罗洋 刘凯 王逸伟

摘 要： 针对两种原油在模拟油罐存储条件下进行了相平衡实验，测定了原油到达相平衡后挥发气的体积及其组成。激光气体检测仪利用光谱吸收原理，可以实现对气体中丙烷浓度的原位在线监测，是一种颇具前景的监测技术。在模拟油罐环境下对激光气体检测仪的测量性能进行了研究，结果表明该系统的测量相对误差较小，满足工业应用的精度要求。

关 键 词：激光气体检测仪；原油挥发气；丙烷；模拟油罐

中图分类号：TE 81 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-2036-03

Abstract： Phase equilibrium experiments of two kinds of crude oil under simulated tank storage conditions were carried out to determine the composition and volume of volatile gas of the oil. Laser gas detector can be used to realize in situ monitoring of propane content in the volatile gas based on spectrum absorption. Detecting performance of the laser gas detector under simulated oil tank environment was studied. The result shows that the measurement error of this laser gas detector system is little， which can meet the demand of industry.

Key words： laser gas detector； volatile gas； propane； simulated oil tank

1 引 言

近年来，随着我国经济的飞速发展和国际环境的复杂多变，能源、安全和环境问题日益突出。被称为工业血液的原油是能源的主要供应者，在社会经济发展中具有非常广泛的作用与功能。为保障国家能源战略的安全，原油储备成为了最为有效的手段。特别是近年来油价的波动，使得原油储备这一话题再次成为了焦点：如何有效、安全地对原油进行存储，成为了研究者的研究重点。

原油在收集、储存、运输和初步处理及加工各环节中，其中的轻组分不断蒸发，挥发出的烃蒸汽比空气重，容易在油罐周围及低洼处聚集，不但使原油的数量减少，品质下降，而且会在作业站场及其周围埋下安全隐患[1，2]。因此，研究如何降低储罐内油品的蒸发损耗，无论是从安全环保的角度，还是从回收能源、提升企业效益的角度都具有极其重要的意义。多年来，为减少这些油气损耗，采取了许多方法，其中最有效的方法就是浮顶的应用。由于浮顶是漂浮在油面上工作，因而有效的减小了油气蒸发空间，使油气损耗控制在很小的空间范围，大大降低了油气损耗，同时这种方法也使得储罐因不必采用固定顶而易于大型化[3，4]。

在一定温度下，液体与在其表面蒸汽会达到汽液平衡，如果建立起来的平衡被打破，蒸汽就向大气中不断散失。浮顶油罐的蒸发损耗主要来自浮顶与罐壁间的环形空隙以及浮顶上其它有可能与大气相连的蒸发空间，其次是由于罐中油品抽出时粘附在罐壁上的液体蒸发而产生的损耗。目前，在原油站库中，大多使用浮顶油罐以减少油气挥发及对空气的污染、保证油库安全和油品质量。尽管浮顶的设计是为了减少原油的挥发，但是由于液体蒸汽压的存在，原油中的轻组分就必然挥发，这部分气体为油罐原油挥发气。由于浮顶与罐壁之间封闭不严，特别是罐体或浮顶发生变形时，挥发气会挥发到油罐一二次密封之间的空间贮储罐的安全[3-5]。

随着浮顶罐的大量投建使用，为了减少由于浮顶罐的呼吸引起的油气损失特别是确保原油贮罐的贮存安全，有必要对浮顶罐的油气蒸发量和蒸汽组成进行定量测定和研究。由文献可知，影响油气蒸发量的因素很多，主要为外界环境因素和罐体因素两大类。在不考虑外界影响的条件下，可将油气空间视为相对独立的体系，然而，目前对于这方面的研究报道较少。本实验针对这一工业实际问题，对两种原油大庆原油和阿曼原油在模拟原油在油罐内的储存条件进行了汽液相平衡实验，即压力为常压、温度为油罐工作温度，测量了两种油品达到相平衡后所挥发的油气量，分析了挥发气的组成。并在此基础上，应用激光气体监控仪对原油挥发气中丙烷浓度进行了在线监测，考察了其监测性能。

