一种新型油气回收系统设计及其参数优化.pdf

2 0 1 4年 6月 第4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 2 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 5 1 0 6 4 0； 2 ．湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳 4 4 1 0 5 3 摘要在剖析传统油气回收系统存在不足的基础上，设计了一种新型的油气回收系统，并对气液比参数进行优化。这 种新型油气回收系统采用变频控制而省略了比例阀，并且考虑了流量和温度因素对回收系统的影响，可以根据温度及流量 信号的变化确定相应的气液比，实现了油气回收过程的自适应调节。同时对真空泵吸气性能和新型油气 回收系统 回收效果 进行了测试。 关键词加油机； 油气回收系统；温度； 流量；变频 中图分类号X 7 0 1 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 J 1 1 一I 1 53 De s i g n a n d Pa r a me t e r Opt i mi z a t i o n o f a Ne w Va po r Re c o v e r y S y s t e m WA N G We i ， L I u Y a j u n ， C A I J u n ， WU G u o x i u 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Gua n g z h o u Gu a n g d o n g 5 1 06 40， Ch i n a； 2． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo t i v e En g i ne e r i n g，Hu b e i Uni v e r s i t y o f Ar t s a n d S c i e n c e， X i a n gya n g H u b e i 4 4 1 0 5 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n p o i n t e d o u t t h e d e f e a t o f t r a d i t i o n a l v a p o r r e c o v e r y s y s t e m ，a n e w v a p o r r e c o v e r y s y s t e m w a s d e s i g n e d，a n d t h e v a p o r l i q u i d r a t i o p a r a me t e r w a s o p t i mi z e d ．T h e s y s t e m w a s c o n t r o l l e d b y u s i n g f r e q u e n c y c o n v e r s i o n，a n d p r o p o r t i o n a l v a l v e wa s e x e mp t e d ． Mo r e o v e r i n c o n s i d e r a t i o n o f i n fl u e n c e o f t e mp e r a t u r e a n d f l o w s i g n a l f a c t o r s o n t h e r e c o v e ry s y s t e m ，t h e r i g h t v a p o r l i q u i d r a t i o wa s s e l e c t e d a c c o r d i n g t o t h e c h a n g e s i n t e mp e r a t u r e a n d fl o w s i g n a 1 ．T h e s e l f - a d a p t c o n t r o l o f t h e v a p o r r e c o v e ry p r o c e s s i s r e a l i z e d，a t t h e s a me t i me，a n d t h e e f f e c t o f v a c u u m p u mp p e r f o r ma n c e a n d n e w v a p o r r e c o v e ry s y s t e m a r e t e s t e d ． Ke y wo r d s F u e l d i s p e n s e r ；Va p o r r e c o v e ry s y s t e m ；T e mp e r a t u r e ；F l o w；F r e q u e n c y c o n v e r s i o n 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 1 0 ％ 乙醇 E l 0 汽油 。常 温 2 0 ℃ 下 ，汽 油 的运 动 黏 度 大 约 为 0 ． 51 0 i n ／ s ，饱和蒸气压极高，挥发特性极强。 加入 1 0 ％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 k P a左右” 。根据易 气化介质的定义，汽油和 E l 0 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 。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 。 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 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 。采用这种方 法 的有 H e a l y 公 司和 E l a fl e x 公司 。 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 收稿 日期 2 0 1 3一 O 51 5 基金项 目广州市科技计划项 目 1 2 A 3 2 0 8 1 5 8 3 ；湖北省教育厅 自然科学重点科研资助项 目 D 2 0 0 9 2 5 0 1 作者简介王维 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，研究方向为流体控制工程。Em a i l 4 7 9 4 3 2 2 7 6 q q ． c o m。 