自動密度計與儲罐自動計量系統

周安川

（中國石化銷售股份有限公司安徽石油分公司，安徽 合肥 230000）

1 理論的依據

1.1 混合法工作原理

混合法應用自動液位計可直接測量出儲罐油品的液位高度；伺服液位計、磁致伸縮液位計等液位計也可測量出儲罐水位高度；平均溫度計可直接測量出儲罐油品的平均溫度。則根據儲罐容積表得到t 溫度下的油品體積。再查GB1885 得到VCF20。則得到油品標準體積：V20=Vt×VCF20。

混合法密度自動測量的工作原理是：

ρt（真空中）：在t 溫度、H 液位高度下的平均密度。

P：在t 溫度、H 液位高度下的油品靜壓力差。

g：當地重力加速度。

則質量（真空中）：m=ρt×Vt

1.2 混合法密度測量的缺欠

以應用最多，液位安全高度為13m 的成品（汽、柴）油油罐為例。

根據混合法工作原理[1]，選用目前精度最高的壓力變送器：應用量程為124kPa，精度為±0.02%FS。

如果不考慮環境溫度變化的影響測量油品密度，那么它的最大絕對誤差大約為24.8Pa。根據混合法公式，油品密度由壓力和液位計算得出，在差壓變送器絕對誤差為24.8Pa 時所引入的密度誤差用下式表示：

高度為2.53m，則密度誤差就為1kg/m3；高度為5.06m，則密度誤差就為0.5kg/m3；所以液位高度在5m 以下時，密度誤差要大于計量要求。而一部分油庫在壓力變送器的安裝、調校、維護上未按照計量儀表的規程操作，致使實際使用精度遠超過±0.02%。所以混合法儲罐自動計量系統遠遠超出了我們當時選用時的期望值。因此我們在此基礎上，加裝自動密度計直接測量密度，才能真正達到貿易交接的計量水平。

2 儲罐自動密度計

2.1 發展歷程

進入2000 年，以Enraf 手提式儲罐液位計量裝置、LEMIS 便攜式儲罐自動密度計最先在煉化企業應用。隨著石化銷售企業對油品貿易交接計量精度要求的提高，儲罐手持計量工具得到了推廣。而“LEMIS 便攜式儲罐自動密度計”就是目前在儲罐自動計量系統中應用的所謂“伺服密度計”的雛形。最早在儲罐密度計量上應用的自動密度計是“多點在線密度計”。其根據儲罐高度設置固定的密度測量傳感器，這個結構就像儲罐多點平均溫度計。見圖1 所示。

圖1 多點自動密度計

由于多點在線密度計受限于應用，近5 年來，參照“便攜式儲罐自動密度計”原理與結構的“伺服密度計”應運而生。

2.2 自動密度計

自動密度計的結構分為兩部分：傳感器和變送器。其關鍵部件是密度傳感器。目前在儲罐液體測量中應用的傳感器多為諧振式（也稱為振動式）液體密度傳感器。見圖2。

圖2 多點自動密度計結構示意圖

諧振式測量原理是通過諧振子振動特性實現密度測量。諧振子在工作過程中，可等效為一個單自由度系統，系統以固有頻率振動，固有頻率只與系統中的等效質量和等效彈性系數有關。當系統中的彈性敏感元件和液體相接觸而改變了系統的等效質量，使系統的固有頻率發生變化。通過測量系統的固定頻率變化，確定待測液體的密度。根據諧振子結構可分為諧振筒式液體密度傳感器、諧振管式液體密度傳感器、諧振膜式液體密度傳感器、諧振弦式液體密度傳感器、音叉式液體密度傳感器[2]。

密度傳感器中內置了高精度溫度傳感器，溫度傳感器一般選用精度在±0.1℃的Pt1000 鉑電阻。保證了密度、溫度的同位、同時測量。并且，密度傳感器中還內置了水位探測器，可測量儲罐油水界面。

