伺服式液位儀與人工測量液高對比產(chǎn)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(shù)已在國內(nèi)普及使用。目前主流是混合法自動計量系統(tǒng)(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(tǒng)其測量參數(shù)與人工測量的計量數(shù)據(jù)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(nèi)液位高度是普遍存在的對比相差較大的重要參數(shù)之一。利用伺服式液位儀測量液高是目前自動計量系統(tǒng)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(jié)果的幾個主要因素進(jìn)行分析，從中找出影響伺服式液位儀液高測量準(zhǔn)確性以及出現(xiàn)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(nèi)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(nèi)液位實高。當(dāng)自動計量系統(tǒng)調(diào)試完成后，其測量并通過計算得到的儲罐內(nèi)液高，應(yīng)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(tǒng)測得的液高，代替人工測量液高，再使用基于人工測量基準(zhǔn)點編制的容積表進(jìn)行罐內(nèi)油量自動計算，從而達(dá)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(tǒng)在測量空高、人工測量實高時，都存在隨機誤差?？紤]計量準(zhǔn)確性要求，石化系統(tǒng)專門發(fā)布了《油庫自動計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對自動計量系統(tǒng)和人工測量液高對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(rèn)為對比異常差異，自動計量系統(tǒng)測量的液高就不能代替人工測量的液高。

3 對比產(chǎn)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(chǎn)生異常差異的原因。存在較多主觀認(rèn)識，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)向管開孔(槽)設(shè)計、液位儀導(dǎo)向管安裝方法、人工計量基準(zhǔn)板安裝方法。以下分別對這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，一是與人工計量位置合并安裝，共用計量導(dǎo)向管(如圖2)。二是與人工計量位置分別安裝，可以在遠(yuǎn)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(nèi)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(zhǔn)點到下計量基準(zhǔn)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(zhǔn)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(xiàn)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(nèi)液高：h液=h實

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

在人工計量基準(zhǔn)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(xiàn)對比異常差異。

由以上分析可知，只要人工計量基準(zhǔn)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(zhǔn)確度，不會造成對比異常差異。

3.2 伺服式液位儀導(dǎo)向管開孔(槽)設(shè)計

液位儀導(dǎo)向管在實際使用中是否開孔(槽)存在3種情況：①在導(dǎo)向管上連續(xù)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(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)壓強計算公式，在人工測量下計量基準(zhǔn)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(nèi)液高，m；h1實為伺服式液位儀基于人工測量的下計量基準(zhǔn)點同一水平面到導(dǎo)向管內(nèi)油液面高度，m；p0為內(nèi)浮盤以上氣體壓強，Pa；P1為伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)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(shè)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(dǎo)向管內(nèi)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(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)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(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓強和浮盤以上氣體壓強不相等時，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；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(dǎo)向管開孔時密閉導(dǎo)向管內(nèi)氣體壓力，Pa；V0為油品剛浸沒導(dǎo)向管開孔時密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體體積，m3；P1為油品進(jìn)入并超過導(dǎo)向管最高開孔時密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體壓力，Pa；V1為油品進(jìn)入并超過導(dǎo)向管最高開孔時密閉導(dǎo)向管內(nèi)液面以上氣體體積，m3；L為導(dǎo)向管最高開孔到導(dǎo)向管頂部的距離，m；h為導(dǎo)向管最高開孔到油品進(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量液高對比出現(xiàn)異常差異的臨界值，即Δh=3 mm時：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)儲存汽油時：h=0.000 21 L；罐內(nèi)儲存柴油時：h=0.000 24 L。

即：當(dāng)伺服式液位儀導(dǎo)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(jìn)入液位儀導(dǎo)向管并浸沒導(dǎo)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(xiàn)異常差異。

