密度計法儲罐自動計量系統的研究

李劍平 周冕(.中國航空油料有限責任公司西安分公司，陜西 西安 7099；.北京瑞賽長城航空測控技術有限公司，北京 0076)

1 現有儲罐自動計量系統介紹

儲罐的自動計量系統，可以理解為通過安裝在儲罐上的傳感器組合，測量儲罐內油品的液位、溫度、壓力、密度和水位等參數，按照石油計量的相關標準，準確得到油品的質量、體積等關鍵數據。基于在實際應用中的不同需求，同時也考慮到儀表的配置情況，同時在自動計量系統中多采用如下3個方法：液位計法計量系統(ATG法)、靜壓法計量系統(HTG法)和混合法計量系統(HTMS法)。液位計法較為簡單，只是用液位計代替了手工投尺測量液位，目前已基本被靜壓法和混合法取代。以下會以靜壓法和混合法為代表，討論現有計量方法的特點。

1.1 基于質量測量技術的靜壓式計量系統(HTG法)

HTG法需要配置2臺(或帶壓罐中為3臺)高精度壓力變送器，用于直接計算油品質量；1支通常在油品溫度的測量中多采用單點溫度計進行，詳情見圖1。同時在靜壓式計量系統(HTG法)中，能夠基于油罐容積表與P1對于油品的質量進行直接的計算，同時油品密度則能夠借由P1、P2、P1至P2的距離三個數據進行計算，從而計算出油品液位數據與油品體積數據。同時由于在儲蓄罐內油品會出現分層的情況，往往經由此系統計算出的油品密度數據與儲蓄罐中油品的平均密度數據會有一定的差別，故而在對于油品液位的計算與油品體積的計算中精度存在一定的缺失。故而在實際的生產工作中，計量系統會使用人工下傳的標準密度作為計算參數。

圖1 靜壓法系統配置示意圖

1.2 基于液位和質量測量技術的混合式計量系統(HTMS法)

HTMS法配置1臺高精度的液位計用于測量儲罐內油品的液位，進而通過油罐容積表計算油品體積值；同時也能夠通過高精度壓力變送器與液位計對于油品密度進行有效的計算，并在此過程中通過平均溫度計數據對于油品溫度進行一定的測算，可參考圖2。先由液位和罐容積表計算得到油品體積，進而結合油品密度算得油品的總質量。

圖2 混合法系統配置示意圖

1.3 三種計量系統的對比

我國現有的石油自動計量標準，大多由ISO的國際標準轉化而來。世界上大部分國家在石油產品交接的時候采用體積交接，所以在儲罐計量的方法上更關注油品液位和體積的準確性。而我國的原油及成品油交接均采用質量交接的方式進行，從而更關心儲罐內油品的真實質量。現有3種計量方法側重點不同，表1是在某成品油歷史儲罐上分別使用3種計量方法得到的實驗數據：

表1 三種計量系統的誤差百分比

從上面的對比數據可以看出，HTMS混合法計量系統是質量和體積精度相對都比較理想的方法，該系統測量的液位、溫度精度能滿足油庫工作需求。但在低液位區時誤差明顯較高液位區增大，不能很好地滿足庫存管理的要求，而造成這一現象的直接原因就是密度測量的精確度隨著液位的變化，不能始終保持一致。

在油品密度的計算過程中，HTMS系統是基于靜壓頭與整體液位高度進行計算，從而得出油品的平均密度，當整體液位高度≥3.5m的時候，其計算密度精度在千分之一至千分之二之間；但是若是整體液位高度＜3.5m時，其作用于壓力變送器上的壓頭無法進入到變送器的高精度測量范圍，故而在油品密度的計算中，其計算精度大大下降。表2是某成品油罐使用HTMS法的測量實例。

表2 混合法計量系統不同液位下的計量精度

混合式計量方式是現在普遍認為精度最高的計量系統，但是在實際使用的過程中，其往往很難對于油品的單點密度進行測量，同時也會由于油品密度分層導致低液位區的測量存在一定的精密度下降。所以在實際的生產運營過程中，其本身存在的較多問題與原因會使得自動計量系統難以應用，也就使得油庫自動計量管理系統的應用價值大大下降了。

2 在線伺服密度計的研制

目前制約油罐自動計量技術發展的瓶頸就在于密度的準確測量，而密度計量精度對質量計算的準確度影響非常大。一直以來在儲罐自動計量領域都沒有可以直接測量油品密度的高精度傳感器，通常是結合壓力和液位來間接計算密度，但這種計算的結果往往精度要差很多。所以，研制一款儲罐在線密度計，順其自然成了解決密度測量問題的關鍵技術方案。

2.1 在線伺服密度計的結構和技術指標

在線密度計結構分解圖如圖3所示，其主要由傳感器與變送器兩個主要的部分組成，為其最為關鍵的組成部分則為密度傳感器，如圖4所示。在目前的生產運營過程中，多采用諧振式液體密度傳感器進行儲罐液體測量。

