油罐(艙)固定式自動液位計應用研究

孫巖,畢海鵬

(1. 中石化石油化工科學研究院有限公司,北京 100083;2. 中國石化集團有限公司科技部,北京 100728)

油罐(艙)中的液位數據是貿易交接及庫存管理所關注的計量指標,是靜態油量計算[1-2]中的重要計量參數。目前,液位數據主要通過人工檢尺[3-4]或固定式自動液位計(ALG)獲取。

相比液位手工計量,ALG可實時獲取、處理液位數據,并將數據集成于罐(艙)區數據采集與監控系統(SCADA)中,更有利于液位數據的分析利用。在測量結果的準確度方面,計量級ALG的固有誤差(儀器測量不確定度)可控制在1 mm以內,同時避免了人工檢尺測量過程中引入的測量重復性等標準不確定度分量,降低了測量結果的隨機誤差。

伴隨油罐(艙)計量自動化、數字化轉型發展,ALG作為油罐(艙)標準配套設備已廣泛投用。然而,ALG的計量結果卻難以令人滿意,致使大量計量級ALG只用于監控用途,浪費了其實際計量能力。應用中發現,儀表固有誤差并非影響ALG測量結果準確度的唯一因素,其測量結果同時受到油品特性、安裝及運行條件等多重因素影響。

1 自動液位計應用技術現狀

ALG應用文獻主要見于技術標準及液位計生產廠家提供的設備使用手冊。技術標準包括國際標準(ISO)[5-7]、美國石油學會石油計量標準手冊(API MPMS)[8-10]及國家標準[11-13]。以上手冊及標準均給出了ALG在投用前儀器測量不確定度要求、安裝要求、設置檢驗方法,以及投用后的后期檢驗方法及檢驗頻率。相關標準通過提出各種要求性條款使ALG減少受到各種不利因素的影響;設備使用手冊是生產廠家結合自身產品專有技術考慮的ALG安裝使用說明,總體技術內容及技術要求與主流標準相近,包含技術細節更加全面并具有專用性。

技術標準與設備手冊結合使用已成為指導ALG應用的主要方案。

2 影響液位計使用性能的主要因素

2.1 ALG的選型影響

ALG根據測量方式可劃分為接觸式和非接觸式兩種類型,由于計量原理不同,所以計量性能有所差異。

2.1.1接觸式ALG

接觸式ALG通常以伺服式液位計為代表,基于阿基米德原理進行測量。通過高準確度的測力傳感器使吊絲以恒定拉力懸掛底部浸沒于液面的測量浮子,當液位靜止時,拉力等于浮子所受重力與浮力之差;當液面升降時,原有受力平衡被打破,浮子跟隨液面同向升降,直到再次實現受力平衡。浮子升降時,伺服電機以一定步幅升降測量鋼絲,計數器同步記錄伺服電機的轉動步數,并自動計算出測量浮子的位移量,即液位的變化量。

伺服式液位計由吊絲懸吊,在搖晃條件下,如油船艙,會帶來較大的測量誤差及安全隱患。如果油船艙安裝伺服式液位計,船體發生劇烈搖晃時,通常將浮子回收并置于“存放”位置,但該操作會影響液位計的使用效率。

2.1.2非接觸式ALG

非接觸式ALG常見類型為雷達液位計,采用了基于頻率調制連續波FMCW(frequency modulated continuous wave)的測量技術。液位計在向液面發射信號的同時,接收由液面返回的信號,發射與接收信號的頻率通常不同,雷達液位計將對時間信號的測量轉變為對頻率信號的測量,經對頻率信號處理后進而獲得相應的液位。

在測量高蒸氣壓產品時,雷達液位計可能會存在困難。由于高蒸氣壓產品在氣液界面處的蒸氣濃度較高,致使界面處的氣液阻抗變化不顯著,從而影響回波接收,帶來液面測量不準確的問題。同時,儲罐內氣體空間因高濃度的產品蒸氣導致相對介電常數增大,降低了雷達波(電磁波)在氣體空間的傳播速度。測量時,如果未引入介電常數的變化補償,測量結果與實際液位會產生較大差異。