自動密度計變送器部分是一個集運動控制、數據采集、計量運算為一體的自動化系統。其包括了動力及傳動部件、液位計量部件、控制及通訊部件等。

動力及傳動部件是由步進電機、減速器、同軸連接器、尺帶、尺帶輪、計量輪組成。步進電機是將電脈沖信號轉換為角位移的裝置。一個脈沖，電機走一步，旋轉一個角度（稱為“步距角”）。步進電機的轉速取決于脈沖信號的頻率，停止的位置取決于脈沖信號的脈沖數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，步進電機軸帶動尺帶輪旋轉，尺帶輪帶動尺帶上下移動。一般設定一個脈沖步進電機轉動0.02°，傳動到尺帶輪，根據尺帶輪纏繞直徑的變化，尺帶移動0.005～0.02mm。達到準確定位的目的。

液位計量部件主要由密碼器和計量輪組成。編碼器是把角位移轉換成電脈沖信號的裝置，也稱為碼盤[3]。尺帶輪轉動通過尺帶帶動計量輪轉動，計量輪傳動編碼器。編碼器輸出脈沖信號，編碼器每轉動0.01°角度就發出一個脈沖信號，對應尺帶在在輪上走過0.02mm，通過編碼器實現尺帶上下運動長度測量。

控制及通訊部件是變送器的電氣部件。由步進電機控制器、系統微控制器、非易失性存儲器、時鐘控制器、數據采集器、信號轉換器、安全柵等組成。步進電機控制器用于控制步進電機；系統微控制器為中央總控；非易失性存儲器存儲系統配置及關鍵數據；時鐘控制器為系統運行及測量數據標注時間；數據采集器用于測量數據信號采集；信號轉換器通過光電轉換將防爆0區電信號與隔爆區電信號隔離；安全柵為密度傳感器提供本質安全型電源與通訊。

密度傳感器與變送器之間是通過尺帶連接。尺帶的襯底材料是優質高碳素鋼，抗拉強度：＞1600N/mm2，這與量油尺相同。尺帶鋼制襯底向下與密度傳感器殼體連接，向上與變送器殼體連接，變送器殼體通過法蘭跨接銅片與罐體連接，形成設備整體接地。尺帶襯底兩側各有一根0.2mm2的銅導線，完成密度傳感器與變送器通訊。尺帶附著在表面的材料為耐油、耐磨、絕緣材料。并且對于避免靜電電荷積聚，在國家防爆標準GB3836 中有詳細要求，并必須通過第三方專業機構的防爆檢定。

2.3 自動密度計安裝

鑒于多數油庫為原計量系統改造，所以，盡量要求現場不清罐、不動火、不影響油庫正常作業的情況下施工。現有系統已基本組成，僅缺密度計。所以，密度計安裝于人工計量口，改造工程很小，易于實施。

在油罐人工計量口之上安裝自動密度計，必須安裝“量油轉換器（俗稱：投尺箱）”，便于人工計量操作，也便于人工與自動進行計量比對。投尺箱上部法蘭與密度計法蘭配套，下部法蘭與原有投尺孔法蘭配套。

若該罐需要人工投尺，在計量軟件界面上點擊該罐圖標，再點擊【人工投尺】按鈕，密度計將自動收回密度探頭，投尺結束后，仍在該界面點擊【密度測量】，密度計將恢復測量狀態。現場具有操作按鈕，可在現場操作提升密度計傳感器。

3 儲罐自動計量系統

成品油油庫儲油罐安裝自動密度計的目的不是增加密度測量設備，而是為提升儲罐自動計量系統精度。實現儲罐油品計量精度最高、穩定性最好、可靠性最強、操作性最易的油罐自動計量系統。做到系統結構的先進性；計量與監控的互補性；計量方式的兼容性；數據處理的多樣性。才是我們最終的目的。所以，僅提高了密度測量精度，而沒有提高油罐計量系統精度，則未完全達到安裝自動密度計的目的。

