CN115684080A - 一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***及方法。该监测***包括控制***和现场检测设备，光源发生装置产生的光通过光纤进入现场检测设备，现场检测设备出射光通过光纤进入光电探测器，光电探测器连接数据采集卡。光源发生装置和数据采集卡均与计算机连接。现场检测设备包括气池、激光准直镜、温度传感器和气压传感器，气池分为检测气池和参考气池，气池下方开有入射光口与出射光口，气池上方内侧设置有反射镜；入射光口与出射光口处设置有激光准直镜，激光准直镜连接光纤，温度传感器和气压传感器与数据采集卡连接。本发明可针对成品油库油气回收***排放口与易泄漏点油气浓度进行实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种成品油库油气回收***VOCs浓度检测领域，具体提供了一种用于检测成品油库油气回收***排放口和易泄漏点VOCs浓度的多方位反射式在线检测方法。
背景技术
由于汽油存在挥发性，导致汽油在存储、运输与销售过程中会释放大量油气，对环境空气造成污染。油气中包含大量沸点在120℃以下的烷烃、烯烃、苯系物等碳氢类有机化合物，其中以烷烃为主，占比约为50％左右。烃类VOCs中存在很多致癌与致畸物质，对人体及周边环境危害较大。同时，烃类VOCs是对流层中关键前体物质，具有强活性与挥发性等特征。在合适的条件下会有光化学反应发生。烃类VOCs与大气中氮氧化物、卤代烃等其他有机污染物结合产生臭氧(O3)、细颗粒物(PM2.5)和二次有机气溶胶(SOA)，导致城市雾霾与光化学污染。
为解决油气污染问题，减轻因油气造成的环境污染问题。目前，中国在营成品油库均加装油气回收***，对存储、装卸与销售过程中挥发的油气进行回收处理，以减小对环境的影响。因此，对油气回收***排放口和易泄漏点的烃类VOCs浓度实时检测，是有效监控与预防环境污染的重要措施。
发明内容
由于挥发的油气VOCs具有较强的吸光能力，因此，可以运用光学技术对油气回收***排放口和易泄漏点的油气浓度进行实时监测。本发明提出了一种针对成品油库油气回收***排放口和易泄漏点的VOCs浓度进行实时监控的监测***和方法。
本发明具体采用以下技术方案：
一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，包括控制***和现场检测设备。
所述控制***包括光源发生装置、光电探测器、数据采集卡和计算机，所述光源发生装置产生的光通过光纤反射进入现场检测设备，出射光通过光纤进入光电探测器输入端，所述光电探测器的输出端连接数据采集卡。光源发生装置和数据采集卡均与计算机连接。
所述现场检测设备包括气池、激光准直镜、温度传感器和气压传感器，气池分为检测气池和参考气池，检测气池布置在油气回收***排放口和易泄漏点，参考气池布置在安全区域。气池周身开通气孔，气池下方开有入射光口与出射光口，气池上方内侧设置有反射镜；入射光口与出射光口处设置有激光准直镜，激光准直镜连接光纤，使得光源发生装置产生的光通过光纤经激光准直镜后进入气池，从气池出来的光通过激光准直镜后经光纤进入光电探测器。所述温度传感器和气压传感器均与数据采集卡连接。其中，数据采集卡包括光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡，所述光电探测器、温度传感器和气压传感器分别连接光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡。
在更进一步的优选方案中，所述光源发生装置包括依次连接的激光控制器、半导体激光器、光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤连接现场检测设备；所述激光控制器还与计算机连接。
在更进一步的优选方案中，半导体激光器为DFB可调谐半导体激光器，其产生特征为中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光。所述光纤耦合器为1*2单模光纤耦合器，两端使用FC法兰接口，分光比采用50:50。所述光纤为三氟化铝基玻璃光纤，可有效降低传输中红外波段光时的损耗。
在更进一步的优选方案中，所述气池为铝制金属长方体，气池上方内侧设置有反射镜支架，用以支撑反射镜。
所述反射镜为镀金属膜的玻璃；所述激光准直镜为尾部使用FC法兰接口、头部采用AR镀膜非球面透镜。
所述光电探测器采用铟砷锑材料，能够探测2000nm～5000nm波段的光。所述光电信号、温度与气压数据采集卡采用C8051F120，具有数据采集、A/D转换、信号传输等功能，能够满足对本发明数据处理的基本需要。
