國內外油氣田儲罐揮發性有機物排放量計算方法研究

王坤，王春燕，張維智，郭峰

(1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院，北京 100083；2.中國石油勘探與生產分公司，北京 100083)

0 引言

近年來，國家越發重視對大氣環境的治理，而揮發性有機物(VOCs)作為大氣污染的主要污染物，成為治理的重點。石油天然氣開采是一項包含地下、地上等多種工藝的系統工程，主要包括勘探、鉆井、井下作業、油氣開采、油氣集輸和處理、儲運，以及輔助配套工程，如：供排水、供電、供熱、自動控制等。油氣田企業油井、站點等排放點數量多、分布廣，VOCs排放無規律、濃度變化大，成分復雜，且都是易燃易爆氣體，存在較大的安全生產隱患，如果不能準確識別、采取預防、治理措施，極易引發安全事故。油氣田企業作為VOCs重點治理對象之一，VOCs的排放對環境產生負面影響的同時，也給企業產量造成一定損失，增加了中石油油氣田企業生產經營銷售損失，降低了效益。

目前，我國針對油氣田領域中VOCs排放和治理的研究較少，對其排放環節、污染控制、排放量測算及預防治理措施缺乏系統的分析和研究。本文分析油氣田VOCs排放來源，介紹美國和日本常用的排放核算方法。在此基礎上，針對國內油氣田VOCs排放現狀，提出一套優化簡潔的油氣田地面儲罐設施VOCs排放量計算方法，并就中石油上游VOCs治理和管控現狀提出合理化建議，為提升中石油上游VOCs治理水平提供參考。

1 油氣田VOCs排放源分析

油氣田企業作為VOCs重點治理的對象之一，首先需要加強VOCs排放源項的識別力度。根據美國治理經驗、我國油氣田生產實際以及當前標準要求，如表1和表2所示，油氣田企業VOCs管控源項主要集中在放空氣排放、原油儲存揮發損失、裝卸作業、污水處理系統排放、設備與管線組件密封點泄漏、試采井、完井等環節[1-3]。筆者通過對中石油主要油氣田排放情況調研，發現儲罐排放量占排放總量的80%以上，是油氣田企業生產環節中主要排放源，裝卸作業、污水系統、密封泄漏和其他排放量占比較小。

表1 油田VOCs排放源一覽表

表2 氣田VOCs排放源一覽表

2 美國環保署儲罐VOCs排放計算方法

20世紀80年代，美國率先將油氣田企業生產污染納入環保環管控范圍之內，經過幾十年的發展，發布并實施了多項標準法令，逐步加強對油氣田領域的管控力度。比較著名的是美國環保署(EPA)發布的VOCs排放標準AP 42，并基于此標準內容開發形成TANK 4.0.9計算軟件，可計算各類儲罐大小呼吸揮發損失量。但該核算方法不適用于以下情況：所儲物料組分不穩定或真實蒸氣壓高于大氣壓、蒸氣壓未知或無法測量的；儲罐浮盤設施失效的[4]。

(1)固定頂罐總揮發損失量E固

式中：ES和EW分別為小呼吸損失量和大呼吸損失量，具體計算過程和方法如下所述。

①小呼吸損失ES

式中：ES為小呼吸損失(lb/a)；VV為氣相空間容積(ft3)；WV為儲藏氣相密度(lb/ft3)；KE為氣相空間膨脹因子(無量綱量)；KS為排放蒸氣飽和因子(無量綱量)。

②大呼吸損失EW

式中：EW為大呼吸損失(lb/a)；MV為氣相分子量(lb/lb-mole)；TLA為日平均液體表面溫度(蘭氏溫度Ra)；PVA為真實蒸氣壓 (lb/in2(a))；Q為年周轉量 /處理量(bbl/a)；KP為大呼吸損失產品因子(無量綱量)；KN為工作排放周轉(飽和)因子(無量綱量)；KB為呼吸閥工作校正因子。

