油罐自动计量系统

曹伟伟

（镇海石化工程股份有限公司，浙江宁波315042）

油罐的手工计量作为一种传统的计量方式，至今仍然用作油罐计量的标准方法，及校准和验证液位计比对工具。由于手工计量使用的仪器和操作程序的局限性，所取得的基础数据精度不高，并且会受到人为因素的影响，整个测量和计算过程比较耗费人力和时间，对一些影响测量精度的系统误差也无法进行修正。特别是对于球罐的库存和交接计量，液位的读数只能从与旁通管相连的玻璃板液位计读取，环境温度与球罐内温度的差异会使玻璃板的液位与球罐内的真实液位相差很大。另外，人工计量无法对球罐中的气相部分质量进行补偿，所以在库存计量特别是交接计量中会产生较大的误差。

现代油罐的测量技术，已日益成熟，不论在库存计量还是交接计量中，一套完善的自动计量系统在精度方面已经超过手工计量，从测量、计算量到形成报表都能自动完成；并且在油罐操作的安全性（如防止冒罐和漏失）、保护环境、保障职工健康等方面，都能起到可靠的保障作用。该自动计量系统把现场罐内的液位、温度、密度等参数送到控制室中的通信接口和计算机中，就可以很方便地实现对罐内体积和质量的计量，并对罐内的液位运行进行自动报警。

1 自动计量系统的要求

1.1 精确及可靠的现场测量仪表

主要配置液位计、温度计、压力变送器。现场仪表除了高精度外还要求有很高的分辨率。液位计和温度计应该选用获得国家计量机构认证的、满足商业交接要求的产品。

1.2 功能完善的库存管理软件

要求能对各种测量系统提供最佳的计量方法，对于许多可能引起计量误差的因素，必须进行补偿；必须对罐底的游离水和杂质加以切除；对于产品的热膨胀和罐的截面积在静压作用下所发生的变化，必须根据相应的标准和方法加以补偿和修正；油品计量过程中的专用术语、符号应符合计量规程；还应该有保障油罐管理安全方面的考虑。因此，库存管理软件应符合商业交接的要求并且需得到权威计量机构的认证。

1.3 建立完整系统的概念

油罐中产品的精确体积与质量无法简单地依靠某个仪表读数或几个换算表得到。只有对液位测量技术、温度测量技术、静压测量技术进行有机地组合，配合库存管理软件的运算和处理功能，才能建立符合实际应用需求、提高罐区管理水平的自动计量系统。目前，根据不同的应用需求，从现场仪表的配置来考虑，主要有以下三种模式：

1.3.1 基于液位测量技术的体积式计量系统（LTG）

基本配置：1台高精度液位计用于测量油品液位，1支单点或平均温度计用于测量油品温度，密度值来自实验室的人工分析。在此系统中，油品的体积通过液位和油罐容量表直接求得，而质量则需要通过体积、密度、温度，运用油品计量换算表进行计算求得。主要的误差来自油罐容量表和温度的估算，所以，采用平均温度计会取得较显著的效果。另外，系统中还可加入额外功能（如气相压力和油水界面的测量），以加强总体性能。

1.3.2 基于质量测量技术的静压式计量系统（HTG）

基本配置：2台（或带压罐中为3台）智能化高精度压力变送器，用于直接计算油品质量，1支单点温度计用于测量油品温度，如图1所示。在此系统中，质量通过油罐容积表（相应面积）和p1直接计算，密度由p1，p2和两者之间的距离求得，进而推算出液位和体积值。由于油罐密度分层的影响，所求得的密度值不能准确代表整个液位的平均密度（总是相对偏高），因而造成液位和体积的精度较低（比实际值相对偏低）。因此，HTG系统的误差主要来自油罐容量表、压力变送器以及密度分层的影响。温度测量不会影响质量的准确性，只是用于标准密度和标准体积（G.S.V）的计算。

1 HTG配置示意

1.3.3 基于液位和质量测量技术的混合式计量系统（HIMS）

基本配置：1台高精度的液位计用于测量液位，进而通过油罐容量表计算体积值，1台（存在气相压力的罐中为2台）智能高精度压力变送器用于直接计算质量，液位计配合平均温度计用于标准密度和标准体积的计算，如图2所示。基于液位和质量测量技术的混合式计量系统使整体测量的可靠性得到提高，是一个功能强大而完善的油罐计量系统。