一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测方法，包括以下内容：
(1)通过检测数据分析确定成品油库油气回收***易泄漏点，针对这些易泄漏点和油气回收***排放口设置上述现场检测设备。具体是采用PVC气袋对成品油库油气回收***各易泄漏点气体进行采集，随后通过气相色谱仪分析，最终确定需要设置现场检测设备的点位。
(2)半导体激光器发出中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光，光耦合进光纤后经光纤耦合器分为两路。
(3)光沿光纤通过激光准直镜，一路进入检测气池，另一路进入参考气池，气池本体上的气孔供气体(被监测点周围环境空气)自由流动。
(4)光进入气池后经反射镜反射后，再经激光准直镜将空间光重新耦合进光纤内，传输至光电探测器。
(5)数据采集卡采集光电探测器、温度传感器、气压传感器输出的数据。
(6)数据采集卡将数据传输到计算机后，计算得到油气回收***被监测点VOCs浓度，用户通过人机交互界面可实现在线监控成品油库油气回收***排放口和易泄漏点的VOCs浓度。其中，人机交互界面采用Qt编程，具有数据运算、实时查看检测数据、回溯历史数据与查看超标数据功能。
步骤(6)中，采用以下公式计算出油气回收***被监测点VOCs浓度：
其中，c总表示油气回收***被监测点VOCs浓度值，c表示油气回收***被监测点烯烃浓度值；H0表示直流分量；S(T)表示气体吸收谱线强度；T表示库区油气回收***附近的实时温度；L为检测有效光程；Δvc表示半高宽。
本发明的有益效果为：
1、检测实时性强：相比其他检测方法与检测手段，本发明设计的检测***可部署在线上，对成品油库油气回收***排放口和易泄漏点的VOCs浓度进行实时监测；
2、安全风险极低：依据本发明检测原理与***结构，检测现场只存在光学器件，具有良好的绝缘性，在成品油库易燃易爆环境下，与其他检测方法相比，安全风险极低；
3、检测探头小型化：相比目前现场布置的大型浓度监测仪器，本发明设计的小型检测探头，可以布置在成品油库油气回收***排放口和易泄漏点，进行精准检测；
4、光纤传输探测光：检测探头通过光纤连接，光源与光信号处理***可以布置在成品油库控制室；
5、反射式结构：采用光学反射式原理，与透射式相比，可减小检测装置体积，使检测方式更加便捷，检测部位更加精准，检测场景更加广泛；
6、检测准确度高：采用双光路设计，一条为检测光路，一条为参考光路，参考光路放置在安全区域，并向气池中通入零气，采集到的参考光路光信号，可有效避免拟合基线法带来的测量误差。同时引入吸收谱线修正算法，提高检测精度。
7、检测代表性强：对油库油气回收***进行详细的检测与分析，得到油气回收***易泄漏点，使检测***的部署更具有针对性；
8、测量结果可靠，适用广泛：本发明也可用于加油站等其他储油、售油环境的油气回收***泄漏浓度监测。
附图说明
图1为成品油库油气回收***结构图。
图2为成品油库油气回收***易泄漏点VOCs在线监测***流程图。
图3为成品油库油气回收***排放口与易泄漏点VOCs在线监测***检测气池内部结构图一。
图4为成品油库油气回收***排放口与易泄漏点VOCs在线监测***检测气池内部结构图二。
附图3、4中，1为气池本体，2为气孔，3为反射镜，4为入射光口，5为出射光口，6为激光准直镜，7为FC法兰接口，8为光纤。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。
实施例1
本实施例从检测点选择、测量原理、***结构三个方面，对反射式成品油库油气回收***排放口与易泄漏点VOCs浓度的在线监测***及方法作具体描述。
1.检测点选择
成品油库油气回收***主要采用活性炭吸附法对油库罐区和装卸设施产生的油气进行吸附，以降低对环境的污染。
所述成品油库油气回收***具体结构如图1所示，其包括三个部分，分别为：吸附单元、真空再生(脱附)单元和油气吸收单元。吸附单元利用活性炭与油气中空气与轻烃组分亲和力不同，通过吸收油气中轻烃组分，从而实现轻烃与空气分离；脱附单元采用真空泵将活性炭吸附的油气抽出，使活性炭恢复吸附功能，从而能够对油气重新吸附，随后将高浓度油气输送到吸收塔内；吸收单元利用储油罐中的液态汽油对吸收塔内经脱附处理的油气进行喷淋与吸收，使油气转变为液态汽油后再输入到储油罐内。
为分析易泄漏点位置与有效监控排放口浓度，对某成品油库2022年上半年油气排放口及各易漏点位进行检测，检测结果如表1、表2所示。
表1某成品油库2022年上半年油气回收***排放口油气浓度检测数据列表
表2某成品油库油气回收***易泄漏密封点不同情况下油气质量分数检测数据
