發(fā)到大氣中形成揮發(fā)性有機(jī)物VOC（VolatileOrganicCompound，又稱油氣）。油氣本身就是一次污染物，是光化學(xué)煙霧的主因之一，油氣內(nèi)的烴類化合物對(duì)人體健康也會(huì)造成損害，同時(shí)若不對(duì)油氣進(jìn)行回收利用，也是對(duì)汽油資源的巨大浪費(fèi)。加油站是汽油使用的流轉(zhuǎn)過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是人們?cè)谔峁┛蛻羧剂系囊粋€(gè)重要場(chǎng)所，從業(yè)人員需要長(zhǎng)期工作在加油站。有資料顯示，在加油站排放的油氣量占整個(gè)汽油流轉(zhuǎn)過程中油氣產(chǎn)生量的比例最高（近70%），因此對(duì)加油站油氣進(jìn)行重點(diǎn)研究，意義重大。

1 加油站油氣回收工作開展的目的

國(guó)標(biāo)GB20952-2007《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》是我國(guó)對(duì)加油站油氣控制的最主要手段。而標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施至今已有若干年，本文就GB20952-2007表2《加油站油氣回收系統(tǒng)密閉性檢測(cè)最小剩余壓力限值》入手，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的密閉性做理論分析。

無論是密閉性，液阻，氣液比的控制，只是一種手段，其根本目的是為了控制油氣排放，采用了二次油氣回收系統(tǒng)后，其產(chǎn)生油氣主要有5處。而國(guó)標(biāo)GB20952-2007主要是針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5做的油氣排放控制。美國(guó)的TP201針對(duì)這5處油氣泄漏已經(jīng)做出了限定，其泄漏量小于0.38pound/1000gal[1]。

圖1 TP201.2檢測(cè)點(diǎn)

2 中美兩國(guó)密閉性的理論對(duì)比

任何一個(gè)儲(chǔ)罐都無法做到完全密封，那么必然有泄漏的存在，表現(xiàn)在當(dāng)加入一定量的氣體時(shí)，地下儲(chǔ)罐壓力會(huì)隨著時(shí)間而降低，其實(shí)質(zhì)為儲(chǔ)存在罐內(nèi)的氣體損失，這種由于泄漏造成的排放因子在美國(guó)稱之為Pressure-Related Fugitives。故美國(guó)是通過對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的控制，從而限定儲(chǔ)罐的泄漏，進(jìn)而控制該因子。

按照美國(guó)CARB的計(jì)算，推導(dǎo)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值可采用表1中公式計(jì)算。

表1 中美兩國(guó)對(duì)密閉性試驗(yàn)最小剩余壓力值計(jì)算公式對(duì)比[2]

1896.058 ,2012.372,2129.118,2246.302,2363.918–5分鐘壓力試驗(yàn)衰減常數(shù)；V—罐空（L）；Pf—最小剩余壓力（Pa）；e—2.718。

表2 中美兩國(guó)真空輔助系統(tǒng)壓力衰減標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比（最小壓力英寸水柱）[3]

對(duì)二次油氣回收系統(tǒng)做密閉性檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)所允許的最大泄漏率按照CARB TP-201.2f 1-A式以及TABLE 1-A，得出最大泄漏公式以及最大泄漏率Qmax[3]：

換算成我國(guó)常用單位計(jì)算公式如下：

式中：P1—5分鐘泄漏試驗(yàn)的初始?jí)毫χ担?00Pa）；t—密 閉性試 驗(yàn)進(jìn)行時(shí) 間 （5min）；P0—標(biāo)準(zhǔn)大 氣壓（101325Pa）。

3 地下儲(chǔ)罐密閉性的理論分析

系統(tǒng)是允許一定泄漏存在的，根據(jù)克拉柏龍方程：PV=nRT，經(jīng)過時(shí)間t，泄漏掉的油氣的摩爾數(shù)Nloss=Qt·P0/RT，則剩余的油氣摩爾數(shù)：

由于密閉性試驗(yàn)過程為等溫過程，則儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力：

則密閉性試驗(yàn)的平均泄漏率：

既然系統(tǒng)允許一定的泄漏存在，那么可將存在泄漏的儲(chǔ)罐模擬成含有一定面積泄漏小孔的儲(chǔ)罐，則其壓力損失可模擬為由于泄漏小孔的存在所造成的壓力損失。