图2 HIMS配置示意

由以上三种系统计量的库存误差比较见表1所列。

表1 三种计量系统的库存误差比较 %

2 自动计量系统中的基础参数

2.1 液位的测量

针对一高为20m，容积为5×104m3的立式油罐，仅1mm的液位不确定度相当于2.5m3的油品容积误差。现代科学技术的发展，单台液位计的仪表精度已经达到±1mm或者更高，比如伺服式液位计、雷达液位计等，厂家标称的仪表精度可以为±1mm，甚至±0.4mm。但是从计量要求去考察液位计在油罐实际应用中的测量精度，达到±1mm的精度并非易事。液位测量的主要误差来自安装中罐顶参照高度的不稳定，因为油罐受静压力影响会产生变形，所以引起测量基准点的移位。液位计直接测量的一般是空尺，参照高度的不稳定使计算所得的液位出现较大误差。为了使液位测量达到最佳的准确性，液位计应安装于导向管上，导向管固定于罐底或靠近罐底的第一圈钢板上。从实际效果看，因为在充油的情况下，罐底更容易发生变形，所以，导向管固定于第一圈钢板比固定于罐底更可靠。值得一提的是，有些液位计厂家在指导安装时，采用导向管罐顶固定的方法是缺乏周全考虑的。另外，有些液位计厂家（如ENRAF公司的伺服式液位计、雷达液位计）宣称可以通过软件对液位计测量参考点的位移影响进行修正，实现自动校验顶部参考点，在没有导向管的情况下也能获得准确的测量。

在实际应用中，人们习惯于在外浮顶罐和内浮顶罐中设置液位计导向管，而往往会忽视在拱顶油罐中设置液位计导向管。其实对于提高拱顶油罐的液位测量精度，设置液位计导向管同样是十分必要的。

对于人工检尺测液位，对油罐的变形影响进行修正显然不可能，即使在假定检尺基准点稳定的情况下，产生的误差至少为±2mm的量油尺误差加上±1mm的人为误差。

2.2 温度的测量

油罐内温度分布一般都不是均匀的，在油罐内油品的不同高度，或同一高度的不同位置存在着不同的温场，根据有关资料显示，一个高为10m的油罐，罐顶的温度比罐底的温度可高出3℃。因此，仅根据单点温度来计算油品的存量是不准确的，每1℃的油品温度误差会导致总值达0.1%的标准体积计算误差。

为了实现温度测量的准确性，采用平均温度计可取得较好的效果。目前的平均温度计可达到±0.1℃的精度和优于±0.01℃的分辨率。它解决了油罐温度的层化问题，同时还可以测得精确的油气环境温度，为油罐计量时作蒸气补偿提供了便利。此类温度计的使用已可满足商业交接和法定计量要求，但却不能反映出油罐中同一高度、不同位置上的温场。

采用HTG或HIMS系统，温度的误差不会影响质量的准确性，但是会影响基准条件下（国标为20℃，API为15℃）的标准密度和标准体积的计算。

运用手工测量，也可以依靠多测几个点来达到平均温度计的效果，但由于操作程序的限制和人为误差等原因，精度上是无法与平均温度计相比的。目前实验室用棒式温度计的允许误差为0.4℃，分辨率为0.2℃。

2.3 密度的测量

油罐内密度分布一般会出现分层现象，同时与温度有关。在油罐的密度测量中，一般不用在线密度计。实验室的人工分析密度精度可达0.1%。虽然人工分析值是通过几个取样点的样品分析得出，不能完全克服密度层化影响，但取样分析法仍然可以比较准确地反映出罐内平均密度。

在HTG系统中，通过静压原理测出的密度是比较准确的，但它代表的是距离罐底2m左右的两个压力变送器之间的密度，与整个油罐的平均密度误差较大，一般误差可偏高0.4%以上。

在HIMS系统中，密度通过静压头和整个液位的高度加以演算，得出的是平均密度。当液位高于3.5m时，算出的密度精度可达0.2%至0.1%以上。当液位低于3.5m时，由于此时作用在压变上的压头，没有进入到变送器的高精度测量范围，密度的计算精度下降很快。作为一个可行的解决办法，HlMS系统把3.5m时得出的密度值作为液位低于3.5m时的油品密度，还是具有代表性的。

3 HIMS系统的运算方法和误差分析

HlMS系统作为一种完善的自动计量系统，其质量和体积的运算方法、精度补偿过程以及误差分析在油品的自动计量中具有很强的代表性。

3.1 配置原理

参照图2中，L为液位计的测量液位（假设精度为±1mm），p1，p3为压力变送器所测压力（假设精度为±0.02%）。对于常压的拱顶罐和浮顶罐，p3不需要。1支靠近罐底安装的单点温度计（假设精度为±0.2℃），用于计算标准体积和标准密度。液位计为实现HIMS系统的方便，配置了硬件接口，压力变送器信号和温度信号可以很方便地接入液位计，然后通过液位计的现场总线送至计算机进行处理运算。

3.2 计算公式

图3为HIMS运算流程简图。油罐计量系统在取得液位、温度、密度之后，通过油罐计量换算表计算总观测体积（V观测）（当前温度t℃下的总体积），然后，质量由V观测和视密度（ρobs）求得，再通过石油计量换算表求得体积修正系数（VCF）和标准密度（ρref），最后求得总标准体积（V标准）。

式中：ρobs——视密度（当前温度t℃下的油品密度），kg／m3；p7＝（p1－p3）＋corr1－corr2；LP——底部压力变送器p1至油罐零位基准点的距离，m；g——重力加速度，m／s2；L——液位计的液位测量值，m；SAREAeq——与液位相对应的油罐截面积，m2；corr1——大气浮力对压力测量的修正值，Pa，corr1＝（LM－LP）×空气密度×g（使用压力变送器3时）或corr1＝LR×空气密度×g（不使用压力变送器3时）；corr2——油气密度对压力测量的修正值，Pa，corr2＝（LM－L）×油气密度×g（使用压力变送器3时）或corr2＝LR×油气密度×g（不使用压力变送器3时）。

