加油站油氣回收在線監控系統

王振中 金 幗 吳鋒棒 王 潔

(1. 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071；2. 中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

近年來，我國大氣污染的狀況日趨嚴重，為了有效控制加油站在日常生產過程中向大氣排放的有機氣體，2007年出臺了GB 20952《加油站大氣污染物排放標準》[1]。根據該標準要求，我國大部分城市建成區的加油站已經逐步進行了油氣回收改造。為了保證油氣回收的實施效果，部分經濟發達地區的加油站安裝了電子式氣液比調節設備和油氣回收在線監測系統。而就功能原理來講，電子式氣液比調節設備和油氣回收在線監測系統有著較多的相似之處，同時安裝會增加油氣回收的一次投資成本，造成資源浪費。為此，筆者通過對比分析電子式氣液比調節設備與油氣回收在線監測系統的工作原理，對二者的功能進行了優化整合，研制了兼具調節和監測作用的油氣回收在線監控系統。

1 電子式氣液比調節設備原理①

加油油氣回收指的是將汽車加油過程中產生的油氣，在真空泵的輔助下，通過密閉方式收入埋地油罐的過程。而為保證油箱內的汽油蒸氣盡可能地被回收，就要使真空泵的抽氣流量和汽油的加油流量滿足一定的比例，該比例即所謂的氣液比。根據國家標準規定，加油油氣回收的氣液比應在1.0～1.2的范圍內[1]。因此，氣液比調節設備是保證加油站二次油氣回收系統氣液比達標的關鍵組件。常用的氣液比調節設備主要有機械式和電子式兩種。傳統的機械式氣液比調節閥主要通過管路油壓來對閥門開度進行控制；電子式氣液比調節設備可以實時監測加油流量脈沖，根據流量大小來實時修正氣液比，按照控制方式不同，又可分為兩種：一種為通過控制比例調節閥的開度來調節氣液比；另一種則采用變頻真空泵，通過控制真空泵的工作頻率來改變抽氣流量，達到調節氣液比的目的。其中，第一種控制方式較為成熟，在現場應用也最為廣泛。

常見的電子式氣液比調節設備主要由氣液比調節閥、氣液比調節主控板、流量計及電源等部分構成。其基本原理如圖1所示。

圖1 電子式氣液比調節設備原理框圖

一般來說，電子式氣液比調節主控板主要有兩路輸入信號和一路輸出信號，輸入信號分別為來自加油機主板的汽油流量脈沖信號和來自油氣流量計的信號，輸出信號為控制電磁閥的開度信號。主控板可通過手操器來設置氣液比控制值，并通過內部控制算法精確控制閥門的開度。在實際應用中，由于氣體流量計較為昂貴，通常僅在標定時才會使用。

2 油氣回收在線監測系統原理

加油站油氣回收在線監測系統主要用來對油氣回收系統的氣液比、密閉性及液阻等參數進行在線監測，根據國家和地方環保標準要求，還應具備數據遠傳、超標報警及歷史記錄等功能[2]。

一般來說，油氣回收在線監測系統主要由油氣流量計、壓力傳感器、數據采集器及監控機等部分構成。如圖2所示，該系統的輸入信號有：汽油流量脈沖信號、油氣流量脈沖信號及壓力傳感器信號；輸出信號為報警輸出和數據遠傳。

圖2 油氣回收在線監測系統原理框圖

3 功能對比與整合

通過對二者的功能進行對比分析，不難發現：二者都具備汽油流量脈沖和油氣流量信號的采集功能，且都能對氣液比進行實時監測；油氣回收在線監測系統具備了電子式氣液比調節設備的硬件電路，只需外加調節閥并重新設計內部程序便可實現其所有功能。

因此，可以從功能和硬件上對二者進行整合，形成兼具控制和調節功能的油氣回收在線監控系統，這樣做的優勢是：

a. 節省加油站的投資成本。在油氣回收在線監測系統基礎上增加控制調節功能僅會增加少量成本，避免原來采購兩套具有重復功能系統的投資浪費。

b. 提升了控制的穩定性，減少維護工作量。原有的電子式氣液比調節設備為節省投資成本，僅在標定時才會使用氣體流量計，使用一段時間后，不可避免地會出現調節誤差變大的問題，產品需要定期維護；而整合后的系統一直裝有氣體流量計，可以有效提升氣液比控制的穩定性，避免了經常性的微調和標定，減少產品維護的工作量。

c. 提升了產品的功能性和易用性。原有的油氣回收在線監測系統僅能對氣液比進行實時監測，一旦超標就只能報警，而連續報警會導致強制停車，影響加油站的正常營業；增加控制調節功能后，一旦超標，產品可以通過控制調節閥開度調整氣液比，使其處于正常范圍，這樣不僅可以有效避免由于氣液比超標報警而對加油站運營帶來的影響，而且可以保障氣液比時刻處于正常范圍，提升二次油氣回收的效率。

