加油站油流静电在线监测技术及应用

  李亮亮1,2，孙立富1,2，刘全桢1,2，李义鹏1,2，张云朋1,2，修德欣1，2

  （1．化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071;

  2．中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛266071）

摘要：为提高加油站安全作业水平，分析了卸油、加油过程中油流静电起电因素和常用检测方法。根据高斯定理从理论上探讨了通过测量输油管道内中心电位得到油流静电电荷密度的检测原理，并基于杆球传感器以及压电传感器技术设计开发了油品静电在线监测仪，实现了对加油枪前后、加油机内部管线及过滤器油品带电情况的在线监测。测试结果表明：基于此静电监测技术，建立加油站油流电荷监测与联锁控制措施，可有效避免油品静电燃爆事故的发生，保障加油站安全生产。

关键词：加油站；油流带电；静电安全；油流静电在线监测；油品电荷密度

中图分类号：X937   doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 025

0  引  言

  静电问题是加油站卸油加油过程中面临的首要安全风险。近年来，我国汽车行业发展迅猛，成品油销售量大、面广、交易频繁，而新设备、新工艺不断采用．加油站在防静电设施、技术措施方面存在的问题日渐突出，油品装卸过程中的静电事故时有发生。2011年1月河北廊坊及2011年12月山东济南各有一座加油站在卸油过程中发生静电火灾事故，造成一定经济损失和不良影响。油品销售企业若在管输油流静电起电突然加大的情况下停止装卸，就可有效预防静电燃爆事故的发生。

  加油站对油流静电的检测主要集中在带电油品的静电电位以及加油枪口油品的电荷密度，检测方法相对滞后。及时准确地对油品静电量进行监测，是确保加油站安全运营的重要手段。目前，尚无针对加油站作业过程的油流静电监测手段，因此，有必要开展加油站管输油品带电情况的静电在线监测研究工作。

1  加油站油流静电起电因素

  1)加油站油罐车卸油时，油品与卸油管、罐壁以及地罐内的杂质（水分、铁锈）等剧烈摩擦、油品中微量的杂质在油品中沉降，均会产生静电，若油品所带静电不能及时耗散，就会在埋地储罐内形成静电积聚。

  2)加油站进行加油作业时，油品在管道内流动形成冲流起电；为保证油品质量，防止卸油激起的杂质进入汽车油箱，精细过滤装置是加油机必备部件，但滤芯的使用势必带来油品带电量的增加。

  3)车辆加油时，油品经加油枪口喷出，此时油滴雾化、喷溅带电。

  4)油品与防盗网摩擦带电。研究表明油品通过带塑料框架的金属防盗网，防盗网静电电位高达-1.91 kV。

2  加油站油流带电情况常用检测方法

2.1  油品电位测量

  油面电位是指带电油品流入容器，油面对地的电位差。若此电位差足够大，就可能发生油面与油罐、油箱内壁等金属体间的静电放电，引燃油气混合物。目前，按照GB 6951 - 1986《轻质油品装油安全油面电位值》对油面电位的测量规定，一般通过EST202油面电位测量系统，将作为集电电极的绝缘铜球置于被测油面，测试铜球电位就是铜球所在位置的油面电位。EST202油面电位测量系统使用的空心铜球，其直径约100 mm，同时空心铜球易在油面上浮动，因此，EST202油面电位测量系统不适合测试管道、油箱内油品的静电带电情况。

2.2  油流电荷体密度测量

  利用法拉第筒，可以测量加油站加油枪出口、汽车罐车卸油管等流动油品带电量的大小和极性。为测量准确，管道口、加油枪口要深入法拉第筒内部将油品注入到法拉第筒内，同时注油速度不能太快，防止油液喷溅。加油站输油管道内油品处于流动状态，利用法拉第筒测试管输油品的带电情况很不方便，难以实现对加油站油品带电情况的实时监测。

3  管输油流静电监测仪设计原理

3.1  管输油流静电电荷密度检测原理

3.2  静电监测仪设计原理

  利用压电陶瓷作为电容器极板材料，可制备压电陶瓷一金属双迭片弯曲型压电传感器。压电陶瓷圆片在外电场的作用下会产生形变而发生谐振，且谐振频率f r的经验公式为：

  式中：h为压电陶瓷片厚度；R和E分别是金属膜片的半径和材料抗拉压弹性模量；p为金属膜片和压电陶瓷片的复合等效密度；μ为泊松比；K是待定系数，可通过测试获得。外电场作用可导致电容值因极板间距变化而变化，产生一个交变振荡的交变信号。

  静电场中的平板电容电容值C(t)，电容两极间的电势差U(t)受待测静电在其周围空间产生的电场决定。假设U(t)固定，则电容极板上电荷Q(t)受电容值C(t)的变化而产生微弱电流，电流的大小间接反映了待测静电的电压值。