从表1和表2中还可以看出，成品油库油气回收***需要进行监测的部位包括：油气排放口、真空泵转动密封、供油泵转动密封和回油泵转动密封。
由成品油库油气回收***的工作原理可以得出，油气浓度监测首先要满足对油气排放口的检测，实时监控排放浓度，确保成品油库不超标排放污染环境；其次，真空泵、供油泵和回油泵是转动设备，油气回收***正常工作时，转动密封部位容易泄漏油气(液)，引起泄漏质量分数超标；泵运转时产生的振动，会造成泵进、出口管线的连接法兰产生振动，导致紧固螺栓松动，也会引起泄漏质量分数超标；油罐车在成品油库装油货位装油时，因操作人员未将连接口卡紧或连接口内的密封垫破损，会造成油气连接口处的泄漏质量分数超标。
2.测量原理
由于汽油具有强烈的挥发性，从排放口和易泄漏点泄漏出的油气成分与汽油中轻组分基本一致。通过检测某油库汽油组分可以得到表3中的数据，从表3中的数据可以看出汽油中烯烃的含量占15％左右。
表3某成品油库汽油组分检测数据
| 次数 | 检测项目 | 质量指标 | 检测结果 |
| 1 | 烯烃含量(体积分数)/％ | ≤19 | 14.1 |
| 2 | 烯烃含量(体积分数)/％ | ≤19 | 15.8 |
| 3 | 烯烃含量(体积分数)/％ | ≤19 | 16.0 |
| 4 | 烯烃含量(体积分数)/％ | ≤19 | 14.7 |
经查询可知，汽油中烯烃的-CH＝CH2基团的红外伸缩基本振动发生在3081cm-1处，因此本发明中选用中心波数为3081cm-1的光源来对油气回收***排放口和易泄漏点的油气浓度进行实时监测。
检测原理具体如下：
由于汽油具有强烈的挥发性，从排放口和易泄漏点泄漏出的油气成分与汽油中轻组分基本一致。向待测油气中发射特定频率的光时，因待测物质分子内部对光的吸收，从而导致透射光强度会有所减弱。使入射光强与透射光强满足：
I(v)＝I0(v)exp(-S(T)φ(v)PcL)， 式(1)；
式(1)中L为检测有效光程，单位为[cm]；P为环境气压，单位为[atm]；c为油气回收***被监测点烯烃浓度，用体积分数(单位为[ppm])表征；v为探测光频率，单位为[cm-1]；I0(v)为入射光光强；I(v)为透射光光强。φ(v)为气体吸收线型函数，由于成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***处于常温下运行，气池内压强对气体浓度影响较大，自发辐射和与其他粒子碰撞导致的均匀展宽占优势，因此气体吸收线型函数采用Lorentz线型来描述，单位为[cm]。
式(2)中v为探测光频率，单位为[cm-1]；v0为探测光中心频率，单位为[cm-1]；Δvc表示半高宽，单位为[cm-1]，Δνc由下式(3)表示：
式(3)中γ为气体压力展宽系数，γ＝0.087，T表示库区油气回收***附近的实时温度；T0＝296K，P为环境气压。
式(1)中S(T)表示气体吸收谱线强度，单位为[atm-1cm-2]，由下式(4)表示：
S(T0)为在T0＝296K温度下的吸收谱线线强，T可采用库区油气回收***附近的实时温度带入，T0＝296K，h为普朗克常数，c0为真空中光速，E为基态能级能量，k为玻尔兹曼常数，v0为吸收谱线中心频率，Q(T)为T温度下吸收谱线配分函数，Q(T0)为T0温度下吸收谱线配分函数，表达式见式(5)：
式(5)中，Ei为第i能级能量，gi为第i能级简并度，h为普朗克常数，c0为真空中光速，k为玻尔兹曼常数，T为库区油气回收***附近的实时温度。
对于二能级***结构，基态能级能量为E1＝184.62cm-1，激发态能级能量为E2＝hv+E1，基态能级简并度为g1＝14，激发态能级简并度为g2＝13。因此，吸收谱线配分函数表达式为式(6)：
通过以下公式(7)反演得到待测气体浓度：
对式子进行傅里叶级数展开：
式(8)中，Hn为n阶傅里叶系数，t为探测光的时间变量；
提取直流分量：
式(9)中，H0表示直流分量，dt表示对t微分，t为探测光的时间变量。
在[0,1]内，
所以：
因此，浓度与
的直流分量H0呈线型关系，
由汽油组分分析数据可以最终计算出油气浓度为：
其中，c总表示油气回收***被监测点VOCs浓度，c表示油气回收***被监测点烯烃浓度。
总的来说，光源发生装置向检测气池内发出中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光。当入射光通过含有VOCs气体的气池时，会被气池内烯烃吸收，从而引起光强度变化。通过光电检测器对反射光强进行测量可间接得到VOCs气体中烯烃的含量，最后除烯烃占比得到VOCs气体总含量。
3.在线监测***结构