圖3 在線密度計

圖4 密度傳感器

在諧振式液體密度傳感器的過程中，能夠基于通過諧振子振動特性，從而實現對于油品的密度測量。而在諧振子在工作過程中，可等效為一個單自由度系統，系統以固有頻率振動，固有頻率只與系統中的等效質量和等效彈性系數有關。當次單自由度系統中較為敏感的彈性元件與油品相接觸后，其本身系統內的等效質量發生了一定的改變，所以系統中的固有頻率也會出現一定的變化。基于測量系統中頻率變化的情況，能夠準確有效的對于油品密度進行測量，我們研發的在線密度計使用的是諧振筒式液體密度傳感器。

在密度傳感器的結構中，內置入了高精度溫度傳感器與水位探測器，其在實際的工作測量中，在對于油品密度進行測量的同時也能夠對于油品溫度進行實時測量、同位測量。在溫度傳感器的電阻選擇中多采用高精度鉑電阻Pt1000，從而保障其對于溫度的測量精度在±0.1℃左右，同時通過水位探測器也能夠對于儲罐油水界面情況進行有效的測量。

在線密度計變送器部分(見圖5)是一個集運動控制、數據采集、計量運算為一體的自動化系統。其包括了動力及傳動部件、液位計量部件、控制及通訊部件等。

圖5 在線密度計整體結構

如上圖所示，在動力與傳動部件的構成中，多是由步進電機、減速器、同軸連接器、尺帶、尺帶輪、計量輪幾個組件構成，其中所包含的步進電機能夠將獲取的電脈沖信號轉換為角位移。伴隨著電脈沖信號的變化，電機逐漸進行步距角的調整，電脈沖信號的頻率越高，步進電機的轉速也就越快，當電脈沖信號停止后，步進電機的轉動也就停止，其停止位置往往與電脈沖信號的脈沖數有著較大的關聯，同時也不會受到相關負載的變化而發生改變。在步進驅動器的運作過程中，當其接收到了電脈沖信號后，其將會對于步進電機進行驅動，從而使得其向預設方向進行角度轉動，轉動的過程中，通過步進電機軸將尺帶輪進行帶動旋轉進而驅動尺帶上下進行運動。通常設定單脈沖會使得步進電機轉動0.02°，并進行尺帶輪的傳動，基于尺帶輪纏繞直徑數據的變化，使得尺帶移動0.005mm～0.02mm，進而保障其準確定位的可能。

編碼器與計量輪是液位計量的主要部件，通過編碼器能夠將角位移數據轉化為電脈沖信號，所以其又被稱為碼盤；而計量輪則是能夠對于編碼器進行傳動，而其本身的轉動則是通過尺帶輪轉動通過尺帶帶動的。經由編碼器對于電脈沖信號進行輸出，每當編碼器轉動0.01°角度后將會進行電脈沖信號的發出，使得對應的尺帶在輪上移動0.02mm，從而基于編碼器的應用對于尺帶上下運動長度進行有效的測量

而在變送器的電氣部件中，控制及通訊部件是十分重要的一個部分，其主要的部分由步進電機控制器、系統微控制器、非易失性存儲器、時鐘控制器、數據采集器、信號轉換器、安全柵等組成。其中步進電機控制器主要負責對于步進電機進行控制，中央總控則由系統微控制器負責，對于系統配置的存儲與關鍵數據的保存則通過非易失性存儲器就行管理，對于系統運行過程中及各數據測量進行時間標注的為時鐘控制器，對于測量中的數據信號采集則通過數據采集器進行，防爆0區電信號與隔爆區電信號隔離則基于信號轉換器的光電轉換完成，最后由安全柵保障密度傳感器的本質安全型電源與通訊。

通過尺帶能夠將密度傳感器與變送器進行有效的連接，為保障尺帶的抗拉強度在1600N/mm2以上，選取優質高碳素鋼作為其襯底材料。尺帶的鋼制襯底將密度傳感器殼體與變送器殼體進行上下連接，而法蘭跨接銅片則能夠將變送器殼體與罐體進行連接，從而保障設備整體接地，同時為保障密度傳感器與變送器的通訊，于尺帶襯底兩側進行銅導線的鋪設，其直徑約為0.2mm2。同時也要在尺帶表面進行防靜電電荷積聚方法，采用耐油、耐磨、絕緣材料作為其表面附著材料。

在線伺服密度計的技術指標如下：

(1)密度出廠校準范圍 600～1200kg/m3(0.6～1.2g/cm3)

(2)密度測量絕對誤差 ±0.250kg/m3(±0.00025g/cm3)

(3)溫度測量范圍 -40℃～+85℃

(4)溫度測量絕對誤差 ±0.1℃(-40℃～+85℃范圍內)

(5)密度測量重復性 ±0.1kg/m3(±0.0001g/cm3)

(6)密度測量穩定性 ＜±0.1kg/m3/年 (＜±0.0001g/cm3/年)

