儲油罐油氣損耗的理論計算方法

趙立新　楊光權　馬中山　葛永廣　劉劍飛（.中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心；.新疆油田公司準東采油廠）

儲油罐油氣損耗的理論計算方法

趙立新1楊光權1馬中山1葛永廣1劉劍飛2
（1.中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心；2.新疆油田公司準東采油廠）

摘要：實際測試儲油罐油氣損耗存在耗時長、投入人力、物力大的問題。通過利用瓦廖夫斯基-契爾尼金公式的平衡理論計算得出儲油罐油氣損耗，可以輔助驗證實測結果的準確性，為生產管理部門及時提供決策依據，有利于儲油罐呼吸氣回收項目效益的準確評價。

關鍵詞：儲油罐；油氣損耗；瓦廖夫斯基-契爾尼金公式

石油及其產品是多種碳氫化合物的混合物，其中的輕組分具有很強的揮發性。在石油的儲運過程中，無法避免儲油罐中部分較輕的組分氣化，溢入大氣，造成不可回收的油氣損耗。影響儲油罐油氣損耗的主要參數包括呼吸氣體流量、溫度、壓力、組分以及環境溫度和大氣壓力等[1]。

目前國際國內通過分析大量實驗數據，普遍認為實測法得到的結果更接近現場實際，但受儲油罐的氣體泄漏點較多、低流速測量誤差較大等原因影響，儲罐油氣損耗的測試結果存在一定誤差。儲罐油氣損耗理論計算的結果雖然受到環境條件、生產過程、物性參數等因素的影響，但通過控制設備運行狀態，在保證一定運行條件的情況下，理論計算可以做為實測結果的輔助驗證。

1　理論計算油氣損耗量方法

理論計算公式選取瓦廖夫斯基-契爾尼金公式，該公式適用于各種呼吸損耗的通用公式，是油罐蒸發損耗的基本方程式[2]。

在2次吸氣過程之間，如果以吸氣過程剛剛結束時為第1狀態，此時罐內空氣的質量為Mk1，空氣的狀態參數為Pk1、V1、T1；以呼氣過程剛剛結束為第2狀態，此時罐內空氣的質量為Mk2，罐內空氣的狀態參數為Pk2、V2、T2。則呼氣過程中從油罐逸入大氣的空氣量為

式中：ΔMk——1次小呼吸油罐呼出的空氣質量，kg；

Mk1——狀態1罐內空氣的質量，kg；

Mk2——狀態2罐內空氣的質量，kg。

根據克拉伯龍公式，狀態1時空氣的狀態方程為

式中：Pk1——狀態1時空氣的分壓力，kPa；

V1——狀態1罐內混合氣體的體積，m3；

T1——狀態1油罐氣體空間的絕對溫度，K；

μk——空氣的摩爾質量，kg/kmol；

R——通用氣體常數，取8.314 kJ/（kmol·K）。

根據道爾頓分壓定律，狀態1時空氣的分壓力Pk1與油品蒸氣的分壓力Py1有如下關系：

式中：P1——狀態1時混合氣的總壓力，kPa；

Py1——狀態1時油品蒸氣的分壓力，kPa;

Cy1——狀態1時混合氣中油蒸氣的體積濃度，%。

將式（4）代入式（2）得

同理，狀態2時，罐內空氣的狀態方程為

式中：P2——狀態2時混合氣的總壓力，kPa；

Py2——狀態2時油品蒸氣的分壓力，kPa;

Cy2——狀態2時混合氣中油蒸氣的體積濃度，%；

V2——狀態2罐內混合氣體的體積，m3；

T2——狀態2油罐氣體空間的絕對溫度，K。

將式（5）、（6）代入式（1），則

從狀態1到狀態2，油罐逸出的空氣必然成比例地帶走一定數量的油蒸氣，逸出的油蒸氣和空氣的質量分別為

式中：ΔMy——1次小呼吸油罐呼出的油蒸氣質量，kg；

ΔVy——1次小呼吸油罐呼出油蒸氣的體積，m3；

ρy——油罐呼出油蒸氣的密度，kg/m3。

式中：ΔVk——1次小呼吸油罐呼出空氣的體積，m3；

ρk——油罐呼出空氣的密度，kg/m3。

由式（8）、（9）得

式中：Cˉy——油罐呼出混合氣的平均油氣濃度，近似地取Cˉy=()