根據(jù)可壓縮氣體通過節(jié)流小孔的流量模型，由于我國(guó)以及美國(guó)方式中罐內(nèi)壓力略大于外界壓力，流速在亞聲速區(qū)，其體積流量為：

由于式（2）為一個(gè)瞬時(shí)量，對(duì)式（1）進(jìn)行微分，則有：

式中：S—泄漏孔的面積（m2）；T—儲(chǔ)罐內(nèi)油氣的溫度（取273K）；P—泄漏壓力,相對(duì)壓力（Pa）。其下邊界條件：P=PfPa；上邊界條件：P=500Pa，解微分方程得出：

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算，得出泄漏孔面積S如表3所示。

表3 我國(guó)不同體積的泄漏小孔的面積（mm2）

根據(jù)表3，將單位轉(zhuǎn)化為美制的單位為表4，泄漏小孔的面積為0.002平方英寸。所以，美國(guó)的泄漏率是根據(jù)0.002英寸泄漏小孔所產(chǎn)生的泄漏作為基準(zhǔn)所得出的。這與文獻(xiàn)[6]得到的結(jié)論是一致的。根據(jù)式（2）和式（3）可以計(jì)算出儲(chǔ)罐的泄漏率，進(jìn)而計(jì)算出某一特定儲(chǔ)罐在一定時(shí)間段內(nèi)的氣體排放量。舉例說明：取13～18把槍內(nèi)的數(shù)據(jù)，5分鐘泄漏試驗(yàn)中，試驗(yàn)初始時(shí)間P1=500Pa,剩余時(shí)間Pf=162Pa，V=1892L，時(shí)間t=5min，大氣壓P0=101325Pa，溫度T=273K，則根據(jù)式（3）計(jì)算出泄漏小孔面積S=0.96mm2。

表4 美制不同體積的泄漏小孔的面積(英寸，inch2)

將S=0.96mm2以及Pf=162Pa代入式（3）中，計(jì)算得出其泄漏率Q=0.92L/min。

TP201.2f Table 9.1也給出了泄漏率的算法，見表5。

表5 Q與P方程[5]

根據(jù)TP201.2f的算法，取上述例子中的計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算出的泄漏率為Q′=0.881 L/min。

考慮到我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在單位換算時(shí)的近似取值，兩種算法僅有4%的差異。故基本可以解釋出美國(guó)算法的來源。

式（2）、式（3）的組合，可以很好的計(jì)算出CARB標(biāo)準(zhǔn)中TP201所提到的關(guān)于地下儲(chǔ)罐壓力相關(guān)的逃逸損失，再根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)油氣的濃度以及油氣的體積含量，就可以計(jì)算出該儲(chǔ)罐因密閉性所導(dǎo)致的油氣排放量。

4 結(jié)論

我國(guó) GB20952-2007在實(shí)施頒布時(shí)，主要參考了CARB TP201的內(nèi)容，然而其內(nèi)部諸多細(xì)節(jié)并未在標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)，通過中美兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的解讀和細(xì)化，可以進(jìn)一步加深對(duì)我國(guó)二次油氣回收工作的理解。TP201對(duì)于地下儲(chǔ)罐泄漏所產(chǎn)生的油氣排放，是以0.002英寸小孔所產(chǎn)生的泄漏量作為基本依據(jù)的，由于其標(biāo)準(zhǔn)中并未解釋其計(jì)算方法的來源，故本文采用克拉柏龍方程以及小孔泄漏原理，從理論上很好的解釋了TP201中關(guān)于地下儲(chǔ)罐密閉性的最小剩余壓力以及所產(chǎn)生的排放。從而為我國(guó)進(jìn)一步細(xì)化以及完善標(biāo)準(zhǔn)，提供了一種可行的方法。

[1]TP-201.2,Efficiency and Emission Factor for Phase II Systems[S].

[2]TP-201.3,Determination of 2 Inch WC Static Pressure Performance of Vapor Recovery Systems of Dispensing Facilities[S].

[3]TP-201.2f,Pressure Related Fugitive Emissions[S].

[4]GB20952-2007,加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]徐灝，邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[6]Stephen F.Majkowski,Kenneth M.Simpson and Michael J.Steckler.Development and Validation of a 0.020”Evaporative Leak Diagnostic System Utilizing Vacuum Decay Methods[Z].International Congress and Exposition Detroit,Michigan March,1999.