油罐自動計量系統

曹偉偉

（鎮海石化工程股份有限公司，浙江寧波315042）

油罐的手工計量作為一種傳統的計量方式，至今仍然用作油罐計量的標準方法，及校準和驗證液位計比對工具。由于手工計量使用的儀器和操作程序的局限性，所取得的基礎數據精度不高，并且會受到人為因素的影響，整個測量和計算過程比較耗費人力和時間，對一些影響測量精度的系統誤差也無法進行修正。特別是對于球罐的庫存和交接計量，液位的讀數只能從與旁通管相連的玻璃板液位計讀取，環境溫度與球罐內溫度的差異會使玻璃板的液位與球罐內的真實液位相差很大。另外，人工計量無法對球罐中的氣相部分質量進行補償，所以在庫存計量特別是交接計量中會產生較大的誤差。

現代油罐的測量技術，已日益成熟，不論在庫存計量還是交接計量中，一套完善的自動計量系統在精度方面已經超過手工計量，從測量、計算量到形成報表都能自動完成；并且在油罐操作的安全性（如防止冒罐和漏失）、保護環境、保障職工健康等方面，都能起到可靠的保障作用。該自動計量系統把現場罐內的液位、溫度、密度等參數送到控制室中的通信接口和計算機中，就可以很方便地實現對罐內體積和質量的計量，并對罐內的液位運行進行自動報警。

1 自動計量系統的要求

1.1 精確及可靠的現場測量儀表

主要配置液位計、溫度計、壓力變送器。現場儀表除了高精度外還要求有很高的分辨率。液位計和溫度計應該選用獲得國家計量機構認證的、滿足商業交接要求的產品。

1.2 功能完善的庫存管理軟件

要求能對各種測量系統提供最佳的計量方法，對于許多可能引起計量誤差的因素，必須進行補償；必須對罐底的游離水和雜質加以切除；對于產品的熱膨脹和罐的截面積在靜壓作用下所發生的變化，必須根據相應的標準和方法加以補償和修正；油品計量過程中的專用術語、符號應符合計量規程；還應該有保障油罐管理安全方面的考慮。因此，庫存管理軟件應符合商業交接的要求并且需得到權威計量機構的認證。

1.3 建立完整系統的概念

油罐中產品的精確體積與質量無法簡單地依靠某個儀表讀數或幾個換算表得到。只有對液位測量技術、溫度測量技術、靜壓測量技術進行有機地組合，配合庫存管理軟件的運算和處理功能，才能建立符合實際應用需求、提高罐區管理水平的自動計量系統。目前，根據不同的應用需求，從現場儀表的配置來考慮，主要有以下三種模式：

1.3.1 基于液位測量技術的體積式計量系統（LTG）

基本配置：1臺高精度液位計用于測量油品液位，1支單點或平均溫度計用于測量油品溫度，密度值來自實驗室的人工分析。在此系統中，油品的體積通過液位和油罐容量表直接求得，而質量則需要通過體積、密度、溫度，運用油品計量換算表進行計算求得。主要的誤差來自油罐容量表和溫度的估算，所以，采用平均溫度計會取得較顯著的效果。另外，系統中還可加入額外功能（如氣相壓力和油水界面的測量），以加強總體性能。

1.3.2 基于質量測量技術的靜壓式計量系統（HTG）

基本配置：2臺（或帶壓罐中為3臺）智能化高精度壓力變送器，用于直接計算油品質量，1支單點溫度計用于測量油品溫度，如圖1所示。在此系統中，質量通過油罐容積表（相應面積）和p1直接計算，密度由p1，p2和兩者之間的距離求得，進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確代表整個液位的平均密度（總是相對偏高），因而造成液位和體積的精度較低（比實際值相對偏低）。因此，HTG系統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。溫度測量不會影響質量的準確性，只是用于標準密度和標準體積（G.S.V）的計算。

1 HTG配置示意

1.3.3 基于液位和質量測量技術的混合式計量系統（HIMS）

基本配置：1臺高精度的液位計用于測量液位，進而通過油罐容量表計算體積值，1臺（存在氣相壓力的罐中為2臺）智能高精度壓力變送器用于直接計算質量，液位計配合平均溫度計用于標準密度和標準體積的計算，如圖2所示。基于液位和質量測量技術的混合式計量系統使整體測量的可靠性得到提高，是一個功能強大而完善的油罐計量系統。

