混合法儲罐計量系統(tǒng)在常壓固定頂罐中的應(yīng)用

羅宏偉

(大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714)

近年來，中國很多新建的煉化一體化項目都有一個中央罐區(qū)，其功能主要承擔(dān)接收碼頭進口的化工原料，以及送至碼頭出口的化工成品，同時還兼有緩沖的功能。為了維護整個工廠的平穩(wěn)運營，對于整個罐區(qū)內(nèi)各種化工品的存量需要進行儲罐計量。儲罐計量目的是量化儲罐內(nèi)產(chǎn)品的容積和質(zhì)量，主要包括液位、溫度和壓力測量。測量方法取決于儲罐類型、介質(zhì)類型和儲罐的使用方式。儲罐計量系統(tǒng)的計量精度尤為重要。在計算不同溫度條件下的介質(zhì)體積時，需進行適當(dāng)?shù)捏w積補償。為了實時計算平均視密度和產(chǎn)品質(zhì)量，通常還會進行儲罐底部的壓力測量。采用儲罐計量系統(tǒng)以數(shù)字化方式將儲罐信息傳輸至控制室，再由控制室將介質(zhì)體積和質(zhì)量信息分發(fā)給庫存數(shù)據(jù)用戶。該系統(tǒng)提供的信息還可用于許多不同的方面，如：石油轉(zhuǎn)運和操作、庫存控制、貿(mào)易交接、損耗控制和質(zhì)量平衡、體積調(diào)整、防溢罐、泄漏監(jiān)測等。

1 儲罐計量系統(tǒng)的相關(guān)國際標準

用于貿(mào)易計量符合規(guī)定的儲罐計量系統(tǒng)必須經(jīng)過國際機構(gòu)，主要是國際法定計量組織(OIML)的認證。該系統(tǒng)還可能需要獲得本地計量機構(gòu)(例如德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)、荷蘭國家計量研究院(NMi)、法國國家測試計量實驗室(LNE))的批準，目前國內(nèi)沒有類似PTB或NMi的機構(gòu)，但是部分省、市的國家法定計量檢定機構(gòu)可以根據(jù)相應(yīng)校準規(guī)范提供校準證書，如上海市計量測試技術(shù)研究院華東國家計量測試中心，依據(jù)JJF 1440—2013《混合式油罐系統(tǒng)校準規(guī)范》針對混合法罐區(qū)計量系統(tǒng)(HTMS)提供測試校準和認證，并發(fā)放校準證書。

OIML的組織在內(nèi)部進行合作，該組織定義了大量測試程序，并為儲罐計量設(shè)備定義了名為R85的專用程序。OIML R85由兩部分組成：計量和技術(shù)要求部分，包括：ALG液位計的相關(guān)術(shù)語、技術(shù)要求、安裝要求；計量控制和測試部分，包括：遞交文檔、測試的參考工況、精度測試、滯后測試、靜態(tài)溫度測試、供電壓力變化測試、電磁干擾測試等內(nèi)容。

HTMS主要涉及標準：

ISO 4266-1：2002《石油和液態(tài)石油產(chǎn)品-儲罐中液位和溫度自動測量法第4部分：常壓罐的液位測量》(國內(nèi)等效標準GB/T 21451.1—2008)；ISO 4266-4：2002《石油和液態(tài)石油產(chǎn)品-儲罐中液位和溫度自動測量法第4部分：常壓罐的溫度測量》(國內(nèi)等效標準GB/T 21451.4—2008)；ISO 11223：2002《石油和液體石油產(chǎn)品-直接靜態(tài)測量-立式儲罐內(nèi)油量第1部分：測量罐內(nèi)靜壓式的質(zhì)量測量法》(國內(nèi)等效標準GB/T 18273—2000)；ISO 15169：2003《石油和液體石油產(chǎn)品 采用混合式油罐測量系統(tǒng)測量立式圓筒形油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法》(國內(nèi)等效標準GB/T 25964—2010)；ISO 91-2：1991《石油計量表-第2部分：以20 ℃為標準溫度的表》(國內(nèi)等效標準GB/T 1885—1998)；OIML R85：2008《用于固定式儲罐液位測量的自動液位儀表》。

2 儲罐計量方法

儲罐計量方法分為混合法，體積法，靜壓法。

1)混合法。適用于密度分層、含水分層、溫度變化等工況，以及要求高精度計量的大容量儲罐，既可計算標準體積，也可計算質(zhì)量。

2)體積法。不適用于密度分層、含水分層工況，應(yīng)用于體積交接場合。

3)靜壓法?？蛇m用于計量精度不高、介質(zhì)密度均勻的小容量儲罐, 不適用于密度分層、含水分層工況。

HTMS是傳統(tǒng)儲罐計量系統(tǒng)和靜壓儲罐計量系統(tǒng)(HTG)的組合體。石油行業(yè)中大部分的HTMS，用戶感興趣的是在線測量密度，因為轉(zhuǎn)運容量(標準容量)的計算需要測量液位、溫度和密度。HTMS能夠避免在儲罐上進行人工密度測量。人工密度測量勞動強度大，如果執(zhí)行不當(dāng)，通常會導(dǎo)致嚴重的測量誤差。傳統(tǒng)的HTG僅配備壓力變送器(在A1，A2處)用于計算液位和密度，并沒有直接的液位測量系統(tǒng)，只使用A1和A2處的壓力變送器(固定間距H)計算密度即HTG中的產(chǎn)品密度，該范圍內(nèi)的密度不能代表儲罐內(nèi)所有產(chǎn)品的密度，因此該值通常不可用于貿(mào)易交接。使用HTMS時，為了能夠計算密度，HTMS必須配備1個壓力變送器(如果是常壓儲罐)或2個壓力變送器(如果不是通大氣的儲罐)，使用液位計給出的A1變送器以上的液柱高度計算密度，得到的密度值要精確得多，可以代表產(chǎn)品的總體密度。HTMS計量流程如圖1所示。