(2)浮頂罐總呼吸損失

這里給出的浮頂罐總損失并未區分大小呼吸分別造成的損失量，而是直接計算出二者之和。

式中：E浮為浮頂罐總損失(lb/a)；ER為邊緣密封損失(lb/a)；EWD為掛壁損失(lb/a)；EF為浮盤附件損失(lb/a)；ED為浮盤縫隙損失 (lb/a)。

3 日本儲罐VOCs排放計算方法

日本2010年出版了《減少污染物排放和轉移登記物質排放的成功事例》(以下簡稱“事例”)，其中針對原油儲罐VOCs排放介紹了計算方法[5]。

3.1 固定頂罐的VOCs排放量計算

與美國計算方法一樣，日本的《事例》中計算也是將固定頂罐的呼吸損失分為大呼吸和小呼吸兩類。

(1)固定頂罐大呼吸損失La

式中：La為大呼吸損失(kg/a)；M為存儲物質的摩爾質量(g/mol)；Q為儲罐年凈吞吐量(m3/a)；Pa為存儲物質真實蒸氣壓(Pa)；Pta為儲罐內部壓強(Pa)。

(2)固定頂罐小呼吸損失Lb

式中：Lb為小呼吸損失(kg/a)；M為存儲物質的摩爾質量(g/mol)；Pa為存儲物質真實蒸氣壓(Pa)；D為儲罐內直徑(m)；Ht為儲罐高度(m)；Has為存儲物質平均高度(m)；?T為年平均溫差(℃)；α為儲罐外殼顏色系數(無量綱量)；β為儲罐直徑系數(無量綱量)。

3.2 浮頂罐的VOCs排放量計算

日本《減少污染物排放和轉移登記物質排放的成功事例》中有關浮頂罐呼吸損失的計算，同樣未將浮頂罐分為大小呼吸，其直接給出一個純經驗公式僅考慮計算了浮頂罐的大呼吸損失量。

式中：Lfloating為浮頂罐大呼吸排放量(kg/a)；F為浮頂罐大呼吸損失系數(kg/m3)；Q為浮頂罐年周轉量/處理量(m3)。

4 國內石化行業儲罐VOCs排放計算方法

我國《揮發性有機物排污收費試點辦法》(財稅〔2015〕 71號)(該辦法已于2018年廢止)[6]附2石油化工行業VOCs排放量計算方法中主要包括固定頂罐、浮頂罐以及廢水池等VOCs排放量的計算，該計算方法是對美國EPA計算方法的引用。2019年，工信部發布實施的行業標準SH/T 3002—2019 《石油庫節能設計導則》修訂了適用于石油庫儲罐油品蒸發損耗的計算公式。這里主要介紹《石油庫節能設計導則》中的儲罐VOCs計算方法[7-8]。

4.1 固定頂罐蒸發損耗計算

固定頂罐小呼吸蒸發損耗計算公式：

式中：LS為固定頂罐年小呼吸損耗量(kg/a)；KE為氣相空間膨脹系數(無量綱量)；VV為油罐氣相空間體積(m3)；KS為排放氣體飽和度系數(無量綱量)；WV為日均液體表面溫度下的氣相密度(kg/m3)；

固定頂罐大呼吸蒸發損耗計算公式：

式中：LW為年大呼吸損耗量(kg/a)；N為年油品周轉次數(次/a)；VL為罐內液體最大體積量(m3)；KN為周轉系數 (N≤36，取 1，N≥36，取 (180+N)/(6N))；KP為油品損耗系數(原油0.75，煉油化工1)；KB為排放壓力設定值校正系數；WV為日均液體表面溫度下的氣相密度(kg/m3)。

4.2 浮頂罐蒸發損耗計算

(內/外)浮頂罐小呼吸蒸發損耗計算公式：

式中：LS為浮頂罐小呼吸損耗量(kg/a)；Fr為密封總損耗系數(kg-moles/a)；Ff為浮盤附件總損耗系數(kgmoles/a)；Fd為浮盤頂板接縫總損耗系數(kg-moles/a)；p*為蒸氣壓函數；MV為油氣分子量(kg/kg-moles)；KC為產品系數(無量綱量，煉油產品和單組分物料取1.0，原油取 0.4)。

