浅谈原油库油品计量方法及仪表选型

范振业

中石化石油工程设计有限公司

原油库一般具有油品收发、原油存储及油品计量的功能。原油库内油品的收发方式主要有铁路收发油、公路收发油、管输收发油。本文主要针对管输收发油方式对原油计量及其常用仪表选型进行论述。

1 原油库油品计量

原油库一般由数个大型储油罐组成，以中石化胜利油田某原油库为例，站内有20 000 m3的储油罐6座，50 000 m3的储油罐8座，总库容量520 000 m3，日输油量可达(3～5)×104t，油品计量是不可缺少的重要环节，它是企业进行贸易交接的主要依据，将直接影响企业的经济分析、成本核算及经济效益。

1.1 计量准确度等级的确定

根据GB 50350-2005 《油气集输设计规范》，原油计量可分为以下三级。

一级计量：油田外输原油的贸易交接计量。

二级计量：油田内部净化原油或稳定原油的生产计量。

三级计量：油田内部含水原油的生产计量。

原油库的外输计量一般属于一级计量。一级计量流量计及附属设备应按GB/T 9109.1-2010《原油动态计量 一般原则》配置[1]。GB/T 9109.1-2010规定“流量计基本误差应不大于±0.2%”[2]。GB/T 9109.5-2009《石油和液体石油产品油量计算 动态计量》规定“流量计必须符合国家规定的准确度等级，用作贸易交接计量的流量计的准确度等级应不低于0.2级”[3]。

因此，原油库一般选用0.2级流量计。

1.2 流量计的选型

目前，原油流量计量仪表主要有质量流量计和容积式流量计两类。

1.2.1质量流量计

质量流量计主要选择科里奥利质量流量计，流体在振动管中流动会产生与质量成正比的科里奥利力，通过直接或间接测量科里奥利力就可以得到质量流量。表1所列为质量流量计的优缺点。

表1 质量流量计优缺点Table1 Advantagesanddisadvantagesofmassflowmeter质量流量计优点①准确度高,可直接测得质量流量②无可动部件,计量流程中的阻力件对该流量计计量的准确度影响基本可忽略,即该流量计不需要设置前后直管段,节省安装空间③可作多参数测量(密度、温度等);测量准确度不受密度、黏度等流体物性影响缺点①零点不稳定,形成零点漂移,流量下限测量时对准确度影响大②流体中气体含量超过一定值会对测量值有很大影响;测量准确度会受测量管内壁磨损腐蚀、沉积结垢影响③对外界振动干扰较为敏感④不宜用于大口径测量,大口径科里奥利质量流量计的成本会急剧上升

1.2.2容积式流量计

容积式流量计又称为定排量流量计，其工作原理是流量计的转动部件在入口压力与出口压力压差的作用下产生旋转，将入口流体排向出口。流体不断地充满流量计的计量室，又不断地被输往出口。在流量计确定的前提下，计量室的容积是固定的，检测并记录转动部件的转动次数，就可以计算得到流体流过流量计的体积量。

常用的容积式流量计有：刮板流量计和转子式流量计(包括双转子流量计、腰轮流量计和椭圆齿轮流量计)。从结构原理上来讲，刮板流量计的计量准确度最高，在贸易交接领域，刮板流量计的应用最为广泛；转子式流量计则多用于油田内部生产计量。表2所列为容积式流量计的优缺点。

表2 容积式流量计优缺点Table2 Advantagesanddisadvantagesofvolumeflowmeter容积式流量计优点①安装无前后直管段要求②计量准确度高,工业级容积式流量计准确度可达0.2级③可测量高黏度流体④可将转动部件转动次数直接传递给计数器,无需外部能源即可直接获得流体总量缺点①机械结构复杂,存在机械摩擦,体积庞大②对油品的洁净度要求高,需前置过滤器③油品需单向流动④不能直接测得质量流量,需测量密度值进行换算

两类流量计各有优缺点，具体采用哪种计量方式很大程度上取决于业主的交接方式。

1.3 流量计的检定

流量计检定的目的是确定流量计系数，该系数等于通过流量计的实际流量除以流量计的读数。

设置流量计系数的目的是为了修正流量计的计量性能。获取流量计系数是计算液体石化产品流经流量计的标准体积的重要基础。

流量计检定有5种方法，即：大体积管、标准流量计、标准罐、称重法、活塞式小体积管。在原油流量计检定方法中，目前常用的是大体积管和活塞式小体积管两种。

根据API MPMS 《Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 4.8 Operation of Proving Systems》的规定，不同于大型U型体积管，活塞式小体积管在设计上是采用小体积检定容积，多次行程来达到相当于大体积管的体积。通过双时测法进行脉冲采样，活塞式小体积管可以获得与大体积管一样的采样效果。

