石油化工油品儲罐計量與測量儀表設計方案

張華莎

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

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石油化工油品儲罐計量與測量儀表設計方案

張華莎

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

稿件收到日期： 2015-07-07。

近年來國內石油化工油品罐區的測量技術和儲運自動化有了很大的進步和發展。從大部分采用人工檢尺發展到全部采用自動化儀表測量；從低檔次的儀表進步到成熟、先進的儀表，自動化水平從常規儀表、PC機運行簡單的儲罐管理軟件，發展到分散控制系統、配備服務器運行專用的儲運管理軟件。儲罐的測量主要有兩個目的： 控制儲罐的存儲量，滿足收油、發油等生產運行；罐區庫存計量，即存量管理。兩種目的的測量方式不同，儀表的配備和選型也不同。本文所敘述的儲罐主要為油品(包括原料油、中間油品、成品油、液化石油氣及輔助生產油品)的儲運系統在地上的鋼制儲罐。通過列舉常用的儲罐測量方案、控制方案和計量方案，介紹了常用的測量方法和測量原理，提供規范的、切實可行的工程設計方案。

1儲罐計量或非計量分類

儲罐根據儲運工藝的需要分為計量級和非計量級，測量儀表方案也相應地分為計量級和非計量級，計量級測量方案有時也稱為控制級測量方案。由于這兩種測量方案的儀表設置需求不同，所以儲罐的自控設計應根據儲運工藝的需要按照計量級或非計量級設置儲罐的測量儀表方案。

需要對外貿易結算和交接計量的儲罐應按計量級設計，通常原油罐、成品油罐等與全廠物料平衡有關的儲罐應設計為計量級儲罐，應采用計量級測量儀表方案，儀表測量精度應符合國家有關計量標準或國際間貿易互認標準。

石油化工廠內各生產裝置之間的油品緩沖存儲、庫存控制用途的中間原料罐、中間油品罐及其他輔助油品儲罐應按非計量級設計，應采用非計量級測量儀表方案，儀表測量精度應符合庫存控制需要。

2儲罐的測量儀表方案

SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》根據設計壓力將儲罐分為常壓儲罐、低壓儲罐、壓力儲罐。對于計量級、非計量級和不同控制要求的儲罐，儀表設置、測量和計量方案均有所不同。

國內石油化工行業多采用質量計量制，所以儲運系統的儲罐以質量計量為主，也有同時需要質量計量和體積計量的。常用的計量方法有混合法、體積法、靜壓法等。工程設計之初，在設置測量儀表方案時就應考慮不同計量方法的需求，依此建立計量方案的基礎，配備安全可靠、功能齊全、適用并具備一定靈活性的測量儀表。除了滿足儲運罐區的控制、輸轉、計量等日常生產運行需要，還應為現代化石油化工廠的工廠管理建立好基礎數據平臺。現場測量儀表為工廠管理提供了所需要的罐區生產運行數據，所以工程設計中正確選擇儲罐測量儀表方案非常重要。

常用的儲罐測量儀表方案有4種，方案中有些儀表的設置是為了滿足罐區生產操作和過程控制的需要，有些儀表的設置則是罐區計量的需要，自動化水平發展到今天，罐區自控設計應同時兼顧這兩種需要，靈活滿足計量需要。

2．1計量級常壓和低壓儲罐

2．1．1液位測量儀表

容積較大的儲罐裝載量多，一旦發生事故損失較大，所以容積小于1×105m3的儲罐應在罐頂設置液位連續測量儀表，容積不小于1×105m3的儲罐宜設置2套液位連續測量儀表，并應配備罐旁指示儀顯示液位。為便于操作監視，應在控制系統中設置高、低液位報警。

為及時提醒操作人員，保障安全運行，應在控制系統中設置儲罐的高高、低低液位報警，信號可取自連續測量儀表，也可取自液位開關。為了防止抽空或者冒罐，容積不小于1×105m3的儲罐宜采用液位高高聯鎖關閉罐進口管道開關閥、液位低低聯鎖停泵并關閉出口管道開關閥的控制方案，聯鎖信號宜取自液位連續測量儀表，也可取自液位開關，聯鎖應在控制系統中實現。

