加油站油氣回收氣液比的閉環(huán)控制方法

修德欣

(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)

石油產(chǎn)品在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售和使用過程中均會(huì)產(chǎn)生一定程度的排放，不僅污染環(huán)境，而且造成了資源浪費(fèi)[1-4]。加油站作為油品儲(chǔ)存和銷售的場所，站內(nèi)的油氣排放一直都受到環(huán)保部門的重點(diǎn)管控。現(xiàn)階段，中國多數(shù)加油站已經(jīng)完成二次油氣回收改造，在加油的同時(shí)通過油氣回收真空泵將油箱口附近的逸散油氣回收到埋地油罐的氣相空間內(nèi)，加油過程中回收氣體的體積與加油體積的比值稱為氣液比，是體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)[5]。從油氣回收原理上來講，氣液比越高，加油過程中的油氣回收就越充分[6]，但過高的氣液比又會(huì)造成埋地油罐壓力升高，導(dǎo)致額外排放。因此GB 20952—2007《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，加油站油氣回收系統(tǒng)的氣液比范圍應(yīng)為1.0～1.2。

雖然國內(nèi)加油站油氣回收工作已開展多年，但設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性仍是困擾加油站環(huán)保工作的一個(gè)重要問題[7-8]。加油槍、同軸膠管、氣液比控制閥、油氣回收真空泵等設(shè)備互相影響，在應(yīng)用過程中只有通過人工測試和調(diào)節(jié)保持氣液比的穩(wěn)定，一旦單體設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)引起整個(gè)油氣回收系統(tǒng)氣液比的漂移。為保障氣液比達(dá)標(biāo)，各油品銷售企業(yè)和加油站投入了大量人力物力開展檢測和維保工作，但依然效果不佳。

1 機(jī)械式氣液比調(diào)節(jié)方式的問題

現(xiàn)階段二次油氣回收系統(tǒng)的氣液比主要通過機(jī)械式控制閥調(diào)節(jié)，圖1為一種典型的機(jī)械式控制閥結(jié)構(gòu)。未加油操作時(shí)，閥芯在彈簧的作用下將氣體流道和液體流道封堵；加油操作時(shí)，燃油在液體流道中形成壓力，將彈簧頂開，閥芯右移，氣體流道和液體流道同時(shí)打開。該閥通過粗調(diào)旋鈕和細(xì)調(diào)旋鈕控制流道的開度，開度不同，對(duì)應(yīng)的氣體流經(jīng)控制閥時(shí)的氣阻不同，從而起到調(diào)節(jié)回氣量的作用。

機(jī)械式控制閥的主要問題在于難以在長期的使用過程中保持穩(wěn)定，在燃油的長期沖擊下，彈簧的彈性系數(shù)、閥芯的密封程度、調(diào)節(jié)旋鈕的位置等均會(huì)發(fā)生微小的變化，導(dǎo)致氣液比的漂移。

除控制閥外，油氣回收型加油槍和真空泵也均為動(dòng)態(tài)設(shè)備，在使用過程中均會(huì)面臨外界環(huán)境變化和設(shè)備老化引起的氣液比波動(dòng)問題，甚至在前后2次的加油操作中也難以保持氣液比的恒定。

圖1 機(jī)械式控制閥示意

2 氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為克服氣液比漂移問題，擬采用一種閉環(huán)反饋式控制方法，對(duì)氣液比進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使氣液比在動(dòng)態(tài)加油過程中保持在設(shè)定值附近。

氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必然要采用電子式的氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備[9]，目前電子式氣液比調(diào)節(jié)設(shè)備分為兩種[10]： 一種通過控制電磁比例閥的開度來控制回氣阻力，從而調(diào)節(jié)氣液比；另一種則通過控制變頻真空泵的工作頻率來改變抽氣真空度，達(dá)到調(diào)節(jié)氣液比的目的。近年來變頻真空泵因其運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長的特點(diǎn)取得了廣泛的應(yīng)用，因此本文設(shè)計(jì)的氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用變頻真空泵的調(diào)節(jié)方案。

