曹偉偉

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波315042）

油罐的手工計(jì)量作為一種傳統(tǒng)的計(jì)量方式，至今仍然用作油罐計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)方法，及校準(zhǔn)和驗(yàn)證液位計(jì)比對(duì)工具。由于手工計(jì)量使用的儀器和操作程序的局限性，所取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度不高，并且會(huì)受到人為因素的影響，整個(gè)測(cè)量和計(jì)算過程比較耗費(fèi)人力和時(shí)間，對(duì)一些影響測(cè)量精度的系統(tǒng)誤差也無法進(jìn)行修正。特別是對(duì)于球罐的庫(kù)存和交接計(jì)量，液位的讀數(shù)只能從與旁通管相連的玻璃板液位計(jì)讀取，環(huán)境溫度與球罐內(nèi)溫度的差異會(huì)使玻璃板的液位與球罐內(nèi)的真實(shí)液位相差很大。另外，人工計(jì)量無法對(duì)球罐中的氣相部分質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償，所以在庫(kù)存計(jì)量特別是交接計(jì)量中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

現(xiàn)代油罐的測(cè)量技術(shù)，已日益成熟，不論在庫(kù)存計(jì)量還是交接計(jì)量中，一套完善的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在精度方面已經(jīng)超過手工計(jì)量，從測(cè)量、計(jì)算量到形成報(bào)表都能自動(dòng)完成；并且在油罐操作的安全性（如防止冒罐和漏失）、保護(hù)環(huán)境、保障職工健康等方面，都能起到可靠的保障作用。該自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)把現(xiàn)場(chǎng)罐內(nèi)的液位、溫度、密度等參數(shù)送到控制室中的通信接口和計(jì)算機(jī)中，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)罐內(nèi)體積和質(zhì)量的計(jì)量，并對(duì)罐內(nèi)的液位運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

1 自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的要求

1.1 精確及可靠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表

主要配置液位計(jì)、溫度計(jì)、壓力變送器。現(xiàn)場(chǎng)儀表除了高精度外還要求有很高的分辨率。液位計(jì)和溫度計(jì)應(yīng)該選用獲得國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)認(rèn)證的、滿足商業(yè)交接要求的產(chǎn)品。

1.2 功能完善的庫(kù)存管理軟件

要求能對(duì)各種測(cè)量系統(tǒng)提供最佳的計(jì)量方法，對(duì)于許多可能引起計(jì)量誤差的因素，必須進(jìn)行補(bǔ)償；必須對(duì)罐底的游離水和雜質(zhì)加以切除；對(duì)于產(chǎn)品的熱膨脹和罐的截面積在靜壓作用下所發(fā)生的變化，必須根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和方法加以補(bǔ)償和修正；油品計(jì)量過程中的專用術(shù)語、符號(hào)應(yīng)符合計(jì)量規(guī)程；還應(yīng)該有保障油罐管理安全方面的考慮。因此，庫(kù)存管理軟件應(yīng)符合商業(yè)交接的要求并且需得到權(quán)威計(jì)量機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

1.3 建立完整系統(tǒng)的概念

油罐中產(chǎn)品的精確體積與質(zhì)量無法簡(jiǎn)單地依靠某個(gè)儀表讀數(shù)或幾個(gè)換算表得到。只有對(duì)液位測(cè)量技術(shù)、溫度測(cè)量技術(shù)、靜壓測(cè)量技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地組合，配合庫(kù)存管理軟件的運(yùn)算和處理功能，才能建立符合實(shí)際應(yīng)用需求、提高罐區(qū)管理水平的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。目前，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，從現(xiàn)場(chǎng)儀表的配置來考慮，主要有以下三種模式：

