浅析重质燃料油储运过程中的蒸发损耗
魏青章（中国石化燃料油销售有限公司天津分公司，天津 300042）

摘 要：油品在储运过程中会蒸发排放出大量油气，重质燃料油在储运过程中同样存在蒸发损耗，也是不容忽视的。本文从油品蒸发损耗的大小呼吸入手，几方面论证了蒸发损耗的原因并提出切实可行的防范措施和节能方案。
关键词：油品；蒸发；损耗；措施
油品在储运过程中会蒸发排放出大量油气，不仅给企业带来严重的安全隐患，而且也会造成环境污染、油品质量下降、经济损失以及危害职工的身体健康。
1.1油品蒸发损耗的原因
重质和轻质油品储运过程中的蒸发损耗主要包括油罐的大呼吸和小呼吸所造成的损耗。
（1）油罐的大呼吸是在油罐收、发油品时候发生的，油罐收
油时，由于油面逐渐升高，油罐上部气相空间逐渐减小，油罐内
气相被压缩使得压力增大，一定浓度的油气就会不断地从呼吸 阀排出，直到油罐停止收油后气相重新达到平衡；当油罐向外 发油时，因油面不断降低，罐内气相压力随之减小，油罐开始吸 入新鲜空气，造成油面上方油气不饱和，促使油品蒸发速度加 快，直到发油停止后气相重新达到饱和。油罐每次收发油时， 都会重复此过程。
（2）油罐的小呼吸是在油罐没有收发油和转输等作业、静
止储存的情况下，通常油罐白天随着阳光辐射的增强和周围环
境温度的上升，油罐内油品和气相温度随之上升，导致油品的 蒸发速度加快，也使得油气浓度和压强逐渐增大，油气就会不 断地通过呼吸阀等排入大气中；午后随着阳光辐射的减弱和周 围环境温度的下降，油罐内油品和气相温度随之下降，导致罐 内油气压强逐渐减小，通过呼吸阀等不断地吸入外界空气，吸 入空气后罐内油气浓度降低，又使得油品蒸发，直至达到饱和， 下一次温度上升时，一部分油气又会排入大气中，这种油罐循 环排出油气和吸入空气的过程造成了油品损耗。
2重质燃料油储运过程中的特殊性
重质燃料油广泛用于电厂发电、船舶动力燃料、加热炉燃料、冶金炉和其它工业炉燃料，它主要由石油的裂化残渣油和直馏残渣油制成的，其特点是粘度大，含非烃化合物、胶质、沥青质多，流动性很差，在常温下无法进行正常的收发和输转等作业，所以必须加温到合适的温度，才能够正常进行收发和输转等作业；正是由于油罐内重质燃料油需要加温至较高的温度，所以无形中造成了小呼吸损失的增大。
重质燃料油多为几种轻组分和重组分调合而来，而大呼吸和小呼吸所造成的蒸发损失的大多是油品中轻组分，因轻组分比重组分更加容易挥发，所以较长时间储存或者多次转运后轻组分蒸发较多，有可能造成重质燃料油质量的下降甚至质量不合格。
3降低重质燃料油储运过程中蒸发损耗的措施：

