基于峰值守恒法的油罐呼吸閥氣通量計算

康勇（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

?

基于峰值守恒法的油罐呼吸閥氣通量計算

康勇
（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

摘要：呼吸閥是減少油氣排放量、保證儲油罐使用安全性的必要措施之一。由于儲油罐所處環境條件的不同，罐內物性參數隨時間而發生變化，增加了呼吸閥設計條件的不確定性。影響呼吸閥氣通量的各種物理量是多種多樣的，其中溫度變化是影響呼吸閥氣量的主要因素之一。本文以溫度變化作為研究呼吸閥氣通量的出發點，提出了新的呼吸閥氣通量計算方法——峰值守恒法。即將氣相與液相的質量變化過程視為一個獨立的質量守恒體，把該守恒體的氣相介質分量變化過程作為研究對象，并設定其飽和蒸氣壓狀態下的峰值變化過程為呼吸閥氣通量，利用質量守恒原則，推導出了呼吸閥氣通量計算方法。該方法與目前常用的公式方法相比，其計算氣通量更接近實際情況，提高了呼吸閥的設計與選用的準確性。

關鍵詞：儲油罐；呼吸閥；油罐溫度；油罐壓力；氣通量；峰值守恒法

作者：康勇（1957—），男，碩士，教授，研究方向為流體機械及石油天然氣儲運工程。E-mail ykang@xsyu.edu.cn。

為了防止由于油罐內氣體壓力的變化而給油罐等儲油設備帶來的破壞作用，必須在儲油罐上安裝有呼吸閥。當罐內氣體壓力增加或減小至油罐呼吸閥設定極限壓力時，泄壓閥自動打開放出氣體，防止油罐因超壓而損壞；或打開真空閥，使空氣吸入罐內，防止油罐因在負壓狀態下而被壓癟[1-2]。由于儲油罐所處環境條件的不同，罐內物性參數隨時間不斷變化，由此給呼吸閥設計帶來許多不確定因素。目前還無法完全消除由于油罐呼吸作用而帶來的油品自然蒸發損耗[3-4]，但可以通過對呼吸閥的研究和分析，找到更為合理的設計方案，在確保油罐安全使用的前提下最大限度地減少這種損耗[5-7]。

1　常用呼吸閥氣通量計算方法

目前國內確定呼吸閥的通氣量主要是根據油罐大呼吸時氣體流量估算的[8-9]，考慮了收發油量及熱效應對呼吸閥通氣量的影響。以下式(1)、式(2)等常用經驗公式[10-11]就是結合了呼吸閥實際工作特點而得到的。

式中，Qymax為壓力閥最大氣體排出量，m3/h；Qzmax為真空閥最大氣體吸入量，m3/h；Qsmax為油品的最大輸入流量，m3/h；Qfmax為油品的最大輸出流量，m3/h；Vmax為油罐內最大氣體空間，一般取油罐的容積，m3；Δt 為油罐內氣相介質溫度變化量，℃；σ為呼氣時罐內油氣濃度變化引起的體積變化系數，1/℃；τy、τz為無收發油作業時每天呼吸閥的呼氣、吸氣時間，h。

呼吸閥實際工作過程與其設定工作壓力有關，工作壓力對呼吸閥的氣通能力影響很大。當呼吸閥氣通能力不足時，會造成安全閥常伴有液體噴出甚至罐體變形等問題。反之，當呼吸閥氣通能力過大時，會增加油蒸氣大小呼吸的損耗，不能有效地發揮呼吸閥的作用。

