付油控制裝置現(xiàn)場校準(zhǔn)方法的研究

施 鑫，安海驕，張 璋

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津300192）

石油公司油庫對(duì)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(fù)責(zé)油品的輸送和計(jì)量，利用流量計(jì)采集的流量信號(hào)、 溫度傳感器采集的溫度信號(hào)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，計(jì)算出輸出的成品油量。付油是將油庫儲(chǔ)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(jì)準(zhǔn)確計(jì)量輸油量，借此作為結(jié)算依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于流量計(jì)不便拆卸，石油公司對(duì)于付油裝置現(xiàn)場計(jì)量校準(zhǔn)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(jì)量單元、 安全防護(hù)單元、動(dòng)力單元、主控單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖1 所示。計(jì)量單元主要包括安裝在輸油管路上的流量計(jì)、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(hù)單元主要實(shí)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(dòng)力單元主要指泵機(jī)，為油品的輸送提供動(dòng)力。主控單元實(shí)現(xiàn)顯示信息、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采集、計(jì)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(jī)構(gòu)主要指流量調(diào)節(jié)閥、開關(guān)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(gè)鶴位，可實(shí)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(shè)定一個(gè)預(yù)裝量，稱為付油設(shè)定值，裝置通過控制泵和閥門進(jìn)行裝載，當(dāng)接近付油設(shè)定值時(shí)，切斷油路。此時(shí)，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(shí)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(shè)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(shè)定值可能不同，而且二者與實(shí)際裝載量也可能存在差異。針對(duì)實(shí)際需求，付油裝置現(xiàn)場校準(zhǔn)工作需要通過技術(shù)手段準(zhǔn)確地測量出付油結(jié)算值與實(shí)際裝載量間的誤差（稱為付油結(jié)算值誤差），和付油設(shè)定值與顯示值間的誤差（稱為預(yù)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(zhǔn)方法研究

考慮到現(xiàn)場校準(zhǔn)的可操作性和接近工況條件的要求，校準(zhǔn)時(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)量單元一般采用質(zhì)量流量計(jì)或容積式流量計(jì)計(jì)量付油量，根據(jù)計(jì)量單元的流量計(jì)類型相應(yīng)地優(yōu)先選擇衡量法或容積比較法，因?yàn)檫@樣可以避免密度測量引入的不確定度。

2.1 計(jì)量單元為質(zhì)量流量計(jì)

付油控制裝置的計(jì)量單元為質(zhì)量流量計(jì)時(shí)，單次測量的付油結(jié)算值誤差按式（1）計(jì)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(shè)定值）；（Ms）i為第i次測量的付油標(biāo)準(zhǔn)值。

使用不同主標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，付油標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算方法如下：

（1）以衡器作為主標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算：

式中：ρs為主標(biāo)準(zhǔn)器處油品的視密度；ρb為衡器檢定用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度；ρa(bǔ)為空氣密度。

若檢定衡器時(shí)不使用砝碼，則：

（2）以標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器

式中：（Vo）i為第i次測量標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的示值；βs為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)處油品的溫度；ts為標(biāo)準(zhǔn)金屬量器處油品的溫度；pm為流量計(jì)處油品的壓力；ps為標(biāo)準(zhǔn)金屬量器處油品的壓力；VCF20為將計(jì)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(jì)量溫度查標(biāo)準(zhǔn)密度表[1]得到的標(biāo)準(zhǔn)密度。

2.2 計(jì)量單元為容積式流量計(jì)

付油控制裝置的計(jì)量單元為容積式流量計(jì)時(shí)，單次測量的付油結(jié)算值誤差按式（6）計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值。

使用衡器和或標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，付油標(biāo)準(zhǔn)值分別根據(jù)式（7）或（8）計(jì)算：

付油結(jié)算值誤差E按式（9）計(jì)算：

式中：n為校準(zhǔn)次數(shù)。

付油結(jié)算值誤差的重復(fù)性Er按式（10）計(jì)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(yù)裝量控制誤差的校準(zhǔn)方法研究

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

單次測量的預(yù)裝量控制誤差Δi按式（11）計(jì)算：

式中：（Qset）i為第i次測量裝置的付油設(shè)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(yù)裝量控制誤差Δ 按式（12）計(jì)算：

4 實(shí)驗(yàn)研究與不確定度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證校準(zhǔn)方法的有效性，選取一套付油控制裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。裝置計(jì)量單元流量計(jì)采用質(zhì)量流量計(jì)，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(zhǔn)使用的主標(biāo)準(zhǔn)器和配套儀器包括：2000 L 二等金屬量器，溫度計(jì)（最大允許誤差不超過±0．2 ℃） 和二等石油密度計(jì)。分別測量付油結(jié)算值誤差和預(yù)裝量控制誤差，實(shí)驗(yàn)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(jì)算：

表2 付油結(jié)算值誤差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment result for calibration of settlement flow error

表3 預(yù)裝量控制誤差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)量可忽略不計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(fù)測量引入的A類不確定度；介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)金屬量器引入的不確定度分量u（V0）

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的準(zhǔn)確度等級(jí)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(fù)測量引入的A 類不確定度，按照式（17）計(jì)算。

靈敏度系數(shù)c（M）＝0．000677（1/kg）。

（3）介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)密度引入的不確定度分量ur（ρ20）

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

靈敏度系數(shù)c（ρ20）＝-0．00135 m3/kg。

同理，計(jì)算另外兩次測量的對(duì)應(yīng)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(jì)處油品計(jì)量溫度（tm）和標(biāo)準(zhǔn)密度（ρ20）查石油產(chǎn)品體積修正系數(shù)表[1]獲取。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定方法與標(biāo)準(zhǔn)密度類似，通過查表可得到VCF20在1．0037～1．0049 的范圍內(nèi)，假設(shè)其服從均勻分布，則有：

靈敏度系數(shù)c（VCF20）＝-0．994。

同理，計(jì)算另外兩次測量的對(duì)應(yīng)值，取其中最大者作為u（VCF20），即0．000346。

將各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量代入式（15），得到E的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0．056%。取包含因子k＝2，擴(kuò)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(zhǔn)方法，針對(duì)結(jié)算雙方關(guān)心的付油結(jié)算值誤差和預(yù)裝量控制誤差給出了實(shí)驗(yàn)方案，采用衡量法和容量比較法測量付油標(biāo)準(zhǔn)值，并根據(jù)不同計(jì)量單元種類，分別給出了使用兩種校準(zhǔn)方法的數(shù)據(jù)處理過程。最終通過實(shí)驗(yàn)和不確定度分析驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的可行性。