表3所列为大、小体积管的优缺点比较。

表3 大、小体积管优缺点对比Table3 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenlargevolumetubeandsmallvolumetube大体积管活塞式小体积管优点①可靠性高②可用于检定低脉冲分辨率的流量计③对被检液体中的固体微粒反应不敏感①检定时间短②占地面积小,可移动式③量程比宽,可用于检定多种流量范围的流量计缺点尺寸庞大,安装相对复杂对洁净度要求高,固体微粒容易造成量缸中活塞密封件的损坏

大体积管随检定流量的不同，价格变化不大；而活塞式小体积管由于受标准容积的限制，价格变化较大。建议在流量小、站内设置多种规格流量计的场站设置活塞式小体积管检定系统；在大流量的场站设置大体积管检定系统。

2 原油库主要测量仪表选型

2.1 罐区计量仪表

目前在国际上，储罐计量技术通常采用以下两种计量系统。

(1) 以体积为基础的计量系统，建立在对液位和温度的精确测量基础上。这种系统多流行于欧美等发达国家。

[36][45] 黄超：《框定战略与“保护的责任”规范扩散的动力》，《世界经济与政治》2012年第9期，第65、67页。

(2) 以质量为基础的计量系统，测量液体产生的静压力，进而换算出质量。这种系统使用于中国和苏联等国家。

无论采用何种系统，对于库存管理或者计量交接来说，采用尽可能准确的测量仪表是极其重要的，高水平的测量仪表配置是原油库存管理和计量交接的基础。

在部分储罐计量应用中，用户需要同时得到准确的体积和质量，故混合法计量系统由此产生。混合法计量系统一般设置为：高准确度液位变送器(在罐顶部安装一台)、高准确度压力变送器(每座油罐底部设一只)、单点或多点平均温度计。混合法结合了质量测量手段与体积测量手段，可以提供准确的液位、压力、温度、质量和密度信息，实现以上两种技术的有机结合。罐区流程图如图1所示。

罐区计量信息通过专用计量总线接入中控室计量管理工作站。油罐计量仪表选型应满足工业级测量准确度要求，准确度要求见表4。

表4 计量仪表允许误差Table4 Allowableerrorofmeteringinstrument仪表名称允许误差液位变送器±1.0mm压力变送器±0.04%多点平均温度计±0.2℃

2.2 阀门执行机构的选择

常用的阀门执行机构有气动执行机构、电动执行机构、气液联动执行机构和电液联动执行机构等。其中，气液联动执行机构一般用于天然气长输管道项目，电液联动执行机构较多用于油品长输管道项目，原油库场站一般选用气动或电动执行机构。

气动执行机构和电动执行机构的优缺点对比见表5。

通过对比，对于自控阀门数量比较多的场站，可选用气动执行机构。自控阀门数量较少的场站建议选用电动执行机构。

表5 气动和电动执行机构优缺点对比Table5 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenpneumaticandelectricalactuator气动执行机构电动执行机构优点①执行机构操作简单,维检修方便②单作用执行机构能够实现故障安全③执行机构动作时间快①不受气候影响,防护等级较高②结构简单,安装尺寸小,使用寿命长③适合大力矩阀门缺点①需要有动力气源,对气源的压力及洁净度要求高,需设空气压缩机、仪表风罐及配套设施,增加工程投资②配套于大口径、高压力阀门,输出力矩较大的气动执行机构结构尺寸大,运输及安装不方便③控制部件较零散①电子电路相对复杂,当出现故障时,现场人员维修相对比较难②执行机构动作时间相对较长

2.3 油储罐液位测量仪表

对于采用混合法计量系统的油库罐区，油储罐液位测量仪表主要有高准确度雷达液位计和高准确度的伺服液位计两种。

雷达液位计是基于发射-反射-接收的工作原理。雷达传感器的天线发射波束形式的电磁波，电磁波遇到被测物料表面形成反射，反射回波信号由天线进行接收。处理器采集所有发射及反射波束，经过处理计算后得出物料表面与检测探头之间的距离。

伺服液位计是基于阿基米德原理进行液位测量。伺服电机通过上下调整测量钢丝改变浮子的位置，以使浮子位于被测液体表面，此时浮子本身的重力、液体的浮力(阿基米德浮力)和钢丝拉力平衡。

雷达液位计和伺服液位计的优缺点对比见表6。

表6 雷达液位计和伺服液位计优缺点对比Table6 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenradarandservolevelmeter雷达液位计伺服液位计优点①准确度高②无传动部件,与检测介质不接触③安装方便①准确度高②测量稳定,维护量小③可测量油水界面功能缺点当安装在油储罐上时,长时间的油气挥发物附着在探头表面,会影响雷达探头的测量准确度安装要求高,价格较贵

2.4 油罐温度测量仪表

储罐温度测量目前有两种通用的测量方法，一种为普通的Pt100铂热电阻一体化温度变送器，另一种为多点平均温度计测量。

由于油罐在纵向上各层的温度是不一致的，为了提高计量准确度，当采用混合法计量储罐油品时，推荐采用平均多点温度计测量储罐内各个油层温度。

GB/T 50892-2013《油气田及管道工程仪表控制系统设计规范》规定“在设备、衬里管道、非金属管道和有色金属管道上安装时，宜选用法兰连接方式”[4]。油罐的温度仪表安装形式应采用法兰连接。