采用“峰值守恒法”可減少呼吸閥氣通量經驗估算的不足，它以呼吸閥在特定工作條件下的物性參數為設計依據，將最大小呼吸與大呼吸同時考慮，利用質量守恒規律而導出的呼吸閥氣通量計算方法。顯然這種方法是建立在油罐的實際使用環境基礎之上而得出的，考慮的因素更多更全面，更能反映呼吸閥的實際工況，與目前常用的經驗公式方法相比，其計算氣通量更為接近實際情況，提高了呼吸閥的設計準確性，也為呼吸閥的選型提供了理論依據。本文所討論的呼吸閥主要指滿足油罐平時正常工作狀態所使用的普通呼吸閥，包括全天候呼吸閥等常規呼吸閥；不包括在特殊情況下的壓力泄放閥，如在發生火災時，因受高熱引起的罐內介質的膨脹或收縮所引起的壓力急劇增加或減小時所需的特殊壓力及真空閥。

2　影響呼吸閥氣通量的主要因素

以油罐收油作業為例，如果已知進油平均速度Q，即可求出充裝總量為V的這一時段（V/Q）內，經呼吸閥油蒸氣的平均排放量Qsy，如式(3)。

式中，Q為油罐平均充裝速度，m3/h；Qsy為收油作業時呼吸閥的平均排放量，m3/h。

同理也可得到呼吸閥在發油作業中的平均吸氣量。如果要保證呼吸閥正常功用，就必須使其能在極端的情況下達到設計要求，即其最大排放量及最大吸入量都滿足油品在最大輸入量和最大輸出量時的設計要求[12]。

以上結論是基于不考慮油罐內介質物性影響及無呼吸閥設定壓力的情況下得出的。由于油品充裝過程時間相對較短，故可設定這段時間其物性參數沒有變化。但安裝呼吸閥后，罐內氣體空間壓力與外界壓力不一致。收油作業時氣體空間壓力要大于外界壓力，反之在發油作業時氣體空間壓力小于外界壓力，其壓力值的大小由設定的呼吸閥所確定。

3　峰值守恒法的理論依據

儲罐內部并非是一個絕熱體，外界環境的變化時刻會對其內部產生一定的影響。就環境溫度變化的影響而言，溫度變化、氣體空間溫度分布不均的影響、太陽輻射強度及方向的改變等，這些因素都會導致儲罐內液態介質及存在于液態之上的氣態介質的溫度、體積及壓力等參數發生相應的變化，這些參數也是時間的函數。所以，呼吸閥的氣通量不僅與油罐收發油速度有關，同時也與許多參數的變化有關。溫度是引起參數變化的主要因素之一，如果單從熱效應這個因素考慮，其結果顯然還不能充分說明問題[13]。

由于影響油品蒸發損耗量的因素較多，如果把所有的因素都考慮在內，問題將變得十分復雜，從實際應用的角度上講目前還無法辦到。所以，理論計算過程不可能把所有涉及的各種影響因素都歸于一個相對獨立的體系之中，但有必要對每個相互關聯又相對獨立參數系統的變化規律及對整體系統變化而產生的影響進行全面分析并得到充分的認識[14]。

“峰值守恒法”是將研究對象視為一個獨立體，即不考慮外界的因素，把介質蒸氣與空氣的混合氣體視為理想氣體，即其各參數和關系變化符合氣體狀態方程和道爾頓定律。忽略油品儲存器結構對計算結果的影響，不考慮傳熱產生的誤差；將氣液相油品視為一個物性均質體，空間任何點處的壓力、溫度及濃度都一致，且其濃度達到了飽和狀態；由此可得到呼吸閥的最大氣通量Qmax與其他變量的函數關系式為式(4)。

式中，τq為呼吸閥的氣通時間，h；t1、t2分別為狀態Ⅰ、Ⅱ時罐內介質的最低及最高溫度，℃；P1、P2分別為狀態Ⅰ、Ⅱ時罐內氣體最大飽和蒸氣壓，kPa；Py為泄壓閥的設定壓力，kPa；Pz為真空閥的設定壓力，kPa；R1、R2為狀態Ⅰ、Ⅱ時氣相油品氣體常數，kJ/(kmol?K)；PR為氣相油品的雷特蒸氣壓，kPa；Qgmax為油品最大氣化量，m3/h；Qlmax為油氣最大液化量，m3/h；ρ1、ρ2為狀態Ⅰ、Ⅱ時氣相油品密度，kg/m3；ρy1、ρy2為狀態Ⅰ、Ⅱ時液相油品密度，kg/m3；μ1、μ2為狀態Ⅰ、Ⅱ時油蒸氣摩爾質量，kg/kmol；Vy1、Vy2為狀態Ⅰ、Ⅱ時液相油品體積，m3。油罐內介質最低溫度及最高溫度時其狀態分別設為狀態Ⅰ及狀態Ⅱ。