1 1 6 机床与液压 第 4 2卷 有 美 国 的 G i l b a r c o公 司 、欧 洲 的 T o k h e i m 公 司 、 Wa y n e 公 司 、N P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 I ，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E C V R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 V R 油气 回 收 控制器 ，V R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 。 计 油罐 图 1 E C V R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 ，E C V R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 。 瞪 糯 尾 2 6 2 4 龌 2 2 蠡 ； l O 图2 汽油气体饱和蒸汽 图3 加注过程汽油损失 压 一温度特性曲线 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 D S P控制模块、变频器 以及温度传 感器 ，并省略比例阀。首先，D S P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 。 油罐 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 N I 数据 采集卡收集数据 ，并用计算机的 S i g n a l E x p r e s s 软件 显示出该信号数据。 分别在室温为 l 8 、2 5 、3 0和 3 5℃时做实验，以 2 6 L ／ ra i n的流量加注汽油，并且分别设置油气回收 比 值 ，分别为 K1 ，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 o ri g i n软件进行绘 图 ，结果如 图 5所示 。 ；三 nEx；pmDedcl ofExDeel of 3 0ExpDecl of 耄 鎏 茎 疆 茎 囊 耋 藿 2 2S℃ 泊 气 浓 度 信 号 稳 定 值 3一 ℃ 油 气 浓 度 信 号 稳 定 值 4 3S℃ 油 气 浓 度 信 号 稳 定 值 1 ． 0 1 ． 1 1 ． 2 1 ．3 1 ． 4 1 ． 5 气液 比 图5 油气浓度信号稳定值随气液回收比的变化规律 以5 0 m V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 ∞ } 目， 】 瓣 睾 } 越辫 景 第 1 1 期 王维 等一种新型油气回收系统设计及其参数优化 1 1 7 设备即是去掉比例阀的 E C V R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 1 0～ 5 0 H z 频率范围内，D U R R ME X 0 8 3 1 ． 1 1 型号真空 泵 的抽气量 。 一 2＼ 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 Y1 ． 1 3 0 x3 ． 9 5 3表示，式中 Y是抽气量 ， 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 。 枷 擐 O 2 0 4 0 6 0 频率 ／ H z 图7 D U R R ME X 0 8 3 1 - 1 1 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 ， t 。用温度传感 器测量温度，控制器根据 函数 K ／ t 选定气液比，那么需要回收油气量 M 幻， 而研究表明，该系统抽气量 Y 1 ． 1 3 0 x 3 ． 9 5 3 ，其中 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 ，流程如图8所示。 i 需要回收油气量 I ． 1 回收系统抽气能力 M k q I]． 1 y 1 ． 1 3 x 3 ． 9 5 3 变频嚣输出频率 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 4 0℃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。 l 一温控油气 回收系统回收量 2 一 需 回收 量 f ， 。 0 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。 参考文献 [ 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， 2 0 0 9 ， 1 2 6 6 3 6 5 ． [ 2 ]黄艳仙， 莫桂娣， 黄克明， 等． 乙醇体积分数对乙醇汽油 蒸发性能的影 响研究 [ J ] ． 化学与生物工程 ， 2 0 0 9 ， 2 6 7 4 0 4 1 ． [ 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 ， 2 0 1 0 ， 3 2 3 26． [ 4 ]沈嘉， 郝吉明， 王丽涛． 中国加油站 V O C排放污染现状 及控制[ J ] ． 环境科学， 2 0 0 6 ， 2 7 8 1 4 7 31 4 7 8 ． [ 5 ]劳羡辉． 浅谈汽车加油站油气回收[ J ] ． 广东化工 ， 2 0 0 4 3 1 82 0 ． [ 6 ]WA D A S ， K I K U R A H， A R I T O M I M． P a t t e r n R e c o g n i t i o n a n d S i g n a l P r o c e s s i n g o f U l t r a s o n i c E c h o S i g n al o n T wo P h a s e F l o w[ J ] ． F l o w Me a s u r e me n t a n d I n s t r u me n t a t i o n ， 2 0 0 6 ， 1 7 4 2 0 7 2 2 4 ． [ 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 ， 2 0 0 4 ， 1 1 3 1 8 2 1 ． [ 8 ] 刘鹏． 加油站进行油气回收的意义及方法 [ J ] ． 石油库 与加油站， 2 0 0 7 ， 1 6 5 4 1 4 4 ．