付油控制裝置現(xiàn)場校準方法的研究

施 鑫，安海驕，張 璋

（天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津300192）

石油公司油庫對外銷售液體石油產(chǎn)品 （如汽油、柴油等）的過程中，付油控制裝置（以下簡稱付油裝置）負責油品的輸送和計量，利用流量計采集的流量信號、 溫度傳感器采集的溫度信號等數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學模型運算，計算出輸出的成品油量。付油是將油庫儲油罐中的油品經(jīng)過付油管線輸送到裝車鶴位，再注入油罐車的過程，在此過程中系統(tǒng)一方面要通過控制閥門或變頻器調(diào)節(jié)輸油量，另一方面要借助流量計準確計量輸油量，借此作為結(jié)算依據(jù)。在實際應用中，由于流量計不便拆卸，石油公司對于付油裝置現(xiàn)場計量校準的需求十分迫切。

1 付油裝置的原理及特性

付油控制裝置主要由計量單元、 安全防護單元、動力單元、主控單元和執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，如圖1 所示。計量單元主要包括安裝在輸油管路上的流量計、溫度變送器、壓力變送器，用于采集裝置工況參數(shù)。安全防護單元主要實現(xiàn)靜電接地、防溢油、緊急停止、油品安全流速檢測、油氣回收等功能。動力單元主要指泵機，為油品的輸送提供動力。主控單元實現(xiàn)顯示信息、數(shù)據(jù)存儲、采集、計算、操作控制、系統(tǒng)參數(shù)修改、系統(tǒng)管理等功能。執(zhí)行機構(gòu)主要指流量調(diào)節(jié)閥、開關閥等部件。付油裝置通過鶴管（鶴位）與油罐車接口連接，一套付油裝置往往具有多個鶴位，可實現(xiàn)不同種類油品的加注。

圖1 付油控制裝置示意圖Fig.1 Structure diagram of oil-dispensing equipment

在付油裝置裝載成品油之前，首先要設定一個預裝量，稱為付油設定值，裝置通過控制泵和閥門進行裝載，當接近付油設定值時，切斷油路。此時，系統(tǒng)顯示出裝載量，稱為付油顯示值。我們將作為付油結(jié)算依據(jù)的量值稱為付油結(jié)算值。在實際貿(mào)易中，既有將付油顯示值作為結(jié)算值的情況，也有將付油設定值作為結(jié)算值的情況。值得注意的是，不僅付油顯示值與設定值可能不同，而且二者與實際裝載量也可能存在差異。針對實際需求，付油裝置現(xiàn)場校準工作需要通過技術手段準確地測量出付油結(jié)算值與實際裝載量間的誤差（稱為付油結(jié)算值誤差），和付油設定值與顯示值間的誤差（稱為預裝量控制誤差），以便將誤差控制在允許的范圍內(nèi)。

2 付油結(jié)算值誤差的校準方法研究

考慮到現(xiàn)場校準的可操作性和接近工況條件的要求，校準時將付油裝置的鶴管與收集容器相連接并開始付油操作，付油完成后計量收集容器中油品的質(zhì)量或體積。采用衡器測量油品質(zhì)量的方法稱為衡量法，采用標準金屬量器測量油品體積的方法稱為容積比較法。付油裝置的計量單元一般采用質(zhì)量流量計或容積式流量計計量付油量，根據(jù)計量單元的流量計類型相應地優(yōu)先選擇衡量法或容積比較法，因為這樣可以避免密度測量引入的不確定度。

2.1 計量單元為質(zhì)量流量計

付油控制裝置的計量單元為質(zhì)量流量計時，單次測量的付油結(jié)算值誤差按式（1）計算：

式中：Ei為第i次測量的付油結(jié)算值誤差；Mi為第i次測量的付油結(jié)算值（付油顯示值或設定值）；（Ms）i為第i次測量的付油標準值。

使用不同主標準器時，付油標準值的計算方法如下：

（1）以衡器作為主標準器

式中：（ms）i為第i次測量的衡器的示值；Cf為浮力修正因子，根據(jù)式（3）計算：

式中：ρs為主標準器處油品的視密度；ρb為衡器檢定用標準砝碼的密度；ρa為空氣密度。

若檢定衡器時不使用砝碼，則：

（2）以標準金屬量器作為主標準器

式中：（Vo）i為第i次測量標準金屬量器的示值；βs為標準金屬量器的體膨脹系數(shù)；β 為油品的體膨脹系數(shù)；κ 為油品的壓縮系數(shù)；tm為流量計處油品的溫度；ts為標準金屬量器處油品的溫度；pm為流量計處油品的壓力；ps為標準金屬量器處油品的壓力；VCF20為將計量溫度（tm）下的體積修正到20 ℃下的體積修正系數(shù)[1]；ρ20為由視密度和計量溫度查標準密度表[1]得到的標準密度。

2.2 計量單元為容積式流量計

付油控制裝置的計量單元為容積式流量計時，單次測量的付油結(jié)算值誤差按式（6）計算：

式中：Ei為第i次測量的付油結(jié)算值誤差；Vi為第i次測量的付油結(jié)算值；（Vs）i為第i次測量的付油標準值。

使用衡器和或標準金屬量器作為主標準器時，付油標準值分別根據(jù)式（7）或（8）計算：

付油結(jié)算值誤差E按式（9）計算：

式中：n為校準次數(shù)。

付油結(jié)算值誤差的重復性Er按式（10）計算：

式中：（Ei）max為單次測量付油結(jié)算值誤差中的最大值；（Ei）min為單次測量付油結(jié)算值誤差中的最小值；dn為極差系數(shù)，其值見表1。

