一种液体在自然环境下的小呼吸损耗测试装置及测试方法与流程

本发明涉及环境保护及节能技术领域，尤其是一种液体在自然环境下的小呼吸损耗测试装置及测试方法。

背景技术：

一些容器(如立式罐、卧式罐)在自然环境下静止储存液体时，容易产生比较严重的挥发损失。例如，拱顶罐内储存汽油、柴油、石脑油等石油产品、化工产品时，油品蒸发，一部分较轻的液态组分汽化并逸入罐内气体空间内，又由于大气温度、太阳辐射和环境风速的变化，会引起罐内气体空间温度、压力和油气浓度发生变化，进而导致罐内油气不可避免地逸入大气，这类油气损耗称之为油罐的“小呼吸”损耗。像这类液体的挥发损失带来的危害很大，不仅给储运各个环节带来环境污染，还会引起资源浪费，造成严重的经济损失，并使液体质量下降，影响液体的正常使用，同时也易产生不容忽视的安全隐患。

当在容器内静止储存液体时，液面处于静止状态，液体蒸汽充满油罐气体空间。随着大气温度和太阳辐射的升高，罐内气体空间和液面温度升高，气体空间混合气体积膨胀而且液体加剧蒸发，从而使混合气体的压力增加。如果该容器为常压罐或大气罐时，容器内的气体会经过容器(或油罐)的呼吸阀或排放口排入大气，造成损失。而随着午后大气温度和太阳辐射的降低，罐内气体空间和液面温度降低，外界空气进入罐内。此时虽然没有液体蒸汽逸入大气，但吸入的空气冲淡了气体空间的液体蒸汽浓度，促使液体加速蒸发。其结果不仅削弱了温降使罐内压力下降的幅度，同时也使气体空间油气浓度迅速回升。新蒸发出来的液体蒸汽又会随着次日的呼出重新逸入大气。因此液体小呼吸损耗的大小不仅与该液体的物性(如密度、组分)有关，还与容器的结构类型及压力等级、所处地理位置、大气温度、风速等诸多因素有关。

容器的“小呼吸”损耗是一个复杂过程，“小呼吸”损耗主要是通过建立数学模型、对挥发损失量进行估算以及分析其影响因素，但是，目前对于液体“小呼吸”损耗的估算尚无一个精度高、公认的理论公式。

本发明旨在开发出一种“小呼吸”损耗的测试方法及其相应的测试系统，利用本发明，可用来测定各种具有挥发性的液体在各种静储条件下(如不同容器、不同初始液体蒸气浓度、不同风速、不同太阳辐射、不同大气温度和不同容器结构及其压力等级)产生的“小呼吸”损耗量，并对损耗量的影响因素进行评价，从而在一定程度上为降耗措施的选取和实施提供理论与实验依据，同时，还可借助本发明对已有的计算公式进行标定及误差评估。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种液体在自然环境下的小呼吸损耗测试装置及测试方法，以测定具有通用性的各种挥发性液体在自然环境下的“小呼吸”损耗量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液体在自然环境下的小呼吸损耗测试装置，包括气体分析工作站、数据处理工作站、用于测试的储液罐以及向储液罐提供测试液体的存液罐，所述存液罐通向储液罐的管路上设有液体泵，液体泵与存液罐之间设有过滤消气器、控制阀，液体泵与储液罐之间设有止回阀、液体流量变送器和控制阀，液体泵两端分别连接有压力变送器，储液罐内的液体蒸气-空气混合气通过排放管路排至大气中，位于排放管路上依次连接有控制阀、自吸式气体取样器、温度传感器、压力变送器、气体流量变送器以及阻火器，所述的储液罐气体空间内分布有温度传感器和自吸式气体取样口，储液罐的罐壁和罐顶分布有温度传感器，压力变送器、气体流量变送器、液体流量变送器和所述温度传感器所采集的数据传输至数据处理工作站进行参数换算和运算，自吸式气体取样口和自吸式气体取样器所采集的液体蒸气-空气混合气体样本传输至气体分析工作站进行液体蒸气组分及浓度分析后再由数据处理工作站进行运算。