由于連續測量儀表可以實時測量過程變量并能連續觀察確定儀表的工作狀態，比不常動作的開關類儀表更可靠，有些儀表還具備自診斷功能，所以可靠性要求較高的場合應取自連續液位測量儀表代替液位開關類儀表。

2．1．2溫度測量儀表

當采用直接測量液位高度的方法測量容積，并需要計算標準體積、標準密度時，需要測量油品的溫度。對于儲罐內的油品溫度可能不均勻的情況，應設置多點熱電阻溫度計或單點熱電阻溫度計測量并計算罐內油品的平均溫度，輸出信號接入儲罐液位連續測量儀表。

計量級儲罐應設置多點熱電阻溫度計，安裝于罐頂，按照儲罐有效高度范圍內每3m等間距平均布置的方式確定測溫點數，多點溫度檢測元件的最少點數應符合GB/T 21451．4—2008《石油和液體石油產品儲罐中液位和溫度自動測量法常壓罐中的溫度測量》中的規定，見表1所列。

表1　多點溫度檢測元件的最少點數

文獻中第6．2條還規定： 油罐內配備了可有效使用的混合器或循環系統；最大豎向溫度變化小于1℃；儲罐容積小于159m3或液位低于3m等情況時，在罐下部設置單點溫度計即可，不需要設多點溫度計。熱電阻溫度計可單獨設置，也可采用與油水界位測量儀表集成的形式。為了在現場觀察罐內介質溫度，宜在儲罐下部設置雙金屬溫度計。

2．1．3壓力變送器

當采用雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計、靜壓法等測量液位并換算油品總質量或容積時，需要測量油品密度，分為以下兩種情況：

1) 當采用混合法計量，通過雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等直接測量液位高度時，常壓儲罐應采用1臺壓力變送器，低壓儲罐采用2臺壓力變送器或1臺差壓變送器測量并計算平均密度，提高計算精度。

2) 當采用靜壓法計量，通過測量油品罐底壓力計算液位時，應采用2臺壓力變送器測量并計算密度，由于受密度測量取源口間距和操作液位的限制，只能測得罐下部2個取源口之間油品的密度。

用于密度計算的壓力或差壓變送器，取源口設置在正常操作的最低液位以下、油水界位以上，輸出信號接入儲罐液位連續測量儀表或儲罐數據管理單元。

2．2非計量級常壓和低壓儲罐

與計量級儲罐相比，非計量級常壓和低壓儲罐不設多點溫度計、油水界位測量儀表和用于密度計算的壓力變送器，其他儀表的設置與計量級常壓和低壓儲罐類似。與計量級常壓和低壓儲罐相同，容積小于1×105m3的儲罐應在罐頂設置液位連續測量儀表，容積不小于1×105m3的儲罐宜設2套液位連續測量儀表，并應配罐旁指示儀顯示液位。為便于操作監視，應在控制系統中設置高、低液位報警。同樣，為及時提醒操作人員，保障安全運行，非計量級常壓和低壓儲罐的高高、低低液位報警應在控制系統中設置，信號可取自連續測量儀表，也可取自液位開關。為了防止抽空或者冒罐，容積不小于1×104m3的儲罐宜采用液位高高聯鎖關閉罐進口管道開關閥、液位低低聯鎖停泵并關閉出口管道開關閥的控制方案，聯鎖信號宜取自液位連續測量儀表，也可取自液位開關，聯鎖應在控制系統中實現。

非計量級常壓和低壓儲罐的儀表配備相對簡單，液位連續測量儀表不需要計量級儀表的精度，也不需要對連續在線測量罐中油品的密度進行密度補償。非計量級儲罐溫度測量僅用于過程監測，宜設置單點熱電阻配現場溫度變送器，輸出信號接入罐區控制系統，其他儀表的設置與計量級常壓和低壓儲罐類似。

