李劍平 周冕(.中國航空油料有限責(zé)任公司西安分公司，陜西 西安 7099；.北京瑞賽長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 0076)

1 現(xiàn)有儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)介紹

儲(chǔ)罐的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，可以理解為通過安裝在儲(chǔ)罐上的傳感器組合，測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油品的液位、溫度、壓力、密度和水位等參數(shù)，按照石油計(jì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確得到油品的質(zhì)量、體積等關(guān)鍵數(shù)據(jù)?；谠趯?shí)際應(yīng)用中的不同需求，同時(shí)也考慮到儀表的配置情況，同時(shí)在自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中多采用如下3個(gè)方法：液位計(jì)法計(jì)量系統(tǒng)(ATG法)、靜壓法計(jì)量系統(tǒng)(HTG法)和混合法計(jì)量系統(tǒng)(HTMS法)。液位計(jì)法較為簡(jiǎn)單，只是用液位計(jì)代替了手工投尺測(cè)量液位，目前已基本被靜壓法和混合法取代。以下會(huì)以靜壓法和混合法為代表，討論現(xiàn)有計(jì)量方法的特點(diǎn)。

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

HTG法需要配置2臺(tái)(或帶壓罐中為3臺(tái))高精度壓力變送器，用于直接計(jì)算油品質(zhì)量；1支通常在油品溫度的測(cè)量中多采用單點(diǎn)溫度計(jì)進(jìn)行，詳情見圖1。同時(shí)在靜壓式計(jì)量系統(tǒng)(HTG法)中，能夠基于油罐容積表與P1對(duì)于油品的質(zhì)量進(jìn)行直接的計(jì)算，同時(shí)油品密度則能夠借由P1、P2、P1至P2的距離三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算出油品液位數(shù)據(jù)與油品體積數(shù)據(jù)。同時(shí)由于在儲(chǔ)蓄罐內(nèi)油品會(huì)出現(xiàn)分層的情況，往往經(jīng)由此系統(tǒng)計(jì)算出的油品密度數(shù)據(jù)與儲(chǔ)蓄罐中油品的平均密度數(shù)據(jù)會(huì)有一定的差別，故而在對(duì)于油品液位的計(jì)算與油品體積的計(jì)算中精度存在一定的缺失。故而在實(shí)際的生產(chǎn)工作中，計(jì)量系統(tǒng)會(huì)使用人工下傳的標(biāo)準(zhǔn)密度作為計(jì)算參數(shù)。

圖1 靜壓法系統(tǒng)配置示意圖

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

HTMS法配置1臺(tái)高精度的液位計(jì)用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油品的液位，進(jìn)而通過油罐容積表計(jì)算油品體積值；同時(shí)也能夠通過高精度壓力變送器與液位計(jì)對(duì)于油品密度進(jìn)行有效的計(jì)算，并在此過程中通過平均溫度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)于油品溫度進(jìn)行一定的測(cè)算，可參考圖2。先由液位和罐容積表計(jì)算得到油品體積，進(jìn)而結(jié)合油品密度算得油品的總質(zhì)量。

圖2 混合法系統(tǒng)配置示意圖

1.3 三種計(jì)量系統(tǒng)的對(duì)比

我國現(xiàn)有的石油自動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，大多由ISO的國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而來。世界上大部分國家在石油產(chǎn)品交接的時(shí)候采用體積交接，所以在儲(chǔ)罐計(jì)量的方法上更關(guān)注油品液位和體積的準(zhǔn)確性。而我國的原油及成品油交接均采用質(zhì)量交接的方式進(jìn)行，從而更關(guān)心儲(chǔ)罐內(nèi)油品的真實(shí)質(zhì)量?，F(xiàn)有3種計(jì)量方法側(cè)重點(diǎn)不同，表1是在某成品油歷史儲(chǔ)罐上分別使用3種計(jì)量方法得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表1 三種計(jì)量系統(tǒng)的誤差百分比