2.2 儀器不確定度的影響

ALG不確定度是其測量結果不確定度的重要分量,一般通過校準或檢定來劃分。根據儀器不確定度對儀器進行準確度等級劃分,準確度等級較高的ALG通常會帶來高準確度的測量結果,但也意味著更高的使用成本。因此,ALG在選用時,應根據其用途及應用場景確定合適的準確度等級。對于油罐(艙)計量交接用ALG,國家標準[11-13]對ALG在常壓罐、帶壓罐、油船艙應用時,給出了儀器不確定度分別為1 mm,1 mm,3 mm,目前主要ALG制造廠家的儀器不確定度控制在0.5 mm以內,庫存管理用ALG的儀器不確定度要求可適當放寬。

油船艙液位計量為動平臺計量,其測量結果的準確度要明顯低于陸地儲罐液位計量結果,因此標準對于油船艙液位計的儀器測量不確定度要求相比陸地儲罐液位計有所放寬。

2.3 運行條件的影響

ALG的工況運行條件,包括環境、技術條件等,通常區別于校準或檢定條件。因此,ALG測量結果的不確定度不僅包括儀器不確定度分量,還包括由ALG運行條件引入的不確定度分量(以下簡稱“條件分量”),并且條件分量是測量結果不確定度的主要分量。

運行條件的影響主要來自ALG的安裝位置不穩定以及環境條件對ALG計量性能的改變。ALG通常直接安裝在罐頂或與儲罐適當連接的保持垂直方向并打過孔的計量管上,該計量管是用來降低因液體波動、液體攪拌等引起的測量誤差而裝入罐內的打過孔的立管。由于溫度、壓力等變化引起的油罐(艙)變形導致ALG不可避免會發生垂向位移,同時也會引起部分ALG用于液位計算的測量基準點的相對位移,其結果是影響ALG的測量數據。現場溫度、濕度及振動等環境條件變化會降低ALG的計量性能,使ALG低于校準或檢定時的準確度表現。

國家標準[11-13]對常壓罐、帶壓罐條件分量的要求均為3 mm。

3 ALG的使用建議

3.1 根據應用場景選擇

計量罐主要包括常壓罐(立式圓筒形)、帶壓罐(球形)及油船艙。根據罐(艙)類型及儲存介質特點,不同類型儲罐宜匹配相應形式的液位計。

1)常壓罐。一般用于儲存雷德蒸氣壓小于101 kPa的石油和液體產品,該類儲罐使用伺服及雷達式液位計均有很好的計量表現。但當常壓罐儲存易凝高黏原油、燃料油等油品時,雷達液位計為首選,因為該類油品對于伺服液位計會產生粘掛浮子的現象,進而影響測量結果。

2)帶壓罐。通常儲存液化石油氣等高蒸氣壓產品,罐內氣相空間高濃度的蒸氣會對雷達波的傳播造成影響,致使雷達液位計發生示值跳躍而與測量參考值差異較大的現象。因此,在帶壓罐中宜使用伺服式液位計進行測量。如果仍使用雷達式液位計測量高蒸氣壓產品,應充分考慮以下因素對測量結果的影響:

a)液位界面回波質量。該影響主要源于在液面處氣液兩相物性(主要指介電常數)接近,導致回波質量降低以及蒸氣分層帶來的干擾回波。以液化石油氣主要組分丙烷為例,其液相介電常數為1.6,蒸氣為1.67,液位界面處二者數值接近,致使界面阻抗變化不明顯,降低了反射波強度。為避免該類影響,雷達液位計的待測產品氣液兩相介電常數差異宜維持在1個數量級以上。

b)電磁波傳播速度變化。雷達波是電磁波的一種,其傳播速度與介質磁導率及介電常數密切相關。當產品蒸氣壓較高時,以丙烷為例,罐內氣相空間為高濃度的產品蒸氣,其介電常數區別于空氣介電常數(通常為1),其蒸氣會降低雷達波傳播速度,如仍以空氣作為傳播介質進行液位計算,會造成20%左右的測量相對誤差。應采取適當措施避免該影響,如引入蒸氣補償算法。

雷達波在介質中的傳播速度v如式(1)所示:

(1)