3.1 儲罐自動計量系統技術指標

1）油品商業質量測量準確度≤±0.2%；

2） 系統重復性≤±0.15%；

3） 油品液位測量準確度≤±3mm；

4） 密度測量準確度≤±0.5kg/m3；

5） 油水界面測量準確度≤±2mm；

6） 溫度測量準確度≤±0.3℃；

7）系統使用壽命≥10 年。

3.2 儲罐自動計量系統結構

這種系統最早出現在20 世紀70 年代，其主要特征是將一個庫區儲罐自動計量系統分布到每個儲油罐，一個罐上的所有計量儀表連接到一個罐前處理器（現場處理器）中，作為一個獨立的單罐計量系統。罐前處理器可以是一個低成本的小型PLC，也可以是一個微處理器為基礎的計量處理器，許多儲罐自動計量系統生產廠家都有這樣的產品。罐前處理器把每個罐許多特定的幾何參數（即罐的容積表、石油產品的密度換算表、體積修正系數表等）存儲在內，結合采集到的液位計、密度計、溫度計、壓力變送器數據值，經過獨立計算及處理，得到該儲罐的液位高度、油品溫度、油品密度、標準體積、商業質量。

將系統分為現場儀表層、現場控制層、綜合管理層。各個層面各司其職，便于系統維護與更新換代。每個處理器器都能獨自完成自己的功能，讓系統的故障分散，不會因一個儀表故障引起全套系統癱瘓。由于現場處理器采用固化的應用軟件集成了符合國家標準的算法和程序控制，不受計算機操作系統、數據庫及網絡的影響，使系統的可靠性大大提高。罐處理器可組成的混合法可拆解成：液位法、靜壓法、密度法，并互為冗余、互為轉換，并且增加了計量數據的現場顯示，優化了油庫罐區巡檢。

圖3 儲罐自動計量系統結構圖

3.4 電氣連接

原系統安裝不變，加一根電纜、護管、接線箱，從罐頂密度計至罐旁現場處理器（顯示器）。罐旁現場處理器安裝支架采用地腳螺栓安裝或混凝土澆筑。儀表電纜應用“明裝”護管連接，電源與通訊應用原電源與通訊電纜（如圖4）。

在中央控制室設置計量工作站，包括：計算機一臺、接口單元一臺、計量軟件一套。

3.5 計量工作站與人機界面

由于上層計算機僅為系統配置、系統操作、數據綜合；所以，上層計算機只是一個工作站，即使關閉，每個罐處理器仍可獨立運行計量操作，不影響油庫數據集成系統及PLC 系統的數據采集。分布式系統擁有高速的數據通信系統，實現不同控制器和監控計算機和管理計算機的綜合控制。然后通過高速數據通道，能夠把不同的控制器關聯起來，進行協調控制。系統可以監控其他設備，完成功能高級復雜的控制算法，實現整體的優化信息。網頁版（在油庫專網中，通過網絡授權，可以通過網頁瀏覽器查看計量數據）

圖4 電源與通訊電纜

4 結語

成品油油庫儲罐自動計量已走過二十多個年頭，成敗褒貶不一。近一年多來，計量系統加入自動密度計裝置，提升計量系統精度，已得到實踐的證實。但是，儲罐計量是一個系統工程，仍要考慮其建設過程中的四個關鍵問題：1）設計的合理性；2）安裝施工質量；3）所選儀表及系統的精度；4）調試人員的水平。并非系統安裝完畢即萬事大吉，根據大量經驗數據的統計規律，儀表、裝調、使用維護，三種誤差各占系統總誤差的百分比為40%、30%、30%。即按4-3-3 規律分布，儀表的固有誤差只占40%左右，而另有60%的誤差來源于安裝與調試、現場標定、正確使用及日常維護。所以，建設好一個儲罐自動計量系統，還要付出許許多多不懈的努力。