好停止加温，停止加温不仅可以避免在温度较高的情况下小呼吸损耗的增大，而且还因为油罐不需要热源加温，节约给重质燃料油加温所需要的能源；
（1）储存重质燃料油的油罐外壁都设有保温层，这样做的
优点不仅可以减少油罐热量的散失，保证油罐内重质燃料油维
持在相对的较高温度，而且还可以减少环境温度对油罐内重质燃料油温度的影响从而减少小呼吸损耗。不同的保温材料保温效果相差很大，所以采用优质保温材料，可以减少油罐温度受环境温度波动影响，可以减少小呼吸造成的重质燃料油的蒸发损耗，以较小的投入获得更大的收益；
（2）如果使用拱顶罐储存重质燃料油，应该在条件允许的
范围内尽可能保持相对的高液位，减少上部油气空间，油罐中
装油量越多，气相空间越小，相对蒸发损失就越小，反之，液位越低气相空间越大，蒸发损失越大，而且拱顶罐尽可能保持相对的高液位，还减小了环境温度对油罐内油品温度的影响，温度变化越小，则蒸发损失越小。
（3）在重质燃料油收发油、转输等作业允许的范围内尽可
能保持相对较低的温度，不仅仅油罐内重质燃料油温度越低，
小呼吸损失越小，而且温度越低，保温所需的热量也越少，一举两得。
4降低大呼吸造成的重质燃料油的蒸发损耗措施
（1）收发油速度控制在合理的范围，不仅可以避免速度过
快造成较大的油气蒸发损失，而且还可以减少收发油速度过快
带来的相应的安全隐患；
（2）浮顶罐正常作业的情况下避免浮盘落底输转或者 发油，浮盘落底后浮盘和油面之间形成了气相空间，不但会大大
增加油气蒸发损耗，而且同时增加了着火爆炸的危险性；
（3）油品收发、储存过程中存在的损耗与所储存油品的 油罐选型有很大关系，现在国内储存重质燃料油的油罐一般为 拱
顶罐和外浮顶罐，尽可能采用浮顶罐而不采用拱顶罐，因为浮顶罐浮盘与油面之间几乎不存在气相空间，而拱顶罐油面与罐顶之间存在气相空间，因此浮顶罐比拱顶罐的大呼吸和小呼吸损耗都要小很多。
（4）合理安排收发油流程，尽可能减少油库内部的倒罐作
业，每一次倒罐作业，都会增加油品的大呼吸损耗。
在重质燃料油储运过程减少蒸发损耗对节约能源及环境保护有重要的意义，在当前世界范围内的能源日益匮乏和环境污染问题日益严重的情况下，采取各种措施有效的降低油品蒸发损耗，是石油储运方面需要继续深入研究的一个重要课题。
[1《] 油库设计与管理》，郭光臣、董文兰、张志廉编，石油大学出版社，2006 年.

3.1降低小呼吸造成的重质燃料油的蒸发损耗措施：

油库技术管理》，于贤福、石永春主编，中国石化出版

（1）重质燃料油保温时尽可能控制温度平稳，避免大起 大
落，因为温度频繁的波动会造成小呼吸频次的增加，温度较大
的波动会造成小呼吸损耗的增大；
（2）储存油品的油罐较长时间不进行收发和转输作业时 最

[3《] 油品储运设计手册》，李征西、徐思文主编，石油工业出版社，1997 年.

目前，用于中央空调的，主要由离心制冷压缩机、主电动机、蒸发器（满液式卧式壳管式）、冷凝器（水冷式满液式卧式壳管式）、节流装置、压缩机入口能量调节机构、抽气回收装置、润滑油系统、安全保护装置、主电动机喷液蒸发冷却系统、油回收装置及微电脑控制系统等组成，并共用底座。其外形和系统组成如图4.13及图4.14所示。

属大冷量的冷水机组，它有以下主要优点：

（1）压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，重量轻，单位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式机组轻80％以上，占地面积小；

（3）叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低；

（4）调节方便，在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节；

（5）无气阀、填料、活塞环等易损件，工作比较可靠。

（1）由于转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格；

（2）单级压缩机在低负荷时易发生喘振；

（3）当运行工况偏离设计工况时，效率下降较快；

（4）制冷量随蒸发温度降低而减少的幅度比活塞式快，制冷量随转数降低而急剧下降。

构成的部件中，区别于活塞式、螺杆式冷水机组的主要部件是离心压缩机，此外，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统、抽气回收装置等均有自己特点，在这进行简单介绍。

空调用，通常都采用单级压缩，除非单机制冷量特别大(例如4500kW以上)，或者刻意追求压缩机的效率，才采用2级或3级压缩。单级离心制冷压缩机由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室组成；多级离心制冷压缩机除了末级外，在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一级。图4.15示出了离心式制冷压缩机的典型结构。