呼吸閥的最大設計氣通量要大于油罐最大進油量Qsmax與最大發油量Qfmax。由前所述油罐小呼吸機理可知，罐內氣體空間的溫度變化是引起油罐小呼吸的主要因素[15]，所以在計算呼吸閥氣通量時還必須考慮這個因素。為了保證在最高溫度或最低溫度情況下呼吸閥的設計氣通量能滿足實際最大氣通量，這時的小呼吸量應為最大小呼吸量，分別為最大油品氣化量Qqmax和最大油氣液化量Qlmax，并設其分別對應于油罐的最大進油量及最大出油量。所以，最大呼吸閥設計氣通量包括兩個方面的氣通量，分別為式(5)、式(6)。

以上兩式所得分別為呼吸閥的壓力閥最大設計氣通量Qymax及真空閥的最大設計氣通量Qzmax，可按峰值守恒法求得。雖然影響呼吸閥氣通量的各物理參數是隨時間變化的，但都取其最大值為設計依據，用峰值守恒法計算出的通氣量有更大的余量空間。下面以油罐收油作業為例，利用使用峰值守恒法來確定呼吸閥呼出氣體的最大氣通量Qymax。

4　峰值守恒法推導過程

4.1狀態Ⅰ介質的總質量Mz1[式(7)～式(9)]

（1）氣相介質Mq1

（2）液相介質My1

（3）某一時刻介質的總質量Mz1

4.2狀態Ⅱ的總質量Mz2[式(10)～式(16)]

（1）氣相介質Mq2

因為由狀態Ⅰ變化到狀態Ⅱ后，由液態油品中有DV體積的液態油品轉變成了氣態，這些氣態油品所占總體積為V2，其表達式為式(10)。

式中，V2為油品最大氣化后總體積，m3；Qqmax為最大小呼出量，m3/h；t為氣體空間溫差最大時的時間段，h，夏季可取3～5h，冬季可取4～7h；DV為液態油品最大氣化體積，m3。

設呼吸閥打開前后的氣體空間為飽和蒸氣壓狀態，且忽略由于蒸氣壓力改變而引起的原有氣體空間質量的變化，所以DV液態油品的質量可表示為式(11)及式(12)。

即

氣體狀態方程可求得氣相介質Mq2，如式(13)。

由式(10)～式(13)可得式(14)。

（2）液相介質My2[式(15)及式(16)]

（3）溫度變化后介質的總質量Mz2[式(17)]

4.3氣體空間總壓PZY

可利用Antonie公式求出某一溫度下的純物質蒸氣壓PZY，見式(18)[16]。

式中，PZY為氣體的蒸氣壓，mmHg；t為氣體的溫度，℃；A、B和C均為Antonie常數。

Antonie公式中，蒸氣壓僅是溫度的單變量函數，因而只適用于不存在表面張力、流體靜壓力、重力等的影響。一般在化工計算中，化工產品的蒸氣壓可取某一物質的Antonie常數，這樣使得計算過程更加簡便。