1.3.1 基于液位測(cè)量技術(shù)的體積式計(jì)量系統(tǒng)（LTG）

基本配置：1臺(tái)高精度液位計(jì)用于測(cè)量油品液位，1支單點(diǎn)或平均溫度計(jì)用于測(cè)量油品溫度，密度值來自實(shí)驗(yàn)室的人工分析。在此系統(tǒng)中，油品的體積通過液位和油罐容量表直接求得，而質(zhì)量則需要通過體積、密度、溫度，運(yùn)用油品計(jì)量換算表進(jìn)行計(jì)算求得。主要的誤差來自油罐容量表和溫度的估算，所以，采用平均溫度計(jì)會(huì)取得較顯著的效果。另外，系統(tǒng)中還可加入額外功能（如氣相壓力和油水界面的測(cè)量），以加強(qiáng)總體性能。

1.3.2 基于質(zhì)量測(cè)量技術(shù)的靜壓式計(jì)量系統(tǒng)（HTG）

基本配置：2臺(tái)（或帶壓罐中為3臺(tái)）智能化高精度壓力變送器，用于直接計(jì)算油品質(zhì)量，1支單點(diǎn)溫度計(jì)用于測(cè)量油品溫度，如圖1所示。在此系統(tǒng)中，質(zhì)量通過油罐容積表（相應(yīng)面積）和p1直接計(jì)算，密度由p1，p2和兩者之間的距離求得，進(jìn)而推算出液位和體積值。由于油罐密度分層的影響，所求得的密度值不能準(zhǔn)確代表整個(gè)液位的平均密度（總是相對(duì)偏高），因而造成液位和體積的精度較低（比實(shí)際值相對(duì)偏低）。因此，HTG系統(tǒng)的誤差主要來自油罐容量表、壓力變送器以及密度分層的影響。溫度測(cè)量不會(huì)影響質(zhì)量的準(zhǔn)確性，只是用于標(biāo)準(zhǔn)密度和標(biāo)準(zhǔn)體積（G.S.V）的計(jì)算。

1 HTG配置示意

1.3.3 基于液位和質(zhì)量測(cè)量技術(shù)的混合式計(jì)量系統(tǒng)（HIMS）

基本配置：1臺(tái)高精度的液位計(jì)用于測(cè)量液位，進(jìn)而通過油罐容量表計(jì)算體積值，1臺(tái)（存在氣相壓力的罐中為2臺(tái)）智能高精度壓力變送器用于直接計(jì)算質(zhì)量，液位計(jì)配合平均溫度計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)密度和標(biāo)準(zhǔn)體積的計(jì)算，如圖2所示。基于液位和質(zhì)量測(cè)量技術(shù)的混合式計(jì)量系統(tǒng)使整體測(cè)量的可靠性得到提高，是一個(gè)功能強(qiáng)大而完善的油罐計(jì)量系統(tǒng)。

圖2 HIMS配置示意

由以上三種系統(tǒng)計(jì)量的庫(kù)存誤差比較見表1所列。

表1 三種計(jì)量系統(tǒng)的庫(kù)存誤差比較 %

2 自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中的基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 液位的測(cè)量