從上面的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，HTMS混合法計(jì)量系統(tǒng)是質(zhì)量和體積精度相對(duì)都比較理想的方法，該系統(tǒng)測(cè)量的液位、溫度精度能滿足油庫工作需求。但在低液位區(qū)時(shí)誤差明顯較高液位區(qū)增大，不能很好地滿足庫存管理的要求，而造成這一現(xiàn)象的直接原因就是密度測(cè)量的精確度隨著液位的變化，不能始終保持一致。

在油品密度的計(jì)算過程中，HTMS系統(tǒng)是基于靜壓頭與整體液位高度進(jìn)行計(jì)算，從而得出油品的平均密度，當(dāng)整體液位高度≥3.5m的時(shí)候，其計(jì)算密度精度在千分之一至千分之二之間；但是若是整體液位高度＜3.5m時(shí)，其作用于壓力變送器上的壓頭無法進(jìn)入到變送器的高精度測(cè)量范圍，故而在油品密度的計(jì)算中，其計(jì)算精度大大下降。表2是某成品油罐使用HTMS法的測(cè)量實(shí)例。

表2 混合法計(jì)量系統(tǒng)不同液位下的計(jì)量精度

混合式計(jì)量方式是現(xiàn)在普遍認(rèn)為精度最高的計(jì)量系統(tǒng)，但是在實(shí)際使用的過程中，其往往很難對(duì)于油品的單點(diǎn)密度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也會(huì)由于油品密度分層導(dǎo)致低液位區(qū)的測(cè)量存在一定的精密度下降。所以在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)營過程中，其本身存在的較多問題與原因會(huì)使得自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)難以應(yīng)用，也就使得油庫自動(dòng)計(jì)量管理系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值大大下降了。

2 在線伺服密度計(jì)的研制

目前制約油罐自動(dòng)計(jì)量技術(shù)發(fā)展的瓶頸就在于密度的準(zhǔn)確測(cè)量，而密度計(jì)量精度對(duì)質(zhì)量計(jì)算的準(zhǔn)確度影響非常大。一直以來在儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量領(lǐng)域都沒有可以直接測(cè)量油品密度的高精度傳感器，通常是結(jié)合壓力和液位來間接計(jì)算密度，但這種計(jì)算的結(jié)果往往精度要差很多。所以，研制一款儲(chǔ)罐在線密度計(jì)，順其自然成了解決密度測(cè)量問題的關(guān)鍵技術(shù)方案。

2.1 在線伺服密度計(jì)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

在線密度計(jì)結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示，其主要由傳感器與變送器兩個(gè)主要的部分組成，為其最為關(guān)鍵的組成部分則為密度傳感器，如圖4所示。在目前的生產(chǎn)運(yùn)營過程中，多采用諧振式液體密度傳感器進(jìn)行儲(chǔ)罐液體測(cè)量。

圖3 在線密度計(jì)

圖4 密度傳感器

在諧振式液體密度傳感器的過程中，能夠基于通過諧振子振動(dòng)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于油品的密度測(cè)量。而在諧振子在工作過程中，可等效為一個(gè)單自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)以固有頻率振動(dòng)，固有頻率只與系統(tǒng)中的等效質(zhì)量和等效彈性系數(shù)有關(guān)。當(dāng)次單自由度系統(tǒng)中較為敏感的彈性元件與油品相接觸后，其本身系統(tǒng)內(nèi)的等效質(zhì)量發(fā)生了一定的改變，所以系統(tǒng)中的固有頻率也會(huì)出現(xiàn)一定的變化?；跍y(cè)量系統(tǒng)中頻率變化的情況，能夠準(zhǔn)確有效的對(duì)于油品密度進(jìn)行測(cè)量，我們研發(fā)的在線密度計(jì)使用的是諧振筒式液體密度傳感器。

在密度傳感器的結(jié)構(gòu)中，內(nèi)置入了高精度溫度傳感器與水位探測(cè)器，其在實(shí)際的工作測(cè)量中，在對(duì)于油品密度進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)也能夠?qū)τ谟推窚囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、同位測(cè)量。在溫度傳感器的電阻選擇中多采用高精度鉑電阻Pt1000，從而保障其對(duì)于溫度的測(cè)量精度在±0.1℃左右，同時(shí)通過水位探測(cè)器也能夠?qū)τ趦?chǔ)罐油水界面情況進(jìn)行有效的測(cè)量。

