伺服式液位儀與人工測(cè)量液高對(duì)比產(chǎn)生異常差異的分析

趙海榮

〔中國(guó)石化浙江石油分公司 浙江杭州 310009〕

成品油罐自動(dòng)計(jì)量技術(shù)已在國(guó)內(nèi)普及使用。目前主流是混合法自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)(HTMS)和儲(chǔ)罐多功能計(jì)量?jī)x等，但因部分油庫(kù)安裝的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)其測(cè)量參數(shù)與人工測(cè)量的計(jì)量數(shù)據(jù)相比存在較大差異，還不能完全代替人工計(jì)量[1]。其中油罐內(nèi)液位高度是普遍存在的對(duì)比相差較大的重要參數(shù)之一。利用伺服式液位儀測(cè)量液高是目前自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)液高測(cè)量的主要方法。本文就伺服式液位儀測(cè)量液高與人工測(cè)量液高的對(duì)比中可能會(huì)影響對(duì)比結(jié)果的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析，從中找出影響伺服式液位儀液高測(cè)量準(zhǔn)確性以及出現(xiàn)液高對(duì)比異常的原因。

1 伺服式液位儀代替人工測(cè)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(cè)得油罐內(nèi)液位空高，再用油罐總高減去液位空高，即可得到液位實(shí)高。人工測(cè)量的是油罐內(nèi)液位實(shí)高。當(dāng)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)調(diào)試完成后，其測(cè)量并通過(guò)計(jì)算得到的儲(chǔ)罐內(nèi)液高，應(yīng)等于人工測(cè)量液高(如圖1)。利用等量代換原理，將自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)測(cè)得的液高，代替人工測(cè)量液高，再使用基于人工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)編制的容積表進(jìn)行罐內(nèi)油量自動(dòng)計(jì)算，從而達(dá)到自動(dòng)測(cè)量的目的。

圖1 測(cè)量液高原理示意圖

2 測(cè)量對(duì)比的誤差要求

自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在測(cè)量空高、人工測(cè)量實(shí)高時(shí)，都存在隨機(jī)誤差。考慮計(jì)量準(zhǔn)確性要求，石化系統(tǒng)專門發(fā)布了《油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)和人工測(cè)量液高對(duì)比的誤差作了明確規(guī)定：浮頂罐在2 m≤油水總高≤安全高度的測(cè)量范圍、拱頂罐在1.5 m≤油水總高≤安全高度的測(cè)量范圍時(shí)，兩者油水總高對(duì)比差異不能超過(guò)±3 mm。液高對(duì)比超過(guò)±3 mm即認(rèn)為對(duì)比異常差異，自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量的液高就不能代替人工測(cè)量的液高。

3 對(duì)比產(chǎn)生異常差異的主要原因分析

目前，對(duì)伺服式液位儀測(cè)量液高和人工測(cè)量液高對(duì)比產(chǎn)生異常差異的原因。存在較多主觀認(rèn)識(shí)，其中認(rèn)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(dǎo)向管開(kāi)孔(槽)設(shè)計(jì)、液位儀導(dǎo)向管安裝方法、人工計(jì)量基準(zhǔn)板安裝方法。以下分別對(duì)這4種情況進(jìn)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(jì)量位置合并安裝，共用計(jì)量導(dǎo)向管(如圖2)。二是與人工計(jì)量位置分別安裝，可以在遠(yuǎn)離人工計(jì)量口的正對(duì)面，也可以在靠近人工計(jì)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(jì)量位置和伺服式液位儀安裝位置相同(如圖2)。

人工測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)液高：h液=h實(shí)

式中：h實(shí)為人工計(jì)量時(shí)測(cè)得的實(shí)際高度，m。

式中：H參為上計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)到下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)的參照高度，m；h空為伺服式液位儀測(cè)得的空高，m。

在下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)和參照高度(液位儀安裝高度)都不改變的情況下，人工計(jì)量位置測(cè)得的任何液位的實(shí)高：h實(shí)=H參-h空

同位置安裝時(shí)，伺服式液位儀測(cè)量的液高和人工測(cè)量液高相等，不會(huì)出現(xiàn)對(duì)比異常差異。

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

人工測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)液高：h液=h實(shí)

在液位儀測(cè)量調(diào)試過(guò)程中，必須對(duì)伺服式液位儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行基于人工測(cè)量的參數(shù)修正：

在人工計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)無(wú)變化、液位儀安裝高度不改變的情況下，人工計(jì)量位置測(cè)得的任何液位實(shí)高：h實(shí)=H總-h空