針對(duì)一高為20m，容積為5×104m3的立式油罐，僅1mm的液位不確定度相當(dāng)于2.5m3的油品容積誤差。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單臺(tái)液位計(jì)的儀表精度已經(jīng)達(dá)到±1mm或者更高，比如伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等，廠家標(biāo)稱的儀表精度可以為±1mm，甚至±0.4mm。但是從計(jì)量要求去考察液位計(jì)在油罐實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量精度，達(dá)到±1mm的精度并非易事。液位測(cè)量的主要誤差來自安裝中罐頂參照高度的不穩(wěn)定，因?yàn)橛凸奘莒o壓力影響會(huì)產(chǎn)生變形，所以引起測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的移位。液位計(jì)直接測(cè)量的一般是空尺，參照高度的不穩(wěn)定使計(jì)算所得的液位出現(xiàn)較大誤差。為了使液位測(cè)量達(dá)到最佳的準(zhǔn)確性，液位計(jì)應(yīng)安裝于導(dǎo)向管上，導(dǎo)向管固定于罐底或靠近罐底的第一圈鋼板上。從實(shí)際效果看，因?yàn)樵诔溆偷那闆r下，罐底更容易發(fā)生變形，所以，導(dǎo)向管固定于第一圈鋼板比固定于罐底更可靠。值得一提的是，有些液位計(jì)廠家在指導(dǎo)安裝時(shí)，采用導(dǎo)向管罐頂固定的方法是缺乏周全考慮的。另外，有些液位計(jì)廠家（如ENRAF公司的伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)）宣稱可以通過軟件對(duì)液位計(jì)測(cè)量參考點(diǎn)的位移影響進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校驗(yàn)頂部參考點(diǎn)，在沒有導(dǎo)向管的情況下也能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，人們習(xí)慣于在外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐中設(shè)置液位計(jì)導(dǎo)向管，而往往會(huì)忽視在拱頂油罐中設(shè)置液位計(jì)導(dǎo)向管。其實(shí)對(duì)于提高拱頂油罐的液位測(cè)量精度，設(shè)置液位計(jì)導(dǎo)向管同樣是十分必要的。

對(duì)于人工檢尺測(cè)液位，對(duì)油罐的變形影響進(jìn)行修正顯然不可能，即使在假定檢尺基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定的情況下，產(chǎn)生的誤差至少為±2mm的量油尺誤差加上±1mm的人為誤差。

2.2 溫度的測(cè)量

油罐內(nèi)溫度分布一般都不是均勻的，在油罐內(nèi)油品的不同高度，或同一高度的不同位置存在著不同的溫場(chǎng)，根據(jù)有關(guān)資料顯示，一個(gè)高為10m的油罐，罐頂?shù)臏囟缺裙薜椎臏囟瓤筛叱?℃。因此，僅根據(jù)單點(diǎn)溫度來計(jì)算油品的存量是不準(zhǔn)確的，每1℃的油品溫度誤差會(huì)導(dǎo)致總值達(dá)0.1%的標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算誤差。

為了實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用平均溫度計(jì)可取得較好的效果。目前的平均溫度計(jì)可達(dá)到±0.1℃的精度和優(yōu)于±0.01℃的分辨率。它解決了油罐溫度的層化問題，同時(shí)還可以測(cè)得精確的油氣環(huán)境溫度，為油罐計(jì)量時(shí)作蒸氣補(bǔ)償提供了便利。此類溫度計(jì)的使用已可滿足商業(yè)交接和法定計(jì)量要求，但卻不能反映出油罐中同一高度、不同位置上的溫場(chǎng)。

采用HTG或HIMS系統(tǒng)，溫度的誤差不會(huì)影響質(zhì)量的準(zhǔn)確性，但是會(huì)影響基準(zhǔn)條件下（國(guó)標(biāo)為20℃，API為15℃）的標(biāo)準(zhǔn)密度和標(biāo)準(zhǔn)體積的計(jì)算。

運(yùn)用手工測(cè)量，也可以依靠多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)來達(dá)到平均溫度計(jì)的效果，但由于操作程序的限制和人為誤差等原因，精度上是無法與平均溫度計(jì)相比的。目前實(shí)驗(yàn)室用棒式溫度計(jì)的允許誤差為0.4℃，分辨率為0.2℃。

2.3 密度的測(cè)量

油罐內(nèi)密度分布一般會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，同時(shí)與溫度有關(guān)。在油罐的密度測(cè)量中，一般不用在線密度計(jì)。實(shí)驗(yàn)室的人工分析密度精度可達(dá)0.1%。雖然人工分析值是通過幾個(gè)取樣點(diǎn)的樣品分析得出，不能完全克服密度層化影響，但取樣分析法仍然可以比較準(zhǔn)確地反映出罐內(nèi)平均密度。