在線密度計(jì)變送器部分(見圖5)是一個(gè)集運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、計(jì)量運(yùn)算為一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。其包括了動(dòng)力及傳動(dòng)部件、液位計(jì)量部件、控制及通訊部件等。

圖5 在線密度計(jì)整體結(jié)構(gòu)

如上圖所示，在動(dòng)力與傳動(dòng)部件的構(gòu)成中，多是由步進(jìn)電機(jī)、減速器、同軸連接器、尺帶、尺帶輪、計(jì)量輪幾個(gè)組件構(gòu)成，其中所包含的步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)@取的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移。伴隨著電脈沖信號(hào)的變化，電機(jī)逐漸進(jìn)行步距角的調(diào)整，電脈沖信號(hào)的頻率越高，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越快，當(dāng)電脈沖信號(hào)停止后，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)也就停止，其停止位置往往與電脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)有著較大的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也不會(huì)受到相關(guān)負(fù)載的變化而發(fā)生改變。在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)作過程中，當(dāng)其接收到了電脈沖信號(hào)后，其將會(huì)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使得其向預(yù)設(shè)方向進(jìn)行角度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，通過步進(jìn)電機(jī)軸將尺帶輪進(jìn)行帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)尺帶上下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通常設(shè)定單脈沖會(huì)使得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.02°，并進(jìn)行尺帶輪的傳動(dòng)，基于尺帶輪纏繞直徑數(shù)據(jù)的變化，使得尺帶移動(dòng)0.005mm～0.02mm，進(jìn)而保障其準(zhǔn)確定位的可能。

編碼器與計(jì)量輪是液位計(jì)量的主要部件，通過編碼器能夠?qū)⒔俏灰茢?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，所以其又被稱為碼盤；而計(jì)量輪則是能夠?qū)τ诰幋a器進(jìn)行傳動(dòng)，而其本身的轉(zhuǎn)動(dòng)則是通過尺帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過尺帶帶動(dòng)的。經(jīng)由編碼器對(duì)于電脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出，每當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)0.01°角度后將會(huì)進(jìn)行電脈沖信號(hào)的發(fā)出，使得對(duì)應(yīng)的尺帶在輪上移動(dòng)0.02mm，從而基于編碼器的應(yīng)用對(duì)于尺帶上下運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度進(jìn)行有效的測(cè)量

而在變送器的電氣部件中，控制及通訊部件是十分重要的一個(gè)部分，其主要的部分由步進(jìn)電機(jī)控制器、系統(tǒng)微控制器、非易失性存儲(chǔ)器、時(shí)鐘控制器、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、安全柵等組成。其中步進(jìn)電機(jī)控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，中央總控則由系統(tǒng)微控制器負(fù)責(zé)，對(duì)于系統(tǒng)配置的存儲(chǔ)與關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存則通過非易失性存儲(chǔ)器就行管理，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行過程中及各數(shù)據(jù)測(cè)量進(jìn)行時(shí)間標(biāo)注的為時(shí)鐘控制器，對(duì)于測(cè)量中的數(shù)據(jù)信號(hào)采集則通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行，防爆0區(qū)電信號(hào)與隔爆區(qū)電信號(hào)隔離則基于信號(hào)轉(zhuǎn)換器的光電轉(zhuǎn)換完成，最后由安全柵保障密度傳感器的本質(zhì)安全型電源與通訊。

通過尺帶能夠?qū)⒚芏葌鞲衅髋c變送器進(jìn)行有效的連接，為保障尺帶的抗拉強(qiáng)度在1600N/mm2以上，選取優(yōu)質(zhì)高碳素鋼作為其襯底材料。尺帶的鋼制襯底將密度傳感器殼體與變送器殼體進(jìn)行上下連接，而法蘭跨接銅片則能夠?qū)⒆兯推鳉んw與罐體進(jìn)行連接，從而保障設(shè)備整體接地，同時(shí)為保障密度傳感器與變送器的通訊，于尺帶襯底兩側(cè)進(jìn)行銅導(dǎo)線的鋪設(shè)，其直徑約為0.2mm2。同時(shí)也要在尺帶表面進(jìn)行防靜電電荷積聚方法，采用耐油、耐磨、絕緣材料作為其表面附著材料。