具体说，所述的储液罐内沿其空间中心线等距设有3～5个温度传感器和3～5个自吸式气体取样口，每个温度传感器和自吸式气体取样口对应设在相同位置，位于储液罐周壁面的东西南北四条母线上自上而下分别等距布置3～5个温度传感器，储液罐内的气体空间中心所在的水平圆上按照东南西北方向设有四个温度传感器，位于储液罐顶部按照东西南北方向设置有四个温度传感器。

优选地，所述的自吸式气体取样口与气体分析工作站之间通过聚乙烯管或不锈钢管传输所抽取指定位置气体样品。

为便于控制进液和排液，所述的储液罐和存液罐上均安装有控制液面高度的液位计，储液罐和存液罐的底部分别连接有排污管，所述排污管上设有控制阀。

一种上述小呼吸损耗测试装置的测试方法，包括如下步骤：

a、按测试要求在储液罐内设置好相应的温度传感器和自吸式气体取样口，在储液罐的罐壁和灌顶设置好相应的温度传感器；

b、启动液体泵，将存液罐内的液体输送至储液罐，储液罐内液体高度达到测试要求时，关闭液体泵；

c、将内存有液体的储液罐在自然环境中放置24小时，在此期间，每隔二小时通过自吸式气体取样口对储液罐内的液体蒸气取样，进行液体蒸气组分及浓度分析，每隔二小时通过温度传感器记录储液罐内各温度场的温度数据，得到不同时间内储液罐内部、壁面及顶部的温度分布规律；

d、利用体积-浓度法测试原理，用气体流量变送器测出储液罐排放管路上排放出的液体蒸气与空气混合气的体积，再通过气体分析工作站内的气体组分分析仪测出该混合气的蒸气浓度，最后由数据处理工作站计算出储液罐内液体的“小呼吸”损耗量δm。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明适用于各种挥发性液体静储过程“小呼吸”损耗量的测定，尤其是轻组分较多且易挥发的原油及石油产品、化工产品，如：原油、汽油、柴油、石脑油、乙醇、芳香烃等。

(2)、本发明可以针对不同的储液罐进行静止储存液体时“小呼吸”损耗量的测定，如固定顶立式罐、外浮顶立式罐、内浮顶立式罐、卧式罐、油舱、车辆油箱等各种结构的常规的储液罐。

(3)、利用本发明，可以测试出液体静止储存过程中的浓度场分布、温度场分布、壁面温度分布、气液比，以及这些参数受到储液罐内不同初始液体蒸气浓度、不同液位、不同辐射强度的影响程度。

(4)、基于本发明测试获得储液罐内静止储存过程的“小呼吸”损耗量及浓度场分布、容器内部气体空间温度场分布和容器表面温度分布、气液比，并分析各参数的影响因素，用以指导生产实践中如何降低液体“小呼吸”损耗量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的测试原理图。

图2为本发明所述储液罐内温度传感器及自吸式气体取气口布置示意图。

图3为本发明所述储液罐壁面的温度传感器布置示意图。

图4为本发明所述储液罐顶部温度传感器布置示意图。

图5为本发明实施案例中储液罐内油气浓度随时间的变化趋势图。

图中：1.气体分析工作站，2.数据处理工作站，3.阻火器，4.气体流量变送器，5.压力变送器，6.温度传感器，7.自吸式气体取样器，8.控制阀9.液位计，10.排污阀，12.储液罐，13.液体流量变送器，14.止回阀，16.液体泵，18.过滤消气器，20.存液罐

t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10、t11、t12、t13、t14、t15、t16、t17、t18、t19、t20、t21、t22、t23、t24、t25------温度传感器

c1、c2、c3、c4、c5------自吸式气体取样口

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～图4所示的一种液体在自然环境下的小呼吸损耗测试装置，包括气体分析工作站1、数据处理工作站2、用于测试的储液罐12以及向储液罐12提供测试液体的存液罐20，所述存液罐20通向储液罐12的管路上设有液体泵16，液体泵16与存液罐20之间设有过滤消气器18、控制阀8，液体泵16与储液罐12之间设有止回阀14、液体流量变送器13和控制阀8，液体泵16两端分别连接有压力变送器5，储液罐12内的液体蒸气-空气混合气通过排放管路排至大气中，位于排放管路上依次连接有控制阀8、自吸式气体取样器7、温度传感器6、压力变送器5、气体流量变送器4以及阻火器3，上述自吸式气体取样器7、温度传感器6、压力变送器5、气体流量变送器4用于实测储液罐12所排放混合气体(液体蒸汽与空气)的流量、浓度、压力和温度；所述的储液罐12和存液罐20上均安装有控制液面高度的液位计9，储液罐12和存液罐20的底部分别连接有排污管，所述排污管上设有控制阀8，存液罐20的进气管路上设有控制阀8和阻火器3。