(內/外)浮頂罐大呼吸蒸發損耗計算公式：

式中：LW為浮頂罐年大呼吸損耗量(kg/a)；Q為油罐年周轉量(103m3/a)；C為油罐壁的粘附系數(m3/1 000 m2)；W1為平均儲存溫度下的介質密度(kg/m3)；Nfc為非自支撐固定頂的支柱數量，自支撐頂內浮頂罐或浮頂罐為0；Fc為非自支撐固定頂支柱的有效直徑(m)；D為油罐直徑 (m)。

5 油氣田儲罐VOCs排放估算適應性分析

5.1 國內外已有計算方法優缺點分析

美國的方法過于復雜，給出了每一個指標的計算方式，可以通過計算得到結果，而且考慮的因素比較全面，但計算過程冗長，計算難度大，且計算單位為英制或美制單位，采用起來增加轉換難度，不利于油氣田現場單位快速計算。另一方面，美國TANK計算內核方法是針對其國內地區特點設計的，如各地區的氣象資料庫都是針對美國國內城市數據設定，且計算選取的原油品質只有設定好的一種，這就導致該計算方法在國內油氣田現場計算的適應性非常差。

日本的計算方法，相比簡化一些，但浮頂罐計算采用了排放系數法，屬于純經驗做法，其計算結果偏差會比較大。

國內的計算方法，借鑒了美國計算方法并做了一些簡化，大大方便了國內企業采標應用，但其適用范圍主要是石化領域，對于一些無量綱常數的推薦，缺少對于油氣田原油物性的針對性參數，尤其是在油田現場缺少儲存物料飽和蒸氣壓數據時，通過其推薦的計算公式難以確定。且油氣田儲存介質、運行工藝、外界環境等方面與石化行業存在較大差異，不論是《石油化工行業VOCs排放量計算方法》還是《石油庫節能設計導則》，都無法較好的適用于油氣田儲罐VOCs排放量的計算。

5.2 油氣田儲罐VOCs排放量估算方法

本文吸取了國內外已有計算方法的經驗，并結合油氣田VOCs排放特點和檢測數據情況，充分考慮現場應用的便捷性、有效性，對《石油庫節能設計導則》中的計算方法進行簡化并說明，歸納提出一套優化后的油氣田VOCs排放量估算方法。

(1)固定頂罐小呼吸損耗量計算

固定頂罐小呼吸蒸發損耗計算方法：

式中：LS為固定頂罐年小呼吸損耗量(kg/a)；KE為氣相空間膨脹系數(無量綱量)。

式中：ΔTV為日氣相溫度范圍(K)。

式中：α為罐表面太陽輻射熱吸收率；I為該地區24 h太陽輻射熱(kW/m2)，根據國家氣象局2019年發布的中國年太陽總輻射量數據，各油氣田所在地24 h太陽輻射熱I可按表3選取。

表3 各油氣田所在地24 h太陽輻射熱I

式中：KS為排放氣體飽和度系數(無量綱量)；VV為油罐氣相空間體積(m3)；pVA為真實蒸氣壓(kPa(絕))；當真實蒸氣壓pVA有測量值時取測量值進行計算，當pVA無實際測量值時，可按下式進行計算，除新疆油田和長慶油田以外，可針對未穩定的原油pVA取30 kPa，穩定后的原油pVA取10 kPa，亦可根據下文對A、B的取值說明進行計算(但需要說明的是，推薦的A、B值對于除新疆和長慶典型油品以外的計算結果可能偏差較大)，以粗略估算真實蒸氣壓數值。

