吳宇 何奕峰 范曉輝 劉金成 陶小波 黃海珍

摘? ? ? 要： 針對車用乙醇汽油在線調(diào)合引起的計(jì)量不準(zhǔn)問題，提出了一種車用乙醇汽油調(diào)合體積變化修正方法。在此基礎(chǔ)上，通過精測5～35 ℃溫度范圍的乙醇、汽油密度和乙醇體積占比為8%、10%和12%的車用乙醇汽油密度，推算出車用乙醇汽油等溫體積變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在常壓下，8%～12%乙醇體積占比的車用乙醇汽油在5～35 ℃溫度范圍內(nèi)的調(diào)合等溫體積變化修正系數(shù)為1.000 93～1.002 16。在油庫車用乙醇汽油調(diào)合現(xiàn)場，以10%乙醇體積占比的車用乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化率為參考值，乙醇體積占比變化對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率影響的最大絕對值為0.002 2%，最小絕對值為0.000 8%。研究結(jié)果為車用乙醇汽油在線調(diào)合體積修正提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對確保車用乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算的公平公正及進(jìn)一步推廣使用車用乙醇汽油具有積極作用。

關(guān)? 鍵? 詞：車用乙醇汽油;調(diào)合;體積變化;密度;精測

中圖分類號：TQ027.3+5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2543-05

Experimental Study on Precise Measurement of Volume Change of

Ethanol Gasoline for Motor Vehicles at the Same Temperature

WU Yu 1， HE Yi-feng 2， FAN Xiao-hui 1， LIU Jin-cheng 1， TAO Xiao-bo 3， HUANG Hai-zhen 1

（1. Guangxi Research Institute of Metrology & Test， Nanning 530007， China;

2. Guangxi Petroleum Branch of Sinopec Sales Co.， Ltd.， Nanning 530021， China;

3. Jiangsu Petroleum Branch of Sinopec Sales Co.， Ltd.， Nanjing 210003， China）

Abstract： Aiming at the problem of inaccurate measurement caused by on-line blending of ethanol gasoline for motor vehicles， a method to correct volume change of ethanol gasoline for motor vehicles after blending was proposed. On this basis， through precise measuring of the density of ethanol，gasoline and ethanol gasoline with 8%，10% and 12% ethanol volume ratio in the temperature range of 5～35 ℃， the isothermal volume change data of ethanol gasoline for motor vehicles were calculated. The results showed that at atmospheric pressure，the correction coefficient of blended isothermal volume change of ethanol gasoline with 8%～12% ethanol volume ratio in the temperature range of? ? ? 5～ 35 ℃ was 1.000 93～1.002 16. At the site of blending ethanol gasoline for motor vehicles in the oil depot，taking the volume change rate of ethanol gasoline with 10% ethanol volume ratio as the reference value， the maximum absolute value of the effect of the blended isothermal volume change rate of ethanol gasoline caused by the change of ethanol volume ratio was 0.002 2%，and the minimum absolute value was 0.000 8%. The study results provide basic data for on-line blending volume correction of ethanol gasoline for motor vehicles， which plays a positive role in ensuring fairness and justice of trade settlement of ethanol gasoline for motor vehicles and further promoting the application of ethanol gasoline for motor vehicles.

Key words： Ethanol gasoline for motor vehicles; Blending; Volume change; Density; Precise measurement

目前，我國的車用乙醇汽油（以下簡稱乙醇汽油）是指在汽油組分油（以下簡稱汽油）中按體積比加入10%的變性燃料乙醇（以下簡稱乙醇）后作為汽油車燃料用的乙醇汽油[1]。2017年9月13日，國家發(fā)改委與國際能源局等15個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用乙醇汽油的實(shí)施方案》，規(guī)劃到2020年在全國實(shí)行乙醇汽油的全覆蓋[2]。但是，長期以來，車用汽油占據(jù)著主導(dǎo)市場，乙醇汽油市場占比相對較少[3-8]。隨著乙醇汽油市場增大趨勢的明確，確保乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量準(zhǔn)確度變得尤為重要。國內(nèi)相關(guān)科研人員對提高乙醇汽油計(jì)量準(zhǔn)確度和推廣應(yīng)用方面做了很多研究工作。李楊[9]等用偏摩爾體積原理分析了乙醇汽油調(diào)合后引起體積減小。王六六[10]等研究了PC+PLC模式建立乙醇汽油在線調(diào)合及計(jì)量方案。王耘、程琪[11-12]等研究了油庫如何進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)乙醇汽油的在線調(diào)合與裝車。劉菊榮[13]等研究了乙醇汽油的蒸發(fā)性能并提出了控制措施。但對乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化精測的研究尚未完善。