圖1 HTMS計量流程示意

由圖1可知，采用HTMS需要配置的儀表：壓力(p1～p3)，液位計，平均溫度計。具體計算過程在規(guī)范GB/T 25964—2010中有詳細描述，TGS廠家提供的儲罐信號通信單元(TCU)中已經(jīng)將計算過程整合進去了，不再需要工藝人員手動計算。

3 常壓罐混合法計量典型儀表配置

3.1 計量儀表配置

HTMS典型儀表配置如圖2所示。

圖2 HTMS典型儀表配置示意

對于儀表類型，精度要求，在規(guī)范GB/T 25964—2010和OIML R85中都有明確要求：

1)自動液位計。一般采用雷達或者伺服液位計，由于同時考慮基于體積以及質(zhì)量交接，因此ALG儀表精度通常要求為±1 mm。

2)平均溫度計。測量平均溫度是為了補償液體由于溫度變化導(dǎo)致的體積變化。精度通常選±0.25 ℃，測溫元件選擇多點RTD，測溫點按照GB/T 21454—2008《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機組能效限定值及能源效率等級》中表1的要求。如果介質(zhì)含水，平均溫度計可帶界面計。

3)壓力變送器A1，A2。用于測量密度，根據(jù)GB/T 25964—2010中表2的要求，變送器A1，A2的壓力測量值p1，p2的線性誤差通常選讀數(shù)的±0.07%。由于已經(jīng)有了自動液位計，因此通常A2變送器可以作為選配，用中部變送器A2的測量值p2可計算出用于比較或警示目的的替代密度(即靜壓式油罐計量或HTG)，也可以將其用于自動液位計無法使用時備用密度計算(詳見GB/T 25964—2010中5.6節(jié)內(nèi)容)。通常情況下對于密度測量沒有較高的要求時，A2變送器不用配備。

4)壓力變送器A3。用于測量氣相壓力及密度，對于通大氣的儲罐如外浮頂罐，A3變送器可以不配。根據(jù)GB/T 25964—2010中表2的要求，線性誤差通常選讀數(shù)的±0.2%。

5)油水界位測量。介質(zhì)可能含水并分層時，需配備油水界位儀表，采用與多點溫度計集成的纜式油水界位傳感器，或者單獨設(shè)置電容式、射頻導(dǎo)納或其他適用的油水界位儀表。如果是罐底排水油水界位測量應(yīng)單獨設(shè)置。

3.2 液位計安裝注意事項

需要注意的是，隨著儲罐液位的變化，儲罐會變形，自動液位計的法蘭高度會比設(shè)計高度低，大部分液位計測量從其安裝位置向下到液面的距離(空高測量)，通過從參考高度(從液位計安裝點到基準板的距離)中減去空高來計算液位。如果該距離不恒定，計算方法將出現(xiàn)誤差，即液位會隨參考高度的變化而變化。假如一個儲罐直徑30 m，液位測量誤差2 mm，則液體體積誤差就會達1.4×103L。

因此，API 3.1 B推薦ALG的導(dǎo)波管在固定頂儲罐頂部采用波紋管密封的方式，做一個滑動軸套以維持ALG的法蘭面高度恒定，保持測量精度，軸套的制造方式如圖3所示。

4 常壓罐區(qū)自動計量系統(tǒng)綜合架構(gòu)

目前儲罐計量系統(tǒng)使用開放式架構(gòu)和標準化通信協(xié)議，用戶不再受單一供應(yīng)商的限制，在選擇儀表時可以有許多選擇。

平均溫度變送器、壓力變送器、罐旁指示儀的信號都接到雷達后采用Modbus或者廠家協(xié)議接到總線接線箱后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦薇硐到y(tǒng)的TCU，在TCU中可以嵌入儲罐庫存計算功能，并可取得API或NMI等機構(gòu)的認證，TCU的數(shù)據(jù)通過交換機傳輸?shù)紻CS，如果用于國際貿(mào)易結(jié)算，TCU應(yīng)配備海關(guān)鎖，只有海關(guān)鎖解鎖時才允許對TCU進行軟件設(shè)置。典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，所有信息可以顯示在儲罐計量系統(tǒng)的監(jiān)控站上。

圖4 常壓罐區(qū)自動計量系統(tǒng)綜合系統(tǒng)典型架構(gòu)示意

在設(shè)計時需要注意儲罐計量系統(tǒng)的儀表和DCS，SIS用儀表的分開和共享問題。

5 結(jié)束語

本文針對常壓固定頂罐混合計量系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表選型、精度以及規(guī)范要求、常壓儲罐混合法計量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)進行了簡短描述，對于常壓混合法儲罐計量系統(tǒng)的設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。