2．3計量級壓力儲罐

壓力儲罐的儀表設置要考慮壓力運行的條件，應在罐頂設置2套液位連續測量儀表，并應配罐旁指示儀顯示液位，應在控制系統中設置高、低液位報警。這2套液位連續測量儀表的測量原理可以相同或不同。有些項目要求采用2套不同測量原理的儀表，實際上意義不大，儲罐的液位測量條件并不苛刻，時間常數也較大，目前采用的儀表已經很成熟可靠，不必過分強調測量的共因失效和故障。如果一味強調采用2套不同測量原理的儀表而不是根據介質特性選擇適用的儀表，就可能造成儀表選型不合理。生產裝置中的塔、罐等設備的液位測量條件通常比油品儲罐苛刻，且多采用單套或2套相同的儀表，因而儲罐的測量也不必過分配置。

為及時提醒操作人員，保障安全運行，應在控制系統中設置儲罐的高高、低低液位報警及聯鎖，信號可取自連續測量儀表，也可取自液位開關。為了防止抽空或者冒罐，儲罐采用液位高高聯鎖關閉罐進口管道開關閥、液位低低聯鎖停泵的控制方案，聯鎖信號宜取自液位連續測量儀表，也可取自液位開關，聯鎖應在控制系統中實現。

計量級壓力儲罐需要按照計量級要求設置測量方案，當采用直接測量液位高度的方法測量容積，并需要計算標準體積、標準密度時，需要測量油品的溫度。所以對于油罐內的油品溫度可能不均勻的情況，應設置多點熱電阻溫度計測量并計算油罐內油品的平均溫度，輸出信號接入儲罐液位連續測量儀表。

計量級儲罐設置的多點熱電阻溫度計安裝于罐頂，按照儲罐有效高度范圍內每3m等間距平均布置的方式確定測溫點數，多點溫度檢測元件的最少點數應符合文獻的規定。

當儲罐油品豎向溫度變化較小時，在罐下部設置單點溫度計即可，不需要設多點溫度計。熱電阻溫度計可單獨設置，也可采用與油水界位測量儀表集成的形式。為了現場觀察罐內介質溫度，宜在儲罐下部設置雙金屬溫度計。

當采用雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等直接測量液位并換算油品總質量或容積時，需要測量油品密度。壓力儲罐采用2臺壓力變送器或1臺差壓變送器測量并計算平均密度，提高計算精度。

用于密度計算的壓力或差壓變送器，取源口設置在正常操作的最低液位以下、油水界位以上，輸出信號接入儲罐液位連續測量儀表或儲罐數據管理單元。

含水介質儲罐應設置油水界位測量儀表，可采用單獨的測量儀表，也可采用與熱電阻溫度計集成形式的，信號接入儲罐液位連續測量儀表，用以計算油品的實際液位。

應在罐頂設置壓力變送器和壓力表，有的儲罐還需要配備2套壓力變送器。為了減少取源接口堵塞引起共因失效，壓力變送器和壓力表不共用同一取源接口。球罐需要氮氣密封時，應設置壓力分程控制。氮氣入口管線應設置壓力表。根據SH 3136—2003《液化烴球型儲罐安全設計規范》，壓力儲罐一般不設置就地液位指示儀表，當需要就地液位指示儀表時，不應采用玻璃板液位計。

2．4非計量級壓力儲罐

與計量級儲罐相比，非計量級壓力儲罐不設多點溫度計、油水界位儀和用于密度測量的變送器，其他儀表的設置與計量級壓力儲罐類似。

與計量級壓力儲罐相同，儀表設置要考慮壓力運行的條件，應在罐頂設置2套液位連續測量儀表，并應配罐旁指示儀顯示液位。這2套液位連續測量儀表的測量原理可以相同或不同。應在控制系統中設置高、低液位報警。

