一种新型油气回收系统设计及其参数优化

王维，刘亚俊，蔡俊，邬国秀

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640;2.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳441053)

随着我国汽车、飞机等交通运输工业的快速发展，市场上对燃油的需求越来越大。当前在加油站出售的燃油产品包括:柴油、汽油和10%乙醇 (E10)汽油。常温 (20℃)下，汽油的运动黏度大约为0.5×10－6m2/s，饱和蒸气压极高，挥发特性极强。加入10%乙醇的汽油与普通汽油相比，运动黏度基本相同，饱和蒸汽压则升高7 kPa左右［1－3］。根据易气化介质的定义，汽油和 (E10)乙醇汽油都属于易汽化介质。当加油站从事汽油和其他易汽化介质销售活动时，至少发生两次油气排放，挥发的油气不仅带来了强烈的油气味，危害人体健康，而且也会污染空气环境。

油气回收系统能够有效地对挥发的油气进行回收，节约能源并且很大程度上减少了危害。油气回收技术有一次、二次、三次回收之分［4］。本文作者主要针对二次回收过程，即加油枪给汽车油箱加油时，同时回收从油箱里排放出来的油气［5］。

目前市场占有率高的加油站油气回收设备基本上都是国外品牌。按照控制油气量/加油量比 (油气回收比，A/L)的方式可将其分为以下几种主要类型［6］:

(1)以油气流量来控制调节阀的方式。此方式是利用加油时的油液流速产生的压力来控制调节阀的进气量，使达到约1∶1的油气回收比例［7］。采用这种方法的有Healy公司和 Elaflex公司［8］。

(2)涡轮真空泵式油气回收系统。这种油气回收系统是通过管道内油液的流动产生的液压动力来驱动油气回收真空泵，并使的油气回收比例达到约1∶1。

(3)采用流量计量的脉冲传感器方式，它是利用加油时流量传感器的脉冲信号来控制变频电机的转速或者调节比例阀门的开度。大流量加油时，脉冲传感器信号脉冲频率增大，相对应的变频电机转速加快(或者比例阀开度增大)，这样就可以得到约1∶1的油气回收比例。采用这种方式的油气回收设备制造商有美国的 Gilbarco公司、欧洲的 Tokheim公司、Wayne公司、NP公司等。

然而这些传统的油气回收系统都固定回收气液比为1∶1，忽略了环境温度对燃油流量与油气挥发性能的影响，本文作者针对传统油气回收系统的这些不足之处，设计了一种新型的油气回收系统，达到了更好的油气回收效果。

1 新型油气回收系统设计

1.1 常用油气回收系统简介

目前市场上占有率较高的ECVR油气回收系统简图如图1所示，利用油泵给用户加油，与此同时油气回收电机带动油气回收真空泵以一定转速运转，且流量计此时检测加油流量发出脉冲信号，加油机电脑根据流量脉冲的频率产生控制信号送给VR(油气回收)控制器，VR控制器通过调节通往比例阀的电流来控制比例阀的开度，最终控制回收油气的流量，从而使油气比达到1∶1。

图1 ECVR油气回收系统简图

在实际情况中，环境温度对油气回收的影响显著。图2是汽油饱和蒸汽温度特性曲线，图3是汽油损失量随温度变化曲线，可以看到，随着温度的升高，汽化压和汽油损失量显著上升。但图1系统不仅未考虑温度对易气化介质泵送过程中流量及挥发性的影响，而且当加油机进行小流量加油时，由于流速低，ECVR油气回收系统中的电磁比例阀开度小，磁性功率非常低，导致比例阀中弹簧易振动，影响油气回收效果。

图2 汽油气体饱和蒸汽压－温度特性曲线

图3 加注过程汽油损失量随温度变化图

1.2 新型油气回收系统设计

由于环境温度对油气挥发存在很大影响，设计了基于温度及流量信号的新型油气回收系统，如图4所示。新系统加入DSP控制模块、变频器以及温度传感器，并省略比例阀。首先，DSP控制模块检测加油时的温度信号与流速信号，通过变频控制器，根据环境温度及流量的变化调节真空泵电机转速，从而实现气液比的自适应调节。

