呂東風(fēng)

〔霍尼韋爾(中國(guó))有限公司 上海 201203〕

混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)(HTMS)的安裝與應(yīng)用

呂東風(fēng)

〔霍尼韋爾(中國(guó))有限公司 上海 201203〕

簡(jiǎn)要介紹了混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展歷程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及影響液位計(jì)量準(zhǔn)確度的主要因素，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)和高精度壓力變送器的安裝方法以及注意事項(xiàng)，為相關(guān)單位安裝和應(yīng)用該系統(tǒng)提供了借鑒。

石油庫(kù) 油罐 混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)(HTMS) 安裝 應(yīng)用

1 儲(chǔ)罐測(cè)量系統(tǒng)概述

1.1 儲(chǔ)罐測(cè)量的兩種體系(體積體系,質(zhì)量體系)

石油和液體石油產(chǎn)品的靜態(tài)測(cè)量和計(jì)量技術(shù)源于歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家。根據(jù)液體的物理性質(zhì)采用了較為方便和準(zhǔn)確的體積計(jì)量方法。這種方法認(rèn)為石油在計(jì)量時(shí)，它的標(biāo)準(zhǔn)密度在一定的時(shí)間里不會(huì)改變，被作為標(biāo)準(zhǔn)值考慮，通常被視為常數(shù)，所以計(jì)量交接時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行，它的多少只與溫度的影響有關(guān)。石油交易的單位，通常被定義為“桶”。中國(guó)原油的進(jìn)口買進(jìn)和加油站油品的售出都是以體積進(jìn)行。

質(zhì)量計(jì)量和交接技術(shù)源于原蘇聯(lián)。在石油計(jì)量和交接時(shí)，利用質(zhì)量守恒的原理，交接的單位定義為質(zhì)量。這個(gè)方法不僅考慮了溫度影響，還同時(shí)考慮了密度的影響，從理論上比體積交接更加準(zhǔn)確，但在密度的手工采樣上存在諸多導(dǎo)致誤差的因素，往往最終結(jié)果并不如人意。

1.2 HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展歷程

HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)早在上世紀(jì)80 年代由Enraf 公司首先提出，并在荷蘭和前蘇聯(lián)有成功的應(yīng)用，并取得了NMI 的計(jì)量認(rèn)證，用于貿(mào)易交接和結(jié)算。而在中國(guó)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展并不順利，其原因主要是：①液位計(jì)和壓力變送器的準(zhǔn)確度不夠；②液位計(jì)和壓力變送器的安裝不符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求；③手工液位計(jì)量和密度取樣不符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求；④液位和密度的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)不符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

自2014年開始，Enraf 公司根據(jù)在歐洲HTMS成功的應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，專門開發(fā)了專門用于HTMS應(yīng)用的壓力變送器，把標(biāo)準(zhǔn)給定的密度最小測(cè)量高度從3.5 m，減低到1.5 m，甚至更低。在上海閔行某油庫(kù)的47號(hào)和49號(hào)儲(chǔ)油罐取得了上海計(jì)量院頒發(fā)的可以用于計(jì)量交接目的的校準(zhǔn)證書。

1.3 HTMS混合式測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

HIMS混合測(cè)量系統(tǒng)是集產(chǎn)品液位、溫度、密度、體積和質(zhì)量測(cè)量的完整方案，它結(jié)合了高精度的伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、高精度壓力變送器、多點(diǎn)平均溫度計(jì)技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)，是一種同時(shí)滿足體積交接和質(zhì)量交接的完美解決方案, 該方案早在1990年即在NMI取得了計(jì)量認(rèn)證用于貿(mào)易交接和結(jié)算。

該系統(tǒng)可提供計(jì)量交接級(jí)別的液位、體積和質(zhì)量信息。整個(gè)系統(tǒng)包括了一臺(tái)從罐頂測(cè)量產(chǎn)品液位的高精度液位計(jì)和一臺(tái)安裝在罐底的高精度壓力變送器。如果產(chǎn)品是在密閉狀態(tài)下儲(chǔ)存的，那么就需要在罐頂安裝另一臺(tái)壓力變送器用于補(bǔ)償氣相產(chǎn)品的壓力。在溫度測(cè)量方面，可以選擇單點(diǎn)溫度計(jì)或者多點(diǎn)溫度計(jì)。壓力變送器可以直接連接到伺服液位計(jì)或者雷達(dá)液位計(jì)。所有的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)通訊總線傳輸?shù)酵ㄓ嵔涌趩卧瓿捎?jì)算，然后所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)入庫(kù)存管理系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