在HTG系統(tǒng)中，通過靜壓原理測(cè)出的密度是比較準(zhǔn)確的，但它代表的是距離罐底2m左右的兩個(gè)壓力變送器之間的密度，與整個(gè)油罐的平均密度誤差較大，一般誤差可偏高0.4%以上。

在HIMS系統(tǒng)中，密度通過靜壓頭和整個(gè)液位的高度加以演算，得出的是平均密度。當(dāng)液位高于3.5m時(shí)，算出的密度精度可達(dá)0.2%至0.1%以上。當(dāng)液位低于3.5m時(shí)，由于此時(shí)作用在壓變上的壓頭，沒有進(jìn)入到變送器的高精度測(cè)量范圍，密度的計(jì)算精度下降很快。作為一個(gè)可行的解決辦法，HlMS系統(tǒng)把3.5m時(shí)得出的密度值作為液位低于3.5m時(shí)的油品密度，還是具有代表性的。

3 HIMS系統(tǒng)的運(yùn)算方法和誤差分析

HlMS系統(tǒng)作為一種完善的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，其質(zhì)量和體積的運(yùn)算方法、精度補(bǔ)償過程以及誤差分析在油品的自動(dòng)計(jì)量中具有很強(qiáng)的代表性。

3.1 配置原理

參照?qǐng)D2中，L為液位計(jì)的測(cè)量液位（假設(shè)精度為±1mm），p1，p3為壓力變送器所測(cè)壓力（假設(shè)精度為±0.02%）。對(duì)于常壓的拱頂罐和浮頂罐，p3不需要。1支靠近罐底安裝的單點(diǎn)溫度計(jì)（假設(shè)精度為±0.2℃），用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體積和標(biāo)準(zhǔn)密度。液位計(jì)為實(shí)現(xiàn)HIMS系統(tǒng)的方便，配置了硬件接口，壓力變送器信號(hào)和溫度信號(hào)可以很方便地接入液位計(jì)，然后通過液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算。

3.2 計(jì)算公式

圖3為HIMS運(yùn)算流程簡(jiǎn)圖。油罐計(jì)量系統(tǒng)在取得液位、溫度、密度之后，通過油罐計(jì)量換算表計(jì)算總觀測(cè)體積（V觀測(cè)）（當(dāng)前溫度t℃下的總體積），然后，質(zhì)量由V觀測(cè)和視密度（ρobs）求得，再通過石油計(jì)量換算表求得體積修正系數(shù)（VCF）和標(biāo)準(zhǔn)密度（ρref），最后求得總標(biāo)準(zhǔn)體積（V標(biāo)準(zhǔn)）。

式中：ρobs——視密度（當(dāng)前溫度t℃下的油品密度），kg／m3；p7＝（p1－p3）＋corr1－corr2；LP——底部壓力變送器p1至油罐零位基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，m；g——重力加速度，m／s2；L——液位計(jì)的液位測(cè)量值，m；SAREAeq——與液位相對(duì)應(yīng)的油罐截面積，m2；corr1——大氣浮力對(duì)壓力測(cè)量的修正值，Pa，corr1＝（LM－LP）×空氣密度×g（使用壓力變送器3時(shí)）或corr1＝LR×空氣密度×g（不使用壓力變送器3時(shí)）；corr2——油氣密度對(duì)壓力測(cè)量的修正值，Pa，corr2＝（LM－L）×油氣密度×g（使用壓力變送器3時(shí)）或corr2＝LR×油氣密度×g（不使用壓力變送器3時(shí)）。

圖3 HIMS運(yùn)算流程示意

公式（2）中，ρobs的運(yùn)算忽略LP的影響。

空氣密度一般可取平均近似值1.225kg／m3。未作coor1修正的油品密度其實(shí)是空氣中的密度，修正后的密度才是真空中的密度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，油氣密度一般可取平均近似值1.25kg／m3。若要得到更精確的修正值，可查油罐油氣密度表。