在線伺服密度計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)密度出廠校準(zhǔn)范圍 600～1200kg/m3(0.6～1.2g/cm3)

(2)密度測(cè)量絕對(duì)誤差 ±0.250kg/m3(±0.00025g/cm3)

(3)溫度測(cè)量范圍 -40℃～+85℃

(4)溫度測(cè)量絕對(duì)誤差 ±0.1℃(-40℃～+85℃范圍內(nèi))

(5)密度測(cè)量重復(fù)性 ±0.1kg/m3(±0.0001g/cm3)

(6)密度測(cè)量穩(wěn)定性 ＜±0.1kg/m3/年 (＜±0.0001g/cm3/年)

(7)液位最大測(cè)量高度 0000mm

(8)液位測(cè)量精度 ±3mm

(9)粘性、溫度效應(yīng) 自動(dòng)補(bǔ)償 0.005kg/m3/℃

(10)環(huán)境溫度范圍 -40℃～+85℃

2.2 在線伺服密度計(jì)的功能

(1)對(duì)于罐內(nèi)油品的平均密度進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)數(shù)設(shè)置，并于等間距采集罐內(nèi)不同液位的油品密度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)取平均數(shù)，從而對(duì)于油罐內(nèi)油品的平均密度進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際工作中可用于油品質(zhì)量計(jì)算。

(2)對(duì)于罐內(nèi)油品密度進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。通過指令測(cè)量指定罐內(nèi)油品不同液位的油品密度和溫度，進(jìn)而能夠?qū)τ谟推访芏确謱狱c(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。

(3)對(duì)于發(fā)油密度進(jìn)行監(jiān)控。伺服密度計(jì)傳感器平時(shí)處于罐底，可用于對(duì)發(fā)油密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如傳感器經(jīng)過法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，則可用于發(fā)油密度的采集，解決了發(fā)油密度不準(zhǔn)難題。

3 密度計(jì)法儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

3.1 密度計(jì)法的儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)原理

在在線密度計(jì)混合式儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中，液位計(jì)和在線密度計(jì)是其核心設(shè)備，也可以選配壓力傳感器和多點(diǎn)溫度計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的密度計(jì)法計(jì)量系統(tǒng)(見圖6)，使用在線密度計(jì)測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油品的實(shí)時(shí)平均密度和罐底水高，液位計(jì)測(cè)量液位(油液總高)，平均溫度計(jì)測(cè)量油品溫度。參考《GB/T 19779—2005石油和液體石油產(chǎn)品油量計(jì)算 靜態(tài)計(jì)量》規(guī)定的計(jì)量方法對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)時(shí)計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)油品的體積和質(zhì)量。

在實(shí)際進(jìn)行油罐現(xiàn)場(chǎng)改造與升級(jí)的過程中，首先需要確保的是安全，同時(shí)也應(yīng)該保障油庫正常運(yùn)作與生產(chǎn)，所以對(duì)于油品儲(chǔ)罐不就行清罐，同時(shí)也需避免動(dòng)火作業(yè)的發(fā)生?；诜ㄌm連接技術(shù)，于油罐計(jì)量口位置進(jìn)行量油轉(zhuǎn)接器與伺服在線密度計(jì)的安裝。伺服密度計(jì)電源與現(xiàn)有液位計(jì)共用，信號(hào)線可利用原液位計(jì)預(yù)留線( 如果沒有預(yù)留信號(hào)線，每個(gè)儲(chǔ)罐只需要敷設(shè)一根信號(hào)線)至FPU-罐前處理器。升級(jí)罐前處理器的程序，在原有功能的基礎(chǔ)上增加密度計(jì)法的計(jì)量算法，并由罐前處理器將儲(chǔ)罐的所有參數(shù)上傳回中控室的計(jì)量管理軟件。