所述储液罐12的直径为φ1000mm，壁面高度为1000mm，拱顶高200mm，储液罐12内部液位高度为380mm。所述的储液罐12的内部、罐壁和灌顶分别分布有温度传感器t1～t25和自吸式气体取样口c1～c5，具体说，所述的储液罐12内沿其空间中心线等距设有五个温度传感器t1～t5和五个自吸式气体取样口c1～c5，所述温度传感器t1～t5和自吸式气体取样口c1～c5一一对应设在相同位置，相邻两个温度传感器(即t1与t2，其余同)和自吸式气体取样口(即c1与c2，其余同)之间的垂直距离可设计为200mm，最高的温度传感器t5和自吸式气体取样口c5离储液罐12顶部的距离为10mm，最低的温度传感器t1和自吸式气体取样口c1离液面的距离为10mm；储液罐12内的气体空间中心所在的水平圆上按照东南西北方向设有四个温度传感器t6～t9，所述水平圆的半径为220mm，该半径大小由储液罐12直径大小确定，以上设置的温度传感t1～t9器和自吸式气体取样口c1～c5用于实测储液罐12内温度分布和液体蒸汽浓度分布。

位于储液罐12周壁面的东西南北四条母线上自上而下分别等距布置有三个温度传感器t10～t12、t13～t15、t16～t18以及t19～t21，上下相邻两个温度传感器(即t10与t11，其余同)间的垂直距离为400mm，最高的温度传感器t10、t13、t16、t19距离储液罐12壁面最上端的距离为100mm，最低的温度传感器t12、t15、t18、t21距离储液罐12内液面的距离为100mm；

位于储液罐12顶部按照东西南北方向设置有四个温度传感器t22～t25，该四个温度传感器t22～t25分布在以储液罐12顶部中心为圆心、半径为400mm的圆周上，该半径大小由储液罐12直径大小确定，以上设置的温度传感器t10～t25用于实测储液罐12壁面和顶部的温度分布状况。

储液罐12内部的自吸式气体取样口c1～c5是在储液罐12顶部中心处开若干个口，然后将φ1mm～φ2mm的聚乙烯管或不锈钢管通过该口伸到储液罐12内部设定的位置上，从而通过微负压自吸抽取指定位置气体样品，并将该气体样品送到气体分析工作站1的气体组分分析仪进行组成及其浓度的分析。

所述气体分析工作站1包括气相色谱仪或其它合适的气体组分分析仪。

所述压力变送器5、气体流量变送器4、液体流量变送器13和所述温度传感器6、t1～t25所采集的数据传输至数据处理工作站2进行参数换算和运算，自吸式气体取样口c1～c5和自吸式气体取样器7所采集的液体蒸气-空气混合气体样本传输至气体分析工作站1进行液体蒸气组分及浓度分析后，再将数据集中至数据处理工作站2进行运算。

一种上述小呼吸损耗测试装置的测试方法，包括如下步骤：

a、按测试要求在储液罐12的内部、罐壁和灌顶设置好相应的温度传感器t1～t25，在储液罐12的内部设置好自吸式气体取样口c1～c5；

b、启动液体泵16，将存液罐20内的液体输送至储液罐12，储液罐12内液体高度达到测试要求时，关闭液体泵16；

c、将内存有液体的储液罐12在自然环境中放置24小时，在此期间，每隔二小时通过自吸式气体取样口c1～c5对储液罐12内的液体蒸气取样，进行液体蒸气组分及浓度分析，每隔二小时通过温度传感器t1～t25记录储液罐12内各温度场的温度数据，得到不同时间内储液罐12内部、壁面及顶部的温度分布规律；

d、利用体积-浓度法测试原理，用气体流量变送器4测出储液罐12排放管路上排放出的液体蒸气与空气混合气的体积，再通过气体分析工作站1内的气体组分分析仪测出该混合气的蒸气浓度，最后由数据处理工作站2计算出储液罐12内液体的“小呼吸”损耗量δm。