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

表1 導(dǎo)向管是否開孔設(shè)計對測量液高的影響

伺服式液位儀導(dǎo)向管是否開孔(槽)會嚴(yán)重影響液高對比結(jié)果。當(dāng)導(dǎo)向管沒有開孔(槽)或開孔(槽)高度達(dá)不到儲油高度的最高值以上時，在油品進(jìn)入導(dǎo)向管或超過導(dǎo)向管開孔(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有壓差，油品進(jìn)入導(dǎo)向管越多，壓差越大，液高對比差異越大。只有在導(dǎo)向管上超過儲油最高位置的地方開孔(槽)，才能保證導(dǎo)向管內(nèi)外氣體壓力一致，液高對比就不會產(chǎn)生異常差異。但如需要在該導(dǎo)向管內(nèi)測密度(使用全自動計量儀或伺服式密度計)，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，因此要保證導(dǎo)向管有足夠數(shù)量和足夠尺寸的開孔(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)向管安裝方法對液高對比結(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，液位儀與導(dǎo)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(fā)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(dǎo)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(dǎo)向管安裝在油罐底板時不會影響液高對比。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，液位儀測量液高不等于人工測量液高，當(dāng)液位儀導(dǎo)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(xiàn)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(dāng)油罐底板出現(xiàn)沉降等異常情況時，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，液位儀與導(dǎo)向管都不會隨著油罐底板的沉降而發(fā)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(fā)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(dāng)液位儀導(dǎo)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(zhǔn)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(xiàn)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(mào)易交接計量使用。

在液位儀導(dǎo)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(dǎo)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(jié)論與安裝位置不一致時的結(jié)論相反。

3.4 人工計量基準(zhǔn)板安裝方法

人工計量基準(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)，三是安裝在人工計量導(dǎo)向管的下部(圖9)。以液位儀導(dǎo)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(zhǔn)板安裝方法不同對液高對比結(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)人工計量基準(zhǔn)板安裝在油罐底板上，當(dāng)安裝有計量基準(zhǔn)板的油罐底板發(fā)生沉降時，計量基準(zhǔn)板會同時隨之發(fā)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(fā)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(zhǔn)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(zhǔn)板安裝在油罐底板時不會影響液高對比。當(dāng)計量基準(zhǔn)板所在底板位置出現(xiàn)沉降等異常時，液位儀測量液高不等于人工測量液高，當(dāng)下計量基準(zhǔn)板下降超過3 mm時，其測量的液高對比會出現(xiàn)異常差異。同時，因為計量基準(zhǔn)板的沉降，使得基于人工計量基準(zhǔn)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(mào)易交接計量使用。

(2)人工計量基準(zhǔn)板安裝在油罐壁上或人工計量導(dǎo)向管的下部，當(dāng)油罐底板發(fā)生沉降等變化時，計量基準(zhǔn)板因固定在罐壁或?qū)蚬芟虏?，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(fā)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(dāng)計量基準(zhǔn)板安裝在油罐壁或人工計量導(dǎo)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(xiàn)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(zhǔn)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(mào)易交接計量使用。

在液位儀導(dǎo)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(dāng)油罐底板發(fā)生沉降等異常時，計量基準(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，則液高對比不會產(chǎn)生異常；如果液位儀導(dǎo)向管安裝在罐壁上時，液高對比會產(chǎn)生異常。當(dāng)計量基準(zhǔn)板安裝在罐壁上，如果導(dǎo)向管安裝在油罐底板時，則液高對比都會產(chǎn)生異常；如果導(dǎo)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(tài)的監(jiān)管，以確認(rèn)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(zhǔn)板的設(shè)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?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)開孔(槽)設(shè)計，以保證導(dǎo)向管內(nèi)外氣體壓力一致，消除液高對比差異。如需通過導(dǎo)向管測密度，還需在導(dǎo)向管上開孔(槽)，具體方法是：交叉開通孔，孔的直徑應(yīng)不小于50 mm，間距不大于100 mm，或交叉向上對稱開槽，槽的寬度不小于25 mm，長度不小于250 mm。開孔(槽)時應(yīng)連續(xù)向上超過油罐最大儲油液位高度。

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