羅恩衛(wèi)，蘭海松

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都 610599）

0 引言

油罐廣泛應(yīng)用于各類油料儲存及輸運中，其類型主要有碟式封頭臥式圓油罐、平式封頭臥式橢圓油罐及立式儲油罐等。某試驗基地儲油罐容積主要有50 m3、110 m3等，對于儲油行業(yè)則有15 萬m3以上的儲油罐。而以上各油罐均存在一個計量問題，即對油罐存儲油液高度及重量的準(zhǔn)確計量。

目前國內(nèi)外油罐自動計量方法大致分為3 類：液位法、靜壓法和稱重法。其中，液位法通過液位測量，進(jìn)而查找對應(yīng)“油位重量表”確定油液重量，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測量油位及對油罐準(zhǔn)確標(biāo)定；靜壓法則通過精確測定常壓儲罐油品靜壓及溫度，進(jìn)而確認(rèn)相關(guān)密度繼而獲得質(zhì)量及油位等；稱重法則可以更加準(zhǔn)確計量，但對固定埋地油罐存在一定操作不便。

針對大型發(fā)動機(jī)試驗基地的試驗艙供油，燃油供油系統(tǒng)依靠油庫壓力輸運。能否準(zhǔn)確測量油量關(guān)系到發(fā)動機(jī)試驗安全，因此油庫油罐油量測量及實時監(jiān)測十分重要。大型油庫一般采用埋地碟式封頭臥式油罐，由于供油系統(tǒng)屬于埋地、帶壓運行系統(tǒng)，因此計量方法選擇“液位計量法”最佳且最便捷。為實現(xiàn)對油罐油量準(zhǔn)確測量及實時監(jiān)測，則必須達(dá)到兩個任務(wù)：

（1）對油罐油位高度對應(yīng)容積的標(biāo)定。

（2）實現(xiàn)對油罐任意時刻油位高度的準(zhǔn)確監(jiān)測。

1 油罐容積標(biāo)定

對于碟式封頭臥式油罐體積的標(biāo)定，一般將油罐分為圓柱段及碟板段兩部分。油罐油位高度為h，根據(jù)油罐已知尺寸條件可得出V=f（H）關(guān)系式，利用積分、編程對液位高度h 求解得出容積。同樣將油罐分為直段及碟板段分別求解，在求解方法上利用“微分思想”原理通過代數(shù)簡單求解化來處理碟板處油液容積，針對油罐直段直接采取反三角函數(shù)計算，通過EXCEL 表代替編程處理。確保數(shù)學(xué)方法上簡易、準(zhǔn)確求解容積，碟式封頭臥式油罐如圖1 所示。

圖1 碟式封頭臥式油罐

1.1 油罐直段容積求解

針對油罐在任意高度液位為h 時，油罐直段對應(yīng)的油液容積一定，可通過液位高h(yuǎn)、油罐直徑H、油罐總長L 及油罐碟板厚度w 聯(lián)立方程求解計算油罐直段容積，具體如下：

以現(xiàn)有某油庫為例，針對在任意液位高度為h 時，根據(jù)設(shè)計說明書可知油罐直段直徑H=3 m、油罐總長L=16.2 m，碟板長度w=0.8 m。

在液位h 時對應(yīng)唯一的直段油液容積V1，通過已有參數(shù)聯(lián)立方程，通過以下方程組可得在液位為h 對應(yīng)容積V1的值：

其中：V1為油罐直段油液的容積；S液為油罐直段油液截面積；w 為碟板厚度；S1為油液對應(yīng)油罐直段的扇形面積；S2為油液對應(yīng)油罐直段的扇形的三角形面積；H 為油罐直徑，h 為油罐液高，θ 為液面對應(yīng)圓心角的弧度。

1.2 油罐碟板容積求解

油罐碟板封頭細(xì)分示意如圖2 所示。油罐碟板段容積為V2，油罐由兩個碟板和一個直段組成。油罐是以cm 為單位標(biāo)定，故在液位高度為h m 時，將碟板細(xì)分成多段，每段高度可設(shè)置為為δ=0.01 mm；同時根據(jù)已知可以求得任意高度的截面面積，即可形成S0.01、S0.02、S0.03…Sh的數(shù)據(jù)鏈。

圖2 碟板封頭細(xì)分

然后針對油罐任意液位高為h 時，只需將各截面乘以δ，然后求和便可得到液位h 時碟板對應(yīng)油液容積，左碟板對應(yīng)的容積即。但這樣在h<1.5 m 時由于取的是每一個截面的上表面數(shù)據(jù)，而這一定程度放大了碟板內(nèi)油液容積，在h>1.5 m 時，則一定程度縮小了碟板內(nèi)油液容積。在液位為h 時，此時只需要對右碟板每單位高度δ 截面取下表面計算即可，即右碟板對應(yīng)的容積可用計算；這樣便將數(shù)學(xué)計算細(xì)微誤差進(jìn)一步降低，相對于油罐理論容積計算的總?cè)莘e最大誤差小于10-6。