同樣，為及時提醒操作人員，保障安全運行，應在控制系統中設置高高、低低液位報警及聯鎖，信號可取自連續測量儀表，也可取自液位開關。

為了防止抽空或者冒罐，儲罐采用液位高高聯鎖關閉罐進口管道開關閥，液位低低聯鎖停泵的控制方案，聯鎖信號宜取自液位連續測量儀表，也可取自液位開關，聯鎖應在控制系統中實現。

非計量級儲罐溫度測量僅用于過程監測，宜設置單點熱電阻配現場溫度變送器，輸出信號接入罐區控制系統。

2．5儲罐的測量儀表設置對照

計量級和非計量級儲罐的測量儀表設置見表2所列。

表2　計量級和非計量級儲罐的測量儀表設置

3儲罐計量系統

3．1儲罐計量系統的目的及用途

用于計量交接、貿易結算、物料平衡等需要精確測量和統計的罐區設計應包括儲罐計量系統。儲罐計量應采用精確測量的油品存量數據，存量可以是體積、質量或兩者兼顧，應具備所需要的精度。

儲罐計量系統是以DCS，SCADA系統為基礎建立的，與罐區生產管理系統聯網集成，共享數據。所有儲罐測量數據和計算結果應能在儲罐計量系統的操作站集中顯示，應有相應的流程操作畫面滿足庫存控制與管理、計量交接和貿易結算、輸送、輸轉、倒罐、泄漏和損耗控制、計量管理、生產調度、物料平衡、產品購銷等方面的需要。

3．2儲罐計量方法及儀表設置

目前主要應用的儲罐計量方法為混合法，其次是體積法和靜壓法。儲罐計量系統設計應根據需求選擇合理的計量方案，應采用合適的計量方法和儀表設置，還應考慮儲罐計量系統與自動控制系統和管理系統集成的方案。

3．3儲罐油品計量方法的術語和縮寫

儲罐油品計量方法的定義和縮寫主要源自GB/T 25964—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》。儲罐油品計量直接測量變量包括： 液位、溫度、壓力、靜壓、界位等。計算數據及參與計算的輔助數據如下：

1) 計量密度(Dobs)。指真空中油品的計量密度。

2) 標準密度(Dref)。指油品的標準密度，根據Dobs查文獻《石油計量表》得到標準溫度下的密度。

3) 總計量體積(TOV)。由自動液位計測量液位和罐容積表TCT計算得出。

4) 毛計量體積(GOV)。由TOV減去罐底游離水，再減去浮頂排液體積之后的體積。

5) 體積修正系數(VCF)。油品在標準溫度下的體積與其在非標準溫度下的體積之比，用于將計量溫度下的體積修正為標準溫度為20℃下的體積。由標準密度和自動溫度計測量的平均溫度查文獻計算得到，或按VCF=Dobs/Dref計算。

6) 標準溫度(t20)。油品計量的參照溫度，文獻規定為20℃。

7) 計量溫度(t)。油品計量時的溫度。

8) 毛標準體積(GSV)。按GSV=GOV·VCF計算。

9) 質量(mv)。油品在真空中的質量。

10) 表觀質量(ma)。油品在空氣中的表觀質量。

11) 罐容積表(TCT)。

3．4混合法計量方法及儀表設置

混合法可用于質量計量及體積計量，采用連續自動測量液位、密度、溫度和界位，實現精確的質量和體積計量，可適用于密度分層或含水并分層的介質、溫度變化的介質以及要求高精度計量的大容量儲罐。混合式儲罐計量系統的標準參見文獻。

混合法的自動測量變量應包括： 連續液位、多點溫度、壓力或差壓(密度)、油水界位等。罐存量的質量由毛計量體積和計量密度計算得到，液位和平均密度(靜壓)的測量不隨溫度變化，可連續測量真實平均密度。如果密度測量不可靠或不存在，也可使用人工取樣密度參與混合法的計算。如果需要換算標準體積和標準密度，應采用多點溫度測量，借助文獻得出標準密度，罐底有水時還應設油水界位測量。混合法儲罐計量計算方法如圖1所示。

