油罐容積標(biāo)定及油位測(cè)量的實(shí)用方法

羅恩衛(wèi)，蘭海松

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都 610599）

0 引言

油罐廣泛應(yīng)用于各類油料儲(chǔ)存及輸運(yùn)中，其類型主要有碟式封頭臥式圓油罐、平式封頭臥式橢圓油罐及立式儲(chǔ)油罐等。某試驗(yàn)基地儲(chǔ)油罐容積主要有50 m3、110 m3等，對(duì)于儲(chǔ)油行業(yè)則有15 萬m3以上的儲(chǔ)油罐。而以上各油罐均存在一個(gè)計(jì)量問題，即對(duì)油罐存儲(chǔ)油液高度及重量的準(zhǔn)確計(jì)量。

目前國(guó)內(nèi)外油罐自動(dòng)計(jì)量方法大致分為3 類：液位法、靜壓法和稱重法。其中，液位法通過液位測(cè)量，進(jìn)而查找對(duì)應(yīng)“油位重量表”確定油液重量，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測(cè)量油位及對(duì)油罐準(zhǔn)確標(biāo)定；靜壓法則通過精確測(cè)定常壓儲(chǔ)罐油品靜壓及溫度，進(jìn)而確認(rèn)相關(guān)密度繼而獲得質(zhì)量及油位等；稱重法則可以更加準(zhǔn)確計(jì)量，但對(duì)固定埋地油罐存在一定操作不便。

針對(duì)大型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地的試驗(yàn)艙供油，燃油供油系統(tǒng)依靠油庫(kù)壓力輸運(yùn)。能否準(zhǔn)確測(cè)量油量關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)安全，因此油庫(kù)油罐油量測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分重要。大型油庫(kù)一般采用埋地碟式封頭臥式油罐，由于供油系統(tǒng)屬于埋地、帶壓運(yùn)行系統(tǒng)，因此計(jì)量方法選擇“液位計(jì)量法”最佳且最便捷。為實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐油量準(zhǔn)確測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則必須達(dá)到兩個(gè)任務(wù)：

（1）對(duì)油罐油位高度對(duì)應(yīng)容積的標(biāo)定。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐任意時(shí)刻油位高度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

1 油罐容積標(biāo)定

對(duì)于碟式封頭臥式油罐體積的標(biāo)定，一般將油罐分為圓柱段及碟板段兩部分。油罐油位高度為h，根據(jù)油罐已知尺寸條件可得出V=f（H）關(guān)系式，利用積分、編程對(duì)液位高度h 求解得出容積。同樣將油罐分為直段及碟板段分別求解，在求解方法上利用“微分思想”原理通過代數(shù)簡(jiǎn)單求解化來處理碟板處油液容積，針對(duì)油罐直段直接采取反三角函數(shù)計(jì)算，通過EXCEL 表代替編程處理。確保數(shù)學(xué)方法上簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確求解容積，碟式封頭臥式油罐如圖1 所示。

圖1 碟式封頭臥式油罐

1.1 油罐直段容積求解

針對(duì)油罐在任意高度液位為h 時(shí)，油罐直段對(duì)應(yīng)的油液容積一定，可通過液位高h(yuǎn)、油罐直徑H、油罐總長(zhǎng)L 及油罐碟板厚度w 聯(lián)立方程求解計(jì)算油罐直段容積，具體如下：

以現(xiàn)有某油庫(kù)為例，針對(duì)在任意液位高度為h 時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)說明書可知油罐直段直徑H=3 m、油罐總長(zhǎng)L=16.2 m，碟板長(zhǎng)度w=0.8 m。

在液位h 時(shí)對(duì)應(yīng)唯一的直段油液容積V1，通過已有參數(shù)聯(lián)立方程，通過以下方程組可得在液位為h 對(duì)應(yīng)容積V1的值：

其中：V1為油罐直段油液的容積；S液為油罐直段油液截面積；w 為碟板厚度；S1為油液對(duì)應(yīng)油罐直段的扇形面積；S2為油液對(duì)應(yīng)油罐直段的扇形的三角形面積；H 為油罐直徑，h 為油罐液高，θ 為液面對(duì)應(yīng)圓心角的弧度。

1.2 油罐碟板容積求解

油罐碟板封頭細(xì)分示意如圖2 所示。油罐碟板段容積為V2，油罐由兩個(gè)碟板和一個(gè)直段組成。油罐是以cm 為單位標(biāo)定，故在液位高度為h m 時(shí)，將碟板細(xì)分成多段，每段高度可設(shè)置為為δ=0.01 mm；同時(shí)根據(jù)已知可以求得任意高度的截面面積，即可形成S0.01、S0.02、S0.03…Sh的數(shù)據(jù)鏈。

圖2 碟板封頭細(xì)分

然后針對(duì)油罐任意液位高為h 時(shí)，只需將各截面乘以δ，然后求和便可得到液位h 時(shí)碟板對(duì)應(yīng)油液容積，左碟板對(duì)應(yīng)的容積即。但這樣在h<1.5 m 時(shí)由于取的是每一個(gè)截面的上表面數(shù)據(jù)，而這一定程度放大了碟板內(nèi)油液容積，在h>1.5 m 時(shí)，則一定程度縮小了碟板內(nèi)油液容積。在液位為h 時(shí)，此時(shí)只需要對(duì)右碟板每單位高度δ 截面取下表面計(jì)算即可，即右碟板對(duì)應(yīng)的容積可用計(jì)算；這樣便將數(shù)學(xué)計(jì)算細(xì)微誤差進(jìn)一步降低，相對(duì)于油罐理論容積計(jì)算的總?cè)莘e最大誤差小于10-6。