图4.15离心式制冷压缩机的典型结构(a)单级离心式制冷压缩机；(b)多级离心制冷压缩机的中间级1一齿轮箱体；2一机壳门；3一轮盖密封座；1一叶轮；2一扩压器；4一叶轮；5一叶片调节机构；6-进口壳体；3一弯道；4一回流器；7一轮盖密封；8一轮盘密封；9一右轴承；5一级内密封；6一中间加气孔10一左轴承；11一推力盘；12-后壳体

由于在实际使用中的一些特殊要求，使得离心式制冷压缩机在结构上有其一些特点：

①采用的制冷剂的分子量都很大，音速低，在压缩机流道中的马赫数M比较高(特别是在叶轮进口的相对速度马赫数和叶轮出口的绝对速度马赫数一般都达到亚音速甚至跨音速)，这就要求在叶轮构型时特别注意气流组织，避免或减少气流在叶轮流遭中产生激波损失，同时适应制冷剂气体的容积流量在叶轮内变化很大的特点。

②冷水机组在实际使用中，由于气候和热负荷的变化，需要的制冷量变化很大，并且要求在冷负荷变化时，机组的效率也尽可能高。作为制造厂来说，对于不同规格的系列产品，希望零部件的通用化程度越高越好。对于离心制冷压缩机，其叶轮的出口角小，则压缩机的性能曲线比较平坦，绝热效率较高，还能减少因采用同一蜗室而造成的匹配失当和效率降低，有利于变工况运行。

③离心式压缩机是通过旋转的叶轮叶片肘制冷剂蒸气做功而提高其压力的。但是，如前所述，制冷剂蒸气的分子量一般都很大，其音速很低，如果为了提高蒸气能量头的需要，叶轮中布置的叶片数过多，则叶片的厚度将使叶轮进口的通流面积减小，使叶轮进口的气流速度很高，进口气流马赫数达到或超过音速，引起效率的急剧下降。为此，对于叶片出口角大于40度，叶片进口直径较小时，往往采用长、短叶片，解决必要的能量头和效串之间的矛盾，效果十分明显。

④为了提高叶轮轮毂的强度，特别是为了消除健槽根部因开、停产生的应力集中疲劳破坏，近年来研制出叶轮与主轴采用三螺钉联接、端面摩擦联接等传递扭矩的方式，使叶轮运行可靠。

⑤多级压缩机一般采取多次节流，中间加气的形式。这种结构的优点是可以提高循环效率而节能，对于低温(蒸发温度在0℃以下)离心式制冷机组还可以实现一机多种蒸发温度，这在某些工艺流程中特别适宜。

多为半封闭式结构。所谓半封闭式机组，是指压缩机、增速器与主电动机联为一体，同处于制冷剂环境中，不需要轴封。机组的主电动机是特殊设计的用制冷剂冷却的封闭鼠笼式感应电动机，冷却用的制冷剂液体从冷凝器引来，分别引入主电动机的定子腔和转子中，冷却了定子绕组和转子，气化后返回到蒸发器。这样的冷却条件比普通的风冷电动机充分、有效，因此电动机的寿命长、故障率低。同时，由于设有冷却风扇，电动机的噪声低，减少了向机房的排热量，改善了机房的工作环境。图4.16表示出了压缩机与闭式主电动机联接示意图。

１－进口导叶；２－叶轮；３－压缩机壳体；４－增速轮；５－主电动机；６－电动机冷却供液管；图4.16压缩机与闭式主电动机

的蒸发器、冷凝器均为卧式管壳式结构，制冷剂都在壳侧流动。蒸发器、冷凝器换热效果的好坏对机组的能耗、重量和尺寸影响极大。就光管而言，管外制冷剂侧的表面传热系数远低于管内水侧的表面传热系数。提高制冷剂侧传热管外表面传热效果的主要方法有两种：一是通过在管外表面喷涂金属颗粒或通过机械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的传热面积；二是通过改进管外去面翅片的形状以改善表面传热，提高表面传热系数。比如，使冷凝管外表面加工成锯齿肋，使管外表面形成的冷凝液膜易于形成珠状很快滴下，不致覆盖在冷凝管外表面形成新的热阻，从而提高了冷凝换热系数。又如，将蒸发管外表面按制冷剂核态沸腾特性设计，使冷媒蒸发气泡连续生成，避免沸腾气泡被再冷凝，同时气泡在上升过程中又加大了对制冷剂液的扰动，从而提高表面传热系数。目前，很多制造厂商的传热管外表面传热系数已经达到或超过管内的表面传热系数，有的为了进一步提高管内侧的表面传热系数，甚至在管内壁上也加工出了翅片。由于传热管技术的进步。现在蒸发温度与冷水出水温度之差，已可达到2℃左右，蒸发温度的提高使压缩机的压缩比降低，减少了耗功，也减小了换热器的尺寸和重量。