表1 極差系數(shù)表Tab.1 Coefficient dn

3 預裝量控制誤差的校準方法研究

為了貼近工況條件，預裝量控制誤差試驗可在實際付油過程中測量，并保證付油設定值不小于3000 L 或3000 kg。記錄每次付油過程裝置的設定值和顯示值。

單次測量的預裝量控制誤差Δi按式（11）計算：

式中：（Qset）i為第i次測量裝置的付油設定值；（Qdis）i為第i次測量裝置的付油顯示值。

付油控制裝置的預裝量控制誤差Δ 按式（12）計算：

4 實驗研究與不確定度分析

為了進一步驗證校準方法的有效性，選取一套付油控制裝置進行實驗研究。裝置計量單元流量計采用質(zhì)量流量計，溫度變送器最大允許誤差不超過±0．5 ℃，付油結(jié)算值采用顯示值。校準使用的主標準器和配套儀器包括：2000 L 二等金屬量器，溫度計（最大允許誤差不超過±0．2 ℃） 和二等石油密度計。分別測量付油結(jié)算值誤差和預裝量控制誤差，實驗數(shù)據(jù)如表2 和表3 所示。

根據(jù)式（1）和式（5），付油結(jié)算值誤差可按式（13）計算：

表2 付油結(jié)算值誤差校準實驗結(jié)果Tab.2 Experiment result for calibration of settlement flow error

表3 預裝量控制誤差校準實驗結(jié)果Tab.3 Experiment result for calibration of set flow error

由于βs≈5×10-5℃-1，β≈12×10-4℃-1，κ≈（4～15）×10-10Pa-1，ts、tm、ps、pm的不確定度貢獻量可忽略不計，并將K視為常數(shù)，付油結(jié)算值誤差的不確定度傳播率如式（15）所示：

式中靈敏系數(shù)為

由式（15）可知，付油結(jié)算值誤差的不確定度來源主要有：標準金屬量器引入的不確定度分量；被校裝置引入的不確定度分量，即重復測量引入的A類不確定度；介質(zhì)標準密度引入的不確定度分量；體積修正系數(shù)引入的不確定度分量。

（1）標準金屬量器引入的不確定度分量u（V0）

標準金屬量器的準確度等級為二等，其最大允許誤差為±0．025%，按照均勻分布考慮，則：

靈敏度系數(shù)c（V0）＝-0．501（1/m3）。

（2）被校裝置引入的不確定度分量u（M）

被校裝置引入的不確定度考慮主要為重復測量引入的A 類不確定度，按照式（17）計算。

靈敏度系數(shù)c（M）＝0．000677（1/kg）。

（3）介質(zhì)標準密度引入的不確定度分量ur（ρ20）

由于介質(zhì)標準密度是由標準器處油品計量溫度（ts）和視密度（ρs）查石油產(chǎn)品標準密度表[1]獲取的，因此介質(zhì)標準密度引入的不確定度分量與計量溫度、視密度有關。以第一次測量數(shù)據(jù)為例，由于溫度計的最大允許誤差為±0．2 ℃，二等標準石油密度計的最大允許誤差為±0．3 kg/m3，按照均勻分布考慮，ts和ρs的最佳估計值分別落在（17．1～17．5）℃和（742．2～742．8）kg/m3的范圍內(nèi)，忽略標準密度表的不確定度，通過查表可得到在此計量溫度和視密度區(qū)間內(nèi)的所有標準密度值，獲得ρ20的范圍為（739．6～740．6）kg/m3，假設其服從均勻分布，則有：

靈敏度系數(shù)c（ρ20）＝-0．00135 m3/kg。

同理，計算另外兩次測量的對應值，取其中最大者作為u（ρ20），即0．289 kg/m3。

（4）體積修正系數(shù)引入的不確定度分量ur（VCF20）

體積修正系數(shù)由流量計處油品計量溫度（tm）和標準密度（ρ20）查石油產(chǎn)品體積修正系數(shù)表[1]獲取。其標準不確定度評定方法與標準密度類似，通過查表可得到VCF20在1．0037～1．0049 的范圍內(nèi)，假設其服從均勻分布，則有：

靈敏度系數(shù)c（VCF20）＝-0．994。

同理，計算另外兩次測量的對應值，取其中最大者作為u（VCF20），即0．000346。

將各標準不確定度分量代入式（15），得到E的合成標準不確定度為0．056%。取包含因子k＝2，擴展不確定度Ur為0．11%。

5 結(jié)語

本文研究了付油控制裝置的現(xiàn)場校準方法，針對結(jié)算雙方關心的付油結(jié)算值誤差和預裝量控制誤差給出了實驗方案，采用衡量法和容量比較法測量付油標準值，并根據(jù)不同計量單元種類，分別給出了使用兩種校準方法的數(shù)據(jù)處理過程。最終通過實驗和不確定度分析驗證了該校準方法的可行性。