目前，我國的乙醇汽油生產(chǎn)大多采用管道比例調(diào)合工藝。乙醇和汽油分別通過不同的專用管道進(jìn)行傳輸，采用10%（體積占比）乙醇與90%（體積占比）汽油進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)合裝入汽車油罐車，得到乙醇汽油。每個(gè)專用管道安裝高精度溫度計(jì)，能準(zhǔn)確計(jì)量流過管道的液體體積。乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算體積采用在線調(diào)合前的汽油體積與乙醇體積計(jì)量求和計(jì)算。雖然汽油和乙醇的體積都有高精度流量計(jì)保障其計(jì)量準(zhǔn)確度，但此計(jì)量方式未考慮乙醇與汽油調(diào)合后引起的體積變化，無法保障乙醇汽油計(jì)量準(zhǔn)確度和貿(mào)易結(jié)算的公平公正。因此，研究提高乙醇汽油體積計(jì)量準(zhǔn)確度非常重要。本文研究的乙醇、汽油和乙醇汽油溫度范圍均為5～35 ℃，乙醇體積占比分別為8%、10%和12%。

1? 提高乙醇汽油調(diào)合后體積計(jì)量準(zhǔn)確度的方法探討

在乙醇汽油調(diào)合后的管道上安裝高精度流量計(jì)是提高乙醇汽油體積計(jì)量準(zhǔn)確度最直接的方法之一。但安裝高精度流量計(jì)涉及對原有管道設(shè)備的技術(shù)升級改造，單一管道及輔助設(shè)備升級改造等資金高達(dá)數(shù)萬元，這將給石油企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，此方法成本太高，難以實(shí)施。對不同溫度組合的乙醇、汽油調(diào)合導(dǎo)致的體積變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，然后對油庫乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算體積進(jìn)行修正，是提高乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算計(jì)量準(zhǔn)確度的較好方法。此方法既可提高乙醇汽油貿(mào)易結(jié)算計(jì)量準(zhǔn)確度，又無須對現(xiàn)有的乙醇、汽油調(diào)合管道及輔助設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)施難度低，可行性高，可為實(shí)現(xiàn)我國乙醇汽油全覆蓋提供技術(shù)支撐，達(dá)到貿(mào)易結(jié)算公平公正、保障消費(fèi)者權(quán)益的目標(biāo)。

乙醇汽油調(diào)合體積變化修正系數(shù)測定，比較常用的有體積法測定和質(zhì)量-密度法測定。體積法測定，即分別測出調(diào)合前的乙醇體積、汽油體積、調(diào)合后的乙醇汽油體積，體積變化修正系數(shù)為調(diào)合后的乙醇汽油體積與調(diào)合前的乙醇、汽油體積和的比值。由于試驗(yàn)用的乙醇、汽油體積總量相對較小，試驗(yàn)容器的器壁殘留量等因素對體積測量準(zhǔn)確度影響較大，且須定制頸部分度較小的高精度玻璃容器，試驗(yàn)操作難度大。質(zhì)量-密度法測定，即通過分別精測調(diào)合前的乙醇、汽油密度以及調(diào)合后的乙醇汽油密度，計(jì)算體積變化修正系數(shù)[14-17]。由于質(zhì)量恒定，調(diào)合前的乙醇、汽油質(zhì)量之和與調(diào)合后的乙醇汽油質(zhì)量相等，調(diào)合后的體積變化修正系數(shù)可以換算為調(diào)合前的乙醇、汽油加權(quán)平均密度與調(diào)合后的乙醇汽油實(shí)測平均密度的比值。