在蒸发器的上部有挡液网，以防止蒸发飞溅的制冷剂液滴直接被压缩机吸入。

将冷凝器底部积存的高压、常温制冷剂液体节流降压为低压、低温的制冷剂液体进入蒸发器内蒸发制冷，以前都是用浮球阀来完成，现在普遍改用一个或多个固定孔口的节流孔板来控制流人蒸发器的制冷剂流量。由于无运动部件，使系统运行更加可靠。

润滑油系统由油泵、油冷却器、油过滤器及调节阀门等组成，向压缩机、齿轮轴、主电动机轴的轴承和齿轮的啮合面供油润滑、冷却。由于的结构日趋紧凑，其油泵一般为内置式，浸没于油箱中；油泵电机由于要与溶解有制冷剂的润滑油直接接触，其绕组的绝缘材料也应与制冷剂相容。油冷却器一般为板式换热器，利用制冷剂液体在板式换热器中蒸发的汽化潜热冷却润滑油，因此尺寸小，也内置于压缩机机壳内，便于蒸发后的制冷剂蒸气返回压缩机。油过滤器的过滤精度要求很高(一般为10～15μm)，其安装位置应尽量靠近供油口，为及时发现过滤器被杂质堵塞，机组运行中应监视过滤镜前后的压力差。

在离心制冷压缩机中，油箱也处于制冷剂环境中，润滑油与制冷剂是互溶的，且温度越低，制冷剂在油中的溶解度越大。润滑油中溶有制冷剂后其粘度要降低，直接影响启动时机组正常供油压力的建立。为此，在油箱中都设有一组供机组停机阶段加热润滑油的电加热器。

按总体结构形式分为开启式、半封闭式和全封闭式。

按换热器筒体结构型式分为单筒式、双筒式两种型式。

同活塞式冷水机组类似，构成的单级循环见图4.17系统图和双级循环见图4.18系统图，其循环原理仍然是由蒸发、压缩、冷疑和节流四个热力状过程所组成的单级和双级蒸气压缩式制冷循环，其工作系统仍然是由蒸发器、离心式压缩机(单级和双级)、冷凝器和节流机构(装置)四大部件所组成的封闭式工作系统，在满液式卧式壳管式蒸发器中，制冷剂液体在较低的饱和温度(2～5℃)状态下吸收进入蒸发器传热管内冷水的热量（汽化潜热）而沸腾气化(液态→气态)，相对的使管内冷水出水温度下降为7℃(标准工况)，提供给中央空调系统中的气-水热交换器(空气调节箱中的表冷器和风机盘管)冷却送风，通过管道输送给空调对象，使其内部气温维持在规定的26℃±2℃(标准空调工况)人体舒适感范围之内，或其他工作室所要求的非标准空调工况范围，达到中央空调的目的。

图4.17单级制冷原理图

在中无论采用高压(R22)制冷剂、中压(R134a)制冷剂和低压(R123)制冷剂，制冷剂在工作循环的全过程中，存在气态、液态、气／液混合态三种物理状态。制冷剂的气液相变主要发生在冷凝器(气→液)和蒸发器(液→气)之中。在压缩机中制冷剂呈过热蒸气状态，在减压膨胀阀或线性浮球阀室中，呈液态(少量气态)。