油氣回收氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括氣體流量計(jì)、控制主板、變頻真空泵、液晶屏、蜂鳴器、手抄器等，其中控制主板按照功能模塊分為輸入模塊、聲光顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、氣液比控制模塊、ARM處理器。

圖2 油氣回收氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理示意

系統(tǒng)采集的氣液比信號(hào)來自于加油機(jī)計(jì)量流量計(jì)和安裝在氣路的流量計(jì)，氣體流量計(jì)是氣液比閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心傳感器，用于監(jiān)測加油過程中的回氣流速。輸入模塊用于采集加油機(jī)計(jì)量流量計(jì)和氣體流量計(jì)的脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；ARM處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)時(shí)的氣液比數(shù)據(jù)；氣液比模塊可根據(jù)設(shè)定值，并參考實(shí)時(shí)氣液比數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)變頻真空泵的頻率，使實(shí)時(shí)氣液比保持在1.0～1.2。加油結(jié)束后，存儲(chǔ)模塊可以存儲(chǔ)本次加油操作的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、加油量、回氣量、氣液比、平均加油流速、平均回氣流速等數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)讀取和儲(chǔ)存。液晶屏和蜂鳴器用于顯示當(dāng)前的油氣回收信息和提示報(bào)警內(nèi)容。通信模塊支持RS-485通信方式，可與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通信模塊具備手抄器接口，手抄器可設(shè)定氣液比目標(biāo)值、采樣周期、報(bào)警范圍等。閉環(huán)控制主板的控制流程如下：

1)數(shù)據(jù)采集模塊檢測到加油機(jī)計(jì)量流量計(jì)發(fā)送的加油脈沖，判斷新的一筆加油操作開始。

2)控制主板按照設(shè)定的數(shù)據(jù)采集周期和目標(biāo)氣液比等參數(shù)，采用閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)變頻真空泵的頻率。

3)當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊檢測到無加油脈沖，判斷加油過程結(jié)束，存儲(chǔ)模塊儲(chǔ)存本次加油的加油量、回氣量、氣液比、平均加油流速、平均回氣流速等信息。

4)判斷本次加油過程中是否出現(xiàn)平均加油流速小于15 L/min或氣液比小于1或氣液比大于1.2 的情況。若是，則根據(jù)這3類情況發(fā)出蜂鳴報(bào)警，液晶屏顯示相應(yīng)的報(bào)警信息，本次閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)束；若否，則本次閉環(huán)調(diào)節(jié)直接結(jié)束。

3 氣液比閉環(huán)控制算法

變頻真空泵的轉(zhuǎn)速使用方波頻率控制，變頻真空泵的轉(zhuǎn)速存在低頻無效區(qū)間和高頻飽和區(qū)間，當(dāng)調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率小于最小頻率時(shí)，變頻真空泵停轉(zhuǎn)；當(dāng)變頻真空泵的調(diào)節(jié)信號(hào)頻率大于最大頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速不再增加，在最大值與最小值區(qū)間內(nèi)，調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率與變頻真空泵的轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系。

閉環(huán)調(diào)節(jié)原理如圖3所示，將氣液比作為系統(tǒng)的目標(biāo)控制參數(shù)，給定值為目標(biāo)氣液比值，GB 20952—2007中規(guī)定的氣液比為1.0～1.2，因此將氣液比調(diào)節(jié)目標(biāo)初始值設(shè)置為1.1，給定值可通過上位軟件與數(shù)據(jù)采集控制器的通信而更改。反饋值是根據(jù)實(shí)時(shí)累計(jì)的回氣流量和加油流量計(jì)算得到的真實(shí)氣液比。控制器通過方波輸出控制變頻真空泵的頻率，從而控制回氣管路的流速，消除反饋值與給定值之間的偏差。這樣整個(gè)氣液比調(diào)節(jié)過程就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制方法增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我調(diào)節(jié)能力。