式中：A、B為蒸氣壓方程常數；SH/T 3002—2019《石油庫節能設計導則》中對A、B兩個常數的說明僅限于汽油、石腦油、航空煤油、柴油等，并未給出原油的蒸氣壓常數參考取值系列，《石油化工工藝計算圖表》第六章中也并未給出蒸氣壓常數具體的數值，僅在圖6-2-2中給出了由一般實驗數據繪制的單一原油真實蒸氣壓數據，但現場原油物性復雜多樣，現場實測值與該圖表差異較大。筆者結合新疆油田、長慶油田的調研數據，通過回歸處理的方法，計算出適用于部分典型油田原油物料計算蒸氣壓的常數值：常數A為11.157，常數B為3 232。需要說明的是筆者給出的這兩個常數也無法滿足所有油田原油的計算，建議下一步有關主管部門應加強基礎數據收集分析，并給出適用于不同油田不同原油物性蒸氣壓計算所需的常數。

TLA為日平均液體表面溫度(℃)；《石油庫節能設計導則》中對該值的計算公式為TLA=TAA+0.311(6α-1)+1.391αI，其中TAA為日均環境溫度，公式中并未考慮油田實際生產中大部分儲罐的儲存液體都是需要加熱的，TLA的計算公式不能僅僅考慮環境溫度及太陽輻射的影響，還需要考慮儲罐液體實際儲存溫度TT。

根據《石油化工行業VOCs排放量計算方法》中推薦的TLA的計算公式(公式中單位為蘭氏度)：TLA=0.44TAA+0.56TB+0.0079αI，TB=TAA+(6α-1)。經過單位換算為攝氏度后，儲液主體溫度TB應修正為TB=TT+(6α-1)÷1.8，根 據 換 算 后 的 計 算 過 程TLA=0.44TAA+0.56TB+1.391αI，因此筆者對TLA修正后提出新的計算公式TLA=0.44TAA+0.56TT+0.311(6α-1)+1.391αI。

日均液體表面溫度下的氣相密度計算公式如下：

式中：WV為日均液體表面溫度下的氣相密度(kg/m3)；MV為蒸氣分子量(kg/kg-mole)；為方便現場人員快速計算結果，將原油分為常規稀油和常規稠油，其中常規稠油主要針對遼河、新疆、吐哈等稠油生產區塊，其他油田區塊均以常規稀油進行計算，《石油庫節能設計導則》中并未給出原油物料的MV數據，因此筆者采用美國環保署開發的TANK軟件內嵌基礎數據計算，如表4所示；R為真實氣體常數(8 314 Nm/(kg·K))。

表4 蒸氣分子量

(2)固定頂罐大呼吸損耗量計算

固定頂罐大呼吸蒸發損耗計算方法：

式中：LW為年大呼吸損耗量(kg/a)；Q為年油品周轉量(m3/a)；KN為油品周轉系數(周轉次數≤36時，取值1，周轉次數＞36時(一般油田外輸站場儲罐周轉次數50～80次/a)，根據《石油庫節能設計導則》中計算公式，可取近似值0.6)；KP為油品損耗系數，原油取值0.75；KB為排放壓力設定值校正系數；目前各油田已按SY/T 0511.1—2010《石油儲罐附件第1部分：呼吸閥》標準整改呼吸閥，整改后呼吸閥吸入時定壓pB=-295 Pa，呼出時定壓pB=665 Pa，按照《石油庫節能設計導則》中計算判別公式，周轉次數≤36時，取值1，周轉次數＞36時，取值1.7；WV為日均液體表面溫度下的氣相密度(kg/m3)。

(3)浮頂罐呼吸損耗量計算

油田的浮頂罐浮頂罐大多存在于油田礦場油庫，儲存介質為凈化原油，可直接采用《石油庫節能設計導則》中的浮頂罐VOCs計算方法。

5.3 各計算方法實例對比

選取新疆油田某外輸站交油點5 000 m3固定頂儲罐作為計算樣本，分別使用美國環保署開發的TANK軟件、日本《減少污染物排放和轉移登記物質排放的成功事例》、我國《石油庫節能設計導則》以及本文提出的《油氣田VOCs排放量估算方法》對排放量進行計算，并將結果與現場使用手持式VOCs檢測儀在當年7—8月間實測的數值進行比較(表5)。