圖2 HIMS配置示意

由以上三種系統計量的庫存誤差比較見表1所列。

表1 三種計量系統的庫存誤差比較 %

2 自動計量系統中的基礎參數

2.1 液位的測量

針對一高為20m，容積為5×104m3的立式油罐，僅1mm的液位不確定度相當于2.5m3的油品容積誤差。現代科學技術的發展，單臺液位計的儀表精度已經達到±1mm或者更高，比如伺服式液位計、雷達液位計等，廠家標稱的儀表精度可以為±1mm，甚至±0.4mm。但是從計量要求去考察液位計在油罐實際應用中的測量精度，達到±1mm的精度并非易事。液位測量的主要誤差來自安裝中罐頂參照高度的不穩定，因為油罐受靜壓力影響會產生變形，所以引起測量基準點的移位。液位計直接測量的一般是空尺，參照高度的不穩定使計算所得的液位出現較大誤差。為了使液位測量達到最佳的準確性，液位計應安裝于導向管上，導向管固定于罐底或靠近罐底的第一圈鋼板上。從實際效果看，因為在充油的情況下，罐底更容易發生變形，所以，導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，有些液位計廠家在指導安裝時，采用導向管罐頂固定的方法是缺乏周全考慮的。另外，有些液位計廠家（如ENRAF公司的伺服式液位計、雷達液位計）宣稱可以通過軟件對液位計測量參考點的位移影響進行修正，實現自動校驗頂部參考點，在沒有導向管的情況下也能獲得準確的測量。

在實際應用中，人們習慣于在外浮頂罐和內浮頂罐中設置液位計導向管，而往往會忽視在拱頂油罐中設置液位計導向管。其實對于提高拱頂油罐的液位測量精度，設置液位計導向管同樣是十分必要的。

對于人工檢尺測液位，對油罐的變形影響進行修正顯然不可能，即使在假定檢尺基準點穩定的情況下，產生的誤差至少為±2mm的量油尺誤差加上±1mm的人為誤差。

2.2 溫度的測量

油罐內溫度分布一般都不是均勻的，在油罐內油品的不同高度，或同一高度的不同位置存在著不同的溫場，根據有關資料顯示，一個高為10m的油罐，罐頂的溫度比罐底的溫度可高出3℃。因此，僅根據單點溫度來計算油品的存量是不準確的，每1℃的油品溫度誤差會導致總值達0.1%的標準體積計算誤差。

為了實現溫度測量的準確性，采用平均溫度計可取得較好的效果。目前的平均溫度計可達到±0.1℃的精度和優于±0.01℃的分辨率。它解決了油罐溫度的層化問題，同時還可以測得精確的油氣環境溫度，為油罐計量時作蒸氣補償提供了便利。此類溫度計的使用已可滿足商業交接和法定計量要求，但卻不能反映出油罐中同一高度、不同位置上的溫場。

采用HTG或HIMS系統，溫度的誤差不會影響質量的準確性，但是會影響基準條件下（國標為20℃，API為15℃）的標準密度和標準體積的計算。

運用手工測量，也可以依靠多測幾個點來達到平均溫度計的效果，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相比的。目前實驗室用棒式溫度計的允許誤差為0.4℃，分辨率為0.2℃。

2.3 密度的測量

油罐內密度分布一般會出現分層現象，同時與溫度有關。在油罐的密度測量中，一般不用在線密度計。實驗室的人工分析密度精度可達0.1%。雖然人工分析值是通過幾個取樣點的樣品分析得出，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確地反映出罐內平均密度。

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

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

3 HIMS系統的運算方法和誤差分析

HlMS系統作為一種完善的自動計量系統，其質量和體積的運算方法、精度補償過程以及誤差分析在油品的自動計量中具有很強的代表性。

3.1 配置原理

參照圖2中，L為液位計的測量液位（假設精度為±1mm），p1，p3為壓力變送器所測壓力（假設精度為±0.02%）。對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溫度計（假設精度為±0.2℃），用于計算標準體積和標準密度。液位計為實現HIMS系統的方便，配置了硬件接口，壓力變送器信號和溫度信號可以很方便地接入液位計，然后通過液位計的現場總線送至計算機進行處理運算。

3.2 計算公式

圖3為HIMS運算流程簡圖。油罐計量系統在取得液位、溫度、密度之后，通過油罐計量換算表計算總觀測體積（V觀測）（當前溫度t℃下的總體積），然后，質量由V觀測和視密度（ρobs）求得，再通過石油計量換算表求得體積修正系數（VCF）和標準密度（ρref），最后求得總標準體積（V標準）。