圖3 閉環(huán)調(diào)節(jié)原理

氣液比閉環(huán)算法流程如圖4所示，在閉環(huán)控制主板中，數(shù)據(jù)的采集和控制是不連續(xù)的，而是以一定的采樣間隔進(jìn)行離散控制，采樣間隔為T，對(duì)算法離散化后，在k時(shí)刻控制器輸出方波頻率可表述為

(1)

式中：uk——控制器輸出方波頻率；vvapork——實(shí)時(shí)氣體流速；voilk——實(shí)時(shí)加油流速；P——方波頻率與真空泵頻率的比例系數(shù)；R——給定的氣液比目標(biāo)值。

圖4 氣液比閉環(huán)算法流程示意

4 控制效果測試分析

在實(shí)驗(yàn)室初步測試后，為驗(yàn)證整套設(shè)備的控制效果，在某加油站實(shí)施氣液比閉環(huán)控制改造，氣液比數(shù)據(jù)采集依托加油站油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)。閉環(huán)控制改造中將原有定頻式油氣回收真空泵更換為變頻真空泵，在氣路銅管中安裝氣體流量計(jì)，閉環(huán)控制主板安裝在加油機(jī)主板箱內(nèi)，其他各單體設(shè)備均按照?qǐng)D2所示流程連接，通過手抄器設(shè)置氣液比調(diào)節(jié)目標(biāo)值為1.1。

作為比對(duì)數(shù)據(jù)，通過加油站油氣回收在線監(jiān)測系統(tǒng)分別記錄了2把加油槍進(jìn)行閉環(huán)改造前的100筆加油操作的氣液比值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 未進(jìn)行閉環(huán)改造加油槍氣液比情況

5號(hào)加油槍氣液比平均值為1.083，氣液比最大值為1.175，最小值為0.954，氣液比方差為1.1×10-3，合格率為98%。7號(hào)槍氣液比平均值為1.203，氣液比最大值為1.478，最小值為1.087，氣液比方差為2.7×10-3，合格率為50%。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣液比合格范圍為1.0～1.2，未進(jìn)行氣液比改造的加油槍氣液比波動(dòng)范圍普遍會(huì)超過±0.2，因此即使人工調(diào)節(jié)的氣液比值在合格范圍內(nèi)，也可能在不同的加油操作條件下因設(shè)備的波動(dòng)導(dǎo)致氣液比超標(biāo)。

完成閉環(huán)控制改造后，對(duì)相同2把加油槍也分別記錄了100筆加油操作的氣液比值，結(jié)果如圖6所示。5號(hào)槍氣液比平均值為1.113，氣液比最大值為1.131，最小值為1.101，氣液比方差為4.4×10-5，合格率為100%。7號(hào)槍氣液比平均值為1.110，氣液比最大值為1.120，最小值為1.104，氣液比方差為1.5×10-5，合格率為100%。

圖6 閉環(huán)改造加油槍氣液比情況

閉環(huán)改造后加油槍氣液比波動(dòng)明顯降低，比閉環(huán)改造前的加油槍方差降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，氣液比穩(wěn)定性顯著提高。同時(shí)氣液比基本都穩(wěn)定在設(shè)定值1.1附近，氣液比合格率均為100%。從測試結(jié)果來看，采用閉環(huán)控制方法取得了良好效果，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的氣液比控制方法存在大量的擾動(dòng)量，導(dǎo)致氣液比參數(shù)無法長期保持穩(wěn)定。本文通過閉環(huán)控制主板、氣體流量計(jì)和變頻真空泵等設(shè)備對(duì)原有的油氣回收設(shè)備進(jìn)行了改造升級(jí)，使氣液比控制由原有的開環(huán)系統(tǒng)升級(jí)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該算法和硬件系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試，能夠?qū)庖罕确€(wěn)定控制在1.1附近，降低了氣液比的波動(dòng)，顯著提高了氣液比的合格率和穩(wěn)定性。該方案用于加油站現(xiàn)場可保障油氣回收設(shè)備穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，避免了超標(biāo)排放。