在油罐油液任意高度為h 情況下，通過計算出碟板內(nèi)油液容積V2以及油罐直段容積V1即可求得油罐油液容積，針對油罐數(shù)百個液位高度h，對V1、V2相加即可求得相應(yīng)h 高度油罐容積，通過數(shù)據(jù)表格下拉功能即可得到儲油罐液位容積任意高度數(shù)值，液位容積表可查。

2 油位測量

準(zhǔn)確測量油罐油位關(guān)系發(fā)動機(jī)試驗是否有適量的燃油可用，進(jìn)而關(guān)系試驗安全；因此準(zhǔn)確、實時測量油罐油位至關(guān)重要。油位測量存在多種方法可用，為了準(zhǔn)確、便捷測量液位，因地制宜，采取導(dǎo)波雷達(dá)液位儀對油罐油位進(jìn)行測量，對于3 m 量程誤差在1 cm 以內(nèi)。

油位測量原理即：利用高頻微波脈沖在導(dǎo)波桿傳輸，當(dāng)高頻微波觸碰到油面電介常數(shù)突變，導(dǎo)致一部分高頻微波反向回傳。導(dǎo)波雷達(dá)液位儀通過自身處理器對雷達(dá)波行進(jìn)路程予以計算：

其中，t 為雷達(dá)波由發(fā)射源到液面再返回的時間，c 為光速，L 為雷達(dá)波來回的路程，即兩倍的油液空高。由于路程L 為雷達(dá)波來回的路程，因此時間、路程放大1 倍。因此，油罐空高位L/2；油高等于總高減去空高即可。

針對液位計測量液位的傳輸、實時顯示、圖形化表示、高低液位設(shè)置及報警功能等，通過采取將液位計測量的液位高度信號經(jīng)測試電纜傳輸至微型PLC 系統(tǒng)（由電源、處理器、輸入模塊、繼電器等組成），在計算機(jī)上通過組態(tài)軟件以動態(tài)界面方式實時顯示液位，可直觀查看油罐剩余油料多少（圖3）。PLC 系統(tǒng)通過訪問液位容積重量表，在動態(tài)界面上以數(shù)字形式顯示油高、容積、油量，并實現(xiàn)高、低液位聲光報警及確認(rèn)復(fù)位功能。針對油罐實時液位、油料重量等，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集記錄并實現(xiàn)查詢分析功能，并要求顯示日期、時間進(jìn)而方便打印、分析數(shù)據(jù)。

圖3 液位監(jiān)測系統(tǒng)原理

3 使用效果及分析

大型工業(yè)及航空發(fā)動機(jī)試驗用油罐的在線準(zhǔn)確測量一直是油料存儲企業(yè)和大型高空模擬試驗基地油庫運行關(guān)注的重點，其關(guān)系油料存儲企業(yè)直接效益及航空發(fā)動機(jī)試驗安全問題。通過長期使用及反復(fù)驗證，該計算方法及液位測量方法有力的保障了大型油罐的計量任務(wù)及故障排除：

（1）對于3 m 高的油罐，液位計現(xiàn)場安裝高度3.5 m 以上。通過對液位計回波及纜長等設(shè)置，使液位計現(xiàn)場測量誤差控制在1 cm 以內(nèi)，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)傳監(jiān)控及對高低油位的報警功能等。尤其對于復(fù)雜試驗系統(tǒng)，存在多個油罐時，如果一臺液位計臨時出現(xiàn)故障，可迅速切換到另一臺，使試驗安全系數(shù)大大提高。

（2）通過對油罐多次進(jìn)油，經(jīng)過長期使用并對進(jìn)油數(shù)據(jù)與油罐測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過查詢數(shù)次進(jìn)油記錄，液位計測量計算得到重量與油罐車過地磅稱重重量誤差不超過5‰，對于該油罐標(biāo)定達(dá)到設(shè)計要求。

（3）在某次試驗過程中，發(fā)現(xiàn)某油罐油位數(shù)分鐘之內(nèi)由1.26 m上升至1.57 m；試驗人員通過對液位高度曲線、供油壓力曲線及油位容積等的查詢，成功查找出試驗管路系統(tǒng)故障點，保證了發(fā)動機(jī)試驗的供油安全。通過液位測量系統(tǒng)曲線及液位容積表聯(lián)合使用，成功實現(xiàn)對油罐油位以及剩余油量的監(jiān)測，有力保障了試驗供油任務(wù)。