上述δm可根据储液罐12内液体挥发损失的时间长短，分割为n个实测时间段，然后通过实测各个时间段的损耗量，再汇总计算出储液罐12总的“小呼吸”损耗量δm；有时，为了研究及比对方便，经常用到损失率η，δm和η具体计算如下：

式中：δm——储液罐12在静止储存液体时的“小呼吸”损耗量，kg；

η——储液罐12在静止储存液体时的挥发损失率，％；

z——压缩因子；

r——通用气体常数，r＝8.314kj/(kmol·k)；

pi——第i测试时间段储液罐12所排放出的液体蒸气和空气混合气的总压力即气相管线出口处的压力，kpa；

vi——第i测试时间段储液罐12所排放出的液体蒸气和空气混合气的体积即气相管线出口处的体积，m³；

ti——第i测试时间段储液罐12所排放出的液体蒸气和空气混合气的温度即气相管线出口处的温度，k；

yi,j——第i测试时间段储液罐12所排放出的液体蒸气中第j组分的摩尔分率，％；

μi,j——第i测试时间段储液罐12所排放出的液体蒸气中第j组分的摩尔质量，kg/kmol；

ml——储液罐12总的装液量，kg；

vl——储液罐12总装液体积，m³；

ρl——液体密度，kg/m³；

m——液体蒸气中总的组分数；

n——测试过程分割的总时间段。

气液比λ是指储液罐12静止储存过程排放出的液体蒸气和空气混合气的总累积体积与总装液体积的比值。

式中：λ——储液罐12静止储存液体过程排放混合气的气液比；

vg——储液罐12静止储存液体过程排放出的液体蒸气和空气混合气的总累积体积，m³。

实际测试时，将储液罐12在自然环境中放置24小时(从7:00至次日7:00)。液体蒸气取样的时间间隔为2小时。浓度场测定：在第i(i＝1～n)测试时间段，通过气体分析工作站1实测液体蒸气中第j(j＝1～m)组分的摩尔分率yi,j，如表1所示。附图5为“已清洗”储液罐12(容器内初始液体蒸气浓度c0＝0kg/m³)静止储存液体时，在储液罐12内气体空间的自吸式气体取样口c1、c3、c5采集的液体蒸气浓度随静止储存时间变化曲线图。

表1某一时间间隔内液体蒸气中各组分的摩尔分率

a∑hc表示液体蒸气中轻烃组分的体积分数之和；

^b∑air表示液体蒸气中空气的体积分数之和。

温度场分布：温度数据记录间隔为2小时，根据储液罐12内的温度传感器t1～t9的读数，得到不同时间储液罐12内温度场的分布规律；根据储液罐12壁面的温度传感器t10～t11和顶部的温度传感器t22～t25的读数，得到不同时间储液罐12壁面和顶部的温度分布规律。

“小呼吸”损耗量(损失率)计算：根据储液罐12气相管线出口处气体流量变送器4、压力变送器5、温度传感器6以及自吸式气体取样器7的读数，可以得到第i(i＝1～n)测试时间段(时间段为上午7点至下午13点，这段时间内容器内气体温度逐渐上升至最高，容器内气体外排)储液罐12排放出的混合气的体积vi、压力pi、温度ti，以及液体蒸气中各组分的摩尔分率yi,j，然后通过查各种化工数据手册获得液体蒸气中各组分的摩尔质量μi,j，从而利用公式(1)、(2)就可以计算出此时的储液罐12内液体的“小呼吸”损耗量(率)。同时，根据储液罐12静止储存过程排放出的混合气的总累积体积(通过气体流量变送器4获取)和储液罐12总装油体积(通过液体流量变送器13获取)，利用公式(3)，可计算出储液罐12静止储存液体时排放的气液比。

进一步，利用上述测试结果，就可以进一步分析液体在自然环境下静止储存过程的“小呼吸”损耗量与各参数的关系，从而可用来指导生产实践中如何节能减排或优化操作方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。