2.5 可燃气体检测仪表

可燃气体探测根据检测原理的不同主要分为催化燃烧式、红外式、电化学式和半导式。原油库常用催化燃烧式或红外式可燃气体探测器。

催化燃烧式可燃气体探测器的检测原理是基于惠斯通电桥原理，扩散到探测器催化燃烧室的可燃气体在催化燃烧剂的作用下，进行无焰燃烧，产生热量，温度升高。温度变化影响感应电阻阻值，打破电桥平衡，形成微小的电压差，电压差信号与燃烧室内可燃气体的体积分数成正比，通过检测电压差，进而达到检测可燃气体含量的目的。

红外式可燃气体探测器的工作原理是基于大气传输理论中的光谱本征吸收原理，探测器中红外发射组件发出的红外光由检测室的聚焦系统照射到光敏传感器件，红外光源发出的红外光强度是恒定的，光敏传感器件的感应输出则是恒定的，信号经放大电路放大后输出电压也是恒定的。当检测室中扩散进可燃气体时，红外光的光通量中特定波段的光由于被可燃气体吸收而衰减，导致光敏传感器件感应输出电压降低，输出电压降低的幅度与进入检测室的可燃气体含量是成比例的。因此，通过检测信号放大电路输出电压的变化，就可以检测出检测室中可燃气体含量。

从性价比考虑，一般选用催化燃烧式可燃气体探测器。

2.6 火灾检测设备

储罐区一旦发生火灾，火势往往会迅速扩散，形成大面积燃烧，经常会殃及周围储罐或其他设施，可能会造成人员伤亡或巨大财产损失。在石油储罐区进行火灾实时监测，综合分析监测数据，对及时发现潜在的火险和预测可能的灾害事故具有实际意义。而对于油罐区火灾报警系统的设计也是有明确规范要求的(见表7)。

表7 油罐区火灾设置规范要求明细表Table7 Detailedspecificationofstandard规范名称要求GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》单罐容量不小于50000m3的浮顶油罐应设置火灾自动报警系统[5]GB50074-2002《石油库设计规范》单罐容量等于或大于50000m3的浮顶油罐应设火灾自动报警系统[6]GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》外浮顶罐宜采用线型光纤感温火灾探测器,且每只线型光纤感温火灾探测器应只能保护一个油罐;除浮顶和卧式油罐外的其他油罐宜采用火焰探测器[7]

设计均应按照上述规范要求进行，单罐容量等于或大于50 000 m3的浮顶油罐应设置光纤感温探测器对初期火灾进行监测，部分重要场站罐容较小，如20 000 m3储罐，应业主要求也可采用光纤检测法进行火灾监测；其他小容量油罐一般建议设置火焰探测器。

光纤感温探测器主要有：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器[8]。常用的有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器。

3 结 语

油品计量方式的选取很大程度上取决于业主的交接方式。体积交接普遍运用于欧洲和中东等国家。质量交接在美国应用较多。在中国，存在着体积交接和质量交接两种方式，采用哪种方式主要由业主的要求决定。

近年来，随着仪表自动化产品的更新换代以及产品技术水平的进步，不同工作原理的检测仪表之间的技术差距相对变小，对同一种工艺流程，检测仪表的种类可能会有很多。如何选择经济、合理、安全可靠的仪表设备，合规设计，避免过度设计，是每一位工程设计人员应该把握的重点。只有充分地解读规范要求及结合生产实际，才能做好自控仪表设计。

[1] 大庆油田工程有限公司. 油气集输设计规范： GB 50350-2005[S]. 北京： 中国计划出版社， 2005： 53.

[2] 中国石油天然气股份有限公司计量测试研究所. 原油动态计量 一般原则： GB/T 9109.1-2010 [S]. 北京： 中国计划出版社， 2010: 2.

[3] 中国石油天然气股份有限公司计量测试研究所. 石油和液体石油产品油量计算 动态计量： GB/T 9109.5-2009 [S]. 北京： 中国计划出版社， 2009: 5.

[4] 中国石化集团中原勘探局勘察设计研究院. 油气田及管道工程仪表控制系统设计规范： GB/T 50892-2013[S] . 北京： 中国计划出版社， 2013： 16.

[5] 中国石油天然气股份有限公司规划总院. 石油天然气工程设计防火规范： GB 50183-2004 [S] . 北京： 中国计划出版社， 2004： 50-51.

[6] 中国石化工程建设公司. 石油库设计规范： GB 50074-2002 [S] . 北京： 中国计划出版社， 2002： 47.

[7] 公安部沈阳消防研究所. 火灾自动报警系统设计规范GB 50116-2013 [S] . 北京： 中国计划出版社， 2013： 46.

[8] 周广丽， 鄂书林， 邓文渊. 光纤温度传感器的研究和应用[J]. 光通信技术. 2007(6): 54-57.