图3 HIMS运算流程示意

公式（2）中，ρobs的运算忽略LP的影响。

空气密度一般可取平均近似值1.225kg／m3。未作coor1修正的油品密度其实是空气中的密度，修正后的密度才是真空中的密度。为了简化计算，油气密度一般可取平均近似值1.25kg／m3。若要得到更精确的修正值，可查油罐油气密度表。

3.3 在浮顶罐中的修正问题

浮顶罐包括外浮顶罐和内浮顶罐。油品计量规程中规定，浮顶罐的计量必须在浮顶处于完全起浮状态下进行，必须使用浮顶质量对油品的质量计算进行修正，使用浮顶的浸液体积对油品的体积计算进行修正。由于浮顶的浸液高度对液位测量产生一个增加值，同时对p1的测量也产生一个增加值，根据密度计算公式（1），两个增加值相互抵消，所以，密度计算不需进行修正。

3.4 不确定度分析

HIMS系统的精度取决于现场仪表的精度，外界条件和安装影响（如风的影响、油罐变形的影响等）。

a）液位测量精度的影响。根据式（1），当液位处于20m时，一个2mm的液位测量误差对视密度计算产生0.01%的误差；当夜位处于2m时，则产生一个0.1%的误差。但在质量运算中，质量的精度不受液位测量误差的影响。

b）压力变送器测量精度的影响。ρobs和质量的计算精度直接取决于压力变送器的测量精度，但是ρobs误差对VCF的影响是最小的。因此，V观测和V标准不会受到压力变送器测量精度的影响。

c）温度测量精度的影响。温度误差将对ρref和VCF产生影响。由于VCF受到影响，V标准的计算也受到同等影响。

d）LP测量精度的影响。LP的误差会对ρobs的计算产生误差，影响程度与液位误差相同，同时对质量运算也将产生误差，但VCF不受影响。因此V标准也不受影响。

e）压力变送器受风作用时的影响。压力变送器的通大气侧受到风作用会带来附加误差。系统对风的影响无法进行补偿，但可以采取措施减小影响，比如为压力变送器安装一个防护箱。

f）压力变送器1位置移动的影响。油罐受静压影响而产生的变形会使压力变送器的安装位置发生移动，产生的误差影响与LP产生的误差影响相同。某些专业的油罐液位计公司对此有一套利用软件进行补偿修正的办法，这里不作祥述。

g）油罐内湍流的影响。搅拌器或进油引起的罐内湍流将影响压力变送器的测量值，因而压力变送器的安装应尽量远离搅拌器或出入口管。

h）HIMS最低液位（LN）问题。

如前步2.3所述，一般当液位低于3.5m时，HIMS系统得出的密度误差将急剧上升。为了限制极限误差，HIMS系统定义了LN，一般可取3.5m左右。系统就把LN处求得的密度值作为液位更低时的密度值。

4 结束语

油罐区实现自动化计量，从技术上是可行的，它对于罐区生产与管理提供了更高的可靠性和准确性，可提高工作效率，减轻劳动强度，国外在这方面已经有了比较成熟的经验。

［1］ 周绍骑.油罐储量测量方法研究［J］.油气储运，1993（03）29－33.

［2］ 段多寿.油品计量误差原因分析［J］.油气储运，1999（11）45－46.

［3］ 国家质量技术监督局.GB／T1885—1998石油计量表［S］.北京：中国标准出版社，1998.

［4］ 国家质量监督检验检验总局.GB／T19779—2005石油和液体石油产品油量计算 静态计量［S］.中国国家标准化管理委员会，2005.

［5］ 中国石油天然气集团公司.GB9110—1988原油立式金属罐计量油量计算方法［S］.［S.1］1989.

［6］ 国家质量技术监督局.GB／T25964—2010石油和液体石油产品采用混合式油罐测量系统测量立式圆筒形油罐内油品体积、密度和质量的方法［S］.中国国家标准化管理委员会，2011.

［7］ API.API MPMS 3.1B2001—06Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 3—Tank Gauging Section 1B－Standard Practice for Level Measurement of Liquid Hydrocarbons in Stationary Tanks by Automatic Tank Gauging／Second Edition［S］.American Petroleum Institute，2001.

［8］ 黄湘来，潘英.原油立式金属罐计量交接误差控制方案［J］计量与测试技术，2011（08）：23－25.

［9］ 李林，税爱社，韩飞，等.储油罐计量系统中精度的分析及提高［J］.后勤工程学院学报，2007（01）：33－37.

［10］ 李德湘，宋海勇，陈新萍，等.石油计量表计算机辅助应用的实现［J］.石油化工自动化，2002，38（03）：59－61.

［11］ 王文良，石油计量及检测技术概论［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［12］ 宋伟.商业油库油品底部灌装自动化设计［J］.石油化工自动化，2011，47（06）：28－30.