式中:c——電磁波在真空中的傳播速度;μ——介質的相對磁導率,通常取1;ε——介質的相對介電常數。

3)油船艙。液位測量為動平臺測量,其測量環境決定了伺服式液位計的局限性。對于油船艙,宜使用雷達式液位計進行測量。

3.2 開展在線檢定

ALG雖然不是強制檢定計量器具,但定期的檢定是檢查其計量性能及量值溯源的必要步驟。

現有檢定規程JJG 971—2019《液位計 檢定規程》[14]的檢定條件為實驗室檢定,要求檢定周期不超過1 a。按現有檢定規程要求,ALG的后續檢定需從罐上拆除移入實驗室進行,該操作一方面會影響儲罐正常運行,頻繁的拆裝也會降低ALG的計量性能及使用壽命,并且實驗室的檢定結果很難在罐上使用時復現。為解決以上問題,推薦做法是實驗室檢定僅用于ALG出廠首次檢定,待安裝后,實施在線(罐上)檢定。在線檢定可通過使用固定的標準距離或移動式標準器進行。

標準距離應選擇相對穩定不變的距離,可以是ALG的上參照點,下基準板或者是預置的檢驗針。檢定時,使用ALG對選定的標準距離進行測量,并通過示值誤差對檢定結果進行判斷。以上標準距離是具有不確定度的,在使用時應予以注意。

使用移動式標準器進行在線檢定應選定準確度表現更好的標準器。現有準確度等級較高的移動式液位計量裝置為便攜式電子計量裝置(PEGD),該裝置是一種由尺帶及電子尺坨組成的量油尺,可理解為傳統量油尺的自動化升級,大幅減小了由人工操作(包括對模擬式儀器的讀數存在人為偏移)引入的標準不確定度分量,使用發現PEGD具有較好的穩定性及測量準確度表現。基于PEGD開發出檢定裝置及檢定方法可成為未來ALG在線檢定的研究方向。

3.3 選擇合適的安裝位置

ALG安裝位置的選擇,主要考慮以下幾方面:

1)安裝位置的穩定性。對于常壓罐及帶壓罐,ALG通常安裝在計量管上,以減小儲罐變形造成的ALG安裝位置的垂向變化。對于油船艙,ALG直接固定在油船甲板上,因為油船擺動及海上其他不利工況,船艙形變易對穩液管帶來安全隱患。

2)對計量罐形式的考慮。對于帶壓罐,ALG應盡量靠近罐體垂向中心線位置安裝,以提高ALG的測量范圍;對于油船艙測量,將ALG安裝在長方體船艙的幾何中心可免于進行液位的橫、縱傾修正,若是非對稱船艙,如艏艉邊艙,ALG應靠近內側艙壁安裝,以提高ALG的測量范圍。

3)與手工檢尺位置的匹配。當參比手工檢尺讀數檢驗ALG讀數時,手工檢尺位置應靠近ALG的測量位置,以避免過遠距離所帶來的難以預測的垂向位移。

3.4 定期檢驗

定期檢驗是對ALG計量性能判斷的期間核查過程,通過結果比對的方式檢查ALG是否仍保持上一次檢定或校準后的良好狀態,其準確度技術指標是否仍符合要求。

ALG檢驗的實現方式與在線檢定或校準相似,均借助手工檢尺或固定的標準距離與ALG復現的測量結果比對。不同的是,檢驗是對ALG計量性能研判的常規操作,其操作條件要求沒有檢定或校準時的要求嚴格。檢驗時,手工檢尺或固定距離的測量結果準確度無法保證高于ALG,因此檢驗不具有量值溯源性。

檢驗過程中的比對結果限值稱為試驗差,對常壓罐的試驗差要求為4 mm,對油船艙的試驗差要求為6 mm,對帶壓罐的試驗差要求為3 mm。當實際比對結果在限值內時,可認為ALG的計量性能符合使用要求,當超出時,有必要綜合分析原因,并進一步判斷該檢驗周期內的ALG數據是否可信。

4 結束語

使用ALG獲得穩定準確的液位數據是一項系統性、長期性工作,除ALG投用前的選型外,還應綜合考慮ALG的使用條件,并定期對ALG進行檢驗調整。使用ALG雖然減少了人工檢尺的勞動強度,但用戶需將更多精力投入到ALG的日常監控及維護上,只有這樣,才能使ALG在庫存管理及交接計量中發揮更好的使用效果,并為計量數字化轉型提供更多的幫助。