乙醇、汽油調(diào)合體積變化修正可通過以下步驟具體實(shí)現(xiàn)：

1）精測調(diào)合前的等溫乙醇、汽油密度以及調(diào)合后的乙醇汽油密度，推算出該等溫點(diǎn)乙醇汽油體積變化修正系數(shù)k1;

2）精測選定溫度點(diǎn)的乙醇汽油密度，擬合推算出選定溫度點(diǎn)的體積膨脹系數(shù)α1;

3）調(diào)合前的非等溫乙醇、汽油通過體積熱容理論換算為等溫乙醇、汽油;

4）精測調(diào)合前的等溫乙醇、汽油溫度，調(diào)合后的乙醇汽油溫度，推算出乙醇汽油的溫度變化值? ΔT;

5）乙醇汽油調(diào)合體積變化修正系數(shù)k=k1×（1+α1×ΔT）。

2? 乙醇汽油調(diào)合體積變化精測試驗(yàn)

1）乙醇、汽油密度測定。試驗(yàn)用的密度精測儀器為安東帕DMA 5000M高精密振動(dòng)密度儀（以下簡稱密度儀）， 測量范圍：0～3 000 kg·cm-3，分辨率為1×10-3 kg·cm-3，擴(kuò)展不確定度為? ? ? ? U=3×10-2 kg·cm-3（k=2）。質(zhì)量精測儀器為梅特勒 PL4002-IC分析天平，最大稱量為4 100 g，分辨率為10 mg，精度等級為○I級。采用帶長針頭的耐油注射器或玻璃注射器抽取乙醇，注入密度儀并在控制溫度下進(jìn)行密度測量，取3次測量結(jié)果的平均值作為該樣品的平均密度ρ_1。同理，可以測得汽油樣品的平均密度ρ_2。

2）乙醇汽油密度的測定。通過計(jì)算乙醇與汽油的容量值，配制某溫度的10%乙醇體積占比的乙醇汽油。將配制好的乙醇汽油容量瓶放在磁力攪拌器上進(jìn)行調(diào)合。攪拌10 min，確保調(diào)合均勻;靜置10 min，消除氣泡等不穩(wěn)定因素。采用帶長針頭的耐油注射器或玻璃注射器采樣中部位置的乙醇汽油，注入密度儀并在控制溫度下進(jìn)行密度測量，求平均作為該樣品的平均密度ρ_3。

3）以溫度間隔2～3 ℃，每個(gè)溫控點(diǎn)按照上述兩個(gè)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)擬合得到溫度范圍為5～35 ℃，乙醇、汽油以及10%乙醇體積占比的乙醇汽油密度表。分別配制8%、12%乙醇體積占比的乙醇汽油，重復(fù)上述試驗(yàn)，得到乙醇、汽油以及8%、12%乙醇體積占比的乙醇汽油密度表。

4）乙醇汽油調(diào)合體積變化修正系數(shù)計(jì)算。假定試驗(yàn)過程中，乙醇、汽油、乙醇汽油的揮發(fā)量可忽略，則：

ρ_1·V_1+ρ_2?V_2=ρ_3?V_3 。? ? （1）

式中：ρ_1，ρ_2—乙醇，汽油的密度，g·cm-3;

V_1，V_2—乙醇，汽油的體積，cm3;

ρ_3—等溫乙醇汽油的密度，g·cm-3;

V3—等溫乙醇汽油的體積，cm3。

設(shè)調(diào)合前的乙醇體積占比為a%，則汽油的體積占比為1-a%，則乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化修正系數(shù)k_1為：

k_1=V_3/（V_1+V_2 ）=（a%?ρ_1+（1-a%）?ρ_2）/ρ_3? ? 。? ?（2）

乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化修正系數(shù)為調(diào)合前的乙醇、汽油體積占比加權(quán)平均密度與調(diào)合后的等溫乙醇汽油實(shí)測平均密度的比值。