2 实验部分

2.1 实验装置

实验装置如图1所示，该装置主要由分布式激光气体感应器、模拟油罐、气体缓冲计量瓶和数据显示与采集系统组成。分布式激光气体感应器利用半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减程度与被测气体含量成正比，通过测量激光强度衰减信息获得被测气体的浓度。模拟油罐呈圆筒状直径20 cm，高15 cm，由有机玻璃制成，顶盖由法兰密封，其上面开口三处，分别连接分布式激光气体感应器、热电偶、取气口。取气口连接气体缓冲计量瓶，可以保持模拟油罐内的压力一致，同时通过排水法计量原油受热后挥发出的气体体积。模拟油罐下部放置磁力攪拌器，驱动模拟油罐内的磁力搅拌转子转动，加速原油挥发使其快速达到相平衡。热电偶用于测量模拟油罐内气相的温度。

2.2 实验步骤

具体的实验步骤如下：

（1）连接实验装置，预热激光气体感应器；

（2）向模拟油罐内加入特定原油200 mL，将顶盖密封，设定恒温实验箱温度至实验温度，同时打开磁力搅拌器；

（3）恒温稳定4 h后，读取激光气体检测仪显示的丙烷浓度、气体排水体积，并从取气口取气并用气相色谱分析其组成，重复三次取平均值，并与监控仪所测数据进行对比；

（4）等待模拟油罐中的原油达到汽液平衡（约4小时）将待测气体进行色谱分析，分析气体组成，并与监控仪所测数据进行对比。

3 实验结果及分析

3.1 模拟油罐存储环境下原油的相平衡研究

首先，本文分别对国内外两种典型原油（大庆原油和阿曼原油）进行了常压下的相平衡实验研究，测量原油挥发气的体积及其组成。实验结果见表1。

从表1中可以看出，随着温度的增加，两种原油挥发出的气体量均有所增加，对比两种原油的挥发气体积，可以发现阿曼原油相对较轻，其单位体积原油会发出的气体也更多。同时，分析挥发气的组成，我们可以看出阿曼原油挥发气中丙烷的摩尔浓度均在20%左右，而大庆原油挥发气中丙烷摩尔浓度均在13%左右，也就是说，对于特定一种原油挥发气中丙烷含量占总挥发气的释放量的比例基本恒定。因此，以相对含量较多的丙烷气体的浓度作为目标气体检测原油挥发气的整体释放量具有可行性。

3.2 激光气体检测仪检测标准气体的性能研究

实验装置如图1所示，测量标准气体中丙烷浓度时，不向模拟油罐中注入原油，而是连续通入标准气体，待标准气体将模拟油罐中的气体置换完全后，开始读数，测定结果见表2，相对误差计算公式见公式（1）。

从表2可以看出，经多次测量该系统测定混合气体中丙烷的浓度的相对误差最大为3.48%，同时测量稳定性很好，满足工业上的精度要求。

3.3 模拟油罐环境下激光气体检测仪原位测量原油挥发气中丙烷浓度的性能研究

测定结果见表3，我们以色谱所测结果为基准，利用公式（1）计算相对误差。

从表3中可以看出，使用该系统的相对误差最小值为4.48，最大值为4.84，其最大误差略高于该系统测定标准气体时的误差水平。分析原因，我们认为可能是原油挥发气增加了测定环境的复杂程度，即原油挥发气中的多个组分对该系统测量丙烷浓度造成了一定的干扰。但是，总体误差仍在5%以内，可以满足工业实际应用的要求。

4 结 论

本文首先模拟油罐存储条件对国内外两种原油进行了相平衡实验，测定了原油到达相平衡后挥发气的体积及其组成，发现通过丙烷作为目标气体检测可燃气体的总挥发量是可行的。在此基础上，使用激光在线监测主动防防护系统在模拟油罐环境下对其监测性能进行了实验研究，实验结果表明该系统的测量相对误差小于5%，满足工业上的测量精度要求。

参考文献：

[1] 陈巍. 油库项目安全评价研究与实践（硕士论文）[D]. 天津大学，2012.

[2] 李恩田，谢磊，王树立. 浮顶油罐油气惰化防火防爆实验研究[J].中国安全生产科学技术，2011（11）：68-71.

[3] 胡建春. 浮顶油罐密封分析[J]. 中国设备工程，2002（12）：45-46.

[4] 张晓东，陈建平. 浮頂油罐的密封及密封装置[J]. 石油化工设备技术，2001（02）：11-14.

[5] 王勇，由方书，韩万龙. 关于降低储罐内油品蒸发损耗的研究[J].中国勘察设计，2011（10）：63-65.