在油罐油液任意高度為h 情況下，通過計(jì)算出碟板內(nèi)油液容積V2以及油罐直段容積V1即可求得油罐油液容積，針對(duì)油罐數(shù)百個(gè)液位高度h，對(duì)V1、V2相加即可求得相應(yīng)h 高度油罐容積，通過數(shù)據(jù)表格下拉功能即可得到儲(chǔ)油罐液位容積任意高度數(shù)值，液位容積表可查。

2 油位測(cè)量

準(zhǔn)確測(cè)量油罐油位關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是否有適量的燃油可用，進(jìn)而關(guān)系試驗(yàn)安全；因此準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)量油罐油位至關(guān)重要。油位測(cè)量存在多種方法可用，為了準(zhǔn)確、便捷測(cè)量液位，因地制宜，采取導(dǎo)波雷達(dá)液位儀對(duì)油罐油位進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于3 m 量程誤差在1 cm 以內(nèi)。

油位測(cè)量原理即：利用高頻微波脈沖在導(dǎo)波桿傳輸，當(dāng)高頻微波觸碰到油面電介常數(shù)突變，導(dǎo)致一部分高頻微波反向回傳。導(dǎo)波雷達(dá)液位儀通過自身處理器對(duì)雷達(dá)波行進(jìn)路程予以計(jì)算：

其中，t 為雷達(dá)波由發(fā)射源到液面再返回的時(shí)間，c 為光速，L 為雷達(dá)波來回的路程，即兩倍的油液空高。由于路程L 為雷達(dá)波來回的路程，因此時(shí)間、路程放大1 倍。因此，油罐空高位L/2；油高等于總高減去空高即可。

針對(duì)液位計(jì)測(cè)量液位的傳輸、實(shí)時(shí)顯示、圖形化表示、高低液位設(shè)置及報(bào)警功能等，通過采取將液位計(jì)測(cè)量的液位高度信號(hào)經(jīng)測(cè)試電纜傳輸至微型PLC 系統(tǒng)（由電源、處理器、輸入模塊、繼電器等組成），在計(jì)算機(jī)上通過組態(tài)軟件以動(dòng)態(tài)界面方式實(shí)時(shí)顯示液位，可直觀查看油罐剩余油料多少（圖3）。PLC 系統(tǒng)通過訪問液位容積重量表，在動(dòng)態(tài)界面上以數(shù)字形式顯示油高、容積、油量，并實(shí)現(xiàn)高、低液位聲光報(bào)警及確認(rèn)復(fù)位功能。針對(duì)油罐實(shí)時(shí)液位、油料重量等，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集記錄并實(shí)現(xiàn)查詢分析功能，并要求顯示日期、時(shí)間進(jìn)而方便打印、分析數(shù)據(jù)。

圖3 液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

3 使用效果及分析

大型工業(yè)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用油罐的在線準(zhǔn)確測(cè)量一直是油料存儲(chǔ)企業(yè)和大型高空模擬試驗(yàn)基地油庫(kù)運(yùn)行關(guān)注的重點(diǎn)，其關(guān)系油料存儲(chǔ)企業(yè)直接效益及航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)安全問題。通過長(zhǎng)期使用及反復(fù)驗(yàn)證，該計(jì)算方法及液位測(cè)量方法有力的保障了大型油罐的計(jì)量任務(wù)及故障排除：

（1）對(duì)于3 m 高的油罐，液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝高度3.5 m 以上。通過對(duì)液位計(jì)回波及纜長(zhǎng)等設(shè)置，使液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差控制在1 cm 以內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳監(jiān)控及對(duì)高低油位的報(bào)警功能等。尤其對(duì)于復(fù)雜試驗(yàn)系統(tǒng)，存在多個(gè)油罐時(shí)，如果一臺(tái)液位計(jì)臨時(shí)出現(xiàn)故障，可迅速切換到另一臺(tái)，使試驗(yàn)安全系數(shù)大大提高。

（2）通過對(duì)油罐多次進(jìn)油，經(jīng)過長(zhǎng)期使用并對(duì)進(jìn)油數(shù)據(jù)與油罐測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過查詢數(shù)次進(jìn)油記錄，液位計(jì)測(cè)量計(jì)算得到重量與油罐車過地磅稱重重量誤差不超過5‰，對(duì)于該油罐標(biāo)定達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）在某次試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)某油罐油位數(shù)分鐘之內(nèi)由1.26 m上升至1.57 m；試驗(yàn)人員通過對(duì)液位高度曲線、供油壓力曲線及油位容積等的查詢，成功查找出試驗(yàn)管路系統(tǒng)故障點(diǎn)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的供油安全。通過液位測(cè)量系統(tǒng)曲線及液位容積表聯(lián)合使用，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐油位以及剩余油量的監(jiān)測(cè)，有力保障了試驗(yàn)供油任務(wù)。