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

圖3 HIMS運算流程示意

公式（2）中，ρobs的運算忽略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是空氣中的密度，修正后的密度才是真空中的密度。為了簡化計算，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浮頂罐。油品計量規程中規定，浮頂罐的計量必須在浮頂處于完全起浮狀態下進行，必須使用浮頂質量對油品的質量計算進行修正，使用浮頂的浸液體積對油品的體積計算進行修正。由于浮頂的浸液高度對液位測量產生一個增加值，同時對p1的測量也產生一個增加值，根據密度計算公式（1），兩個增加值相互抵消，所以，密度計算不需進行修正。

3.4 不確定度分析

HIMS系統的精度取決于現場儀表的精度，外界條件和安裝影響（如風的影響、油罐變形的影響等）。

a）液位測量精度的影響。根據式（1），當液位處于20m時，一個2mm的液位測量誤差對視密度計算產生0.01%的誤差；當夜位處于2m時，則產生一個0.1%的誤差。但在質量運算中，質量的精度不受液位測量誤差的影響。

b）壓力變送器測量精度的影響。ρobs和質量的計算精度直接取決于壓力變送器的測量精度，但是ρobs誤差對VCF的影響是最小的。因此，V觀測和V標準不會受到壓力變送器測量精度的影響。

c）溫度測量精度的影響。溫度誤差將對ρref和VCF產生影響。由于VCF受到影響，V標準的計算也受到同等影響。

d）LP測量精度的影響。LP的誤差會對ρobs的計算產生誤差，影響程度與液位誤差相同，同時對質量運算也將產生誤差，但VCF不受影響。因此V標準也不受影響。

e）壓力變送器受風作用時的影響。壓力變送器的通大氣側受到風作用會帶來附加誤差。系統對風的影響無法進行補償，但可以采取措施減小影響，比如為壓力變送器安裝一個防護箱。

f）壓力變送器1位置移動的影響。油罐受靜壓影響而產生的變形會使壓力變送器的安裝位置發生移動，產生的誤差影響與LP產生的誤差影響相同。某些專業的油罐液位計公司對此有一套利用軟件進行補償修正的辦法，這里不作祥述。

g）油罐內湍流的影響。攪拌器或進油引起的罐內湍流將影響壓力變送器的測量值，因而壓力變送器的安裝應盡量遠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，一般當液位低于3.5m時，HIMS系統得出的密度誤差將急劇上升。為了限制極限誤差，HIMS系統定義了LN，一般可取3.5m左右。系統就把LN處求得的密度值作為液位更低時的密度值。

4 結束語

油罐區實現自動化計量，從技術上是可行的，它對于罐區生產與管理提供了更高的可靠性和準確性，可提高工作效率，減輕勞動強度，國外在這方面已經有了比較成熟的經驗。

［1］ 周紹騎.油罐儲量測量方法研究［J］.油氣儲運，1993（03）29－33.

［2］ 段多壽.油品計量誤差原因分析［J］.油氣儲運，1999（11）45－46.

［3］ 國家質量技術監督局.GB／T1885—1998石油計量表［S］.北京：中國標準出版社，1998.

［4］ 國家質量監督檢驗檢驗總局.GB／T19779—2005石油和液體石油產品油量計算 靜態計量［S］.中國國家標準化管理委員會，2005.

［5］ 中國石油天然氣集團公司.GB9110—1988原油立式金屬罐計量油量計算方法［S］.［S.1］1989.

［6］ 國家質量技術監督局.GB／T25964—2010石油和液體石油產品采用混合式油罐測量系統測量立式圓筒形油罐內油品體積、密度和質量的方法［S］.中國國家標準化管理委員會，2011.

［7］ API.API MPMS 3.1B2001—06Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 3—Tank Gauging Section 1B－Standard Practice for Level Measurement of Liquid Hydrocarbons in Stationary Tanks by Automatic Tank Gauging／Second Edition［S］.American Petroleum Institute，2001.

［8］ 黃湘來，潘英.原油立式金屬罐計量交接誤差控制方案［J］計量與測試技術，2011（08）：23－25.

［9］ 李林，稅愛社，韓飛，等.儲油罐計量系統中精度的分析及提高［J］.后勤工程學院學報，2007（01）：33－37.

［10］ 李德湘，宋海勇，陳新萍，等.石油計量表計算機輔助應用的實現［J］.石油化工自動化，2002，38（03）：59－61.

［11］ 王文良，石油計量及檢測技術概論［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［12］ 宋偉.商業油庫油品底部灌裝自動化設計［J］.石油化工自動化，2011，47（06）：28－30.