表5 固定頂儲罐計算基礎參數

計算結果比較如表6所示。

表6 VOCs排放量計算結果比較 單位：t/a

從計算結果來看，美國環保署開發的TANK軟件計算結果相比現場實測值都偏大，分析其原因主要是TANK內嵌的原油物性真實蒸氣壓參數相比油田實際數據偏大導致的；日本《事例》計算的小呼吸與實測值較為接近，但其大呼吸計算結果過大，主要原因是其計算公式為純經驗公式，公式的排放系數不適用于油田原油物性；我國《導則》計算的小呼吸與實測值較為接近，但大呼吸計算結果誤差仍然較大，這主要是由于在依據《導則》內推薦的“石油化工工藝計算圖表”進行選取原油雷德蒸氣壓RVP值時，可選取的適用于原油參數較少，計算者的主觀性過強，其計算結果也會出現較大偏差。本文推薦的計算方法，基于《導則》推薦方法，充分考慮了油田現場原油物性實際情況，計算結果與實際較為相符。

6 結論與建議

(1)本文對國內外已有的石化企業VOCs排放量計算方法進行調研梳理，并對其計算方法在油氣田領域應用的優缺點進行分析，指出了不同計算方法存在的不適應性。美國EPA計算公式和TANK軟件考慮的因素比較全面，但計算過程冗長，計算難度大，且計算單位為英制或美制單位，采用起來增加轉換難度；日本的計算方法，相比簡化一些，但浮頂罐計算采用了排放系數法，屬于純經驗做法，其計算結果偏差會比較大；國內的計算方法適用范圍主要是石化領域，對于油氣田儲存介質、運行工藝、外界環境等方面考慮較少，難以準確計算結果。

(2)基于我國《石油庫節能設計導則》推薦的計算方法，充分考慮了油田現場實際情況，并對計算過程和參數做了相應的優化處理，形成一套簡便實用的儲罐VOCs計算方法，油田現場管理人員可根據實際情況進行參數的選取和調整，實用性強。通過選取新疆油田某外輸站場真實原油儲罐進行測算，計算結果顯示，相比國內外已有的石化企業VOCs排放量計算方法，本文優化提出的油氣田原油儲罐VOCs排放量計算方法與實測值相符，驗證了該方法的可靠性。但仍需要說明的是，整個計算方法對于原油物性、蒸氣壓、儲罐參數等基礎數據敏感性較大，油田主管單位應加強基礎數據的建立和維護，以更準確的掌握儲罐VOCs排放情況。

(3)油田不同于化工廠，治理的重點不應該放在末端治理上，而是應該著重加強前端的管理，優先通過優化布局、流程優化、儲罐改造，不斷提高密閉率、原油穩定率，減少源頭損失。應系統開展油氣田VOCs回收及處理技術系列的調研和比選，通過研究組合回收技術，進一步提高技術和裝置的適應性、經濟性，可通過現場試驗儲罐VOCs大罐抽氣、吸收+吸附、冷凝+吸附、冷凝+吸附+催化氧化等組合技術，進一步測試驗證各技術的適用范圍。在VOCs回收和處理技術上，應優先考慮經濟效益回收而非焚燒，應采用“一企一策”的思路，從安全、投資、能耗等關鍵因素分析，提升具有針對性的綜合治理能力。

(4)目前中石油各油氣田單井罐規格和參數基本都滿足GB 39728—2020 《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》的要求，且單井罐容積一般都較小，因此，單井罐不應該成為我們關注的重點或難點；脫水站和聯合站的儲罐容積大、處理量大，儲罐呼吸損耗多，且儲罐VOCs排放量與周轉的原油品質、油田整體的流向布局安排關系很大。聯合站的凈化油儲罐是排放的重點源，如能從布局上減少聯合站凈化油儲罐存放時間及周轉頻次，直接密閉輸至油田原穩中心，將會進一步減少VOCs排放，減少油品損耗量。