根据反射式成品油库油气回收***排放口和易泄漏点VOCs浓度的测量原理，搭建成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，如图2所示，该监测***包括控制室和现场检测设备，所述控制室内设置有激光控制器、DFB可调谐半导体激光器、1:2光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机。所述激光控制器连接DFB可调谐半导体激光器，DFB可调谐半导体激光器连接1:2光纤耦合器，1:2光纤耦合器通过光纤连接现场检测设备，现场检测设备又通过光纤连接连接光电探测器输入端，光电探测器输出端与数据采集卡输入端相连，布置在安全区域的环境温度传感器和大气压传感器的检测数据也进入数据采集卡，数据采集卡和激光控制器均与计算机相连。数据采集卡包括光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡，所述光电探测器、温度传感器和气压传感器分别连接光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡。
如图3和4所示，油气回收***包括气池，所述气池分为检测气池和参考气池，气池包括周身开通气孔的气池本体1，气池本体1为铝制金属长方体，周身开通气孔2，气池本体1下方开有入射光口4与出射光口5，气池本体1上方内侧有反射镜3。入射光口4与出射光口5处设置有激光准直镜6，激光准直镜6通过FC法兰接口7连接光纤8。
在控制室内激光控制器控制DFB可调谐半导体激光器锯齿形扫频光。光源发出的检测光耦合进光纤后经1:2光纤耦合器分为两路，一路进入安放在现场(成品油库油气回收***排放口和易泄漏点)的检测气池，另一路进入设置在安全区域的参考气池。检测光沿光纤进入气池本体入口处，光纤光通过激光准直镜扩束准直后进入铝制金属气池中。铝制金属气池侧面有若干气孔以供气体自由流动。检测光进入气池本体经两面反射镜反射再经激光准直镜后，将空间光重新耦合进光纤内，光纤将光传输至控制室内的光电探测器，光电探测器输出端与光电数据采集卡输入端相连，光电数据采集卡通过A/D转换将数据传输到计算机中。同时，由于成品油库油气回收***排放口和易泄漏点与安全区域的气压与温度变化极小，因此将安全区域放置的温度与气压传感器收集到的环境数据分别传递温度数据采集卡和气压数据采集卡上，然后再传递到计算机中，即可计算得到实时的成品油库油气回收***排放口和易泄漏点的VOCs浓度值。该监测***的流程框图如图2所示。
油气回收***的光源来自DFB可调谐半导体激光器，光源光为中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光；光纤为三氟化铝基玻璃光纤，可有效降低传输中红外波段光时的损耗；激光准直镜为尾部使用FC法兰接口、头部采用AR镀膜非球面透镜；反射镜为镀金属膜的玻璃；1*2单模光纤耦合器为两端使用FC法兰接口、分光比采用50:50的光纤耦合器；光电探测器材料为铟砷锑，能够探测2000nm～5000nm波段的光。数据采集卡采用C8051F120，具有数据采集、A/D转换、信号传输等功能，能够满足对本发明数据处理的基本需要；人机交互界面采用Qt编程，具有数据运算、实时查看检测数据、回溯历史数据与查看超标数据功能。
其中，对易泄漏点的检测与数据分析，采用PVC气袋对成品油库油气回收***易泄漏点气体进行采集，随后送至实验室通过气相色谱仪分析，最终确定需要检测的易泄漏点位；***通过实验室对成品油库汽油组分进行分析，明确了烯烃在汽油中所占比例约为15％。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，包括控制***和现场检测设备；
所述控制***包括光源发生装置、光电探测器、数据采集卡、和计算机，所述光源发生装置产生的光通过光纤进入现场检测设备，从现场检测设备出来的光通过光纤进入光电探测器，所述光电探测器连接数据采集卡；光源发生装置数据采集卡均与计算机连接；
所述现场检测设备包括气池、激光准直镜、温度传感器和气压传感器，气池分为检测气池和参考气池，，气池下方开有入射光口与出射光口，气池上方内侧设置有反射镜；入射光口与出射光口处设置有激光准直镜，激光准直镜连接光纤；所述温度传感器和气压传感器与数据采集卡连接。
2.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述光源发生装置包括依次连接的激光控制器、半导体激光器、光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤连接现场检测设备；所述激光控制器还与计算机连接。
