伺服式液位儀與人工測量液高對比產生異常差異的分析

趙海榮

〔中國石化浙江石油分公司 浙江杭州 310009〕

成品油罐自動計量技術已在國內普及使用。目前主流是混合法自動計量系統(HTMS)和儲罐多功能計量儀等，但因部分油庫安裝的自動計量系統其測量參數與人工測量的計量數據相比存在較大差異，還不能完全代替人工計量[1]。其中油罐內液位高度是普遍存在的對比相差較大的重要參數之一。利用伺服式液位儀測量液高是目前自動計量系統液高測量的主要方法。本文就伺服式液位儀測量液高與人工測量液高的對比中可能會影響對比結果的幾個主要因素進行分析，從中找出影響伺服式液位儀液高測量準確性以及出現液高對比異常的原因。

1 伺服式液位儀代替人工測量液高的原理

在油罐總高(參照高度)不變的前提下，用伺服式液位儀測得油罐內液位空高，再用油罐總高減去液位空高，即可得到液位實高。人工測量的是油罐內液位實高。當自動計量系統調試完成后，其測量并通過計算得到的儲罐內液高，應等于人工測量液高(如圖1)。利用等量代換原理，將自動計量系統測得的液高，代替人工測量液高，再使用基于人工測量基準點編制的容積表進行罐內油量自動計算，從而達到自動測量的目的。

圖1 測量液高原理示意圖

2 測量對比的誤差要求

自動計量系統在測量空高、人工測量實高時，都存在隨機誤差。考慮計量準確性要求，石化系統專門發布了《油庫自動計量技術標準》，對自動計量系統和人工測量液高對比的誤差作了明確規定：浮頂罐在2 m≤油水總高≤安全高度的測量范圍、拱頂罐在1.5 m≤油水總高≤安全高度的測量范圍時，兩者油水總高對比差異不能超過±3 mm。液高對比超過±3 mm即認為對比異常差異，自動計量系統測量的液高就不能代替人工測量的液高。

3 對比產生異常差異的主要原因分析

目前，對伺服式液位儀測量液高和人工測量液高對比產生異常差異的原因。存在較多主觀認識，其中認為最主要的影響因素分別是：伺服式液位儀安裝位置、液位儀導向管開孔(槽)設計、液位儀導向管安裝方法、人工計量基準板安裝方法。以下分別對這4種情況進行逐一分析。

3.1 伺服式液位儀安裝位置

伺服式液位儀安裝位置一般可分兩種，一是與人工計量位置合并安裝，共用計量導向管(如圖2)。二是與人工計量位置分別安裝，可以在遠離人工計量口的正對面，也可以在靠近人工計量口的附近(如圖3)。

圖2 合并安裝示意圖

圖3 分別安裝示意圖

(1)在不考慮其他因素的前提下，人工計量位置和伺服式液位儀安裝位置相同(如圖2)。

人工測量儲罐內液高：h液=h實

式中：h實為人工計量時測得的實際高度，m。

式中：H參為上計量基準點到下計量基準點的參照高度，m；h空為伺服式液位儀測得的空高，m。

在下計量基準點和參照高度(液位儀安裝高度)都不改變的情況下，人工計量位置測得的任何液位的實高：h實=H參-h空

同位置安裝時，伺服式液位儀測量的液高和人工測量液高相等，不會出現對比異常差異。

(2)在不考慮其他因素的前提下，人工計量位置和伺服式液位儀安裝位置不同(如圖3)。

人工測量儲罐內液高：h液=h實

在液位儀測量調試過程中，必須對伺服式液位儀測量結果進行基于人工測量的參數修正：

在人工計量基準點無變化、液位儀安裝高度不改變的情況下，人工計量位置測得的任何液位實高：h實=H總-h空

不同位置安裝時，伺服式液位儀測量液高與人工測量液高相等，不會出現對比異常差異。

由以上分析可知，只要人工計量基準點無變化、液位儀安裝高度不改變，伺服式液位儀的安裝位置不會影響液位儀代替人工測量的準確度，不會造成對比異常差異。

3.2 伺服式液位儀導向管開孔(槽)設計

液位儀導向管在實際使用中是否開孔(槽)存在3種情況：①在導向管上連續開孔(槽)到儲油安全高度以上；②零星開孔(槽)到儲油高度的中高部；③不開孔(槽)。在不考慮其它因素的前提下，以內浮頂罐為例(導向管上部密封，如圖4)。

圖4 液位儀導向管示意圖

根據壓強計算公式，在人工測量下計量基準點同一水平面上：P0+ρgh實=P1+ρgh1實

由上式可得：h實-h1實=(P1-P0)/ρg

式中：h實為人工測量儲罐內液高，m；h1實為伺服式液位儀基于人工測量的下計量基準點同一水平面到導向管內油液面高度，m；p0為內浮盤以上氣體壓強，Pa；P1為伺服式液位儀導向管內油液面以上氣體壓強,Pa；ρ、g為油品密度和重力加速度，單位分別為kg/m3和N/kg。