通常是按最大负荷选型的，实际使用中，有70％以上的时间不在满负荷下工作。而离心制冷压缩机一般在满负荷点附近效率最高。当前，评价冷水机组性能的好坏，已不仅仅是额定制冷量下消耗单位功率的制冷量(COP)要大，美国空调制冷学会在其标准ARl550／590--1998中，提出用综合部分负荷值IPLV(或NPLV)作为评价单台机组平均部分负荷效率的指标。该IPLV是在ARl550／590规定的工况条件下，分别实测出在100％，75％，50％，25％额定制冷量下的性能系数COP，然后乘以各自的常数加权平均得到。使用IPLV(NPLV)为冷水机组的部分负荷性能提供了一个简单的评估方法，但是，由于地区差异，IPLV(NPLV)值并不能直接作为我国计算年运行费用的依据。

2）冷却水进水温度对机组性能的影响

冷却水进水温度与机组的冷凝温度直接有关，在其它条件相同时，冷却水进水温度越高，冷凝温度、冷凝压力越高，机组的能耗也越高。一般冷却水进水温度每升高1℃，能耗将增加满负荷能耗的3％左右，制冷量将减少约3％。因此，对于全年极端温度不很高，相对湿度不很大的我国北方地区，不必按全国的统一标准提出以32℃作为冷却水进水温度的设计条件，这样可以节省一次性投资。

3）冷水出水温度对机组性能的影响

冷水出水温度与机组的蒸发温度直接有关。在其它条件相同时，冷水出水温度越低，蒸发温度、蒸发压力越低，机组的能耗增加、制冷量减少。一般冷水出水温度降低1℃，机组的能耗将增加负荷能耗的3.5％左右，制冷量将减少约3％。对于中央空调系统，冷水出水温度的确定必须十分仔细。一方面冷水温度必须足够低，以保证室内合适的空气参数；另一方面，冷水出水温度又必须足够高，使一次性投资和运行费用尽可能合理。另外，使用中的冷水机组，盛夏过后改用较高的冷水出水温度，则可以得到明显的节能效果。据对美国一些医院的中央空调系统的调查，在过渡季节，冷水出水温度的设定值可以比设计值提高2.2～4.4℃。

换热管水侧(内表面)积垢会使传热热阻增大，换热效果降低，使冷凝温度升高或使蒸发温度降低，最终使机组的能耗增加、制冷量减少。开式循环的冷却水系统最容易发生积垢，这主要是由于水质未经很好处理和水系统保管不善所致，由此在换热管内壁出现以下问题：

①形成结晶(碳酸钙等无机物)；

②铁锈、沙、泥土等沉积物(特别是当管内水速较低时)；

③生成有机物(粘质物、藻类等)

所以定期清洗换热管是必要的。

对于按标准污垢系统设计、制造的，制造厂会提出相应的水质要求给用户，只要能满足对水质的要求，并对换热管内表面作定期清洗，则机组可以长期保证其额定性能。

的控制系统已相当完善，大都采用微型计算机，配以可靠的参数传感器、变送器，对机组运行进行控制、调节、保护。对单台机组，可随时显示运行中的冷水进出口温度、冷却水进出口温度、蒸发压力、冷凝压力、供油温度、供油压力、压缩机排气温度、导叶开度百分比、主电动机电流、累计运行时间、启动次数等参数；对运行中发生故障可预先发出警告、指出故障名称，并有故障诊断系统，提示产生故障的几种可能原因。每台机组的基本安全保护功能有：冷凝压力过高、供油压力过低、供油温度过高、蒸发压力过低、冷水出水温度过低、冷水断水、主电动机电流过大、主电动机绕组温度过高、主电动机再次启动延时保护等。运行中可根据热负荷的变化，在保证冷水出口温度一定的情况下，自动调节进口导叶开度来调节制冷量，以保持室内空气参数恒定。对多台机组，可根据热负荷的变化，按最经济的原则，自动开、停几台。此外还备有远程通讯接口，与楼宇自动化控制系统(BAS)联接，对冷水机组实行远程遥控。

总之，可靠的冷水机组配置先进的自动化控制系统，可以使安全、可靠、经济地全自动化运行。