不同位置安裝時(shí)，伺服式液位儀測(cè)量液高與人工測(cè)量液高相等，不會(huì)出現(xiàn)對(duì)比異常差異。

由以上分析可知，只要人工計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)無(wú)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(huì)影響液位儀代替人工測(cè)量的準(zhǔn)確度，不會(huì)造成對(duì)比異常差異。

3.2 伺服式液位儀導(dǎo)向管開(kāi)孔(槽)設(shè)計(jì)

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

圖4 液位儀導(dǎo)向管示意圖

根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算公式，在人工測(cè)量下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)同一水平面上：P0+ρgh實(shí)=P1+ρgh1實(shí)

由上式可得：h實(shí)-h1實(shí)=(P1-P0)/ρg

式中：h實(shí)為人工測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)液高，m；h1實(shí)為伺服式液位儀基于人工測(cè)量的下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)同一水平面到導(dǎo)向管內(nèi)油液面高度，m；p0為內(nèi)浮盤以上氣體壓強(qiáng)，Pa；P1為伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)油液面以上氣體壓強(qiáng),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(shè)人工測(cè)量液高和伺服式液位儀測(cè)量液高之差為Δh，伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓強(qiáng)和浮盤以上氣體壓強(qiáng)之差為ΔP，則：

Δh=h實(shí)-h1實(shí)=(P1-P0)/ρg=ΔP/ρg

由上式可得：ΔP=Δhρg

(1)

當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓強(qiáng)和浮盤以上氣體壓強(qiáng)相等時(shí)，Δh=0，人工測(cè)量液高和伺服式液位儀測(cè)量液高沒(méi)有差異。

當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓強(qiáng)和浮盤以上氣體壓強(qiáng)不相等時(shí)，根據(jù)氣體平衡方程(假設(shè)溫度不變)，導(dǎo)向管內(nèi)氣體：PV=nRT

其中：P為導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓強(qiáng)；V為導(dǎo)向管內(nèi)氣體體積；n為物質(zhì)的量；R為普適氣體常數(shù)；T為絕對(duì)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(méi)導(dǎo)向管開(kāi)孔時(shí)密閉導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓力，Pa；V0為油品剛浸沒(méi)導(dǎo)向管開(kāi)孔時(shí)密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體體積，m3；P1為油品進(jìn)入并超過(guò)導(dǎo)向管最高開(kāi)孔時(shí)密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體壓力，Pa；V1為油品進(jìn)入并超過(guò)導(dǎo)向管最高開(kāi)孔時(shí)密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體體積，m3；L為導(dǎo)向管最高開(kāi)孔到導(dǎo)向管頂部的距離，m；h為導(dǎo)向管最高開(kāi)孔到油品進(jìn)入導(dǎo)向管的深度，m。

根據(jù)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(cè)量液高對(duì)比出現(xiàn)異常差異的臨界值，即Δh=3 mm時(shí)：設(shè)汽油密度ρ汽=740.0 kg/m3，柴油密度ρ柴=836.0 kg/m3，因內(nèi)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(shù)分別代入(3)，當(dāng)罐內(nèi)儲(chǔ)存汽油時(shí)：h=0.000 21 L；罐內(nèi)儲(chǔ)存柴油時(shí)：h=0.000 24 L。

即：當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管沒(méi)有開(kāi)孔(槽)或開(kāi)孔(槽)未到儲(chǔ)油安全高度以上時(shí)，只要油液面進(jìn)入液位儀導(dǎo)向管并浸沒(méi)導(dǎo)向管最高開(kāi)孔(槽)高度以上時(shí)，伺服式液位儀與人工測(cè)量對(duì)比就會(huì)出現(xiàn)異常差異。

以長(zhǎng)度為18 m的液位儀導(dǎo)向管為例，計(jì)算開(kāi)孔(槽)高度在液高對(duì)比產(chǎn)生異常差異時(shí)，油品進(jìn)入導(dǎo)向管最高開(kāi)孔(槽)以上的最大深度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)向管是否開(kāi)孔設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量液高的影響

伺服式液位儀導(dǎo)向管是否開(kāi)孔(槽)會(huì)嚴(yán)重影響液高對(duì)比結(jié)果。當(dāng)導(dǎo)向管沒(méi)有開(kāi)孔(槽)或開(kāi)孔(槽)高度達(dá)不到儲(chǔ)油高度的最高值以上時(shí)，在油品進(jìn)入導(dǎo)向管或超過(guò)導(dǎo)向管開(kāi)孔(槽)的最大高度后，液位儀導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓力與浮盤以上氣體壓力就會(huì)有壓差，油品進(jìn)入導(dǎo)向管越多，壓差越大，液高對(duì)比差異越大。只有在導(dǎo)向管上超過(guò)儲(chǔ)油最高位置的地方開(kāi)孔(槽)，才能保證導(dǎo)向管內(nèi)外氣體壓力一致，液高對(duì)比就不會(huì)產(chǎn)生異常差異。但如需要在該導(dǎo)向管內(nèi)測(cè)密度(使用全自動(dòng)計(jì)量?jī)x或伺服式密度計(jì))，還需要保證導(dǎo)向管內(nèi)油品的樣本代表性，油品必須能在導(dǎo)向管內(nèi)與油罐間自由流動(dòng)，因此要保證導(dǎo)向管有足夠數(shù)量和足夠尺寸的開(kāi)孔(槽)。