4 總體設計

筆者所設計的加油站油氣回收在線監控系統總體框圖如圖3所示，主要分為4個部分：安裝于油氣回收系統回氣管路上的現場儀表和閥門，包括氣體流量計、壓力變送器和調節閥；安裝于加油機內的數據采集器；安裝于加油站控制室內的監控上位機；433MHz無線模塊組成的數據傳輸網絡。

圖3 加油站油氣回收在線監控系統

在實際應用時，考慮到加油機內部安裝空間有限且需要節約投資成本，每兩條槍安裝一套油氣流量計。這樣，當兩槍同時加油時，將兩路的回氣總量與加油總量的比值作為平均氣液比。每個加油站只安裝一臺微壓變送器即可[3]。

4.1 氣體流量計

目前，國外成熟的油氣回收在線監測系統主要采用體積式氣體流量計，即羅茨流量計。與其他流量計相比，羅茨流量計原理簡單、成本低廉、性能穩定、測量精度高，且輸出為脈沖信號，易于檢測，能夠很好地滿足油氣回收在線測量的各項要求[3]。筆者選用的氣體流量計為LLQZ型氣體羅茨流量計，精度為1.5級。

4.2 微壓變送器

GB 50156-2012《汽車加油加氣站設計與施工規范》規定，加油站汽油儲罐的通氣管應安裝呼吸閥。對于已實施油氣回收改造的加油站，呼吸閥的開啟壓力范圍為-2.0～-1.5kPa，2～3kPa[4]。據此，可確定微壓變送器的測量范圍應為-2～3kPa，筆者所選的微壓變送器為MPM430系列。

4.3 調節閥

油氣回收在線監控系統的調節閥安裝于油氣分離接頭引出的氣路銅管和油氣回收泵之間靠近油氣回收泵入口的位置。

4.4 數據采集器

目前我國常用的加油機多為四槍機，為此，筆者研制了最多可以同時監控4條加油槍的數據采集器，該采集器包括：4路加油脈沖輸入通道、4路氣體流量脈沖輸入通道、兩路微壓傳感器輸入通道、4路調節閥輸出通道、4路繼電器輸出端口、一路無線數據收發端口和一路485數據收發端口。

在線監控系統數據采集器的結構如圖4所示。數據采集器的中央控制器為STM32F ARM微處理器，氣體流量脈沖信號和加油流量脈沖信號經過電平轉換和光電隔離后直接輸入ARM處理器的計數單元。微壓變送器的輸出為4～20mA電流信號，使用高精度標準電阻轉換為電壓信號后輸入ARM處理器的模數轉換器進行處理。

圖4 在線監測數據采集器框圖

繼電器輸出端口的作用為發現系統異常時，強制關斷該路油槍的電源。

調節閥開度的控制方式為電流信號，為了精確控制開度，采用PWM方式進行控制。ARM處理器通過內置定時器生成特定占空比的PWM波，經過信號調理后輸入調節閥對其開度進行控制。

因為同一加油站內一般會有多個采集器，所以這里使用一個撥碼開關來標明其地址。

由于很多加油站在建設時沒有為油氣回收在線監測系統預留通信電纜，因此數據采集器設計了兩種數據傳輸方式：對于有預留電纜的加油站，采用485方式實現數據傳輸；對于沒有預留電纜的加油站，為避免電纜施工帶來的不便，采用無線方式進行數據傳輸。筆者選用的無線模塊基于最新高性能射頻芯片SI4432，并嵌入高速單片機，最大速率最高可達100kbit/s的無線模塊，工作頻段為433MHz開放頻率帶。無線模塊與ARM微處理器通過內置的串口相連，能夠方便、可靠地實現數據的收發。由于無線通信與485通信均為半雙工模式，因此正常通信時將監控機作為主機，各采集器作為從機，只有收到主機的命令時，從機才會發送數據。

采集器的設置數據存放在ARM微控制器的內置FLASH存儲器中。

4.5 監控機

Windows XP系統是目前應用最多的一種操作系統，具有開發簡單、操作方便、易上手及性能穩定等優點。因此，筆者選用的監控機為基于Intel Atom系列處理器的工業一體機。監控機預裝Windows XP系統，具備12英寸觸控界面，運行的上位機基于微軟的.Net平臺開發。

正常工作時，監控機會周期性地查詢各采集器的工作狀態，數據采集器將返回目前的工作狀態和內部存儲的數據。監控機收到數據后，將其存入數據庫，并實現進一步的曲線繪制、數據遠傳及實時報警等功能[5]。

5 結束語

筆者通過對比分析電子式氣液比調節設備和油氣回收在線監測系統的功能原理，分析二者在實際應用中存在的問題，對其功能進行了整合優化，研制出兼具監測和調節功能的油氣回收在線監控系統。該系統不僅能夠自動監測加油站油氣回收系統的氣液比、密閉性及液阻等參數，還可以在氣液比超標報警的情況下自行調節，可以有效保障加油站油氣回收的應用效果。