設人工測量液高和伺服式液位儀測量液高之差為Δh，伺服式液位儀導向管內氣體壓強和浮盤以上氣體壓強之差為ΔP，則：

Δh=h實-h1實=(P1-P0)/ρg=ΔP/ρg

由上式可得：ΔP=Δhρg

(1)

當伺服式液位儀導向管內氣體壓強和浮盤以上氣體壓強相等時，Δh=0，人工測量液高和伺服式液位儀測量液高沒有差異。

當伺服式液位儀導向管內氣體壓強和浮盤以上氣體壓強不相等時，根據氣體平衡方程(假設溫度不變)，導向管內氣體：PV=nRT

其中：P為導向管內氣體壓強；V為導向管內氣體體積；n為物質的量；R為普適氣體常數；T為絕對溫度。

則：P0V0=P1V1

得：P0LS=P1(L-h)S

h=(P1-P0)L/P1

(2)

式中：P0為油品剛浸沒導向管開孔時密閉導向管內氣體壓力，Pa；V0為油品剛浸沒導向管開孔時密閉導向管內液面以上氣體體積，m3；P1為油品進入并超過導向管最高開孔時密閉導向管內液面以上氣體壓力，Pa；V1為油品進入并超過導向管最高開孔時密閉導向管內液面以上氣體體積，m3；L為導向管最高開孔到導向管頂部的距離，m；h為導向管最高開孔到油品進入導向管的深度，m。

根據公式(1)和(2)，可得：

h=(P1-P0)L/P1=ΔPL/(P0+ΔP)=ΔhρgL/(P0+Δhρg)

(3)

在伺服式液位儀和人工測量液高對比出現異常差異的臨界值，即Δh=3 mm時：設汽油密度ρ汽=740.0 kg/m3，柴油密度ρ柴=836.0 kg/m3，因內浮頂油罐上部有透氣孔，所以浮盤以上壓力P0近似等于大氣壓，P0=101 325 Pa，將以上參數分別代入(3)，當罐內儲存汽油時：h=0.000 21 L；罐內儲存柴油時：h=0.000 24 L。

即：當伺服式液位儀導向管沒有開孔(槽)或開孔(槽)未到儲油安全高度以上時，只要油液面進入液位儀導向管并浸沒導向管最高開孔(槽)高度以上時，伺服式液位儀與人工測量對比就會出現異常差異。

以長度為18 m的液位儀導向管為例，計算開孔(槽)高度在液高對比產生異常差異時，油品進入導向管最高開孔(槽)以上的最大深度，結果見表1。

表1 導向管是否開孔設計對測量液高的影響

伺服式液位儀導向管是否開孔(槽)會嚴重影響液高對比結果。當導向管沒有開孔(槽)或開孔(槽)高度達不到儲油高度的最高值以上時，在油品進入導向管或超過導向管開孔(槽)的最大高度后，液位儀導向管內氣體壓力與浮盤以上氣體壓力就會有壓差，油品進入導向管越多，壓差越大，液高對比差異越大。只有在導向管上超過儲油最高位置的地方開孔(槽)，才能保證導向管內外氣體壓力一致，液高對比就不會產生異常差異。但如需要在該導向管內測密度(使用全自動計量儀或伺服式密度計)，還需要保證導向管內油品的樣本代表性，油品必須能在導向管內與油罐間自由流動，因此要保證導向管有足夠數量和足夠尺寸的開孔(槽)。

3.3 液位儀導向管安裝方法

液位儀導向管的安裝一般可分為兩種，一種是安裝在油罐底板上(如圖5)，另一種是安裝在油罐壁上(如圖6)。以液位儀導向管位置和人工計量位置不一致為例，在不考慮其它因素的前提下，分析液位儀導向管安裝方法對液高對比結果的影響。

圖5 安裝在底板示意圖

圖6 安裝在罐壁示意圖

(1)伺服式液位儀導向管安裝在油罐底板上，當液位儀導向管所在油罐底板發生沉降時，液位儀與導向管一起整體下降，但總高不變；油液面會有少量位移，但一般不會隨著底板的沉降而發生同等距離的整體下降。

人工測量液高：h液=h′=h實-h空移

式中，h空移為油液面下降的距離，m。

式中，h1實移為液位儀導向管下降的距離，m。

因為：h實=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空-h空移-H總+(h空-h1實移+h空移)=-h1實移

在油罐底板正常完好時，ΔH=0，即導向管安裝在油罐底板時不會影響液高對比。但當液位儀導向管所在底板位置出現沉降等異常時，液位儀測量液高不等于人工測量液高，當液位儀導向管底板位置下降超過3 mm時，其測量的液高與人工測量對比會出現異常差異。反之，也可以通過液高對比的異常差異，去判斷油罐底板是否存在沉降等異常情況。當油罐底板出現沉降等異常情況時，油罐容積表的底容量發生改變，此類油罐不能再作為貿易交接計量使用[2]。

(2)伺服式液位儀導向管安裝在油罐壁上。當油罐底板(除基準板所在位置外)任何一處發生沉降時，液位儀與導向管都不會隨著油罐底板的沉降而發生任何變化；油液面會有少量位移，但一般不會隨著底板的沉降而發生同等距離的整體下降。