3.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述半导体激光器为DFB可调谐半导体激光器，其产生特征为中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光。
4.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述光纤耦合器为1*2单模光纤耦合器，两端使用FC法兰接口，分光比采用50:50；所述光纤为三氟化铝基玻璃光纤。
5.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述数据采集卡包括光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡，所述光电探测器、温度传感器和气压传感器分别连接光电数据采集卡、温度数据采集卡和气压数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述气池周身开设气孔，所述检测气池布置在油气回收***排放口和易泄漏点，所述参考气池布置在安全区域。
7.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述反射镜为镀金属膜的玻璃；所述激光准直镜为尾部使用FC法兰接口、头部采用AR镀膜非球面透镜。
8.根据权利要求1所述的一种成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测***，其特征在于，所述光电探测器采用铟砷锑材料，以探测2000nm～5000nm波段的光。
9.采用权利要求1所述的在线监测***进行成品油库油气回收***VOCs浓度在线监测方法，其特征在于，包括以下内容：
(1)分析确定成品油库油气回收***易泄漏点，针对油气回收***排放口和易泄漏点设置权利要求1～8任一项所述的现场检测设备；
(2)光源发生装置发出中心波数为3081cm-1、周期为1s、在1cm-1范围内的锯齿形扫频光，光耦合进光纤后分为两路；
(3)光沿光纤通过激光准直镜，一路进入检测气池，另一路进入参考气池；
(4)光进入气池后经反射镜反射后，再经激光准直镜将空间光重新耦合进光纤内，传输至光电探测器；
(5)数据采集卡采集光电探测器、温度传感器、气压传感器输出的数据；
(6)数据采集卡将数据传输到计算机后，计算得到油气回收***排放口和易泄漏点VOCs浓度，用户通过人机交互界面在线监控成品油库油气回收***排放口和易泄漏点的VOCs浓度。
10.根据权利要求10所述的监测方法，其特征在于，
步骤(6)中，计算采用以下公式计算出VOCs浓度：
其中，c总表示油气回收***被监测点VOCs浓度，c表示油气回收***被监测点烯烃浓度；H0表示直流分量；S(T)表示气体吸收谱线强度；T表示库区油气回收***附近的实时温度；L为检测有效光程；Δvc表示半高宽。
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|---|---|---|---|---|
| US20220056824A1 (en) * | 2020-08-20 | 2022-02-24 | Denso International America, Inc. | Diagnostic systems and methods of vehicles using olfaction |
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2022
- 2022-11-08 CN CN202211391256.0A patent/CN115684080A/zh active Pending
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| US20220056824A1 (en) * | 2020-08-20 | 2022-02-24 | Denso International America, Inc. | Diagnostic systems and methods of vehicles using olfaction |
| US11828210B2 (en) * | 2020-08-20 | 2023-11-28 | Denso International America, Inc. | Diagnostic systems and methods of vehicles using olfaction |
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