3.3 液位儀導(dǎo)向管安裝方法

液位儀導(dǎo)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(dǎo)向管位置和人工計(jì)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(dǎo)向管安裝方法對(duì)液高對(duì)比結(jié)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(dǎo)向管安裝在油罐底板上，當(dāng)液位儀導(dǎo)向管所在油罐底板發(fā)生沉降時(shí)，液位儀與導(dǎo)向管一起整體下降，但總高不變；油液面會(huì)有少量位移，但一般不會(huì)隨著底板的沉降而發(fā)生同等距離的整體下降。

人工測(cè)量液高：h液=h′=h實(shí)-h空移

式中，h空移為油液面下降的距離，m。

式中，h1實(shí)移為液位儀導(dǎo)向管下降的距離，m。

因?yàn)椋篽實(shí)=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空-h空移-H總+(h空-h1實(shí)移+h空移)=-h1實(shí)移

在油罐底板正常完好時(shí)，ΔH=0，即導(dǎo)向管安裝在油罐底板時(shí)不會(huì)影響液高對(duì)比。但當(dāng)液位儀導(dǎo)向管所在底板位置出現(xiàn)沉降等異常時(shí)，液位儀測(cè)量液高不等于人工測(cè)量液高，當(dāng)液位儀導(dǎo)向管底板位置下降超過(guò)3 mm時(shí)，其測(cè)量的液高與人工測(cè)量對(duì)比會(huì)出現(xiàn)異常差異。反之，也可以通過(guò)液高對(duì)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(dāng)油罐底板出現(xiàn)沉降等異常情況時(shí)，油罐容積表的底容量發(fā)生改變，此類油罐不能再作為貿(mào)易交接計(jì)量使用[2]。

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

人工測(cè)量液高：h液=h′=h實(shí)-h空移

因?yàn)椋篽實(shí)=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(dāng)液位儀導(dǎo)向管安裝在罐壁時(shí)，不管油罐底板是否存在沉降等異常，只要計(jì)量基準(zhǔn)板位置沒(méi)有變化，液位儀測(cè)量液高與人工測(cè)量液高就總是相等，其測(cè)量的液高對(duì)比不會(huì)出現(xiàn)異常差異。但因底板沉降等原因會(huì)造成油罐底容積改變，此類油罐不能再作為貿(mào)易交接計(jì)量使用。

在液位儀導(dǎo)向管安裝位置和人工計(jì)量口安裝位置一致時(shí)，伺服式液位儀導(dǎo)向管安裝在油罐底板和安裝在罐壁上，造成液高計(jì)量對(duì)比的結(jié)論與安裝位置不一致時(shí)的結(jié)論相反。

3.4 人工計(jì)量基準(zhǔn)板安裝方法

人工計(jì)量基準(zhǔn)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(jì)量導(dǎo)向管的下部(圖9)。以液位儀導(dǎo)向管位置和人工計(jì)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(jì)量基準(zhǔn)板安裝方法不同對(duì)液高對(duì)比結(jié)果的影響。

圖7 基準(zhǔn)板安裝在底板

圖8 基準(zhǔn)板安裝在罐壁

圖9 基準(zhǔn)板安裝在導(dǎo)向管下部

(1)人工計(jì)量基準(zhǔn)板安裝在油罐底板上，當(dāng)安裝有計(jì)量基準(zhǔn)板的油罐底板發(fā)生沉降時(shí)，計(jì)量基準(zhǔn)板會(huì)同時(shí)隨之發(fā)生移位；油液面會(huì)有少量位移，但一般不會(huì)隨著底板的沉降而發(fā)生同等距離的整體下降。此時(shí)：