HTMS 系統(tǒng)提供了完整的產(chǎn)品庫(kù)存管理信息，它包括：①直接測(cè)量液位；②直接測(cè)量水位產(chǎn)品界位；③直接測(cè)量在當(dāng)前溫度時(shí)的產(chǎn)品平均密度；④直接測(cè)量產(chǎn)品溫度；⑤實(shí)時(shí)計(jì)算視體積；⑥實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體積；⑦實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)密度；⑧實(shí)時(shí)計(jì)算質(zhì)量；⑨實(shí)時(shí)計(jì)算流量。

HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 HTMS的測(cè)量原理

HTMS測(cè)量原理見圖2。

圖2 HTMS混合法測(cè)量原理

HIMS密度計(jì)算公式：

其中：

ρt——真空中的液體計(jì)量密度，kg/m3；

L——ALG液位讀數(shù)，m；

Z——hb + ho，m；

Hb——變送器P1受力中心到混合法參照點(diǎn)之間的垂直距離，m；

Ho——從油罐下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)到混合法參照點(diǎn)之間的垂直距離，m；

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；

ht——變送器P1和P3膜片上的受力中心之間的垂直距離，m；

ρv——油罐內(nèi)蒸汽密度，kg/m3；

ρa(bǔ)——環(huán)境大氣密度，kg/m3。

1.5 影響液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

通過以上公式可以計(jì)算出真空中的液體計(jì)量密度ρt, 影響這一參數(shù)準(zhǔn)確度的重要因素主要是液位測(cè)量高度L和壓力變送器的安裝高度Z。精確計(jì)算得知：液位高度誤差⊿L，或變送器高度的位移⊿Z，都將嚴(yán)重地影響混合密度的測(cè)量準(zhǔn)確度，大約1kg/m3/ 1mm 。

液位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度由兩方面決定：第一，液位計(jì)的出廠標(biāo)定準(zhǔn)確度，這是由制造廠的制造水平和標(biāo)定基準(zhǔn)決定的。理論上，液位計(jì)的準(zhǔn)確度不應(yīng)隨量程增大而減小，更不能隨環(huán)境條件的變化而變化。工廠標(biāo)定的準(zhǔn)確度，屬于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下標(biāo)定出的結(jié)果，當(dāng)液位計(jì)被安裝到罐頂現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，其準(zhǔn)確度則變?yōu)榱司C合各種影響因素下的測(cè)量準(zhǔn)確度，它一定會(huì)比工廠標(biāo)定證書上的水平差，偏差的程度將取決于液位計(jì)的安裝水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)然，手工比對(duì)的誤差也被毫無疑問地帶入。第二，液位計(jì)安裝基準(zhǔn)的位移水平。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T21451.3-2013和校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1440-2013，液位計(jì)需要每月進(jìn)行比對(duì)，以確定液位計(jì)的準(zhǔn)確度是否發(fā)生變化，實(shí)際上液位計(jì)本身的準(zhǔn)確度在一年內(nèi)會(huì)相對(duì)保持不變，但其測(cè)量基準(zhǔn)則有可能因某種原因的影響有所變化。極端的情況是液位計(jì)在沒有安裝穩(wěn)液管的狀況下，液位計(jì)的基準(zhǔn)無一例外地在液位變化和環(huán)境溫度變化時(shí)呈現(xiàn)大幅變化。 (我們可以通過量油口總高的變化做簡(jiǎn)單的推斷，也可以用光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)量液位計(jì)法蘭高度觀察得到)

2 HTMS系統(tǒng)的安裝

2.1 符合標(biāo)準(zhǔn)的液位計(jì)安裝

液位計(jì)和手工量油穩(wěn)液管應(yīng)以剛性聯(lián)接，并固定于第一節(jié)罐壁。建議安裝直徑為200 mm的穩(wěn)液管(導(dǎo)向管)，使得液位計(jì)獲得穩(wěn)定的測(cè)量基準(zhǔn)。安裝中應(yīng)做到：①不得在罐頂焊死做剛性固定；②穩(wěn)液管底部距罐底不超過30cm；③穩(wěn)液管必須兩側(cè)都開孔，建議直徑為25 ～ 50mm；④孔之間的距離不超過150mm；⑤穩(wěn)液管固定在罐壁下部，必須盡量避免穩(wěn)液管上下位移；⑥液位計(jì)和手工共用一個(gè)基準(zhǔn)板。