图4 新型油气回收系统结构示意图

1.3 油气回收气液比参数优化

在相同的加油流速、不同的油液温度的条件下，设置不同的气液回收比，运用浓度检测平台，对油箱内油气浓度进行测试试验，从而确定油气回收的气液比参数。浓度检测平台的原理是用传感器将加油过程的油箱中汽油气体浓度转换成电信号，利用NI数据采集卡收集数据，并用计算机的Signal Express软件显示出该信号数据。

分别在室温为18、25、30和35℃时做实验，以26 L/min的流量加注汽油，并且分别设置油气回收比K值，分别为K=1，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，每个油气回收比下多次重复试验，记录不同回收比时的信号稳定值的平均值。再利用origin软件进行绘图，结果如图5所示。

图5 油气浓度信号稳定值随气液回收比的变化规律

以50 mV浓度信号稳定值为限，可以得出不同温度环境下的气液比参数如表1所示。

表1 油气回收气液比的设置

2 真空泵系统抽气性能测试

搭建如图6所示的试验平台，所选用的主要实验设备即是去掉比例阀的ECVR油气回收系统。调节变频器频率改变电机转速，从而改变真空泵转速，测试10～50 Hz频率范围内，DURR MEX0831-11型号真空泵的抽气量。

图6 真空泵系统抽气性能实验平台

对实验数据进行处理，结果如图7所示，真空泵的抽气能力基本上与控制频率成线性关系，可以用式子y=1.130x+3.953表示，式中y是抽气量，x是频率。由此可说明去掉比例阀是完全满足使用要求，而且用调频的方式可以非常精确地控制油气回收系统的抽气量。这种方法解决了当加油机进行小流量加注时候，由于流速低，比例电磁阀开度小磁性功率低而导致比例阀中弹簧易振动，影响油气回收的问题。

图7 DURR MEX0831-11真空泵系统抽气能力曲线

3 新型油气回收系统回收效果测试

由图3加注过程汽油损失量随温度变化曲线，可以将油气回收气液比K看作是温度t的函数，即K=f(t)。用温度传感器测量温度，控制器根据函数K=f(t)选定气液比，那么需要回收油气量M=kq，而研究表明，该系统抽气量y=1.130x+3.953，其中x为变频器输出频率。根据这两个公式，使得抽气量与需要回收的油气量相等，可以确定变频器输出频率x，流程如图8所示。

图8 油气回收控制系统变频器输出频率

分别对传统油气回收系统与新型回收系统做油气回收效果实验，在0～40℃范围内的不同温度下，测量每加一升油系统所回收气体量。实验结果如图9所示，随着环境温度的逐渐升高，传统的油气回收系统的油气回收量大致保持在1 L左右，且有减少的趋势，而新型的油气回收系统则可以随着温度的升高增加油气回收量，并达到了将排放的油气完全回收的效果。

图9 油气回收效果图

4 结论

新型的油气回收系统省略比例阀，用调频的方式调节真空泵转速达到对油气回收过程的精确控制，解决了当前传统加油机进行小流量加注时，流速低、比例电磁阀开度小、磁性功率低而导致比例阀中弹簧易振动，影响油气回收的问题;考虑了环境温度对汽油挥发的影响，添加温度信号，根据流量及温度的变化调节真空泵电机转速，从而实现气液比的自适应调节，达到了将排放的油气完全回收的效果。

［1］张永彦，吴锋，孙杰.乙醇汽油饱和蒸气压试验研究［J］.车用发动机，2009，12(6):63 －65.

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［3］刘训标，龚为佳，程前，等.掺低比例乙醇的汽油蒸汽压试验测试研究［J］.能源研究与利用，2010，(3):23－26.

［4］沈嘉，郝吉明，王丽涛.中国加油站VOC排放污染现状及控制［J］.环境科学，2006，27(8):1473 －1478.

［5］劳羡辉.浅谈汽车加油站油气回收［J］.广东化工，2004(3):18－20.

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［7］邹宏梅.油气回收技术在加油站中的应用［J］.安全与环境工程，2004，11(3):18 －21.

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