式中各系數值由不同介質而定，當罐內介質處于穩定狀態時，為了方便計算，可設氣體空間為飽和狀態，油品蒸氣壓PZY即為氣體空間總壓P2，即有PZY=P2。

4.4最大呼吸閥氣通量

將油罐的呼吸過程可視為一個整體熱力系，這個熱力系不論狀態怎樣變化，其總質量保持不變。故有Mz1=Mz2，即如式(19)。

將式(7)、式(8)、式(14)、式(16)代入式(9)后得式(20)。

為確保呼吸閥氣通量足夠大，設定氣相介質在飽和蒸氣壓的峰值變化過程為呼吸閥最大氣通量，且蒸氣壓的變化僅與溫度變化有關，并取溫差最大時的各參數值。如果呼吸閥泄放壓力確定后，為了計算方便，可設呼吸閥泄放壓力為狀態Ⅰ時氣體空間壓力P1，即此時呼吸閥已打開。可利用式(20)解出在狀態Ⅱ時氣體空間壓力P2時的呼吸閥氣通量。由于ρ、μ及R在溫度變化不大時其值變化不大，可假設：

由此得最大小呼吸量Qqmax如式(21)。

再將式(21)代入式(5)后得最大氣通量Q′ymax式(22)。

式(22)即為利用峰值守恒法推導出的壓力閥的最大氣通量Q′ymax。

5　呼吸閥氣通量算例

以油罐收油作業為例[16]，用經驗公式方法與峰值守恒法分別計算呼吸閥的最大呼氣通量。

有一裝有車用汽油容積為Vmax=Vg=2000m3的地上立式圓柱形油罐，裝油作業前液體體積為Vy1=0.1Vmax，設作業時間內罐內氣體空間溫度由10℃上升至40℃。油罐最大進油速度為Qsmax=150m3/h，并設定以下條件：氣體體積變化系數σ=3℃?1；收油作業及呼吸閥的呼氣時間τy=τ=3 h；液態油品密度ρy1=ρy2=ρy=502kg/m3；氣態油品密度ρq1=ρq2=ρ=0.73kg/m3；油蒸氣摩爾質量μ1=μ2=μ=68kg/kmol；油品氣體常數R1= R2= R =8.31kJ/(kmol?K)；呼吸閥泄放壓力Py=P1=980Pa；呼吸閥吸入壓力PZ=294Pa。

（1）經驗公式方法計算 得到利用經驗公式(1)計算出呼吸閥的最大呼氣通量為

（2）峰值守恒法計算 壓力閥設定壓力Py及真空閥設定壓力Pz確定后，由狀態Ⅰ到狀態Ⅱ的氣體空間平均計算壓力可由式（17）求得，對于車用汽油

將給出的已知及設定量代入式(22)，即得到用峰值守恒法計算出的呼吸閥最大呼氣通量為

同樣也可計算出真空閥的最大吸氣通量Q′zmax。

將氣體空間壓力隨溫度變化的函數關系代入呼吸氣通量經驗公式(1)及峰值守恒法計算公式(22)，即可得到兩種計算方法結果與溫度之間的關系圖（圖1）。圖1給出了溫度在10～40℃區間變化時呼吸閥氣通量的變化情況。由此圖可知，這兩種計算方法的結果顯然是不同的。經驗公式所得氣通量大方法的結果顯然是不同的。經驗公式所得氣通量大于峰值守恒法計算公式所得的氣通量。前者氣通量與溫度是一個線性變化關系，而后者是非線性關系。

圖1　呼吸閥呼氣量的兩種計算方法比較

經驗公式所得氣通量隨溫度的增加按比例地線性增大，在一定溫度范圍內，且溫差不大時，兩者的計算接近，但溫差較大時，如夏季某些地區的溫差在20～30℃時，兩者的計算結果相差較大，此時的經驗公式所得氣通量明顯偏大。

6　結論

（1）氣通量的峰值守恒方法更為準確和更為符合實際情況，解決了以往計算呼吸閥氣通量未分別考慮氣體空間參數變化的問題[17]。不僅考慮了溫度變化的因素，同時還涉及由此因素引起的一系列物性參數的變化，這些參數都會對呼吸閥的氣量產生直接的影響。

（2）經驗公式方法的氣通量是按線性變化的，這顯然與實際情況不符。峰值守恒法的氣通量為非線性變化，更為接近實際油蒸氣蒸發損耗的變化過程[10]。

（3）如果為了更精確地計算，可將μ、ρ及R等參數的變化也加以考慮，可得到更為滿意的計算結果。

（4）呼吸閥的設定壓力對最大氣通量有明顯的影響，可通過修正系數對氣通量進一步修正。

參考文獻

[1]張麗娜，陳保東，王立志. 呼吸閥的工作特性和新型呼吸閥的開發[J]. 油氣儲運，2001（11）：46-48.