穩(wěn)液管的安裝見圖3。

圖3 穩(wěn)液管的安裝

2.2 手工測(cè)量基準(zhǔn)的要求和必要性

對(duì)于早期油罐計(jì)量技術(shù)，手工液位測(cè)量是極其重要的一環(huán)，除了測(cè)量者需要有計(jì)量員資格和穩(wěn)定的操作手法外，測(cè)量的基準(zhǔn)則是決定能否得到可靠液位測(cè)量的重要條件。目前國(guó)內(nèi)大部分的油罐手工液位測(cè)量采用實(shí)尺測(cè)量方法，投尺到罐底板，即便在罐底投尺點(diǎn)焊接了方板用以增加穩(wěn)定性，但罐底在受靜水壓力時(shí)的變形是大面積的變形，所以，大部分油罐罐底投尺基準(zhǔn)都不可能逃脫基準(zhǔn)跟隨靜水壓位移的命運(yùn)。在API3.1B及國(guó)標(biāo)中都建議要安裝離開罐底的投尺板，從圖3 中可以看到，手工穩(wěn)液管和液位計(jì)穩(wěn)液管剛性聯(lián)接，并固定于第一節(jié)罐壁，在手工穩(wěn)液管下部焊接一投尺板，我們可以這樣認(rèn)為，不論是液位計(jì)還是手工投尺的基準(zhǔn)都落在這塊投尺板的上表面，液位計(jì)和手工的測(cè)量基準(zhǔn)沒有任何相對(duì)位移。只有在這種情況下，液位計(jì)的比對(duì)才被真正的建立起來。

對(duì)于液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)最好的方法是：利用三用電子量油尺，它可以測(cè)量空高、實(shí)高和各點(diǎn)的溫度，相比較普通量油尺而言，它具有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。無液位爬升的誤差，(通常普通量油尺的爬升誤差大約為：汽油7mm，柴油3mm)。

3 高精度壓力變送器的選擇及安裝

目前國(guó)際上唯一能對(duì)整個(gè)立式罐油品平均密度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的只有HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)。即根據(jù)ISO15169-2003標(biāo)準(zhǔn)中混合法系統(tǒng)(HTMS系統(tǒng))的要求，采用在立式罐底部安裝一臺(tái)高精度的壓力變送器，根據(jù)圖2及測(cè)量原理的說明，我們知道，當(dāng)液位居于高液位時(shí)， HTMS的密度準(zhǔn)確度表現(xiàn)很好，但當(dāng)液位降低到3 m以下，甚至更低時(shí)，HTMS混合密度的準(zhǔn)確度將大幅下降，原因主要是：根據(jù)ρ=P/H的微分關(guān)系可以看到：1mm 液位的偏差的影響在小量程里所占比例變大，對(duì)密度準(zhǔn)確度的影響顯著提高；另外，普通壓變的線性度或準(zhǔn)確度在低量程時(shí)會(huì)明顯變差，所以，要想提高HTMS密度在低液位的準(zhǔn)確度，需要提高壓變?cè)诘土砍痰木€性度和準(zhǔn)確度。HoneywellEnarf 在深入研究和理解這一原理后，開發(fā)出一款專門用于HTMS的壓變-STD825，下面是一組10臺(tái)STD825的工廠標(biāo)定報(bào)告，當(dāng)液位< 3050mm (120”),其線性度精度好于 0.002%，10臺(tái) STD825在3 m以下小量程范圍內(nèi)表現(xiàn)十分突出。正是我們所期待的變送器。在上海某油庫(kù)的HTMS 系統(tǒng)的校準(zhǔn)測(cè)試中，由上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院對(duì)47號(hào)和49號(hào)罐的HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，并出具了校準(zhǔn)報(bào)告，用于貿(mào)易交接和結(jié)算目的。

HTMS混合密度的意義在于，它永遠(yuǎn)都是測(cè)量罐內(nèi)垂直方向上的平均密度，比較罐上手工密度三點(diǎn)采樣來說具有更好的代表性，特別是油品密度在罐內(nèi)不均勻分布時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)更加明顯。今天壓變的制造技術(shù)已經(jīng)更加趨于完善，其線性度可以在10年內(nèi)保持不變，如果我們的液位計(jì)的準(zhǔn)確度能夠有較好的保證的話，HTMS混合密度將會(huì)是十分理想的測(cè)量方式。

4 結(jié)論

HTMS混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)是集成了國(guó)際各大石油公司和設(shè)備專業(yè)廠家專家的理論和實(shí)踐，經(jīng)過大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的科學(xué)而準(zhǔn)確的方法，經(jīng)過在上海某油庫(kù)兩座油罐的具體應(yīng)用，初步掌握了從儀表的選型、安裝、調(diào)試、誤差分析和操作等技術(shù)要點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，這一技術(shù)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油罐手工計(jì)量方式，推動(dòng)罐區(qū)自動(dòng)化和信息化、智能化實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

2017-05-22。

呂東風(fēng)(1960-)，男，大學(xué)本科， 黑龍江商學(xué)院，石油儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化專業(yè) (現(xiàn)哈爾濱商業(yè)大學(xué))， 負(fù)責(zé)霍尼韋爾智能化罐區(qū)業(yè)務(wù)(石油自動(dòng)計(jì)量、罐區(qū)控制、罐區(qū)信息化等)。