3? 結(jié)果和討論

3.1? 乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化數(shù)據(jù)分析

在常壓下，利用密度儀分別對調(diào)合前的乙醇、汽油密度精測，對乙醇體積占比分別為8%、10%和12%的等溫乙醇汽油密度精測。不同乙醇體積占比的配制是通過天平和密度儀控制，但受儀器測量精度、人員操作等因素影響，乙醇實(shí)際體積占比應(yīng)根據(jù)乙醇、汽油實(shí)際的質(zhì)量和密度數(shù)據(jù)推算，乙醇汽油的加權(quán)平均密度也應(yīng)根據(jù)乙醇實(shí)際體積占比進(jìn)行推算。把8%、10%和12%乙醇體積占比的乙醇汽油配制樣品分別標(biāo)號為P8、P10和P12。經(jīng)試驗(yàn)精測得到調(diào)合前的乙醇、汽油密度數(shù)據(jù)如表1所示，調(diào)合后的乙醇汽油密度數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計(jì)算，得到乙醇汽油等溫體積變化修正數(shù)據(jù)如表3所示。

由表1、表2和表3數(shù)據(jù)可知，乙醇、汽油調(diào)合前的加權(quán)平均密度大于等溫乙醇汽油實(shí)測密度，調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變大;在常壓下，8%～12%乙醇體積占比的調(diào)合等溫車用乙醇汽油在5～35 ℃溫度范圍內(nèi)體積變化修正系數(shù)為1.000 93～1.002 16。

將P8、P10和P12乙醇汽油等溫體積變化率數(shù)據(jù)隨溫度變化擬合成曲線如圖1所示。

由表2和圖1可知，乙醇汽油體積變化率跟乙醇體積占比有關(guān);在常壓下，5～35 ℃溫度范圍內(nèi)，調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率隨乙醇體積占比升高而增大。在常壓下，8%～12%乙醇體積占比范圍內(nèi)，調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率隨溫度升高而增大。

3.2? 不同乙醇體積占比對調(diào)合后的等溫體積變化率的影響分析

以10%乙醇體積占比的乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化率為參考值，分析乙醇體積占比每變化0.1%對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率的影響，分析數(shù)據(jù)如表4所示。

將乙醇體積占比變化0.1%對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率的影響擬合成曲線，如圖2所示。由表4和圖2可知，乙醇體積占比變化0.1%對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率的影響較小，最大絕對值為0.001 1%，最小絕對值為0.000 4%。在油庫乙醇汽油調(diào)合現(xiàn)場，控制乙醇體積占比的高精度流量計(jì)計(jì)量精度一般優(yōu)于0.2級，因此，乙醇體積占比在9.8%～10.2%。在油庫乙醇汽油調(diào)合現(xiàn)場，乙醇體積占比變化對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率的影響最大絕對值為0.002 2%，最小絕對值為0.000 8%。因此，現(xiàn)場調(diào)合可直接采用10%乙醇體積占比的乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化修正系數(shù)，而不必考慮實(shí)測乙醇實(shí)際體積占比。

4? 結(jié) 論

1）乙醇、汽油調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化精測，可以通過精測調(diào)合前的乙醇、汽油密度和調(diào)合后的乙醇汽油密度實(shí)現(xiàn)。

2）乙醇、汽油調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積是增大的，乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化率跟調(diào)合前的乙醇體積占比有關(guān);在常壓下，8%～12%乙醇體積占比的調(diào)合等溫車用乙醇汽油在5～35 ℃溫度范圍內(nèi)的體積變化修正系數(shù)為1.000 93～1.002 16。在常壓下，溫度5～35 ℃范圍內(nèi)，調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率隨調(diào)合前的乙醇體積占比升高而增大。在常壓下，8%～12%乙醇體積占比范圍內(nèi)，調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率隨溫度升高而增大。

3）在油庫乙醇汽油調(diào)合現(xiàn)場，以10%乙醇體積占比的乙醇汽油調(diào)合體積變化率為參考值，乙醇體積占比變化對調(diào)合后的等溫乙醇汽油體積變化率影響的最大絕對值為0.002 2%，最小絕對值為 0.000 8%。因此，乙醇汽油現(xiàn)場調(diào)合時(shí)，可直接采用10%乙醇體積占比的乙醇汽油調(diào)合等溫體積變化修正系數(shù)，不須實(shí)測乙醇實(shí)際體積占比。

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