(7)液位最大測量高度 0000mm

(8)液位測量精度 ±3mm

(9)粘性、溫度效應 自動補償 0.005kg/m3/℃

(10)環境溫度范圍 -40℃～+85℃

2.2 在線伺服密度計的功能

(1)對于罐內油品的平均密度進行測量。進行測量點數設置，并于等間距采集罐內不同液位的油品密度數據與溫度數據，并基于數據取平均數，從而對于油罐內油品的平均密度進行計算，實際工作中可用于油品質量計算。

(2)對于罐內油品密度進行定點測量。通過指令測量指定罐內油品不同液位的油品密度和溫度，進而能夠對于油品密度分層點進行準確測定。

(3)對于發油密度進行監控。伺服密度計傳感器平時處于罐底，可用于對發油密度進行實時監控，如傳感器經過法定計量檢定機構校準，則可用于發油密度的采集，解決了發油密度不準難題。

3 密度計法儲罐自動計量系統

3.1 密度計法的儲罐自動計量系統原理

在在線密度計混合式儲罐自動計量系統中，液位計和在線密度計是其核心設備，也可以選配壓力傳感器和多點溫度計。我們設計的密度計法計量系統(見圖6)，使用在線密度計測量儲罐內油品的實時平均密度和罐底水高，液位計測量液位(油液總高)，平均溫度計測量油品溫度。參考《GB/T 19779—2005石油和液體石油產品油量計算 靜態計量》規定的計量方法對算法進行了改進，實時計算儲罐內油品的體積和質量。

在實際進行油罐現場改造與升級的過程中，首先需要確保的是安全，同時也應該保障油庫正常運作與生產，所以對于油品儲罐不就行清罐，同時也需避免動火作業的發生。基于法蘭連接技術，于油罐計量口位置進行量油轉接器與伺服在線密度計的安裝。伺服密度計電源與現有液位計共用，信號線可利用原液位計預留線( 如果沒有預留信號線，每個儲罐只需要敷設一根信號線)至FPU-罐前處理器。升級罐前處理器的程序，在原有功能的基礎上增加密度計法的計量算法，并由罐前處理器將儲罐的所有參數上傳回中控室的計量管理軟件。

另外我們推薦保留或加裝壓力傳感器，既可以與密度計結合使用形成HTG計量系統，也可以和液位計、溫度計結合使用形成HTMS計量系統。當每一種儀表出現故障時，可以由軟件自由切換到另一種計量系統繼續工作，最大可能滿足現場生產的需要。

圖6 密度計法的計量系統組成

3.2 密度計法計量系統的計算方法

密度計法的計算方法雖然接近于手工計量方法，易于與手工計算的結果進行比對，但比手工計量的方法要簡單。手工計量的計算時，需要計量員現場上罐采樣，經過實驗室化驗之后得到油品的密度，再通過查表《GB/T 1885 石油計量表》得到油品的標準密度和儲罐的體積膨脹系數VCF，最后帶入公式計算油品質量。而密度計法由于安裝了在線密度計，可以實時得到儲罐內油品的密度和標密，簡化質量的計算過程。大致的計算方法如下：

(1)利用液位計實時得到的油水總高，查儲罐的容積表，得到總計量體積(Vto)。

式中：Vc為由油品高度查油罐容積表得到的對應高度下的空罐容積；ΔVc為由油品高度查液體靜壓力容積修正表得到的油罐在標定液靜壓力作用下的容積膨脹值；ρc為編制油罐靜壓力容積修正表時采用的標定液密度，通常為水的密度；ρw為油罐運行時工作液體的計量密度，可由在線密度計實時測量。

(2)利用密度計或液位計測量得到的罐底水高值，查油罐容積表得到游離水體積(Vfw)。

(3)應用罐壁溫度影響的修正系數CTSh (由罐壁材質的線膨脹系數和罐壁溫度計算得到)，得到毛計量體積(Vgo)。

(4)用毛計量體積(Vgo)乘以計量密度(ρw)，再減去浮頂的表觀質量(mfr)得到油品的毛表觀質量(mg)：

3.3 密度計法計量系統的使用效果

經過對密度計法計量系統在多座油庫經過近一年的試用和改進，已經實現了對儲罐油品液位、溫度、密度、水位的高精度在線采集和計量，測試結果顯著提高了自動計量的精度。表3是我們在某座油罐上30組的比對數據結果。

表3 油罐自動計量系統比對測試數據評定表

n為系統運行全部數據比對測量次數；初次評價n≥30，運行中評價可選擇n≥15；x′n為測試比對第n次系統測量值；xn為測試比對第n次人工測量值；s=x′n-xn。

4 結語

通過在計量系統中引入在線密度計，完成了一種全新計量系統的設計，顯著提升了儲罐計量系統的精度。下一階段將研究如何發揮各種計量方法的優勢，充分利用不同類型傳感器的精度優勢，設計一種可以滿足儲罐油品動態計量的算法。