  根据上述压电陶瓷和交变电容的静电测量原理，设计油品静电监测仪用于测量输油管道中心的油品电位。油品监测仪结构示意图如图1所示，整个静电监测仪通过法兰接入输油管道，杆球传感器的直杆部分通过绝缘密封组固定在连接孔上，球头部分置于管道中央，采集带电油流带电信息。压电陶瓷耦合谐振装置采集的带电信息，经过放大、转换输出电流信号并传输到下一级仪表进行数据处理与存储等。

  静电监测仪经特殊防爆设计，符合GB  3836.1  -2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和GB3836.4 - 2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》防爆标准要求。

  当带电油品在管道内流动时，使管道绝缘的杆球充电，电位逐渐升高，并开始向管壁泄漏。当充电电流等于泄漏电流，杆球电位达到稳定值。利用非接触式的压电陶瓷耦合谐振装置，将带电油品的静电信息传输至监测系统的信号处理系统，获得管输油品的静电体电荷密度数据。

4  静电监测仪在加油站油流检测中的应用

4.1  加油枪口前后油流电荷密度检测

  试验系统：试验设备包括带油气回收功能的静电监测仪、法拉第筒、ME284数字电荷量表、MLA900电导率仪和温湿度计等。

  测试方法和试验结果：加油枪口附近油流电荷密度测试如图2所示，带油气回收功能的静电监测仪（含油气回收管线），可直接安装于非Healy螺纹的油气回收胶管和加油枪之间，测试加油枪前端油流电荷密度；法拉第筒、ME284数字电荷量表用于测量加油枪口油流电荷密度。利用搭建的试验系统在某加油站开展试验：启动加油机，使用加油枪流速最大档（流量为40 L/min），油品先后经静电监测仪和加油枪进入法拉第筒，记录静电监测仪稳定最大示数，同时根据加油机上的加油体积，计算油流的体电荷密度，并测试油流的电导率。试验油品为93#汽油，测试温度7.9 0C，相对湿度25. 8%试验结果见表1。

  利用油品静电监测仪对加油枪前端油由品带电情况进行现场测试，对比表1中的数据可知，静电监测仪测试的油流体电荷密度数据均为负值，能从本质上反应油品的带电情况，油流静电荷密度均在-30μC/m3左右，说明静电监测仪可以完美对油流体电荷密度进行检测，尤其可以应用于管输油品的静电体密度变化的监测。静电监测仪测试数据在数值上比法拉第筒测试的体电荷密度数值略小，这可能与汽油从加油枪口喷出过程中，形成一定量的喷射起电有关。

4.2  加油机管线油流电荷密度实时监测

  静电（在线）监测仪的传感器与驱动电路实现油品静电信号的采集，处理后的数据经无线传输到服务器终端，实现油品体电荷密度的实时监测。

  过滤器能有效过滤油品中的杂质，保证油品质量，但油品流经加油机过滤器时，油品与滤芯摩擦会造成油品静电带电量的增加。因此，将两台油品静电监测仪分别安装在加油机内部过滤器前、后两端（静电监测仪分别标记为1#和2#，如图3所示），现场检测油品流过过滤器前后的静电带电情况。

  图4是利用静电监测仪对加油机过滤器前端（进油端，1#静电监测仪）和后端（出油端，2#静电监测仪）油品体电荷密度的现场检测数据。A为加油站汽车正常加油阶段，当汽车加油时，由于汽油在管道内流动，过滤器前后油流体电荷密度均陡然上升并趋于稳定；当加油

完成后关闭加油枪，油品停止流动，油品体电荷密度随之迅速下降。另外，油品流过加油机过滤器后，油品与普通防水滤芯不断摩擦，造成油流静电带电量高达- 68.6μC／m3，表明滤芯能显著影响油品的静电起电特性。B阶段，开启加油枪，静电监测仪示数立即变化，表

明静电监测仪在监测油流静电带电情况时表现出极高的灵敏度。

5  结束语

  本文根据高斯定理从理论上探讨了通过测量输油管道内中心电位得到油品电荷密度的基本原理，基于杆球传感器以及双迭片弯曲型压电传感器静电测量技术，设计开发了油品静电监测仪，首次开展加油站油流静电在线监测技术应用试验研究。从静电监测仪在加油站应用结果看，油品静电监测仪有其突出特点：①监测参数为反映油品带电本质的电荷密度；②受周围条件的影响较小，可安装在管道任意位置；③易于实现在线监测且灵敏度高。若基于此管输油流体电荷密度监测技术，建立油流静电在线监测与联锁控制系统，在加油站油流静电起电突然加大的情况下采取停止装卸等控制措施，就可有效避免油品静电燃爆事故的发生，保障安全生产。因此，该静电在线监测仪，具有很好的推广价值和应用前景。