1) 儲罐液位由液位儀表測量。

2) 油品差壓由壓力或差壓變送器測量。

3) 通過液位和差壓，即可計算實際的Dobs。

4) 通過液位和TCT計算GOV。

5) 油品溫度由溫度儀表測量，用油品溫度、Dobs根據文獻，得到Dref。

6) 用油品溫度、標準密度Dref根據文獻，得到體積修正系數VCF。

7) 用GOV·VCF得到GSV。

8) 通過GOV和Dobs計算得到mv及ma。

混合法儲罐油品計量得到的mv，ma，GSV，Dref等都是由連續測量值經計算所得，不是人工采樣值，所以計量精度高。

圖1　混合法儲罐計量計算方法示意

3．5體積法計量方法及儀表設置

體積法是基于體積測量的計量方法，也稱為體積質量法，即通過標準體積乘以標準密度計算得到空氣中的質量，不適用于密度分層或含水并分層的介質。實際上，體積質量法是混合法的一種簡化方案。

體積法中的質量是指空氣中的質量，方法是測得油品的體積、溫度、密度，通過計算得出實際存儲條件下的介質質量。與混合法不同的是，體積法的密度數值來自化驗室測得的人工取樣密度，不是生產過程中通過壓力或差壓(密度)得到的連續測量值，采樣時間和試樣的代表性會影響計量準確程度，因而不適用于需要連續精確計量的場合，也不適用于密度分層或含水并分層的介質。

體積法的自動測量變量應包括連續液位和多點溫度。罐存量的體積由測量的液位和罐容表計算得到，因為體積隨溫度變化，所以需要溫度修正。油品密度通過人工取樣測得，借助文獻得出標準密度，用毛標準體積乘以標準密度，就得到實際的罐內油品質量。體積法儲罐計量計算方法如圖2所示。

1) 儲罐液位由液位儀表測量。

2) 通過液位和TCT核算GOV。

3) 油品溫度由溫度儀表測量，根據文獻，得到VCF。

4) 用GOV·VCF得到GSV。

5) 通過人工取樣，根據GB/T 1884—2000《原油和液體石油產品密度實驗室測定法(密度計法)》在化驗室測得Dobs。

6) 由Dobs，根據文獻，得到Dref。

7) 用GSV·Dref得到ma。

圖2　體積法儲罐計量計算方法示意

3．6靜壓法計量方法及儀表設置

靜壓法是以測量液體靜壓為基礎的直接測量罐內液體質量的方法，適用于固定頂罐、外浮頂罐、內浮頂罐，適用于計量精度不高、介質密度均勻的小容量儲罐，不適用于密度分層或含水并分層的介質。

靜壓法是基于質量的儲罐計量方法，測量標準參見GB/T 18273—2000《石油和液體石油產品立式罐內油量的直接靜態測量法(HTG質量測量法)》，其實質是液體的壓力和差壓測量。靜壓法測量所用的壓力變送器應根據儲罐壓力類型設置，常壓儲罐應設2臺，非常壓儲罐應設3臺。利用壓力變送器即可測得液相壓力和氣相壓力，通過液相壓力差可算得介質密度，結合液相與氣相壓力差可計算出液位高度。靜壓法儲罐計量如圖3所示。

圖3　靜壓法儲罐計量示意

靜壓法的優點是可直接換算出質量，方案簡單、費用較低。缺點是由于液位和密度都是通過壓力或差壓測量計算所得，且只能測量固定間距內的介質密度，無法測得全部液體的平均密度，特別在密度分層、數值變化的工況下，密度的測量不可能精確，造成液位的計算也不精確，質量計量精度較低。