[2]于江，黃起陸，黃自力. 儲油罐呼吸閥的概念設計[J]. 油氣儲運，1999（6）：26-27，55.

[3]王飛，呼曉成. 呼吸閥在油氣儲罐中的選用[J]. 通用機械，2012 （11）：42-44.

[4]吳貢珍. 提高山洞油罐的控制壓力減少蒸發損耗[J]. 油氣儲運，1986（6）：18-19.

[5]楊宏偉，楊士亮，費逸偉，等. 固定頂油罐油氣空間溫度梯度與小呼吸降耗措施[J]. 油氣儲運，2011（4）：311，314-315.

[6]任釗震，趙博，羅梓軒. 輸油站儲罐油氣回收裝置應用前景淺析[J]. 中國石油和化工標準與質量，2013（1）：38-40.

[7]王學東. 降低儲罐油品蒸發損耗的措施[J]. 石油庫與加油站，2010 （4）：17-19.

[8]李明德，劉德俊，鄧宗竹，等. 固定頂油罐承壓能力與“小呼吸”損耗優化[J]. 當代化工，2011（10）：1076-1078.

[9]康勇. 儲油罐小呼吸損耗機理研究[J]. 天然氣與石油，2004（3）：32-35.

[10]郭光臣，董文蘭，張志廉. 油庫設計與管理[M]. 北京：石油工業出版社，1006：275-322.

[11]劉光啟. 化學化工物性數據手冊（有機卷）[M]. 北京：化學工業出版社，2002.

[12]黃起陸，于江，趙曉剛. 機械式呼吸閥的類型與通氣性能[J]. 油氣儲運，2008（10）：51-56

[13]康勇. 油氣庫站設計與建設[M]. 北京：中國石化出版社，2010：315-341

[14]孫曉春. 塔里木油田固定頂儲罐油氣損耗特點分析[J]. 石油規劃設計，2004（4）：31-33.

[15]楊宏偉，費逸偉. 固定頂油罐內氣體空間油氣濃度分布[J]. 石化技術，2004（4）：15-17.

[16]黃維秋，李峰，王丹莉，等. API小呼吸油品蒸發損耗新舊計算式比較與應用[J]. 油氣儲運，2011（3）：589-563.

[17]API Bulletin2513. Evaporation loss in the petroleum industry-causes and control[R]. USA：API，1973.

Calculation of the gas flow rate through breather valve based on the method of peak mass conversation (PMC)

KANG Yong
（Petroleum Engineering College，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

Abstract：It is one of the requirements to ensure an oil storage tank equipped with breather valves for limiting its vented oil-gas capacity and keeping it in safety. As the variations of physical parameters caused with the time by surroundings of the oil storage tank，the uncertainty of the design of breather valves is increased. There are many physical parameters affecting the gas flow rate through valves. Temperature change is a main factor. Based on temperature variations，a new method，peak mass conversation（PMC），was presented to calculate the gas flow rate through breather valve. The method is referred to the mass change process of both gas phase and liquid phase as an independent mass conservation，taken the gas phase component of the conservation as a research object，and determined its peak gas flow rate under the saturated vapor pressure as the gas flow rate through breathing valve. By applying the principle of mass conservation，the formula for calculating gas flow rate through breather valve was obtained. Compared to the common methods，the PMC is helpful to get actual values as well as improves the accuracy of breather valve design and selection.

Key words：oil storage tank；breather valve；tank temperature；tank pressure；flow rate；peak mass conversation

中圖分類號：TE 972

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1017–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.008

收稿日期：2015-10-08；修改稿日期：2015-11-30。