3.3 在浮頂罐中的修正問題

浮頂罐包括外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐。油品計(jì)量規(guī)程中規(guī)定，浮頂罐的計(jì)量必須在浮頂處于完全起浮狀態(tài)下進(jìn)行，必須使用浮頂質(zhì)量對(duì)油品的質(zhì)量計(jì)算進(jìn)行修正，使用浮頂?shù)慕后w積對(duì)油品的體積計(jì)算進(jìn)行修正。由于浮頂?shù)慕焊叨葘?duì)液位測(cè)量產(chǎn)生一個(gè)增加值，同時(shí)對(duì)p1的測(cè)量也產(chǎn)生一個(gè)增加值，根據(jù)密度計(jì)算公式（1），兩個(gè)增加值相互抵消，所以，密度計(jì)算不需進(jìn)行修正。

3.4 不確定度分析

HIMS系統(tǒng)的精度取決于現(xiàn)場(chǎng)儀表的精度，外界條件和安裝影響（如風(fēng)的影響、油罐變形的影響等）。

a）液位測(cè)量精度的影響。根據(jù)式（1），當(dāng)液位處于20m時(shí)，一個(gè)2mm的液位測(cè)量誤差對(duì)視密度計(jì)算產(chǎn)生0.01%的誤差；當(dāng)夜位處于2m時(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)0.1%的誤差。但在質(zhì)量運(yùn)算中，質(zhì)量的精度不受液位測(cè)量誤差的影響。

b）壓力變送器測(cè)量精度的影響。ρobs和質(zhì)量的計(jì)算精度直接取決于壓力變送器的測(cè)量精度，但是ρobs誤差對(duì)VCF的影響是最小的。因此，V觀測(cè)和V標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)受到壓力變送器測(cè)量精度的影響。

c）溫度測(cè)量精度的影響。溫度誤差將對(duì)ρref和VCF產(chǎn)生影響。由于VCF受到影響，V標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算也受到同等影響。

d）LP測(cè)量精度的影響。LP的誤差會(huì)對(duì)ρobs的計(jì)算產(chǎn)生誤差，影響程度與液位誤差相同，同時(shí)對(duì)質(zhì)量運(yùn)算也將產(chǎn)生誤差，但VCF不受影響。因此V標(biāo)準(zhǔn)也不受影響。

e）壓力變送器受風(fēng)作用時(shí)的影響。壓力變送器的通大氣側(cè)受到風(fēng)作用會(huì)帶來附加誤差。系統(tǒng)對(duì)風(fēng)的影響無法進(jìn)行補(bǔ)償，但可以采取措施減小影響，比如為壓力變送器安裝一個(gè)防護(hù)箱。

f）壓力變送器1位置移動(dòng)的影響。油罐受靜壓影響而產(chǎn)生的變形會(huì)使壓力變送器的安裝位置發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生的誤差影響與LP產(chǎn)生的誤差影響相同。某些專業(yè)的油罐液位計(jì)公司對(duì)此有一套利用軟件進(jìn)行補(bǔ)償修正的辦法，這里不作祥述。

g）油罐內(nèi)湍流的影響。攪拌器或進(jìn)油引起的罐內(nèi)湍流將影響壓力變送器的測(cè)量值，因而壓力變送器的安裝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離攪拌器或出入口管。

h）HIMS最低液位（LN）問題。

如前步2.3所述，一般當(dāng)液位低于3.5m時(shí)，HIMS系統(tǒng)得出的密度誤差將急劇上升。為了限制極限誤差，HIMS系統(tǒng)定義了LN，一般可取3.5m左右。系統(tǒng)就把LN處求得的密度值作為液位更低時(shí)的密度值。

4 結(jié)束語

油罐區(qū)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)量，從技術(shù)上是可行的，它對(duì)于罐區(qū)生產(chǎn)與管理提供了更高的可靠性和準(zhǔn)確性，可提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，國(guó)外在這方面已經(jīng)有了比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。

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