4儲罐計量系統的設計方案

儲罐計量系統設計除了選擇合適的計量方法、設置正確的計量方案、合理選擇測量儀表外，還應考慮儲罐計量現場儀表與自動控制系統和罐區管理系統的集成方案。對于管理要求不高的小型罐區或改造項目以及非精確計量的簡單計算可在自動控制系統中采用軟件組態的方式實現。具有多個儲罐的大型罐區應當按較高的計量管理水平設計，精確計量的復雜計算采用服務器配備專用的儲罐計量軟件實現。所有參與運算的實測過程變量應通過儲罐信號通信單元(TCU)以標準協議通信方式傳到儲罐計量系統的儲罐數據管理單元(TMU)，采用TCT及石油計量表等輔助數據表，進行運算處理，得出儲罐油品的體積或質量，或兩者均備的存量數據，儲罐計量系統采用自動控制系統實現的方案如圖4所示。儲罐計量的計算若采用服務器配備專用的儲罐計量軟件實現，服務器應與DCS采用數據交換方式。

圖4　采用服務器實現的儲罐計量系統示意

5小結

石油化工油品儲罐的計量與測量方案應根據工藝運行的需要、工廠的自動控制水平和管理水平設計。根據油品儲罐的壓力分類、計量與非計量分類、罐區規模、介質特性等情況綜合考慮，設置計量儀表和測量儀表的方案，確定合適的測量儀表種類、報警方案以及設定方式。

罐區生產運行的主要監控儀表是液位連續測量儀表，對于壓力儲罐及壓力變送器，應在控制系統中設置重要過程變量的多級報警和聯鎖。儲罐計量儀表要考慮合適的測量方式，滿足計量標準所需的儀表精度，應為溫度補償和密度補償設置儀表。儲罐油品計量常用的三種方法中，目前主要應用混合法，其具有相應的國家標準，精度最高，常用于計量交接或貿易結算。靜壓法也有相應的國家標準，精度較低，投資也最低。混合法和體積法既可以用于質量計量，也可以用于體積計量，靜壓法僅適用于質量計量。

儲罐計量系統設計應根據需求選擇合理的計量方案，應采用合適的計量方法和儀表設置，還應考慮儲罐計量系統與自動控制系統和管理系統集成的方案。

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摘要：總結了近年來石油化工儲運罐區中油品儲罐的計量與測量儀表方案。根據工藝運行的需要，將油品儲罐按常壓儲罐、低壓儲罐、壓力儲罐、計量與非計量進行了分類，并根據分類設置了計量儀表和測量儀表的方案。確定了合適的測量儀表種類、報警方案以及設定方式，為建立罐區的計量和測量系統奠定基礎。介紹了常用的混合法、體積法、靜壓法等計量方案，分析了各計量方案的儀表配置問題，列舉了切實可行的罐區計量和測量系統工程設計方法。

關鍵詞：油品儲罐儲罐計量儲罐測量測量方案混合法體積法靜壓法

Metering and Measuring Instrument Design Scheme for Petrochemical Oil TankZhang Huasha

(Sinopec Engineering Inc.， Beijing， 100101， China)

Abstracts： The metering and measuring instrument design schemes for petrochemical oil tank in tank farm are summarized． Oil tanks are classified into atmospheric tank， low pressure tank， pressurized tank， metering tank and non-metering tank according to process operation requirements． Metering and measuring instrument design schemes are defined based on classification． Suitable types of measuring instrument， alarm scheme and setting mode are determined， and the foundation of constructing metering and measuring system for tank farm is laid． The common metering methods such as hybrid tank measurement system; volumetric method; hydrostatic tank gauging are narrated． The configuration problems for each metering scheme are evaluated． Achievable engineering design schemes of metering and measuring system for tank farm are enumerated．

Key words：oil tank; tank metering; tank measuring; measurement scheme; hybrid tank measurement system; volumetric method; hydrostatic tank gauging

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0001-07

作者簡介：張華莎(1955—)，女，吉林長春人，1982年畢業于撫順石油學院自動化系過程控制專業，獲學士學位，現工作于中國石化工程建設有限公司，任教授級高級工程師。