人工測(cè)量液高：h液=h′=h實(shí)+h實(shí)移-h空移

式中：h′為油罐底板沉降后測(cè)得的實(shí)際油高，m；h實(shí)移為底板沉降引起的下計(jì)量基準(zhǔn)板下降的距離，m。

液位儀測(cè)量液高：

人工測(cè)量和液位儀測(cè)量之差：

因?yàn)椋篽實(shí)=H總-h空，代入上式

所以：ΔH=H總-h空+h實(shí)移-h空移-H總+(h空+h空移)=h實(shí)移

在油罐底板正常完好時(shí)，ΔH=0，即基準(zhǔn)板安裝在油罐底板時(shí)不會(huì)影響液高對(duì)比。當(dāng)計(jì)量基準(zhǔn)板所在底板位置出現(xiàn)沉降等異常時(shí)，液位儀測(cè)量液高不等于人工測(cè)量液高，當(dāng)下計(jì)量基準(zhǔn)板下降超過(guò)3 mm時(shí)，其測(cè)量的液高對(duì)比會(huì)出現(xiàn)異常差異。同時(shí)，因?yàn)橛?jì)量基準(zhǔn)板的沉降，使得基于人工計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)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(mào)易交接計(jì)量使用。

(2)人工計(jì)量基準(zhǔn)板安裝在油罐壁上或人工計(jì)量導(dǎo)向管的下部，當(dāng)油罐底板發(fā)生沉降等變化時(shí)，計(jì)量基準(zhǔn)板因固定在罐壁或?qū)蚬芟虏浚洳粫?huì)隨底板沉降而移動(dòng)。油液面因?yàn)榈装宓某两档茸兓瘯?huì)有少量位移，但一般不會(huì)隨著底板沉降而發(fā)生等距離的整體下降。

人工測(cè)量液高：h液=h′=h實(shí)-h空移

因?yàn)椋篽實(shí)=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(dāng)計(jì)量基準(zhǔn)板安裝在油罐壁或人工計(jì)量導(dǎo)向管下部時(shí)，不管油罐底板是否存在沉降等異常，液位儀測(cè)量液高與人工測(cè)量液高總是相等，其測(cè)量的液高對(duì)比不會(huì)出現(xiàn)異常差異。但因底板沉降等原因會(huì)造成底容積改變，使得基于人工計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)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(mào)易交接計(jì)量使用。

在液位儀導(dǎo)向管安裝位置和人工計(jì)量口安裝位置一致時(shí)，同理分析可知：當(dāng)油罐底板發(fā)生沉降等異常時(shí)，計(jì)量基準(zhǔn)板安裝在油罐底板上，如果液位儀導(dǎo)向管同樣安裝在底板上，則液高對(duì)比不會(huì)產(chǎn)生異常；如果液位儀導(dǎo)向管安裝在罐壁上時(shí)，液高對(duì)比會(huì)產(chǎn)生異常。當(dāng)計(jì)量基準(zhǔn)板安裝在罐壁上，如果導(dǎo)向管安裝在油罐底板時(shí)，則液高對(duì)比都會(huì)產(chǎn)生異常；如果導(dǎo)向管安裝在罐壁時(shí)，則液高對(duì)比無(wú)異常。

4 措施建議

油罐在安裝伺服式液位儀時(shí)，除了要考慮后期液高對(duì)比不能有異常差異外，還要考慮對(duì)油罐底部狀態(tài)的監(jiān)管，以確認(rèn)是否存在底板變形等影響計(jì)量交接的情況。對(duì)伺服式液位儀及人工計(jì)量基準(zhǔn)板的設(shè)計(jì)、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?shù)娜魏畏奖惆惭b的地方。

(2)伺服式液位儀的導(dǎo)向管應(yīng)開(kāi)孔(槽)設(shè)計(jì)，以保證導(dǎo)向管內(nèi)外氣體壓力一致，消除液高對(duì)比差異。如需通過(guò)導(dǎo)向管測(cè)密度，還需在導(dǎo)向管上開(kāi)孔(槽)，具體方法是：交叉開(kāi)通孔，孔的直徑應(yīng)不小于50 mm，間距不大于100 mm，或交叉向上對(duì)稱開(kāi)槽，槽的寬度不小于25 mm，長(zhǎng)度不小于250 mm。開(kāi)孔(槽)時(shí)應(yīng)連續(xù)向上超過(guò)油罐最大儲(chǔ)油液位高度。

(3)當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管位置和人工計(jì)量口位置不一致時(shí)，伺服式液位儀的導(dǎo)向管應(yīng)安裝在油罐底板上。當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管位置和人工計(jì)量口位置一致時(shí)，伺服式液位儀導(dǎo)向管應(yīng)安裝在油罐壁上。

(4)當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管位置和人工計(jì)量口位置不一致時(shí)，人工計(jì)量基準(zhǔn)板應(yīng)安裝在油罐底板上。當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管位置和人工計(jì)量口位置一致時(shí)，人工計(jì)量基準(zhǔn)板也應(yīng)安裝在油罐底板上。