另外我們推薦保留或加裝壓力傳感器，既可以與密度計(jì)結(jié)合使用形成HTG計(jì)量系統(tǒng)，也可以和液位計(jì)、溫度計(jì)結(jié)合使用形成HTMS計(jì)量系統(tǒng)。當(dāng)每一種儀表出現(xiàn)故障時(shí)，可以由軟件自由切換到另一種計(jì)量系統(tǒng)繼續(xù)工作，最大可能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要。

圖6 密度計(jì)法的計(jì)量系統(tǒng)組成

3.2 密度計(jì)法計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)算方法

密度計(jì)法的計(jì)算方法雖然接近于手工計(jì)量方法，易于與手工計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，但比手工計(jì)量的方法要簡(jiǎn)單。手工計(jì)量的計(jì)算時(shí)，需要計(jì)量員現(xiàn)場(chǎng)上罐采樣，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)之后得到油品的密度，再通過查表《GB/T 1885 石油計(jì)量表》得到油品的標(biāo)準(zhǔn)密度和儲(chǔ)罐的體積膨脹系數(shù)VCF，最后帶入公式計(jì)算油品質(zhì)量。而密度計(jì)法由于安裝了在線密度計(jì)，可以實(shí)時(shí)得到儲(chǔ)罐內(nèi)油品的密度和標(biāo)密，簡(jiǎn)化質(zhì)量的計(jì)算過程。大致的計(jì)算方法如下：

(1)利用液位計(jì)實(shí)時(shí)得到的油水總高，查儲(chǔ)罐的容積表，得到總計(jì)量體積(Vto)。

式中：Vc為由油品高度查油罐容積表得到的對(duì)應(yīng)高度下的空罐容積；ΔVc為由油品高度查液體靜壓力容積修正表得到的油罐在標(biāo)定液靜壓力作用下的容積膨脹值；ρc為編制油罐靜壓力容積修正表時(shí)采用的標(biāo)定液密度，通常為水的密度；ρw為油罐運(yùn)行時(shí)工作液體的計(jì)量密度，可由在線密度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量。

(2)利用密度計(jì)或液位計(jì)測(cè)量得到的罐底水高值，查油罐容積表得到游離水體積(Vfw)。

(3)應(yīng)用罐壁溫度影響的修正系數(shù)CTSh (由罐壁材質(zhì)的線膨脹系數(shù)和罐壁溫度計(jì)算得到)，得到毛計(jì)量體積(Vgo)。

(4)用毛計(jì)量體積(Vgo)乘以計(jì)量密度(ρw)，再減去浮頂?shù)谋碛^質(zhì)量(mfr)得到油品的毛表觀質(zhì)量(mg)：

3.3 密度計(jì)法計(jì)量系統(tǒng)的使用效果

經(jīng)過對(duì)密度計(jì)法計(jì)量系統(tǒng)在多座油庫經(jīng)過近一年的試用和改進(jìn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)罐油品液位、溫度、密度、水位的高精度在線采集和計(jì)量，測(cè)試結(jié)果顯著提高了自動(dòng)計(jì)量的精度。表3是我們?cè)谀匙凸奚?0組的比對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果。

表3 油罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)比對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)定表

n為系統(tǒng)運(yùn)行全部數(shù)據(jù)比對(duì)測(cè)量次數(shù)；初次評(píng)價(jià)n≥30，運(yùn)行中評(píng)價(jià)可選擇n≥15；x′n為測(cè)試比對(duì)第n次系統(tǒng)測(cè)量值；xn為測(cè)試比對(duì)第n次人工測(cè)量值；s=x′n-xn。

4 結(jié)語

通過在計(jì)量系統(tǒng)中引入在線密度計(jì)，完成了一種全新計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，顯著提升了儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)的精度。下一階段將研究如何發(fā)揮各種計(jì)量方法的優(yōu)勢(shì)，充分利用不同類型傳感器的精度優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種可以滿足儲(chǔ)罐油品動(dòng)態(tài)計(jì)量的算法。