Cy1+ Cy2/2，%；

μy——油蒸氣摩爾質量，kg/kmol。

將式（7）代入（11）中，得到從狀態1到狀態2油罐呼出的油蒸氣質量：

或

式中：-P——油罐內混合氣的平均壓力，kPa；-

Py——油品蒸氣的平均分壓力，kPa。利用式（12）、（13）可以計算任何作業和設備條件下固定頂油罐的油品蒸發損耗。因此，上兩式又稱為固定頂油罐蒸發損耗基本方程式。

計算油品蒸發損耗的各種公式中都要用到油氣摩爾質量μy，它取決于油氣的摩爾組成，可按下式計算：

式中：μi——油氣中i組分的摩爾質量，kg/kmol；

y

i——油氣中i組分的分子分數，%。

綜合以上分析得到儲油罐日損耗油蒸氣質量的理論計算公式：

式中：ΔM——儲油罐日損耗油蒸氣質量，kg/d；

K——密封系數，取0.95；

V——油罐內氣體空間的體積，m3；

T1——氣體空間的日最低溫度，K；

T2——氣體空間的日最高溫度，K；

Py1——氣體空間日最低油面溫度下油品的

飽和蒸汽壓，kPa；

Py2——氣體空間日最高油面溫度下油品的

飽和蒸汽壓，kPa；

P1——日最低溫度時氣體空間絕對壓力，

P1≈Pa+ Pz，kPa；

P2——日最高溫度時氣體空間絕對壓力，

P2≈Pa+ Pz，kPa。

在實際應用中，一般取氣體空間晝夜最低溫度時作為第1狀態，晝夜溫度最高時作為第2狀態。這樣，不僅狀態參數容易確定，且兩區間既包含了油罐呼氣的全過程，又避開了吸氣后罐內油氣濃度最不穩定的階段。在飽和蒸汽壓定性溫度的選取上，考慮到油品分子能否氣化由液相進入氣相取決于油溫，氣化的油分子能否維持在氣相而不凝結取決于氣體空間的溫度，因而不論哪個狀態均近似地以油面溫度和氣體空間溫度中的較低值作為飽和蒸汽壓的定性溫度。

2　理論計算油氣損耗與實測結果

為對比理論計算與實測結果的相對誤差，測試了某原油處理站3座儲油罐不同工作狀態下的油氣損耗。3座儲油罐分別是1#、4#生產罐、8#沉降罐。呼吸氣體流量的測試采用流量計法，呼吸氣體的組分采用氣相色譜儀外標法分析。理論計算與實測結果的對比數據，見表1。

3　結論

通過對比理論計算與實際測試油氣損耗可以看出，兩者的最大相對誤差為19.4%，最小相對誤差為6.8%，平均相對誤差為14.3%。考慮到理論計算條件與生產實際的偏差以及實際測量中的各種誤差，可以認為用理論計算的方法估算儲罐的油氣損耗量、輔助驗證實測結果的準確性、為生產管理部門及時提供決策依據是可行的。

表1　理論計算與實測油氣損耗對比

在對比測試的3座儲油罐中，8#罐為沉降罐，其密封狀態下理論計算與實際測試油氣損耗的相對誤差僅為6.8%，遠低于其他的測試狀態，說明筆者提出的用理論計算輔助驗證儲罐油氣損耗實測結果的方法更加適用于儲油罐小呼吸損耗，即所對比驗證的儲油罐應為靜止生產罐（沉降罐）。

參考文獻：

[1]張秀青.儲油庫油氣揮發過程的分析及計算[J].石油庫與加油站，2011（6）：31-33.

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

（編輯沙力妮）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.016

第一作者簡介：趙立新，高級工程師，1988年畢業于北京理工大學，從事節能監測及節能評估研究，E-mail：zlixin@petrochina.com. cn，地址：新疆克拉瑪依市準噶爾路29號，834000。

收稿日期2015-11-06