人工測量液高：h液=h′=h實-h空移

因為：h實=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空-h空移-H總+(h空+h空移)=0

當液位儀導向管安裝在罐壁時，不管油罐底板是否存在沉降等異常，只要計量基準板位置沒有變化，液位儀測量液高與人工測量液高就總是相等，其測量的液高對比不會出現異常差異。但因底板沉降等原因會造成油罐底容積改變，此類油罐不能再作為貿易交接計量使用。

在液位儀導向管安裝位置和人工計量口安裝位置一致時，伺服式液位儀導向管安裝在油罐底板和安裝在罐壁上，造成液高計量對比的結論與安裝位置不一致時的結論相反。

3.4 人工計量基準板安裝方法

人工計量基準板安裝一般可分為3種，一是安裝在油罐底板上(圖7)，二是安裝在油罐壁上(圖8)，三是安裝在人工計量導向管的下部(圖9)。以液位儀導向管位置和人工計量位置不一致為例，在不考慮其它因素的前提下，分析人工計量基準板安裝方法不同對液高對比結果的影響。

圖7 基準板安裝在底板

圖8 基準板安裝在罐壁

圖9 基準板安裝在導向管下部

(1)人工計量基準板安裝在油罐底板上，當安裝有計量基準板的油罐底板發生沉降時，計量基準板會同時隨之發生移位；油液面會有少量位移，但一般不會隨著底板的沉降而發生同等距離的整體下降。此時：

人工測量液高：h液=h′=h實+h實移-h空移

式中：h′為油罐底板沉降后測得的實際油高，m；h實移為底板沉降引起的下計量基準板下降的距離，m。

液位儀測量液高：

人工測量和液位儀測量之差：

因為：h實=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空+h實移-h空移-H總+(h空+h空移)=h實移

在油罐底板正常完好時，ΔH=0，即基準板安裝在油罐底板時不會影響液高對比。當計量基準板所在底板位置出現沉降等異常時，液位儀測量液高不等于人工測量液高，當下計量基準板下降超過3 mm時，其測量的液高對比會出現異常差異。同時，因為計量基準板的沉降，使得基于人工計量基準點編制的原容積表將不再適用于底板沉降變化后的油罐，此類油罐不能再作為貿易交接計量使用。

(2)人工計量基準板安裝在油罐壁上或人工計量導向管的下部，當油罐底板發生沉降等變化時，計量基準板因固定在罐壁或導向管下部，其不會隨底板沉降而移動。油液面因為底板的沉降等變化會有少量位移，但一般不會隨著底板沉降而發生等距離的整體下降。

人工測量液高：h液=h′=h實-h空移

因為：h實=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空-h空移-H總+(h空+h空移)=0

當計量基準板安裝在油罐壁或人工計量導向管下部時，不管油罐底板是否存在沉降等異常，液位儀測量液高與人工測量液高總是相等，其測量的液高對比不會出現異常差異。但因底板沉降等原因會造成底容積改變，使得基于人工計量基準點編制的原容積表將不再適用于底板沉降變化后的油罐，此類油罐不能再作為貿易交接計量使用。

在液位儀導向管安裝位置和人工計量口安裝位置一致時，同理分析可知：當油罐底板發生沉降等異常時，計量基準板安裝在油罐底板上，如果液位儀導向管同樣安裝在底板上，則液高對比不會產生異常；如果液位儀導向管安裝在罐壁上時，液高對比會產生異常。當計量基準板安裝在罐壁上，如果導向管安裝在油罐底板時，則液高對比都會產生異常；如果導向管安裝在罐壁時，則液高對比無異常。

4 措施建議

油罐在安裝伺服式液位儀時，除了要考慮后期液高對比不能有異常差異外，還要考慮對油罐底部狀態的監管，以確認是否存在底板變形等影響計量交接的情況。對伺服式液位儀及人工計量基準板的設計、安裝提出以下建議措施：

(1)伺服式液位儀的安裝位置可以選擇在罐頂的任何方便安裝的地方。

(2)伺服式液位儀的導向管應開孔(槽)設計，以保證導向管內外氣體壓力一致，消除液高對比差異。如需通過導向管測密度，還需在導向管上開孔(槽)，具體方法是：交叉開通孔，孔的直徑應不小于50 mm，間距不大于100 mm，或交叉向上對稱開槽，槽的寬度不小于25 mm，長度不小于250 mm。開孔(槽)時應連續向上超過油罐最大儲油液位高度。

(3)當伺服式液位儀導向管位置和人工計量口位置不一致時，伺服式液位儀的導向管應安裝在油罐底板上。當伺服式液位儀導向管位置和人工計量口位置一致時，伺服式液位儀導向管應安裝在油罐壁上。

(4)當伺服式液位儀導向管位置和人工計量口位置不一致時，人工計量基準板應安裝在油罐底板上。當伺服式液位儀導向管位置和人工計量口位置一致時，人工計量基準板也應安裝在油罐底板上。