石油标准密度简便换算方法研究与实践*

张 宁，张燕红，李 琼

(华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640)

石油密度可以反映其质量和组分，是石油性能的主要指标之一。石油密度测试也是能源化工类专业本科生需要掌握的一项基本技能[1]。为此，我校能源化工专业开设了“石油密度测量实验”，主要根据GB/T1884-2000中规定的浮子法对被测石油样品的密度进行测试。目的是使学生通过实验了解测试石油密度的原理与方法，掌握油品密度测量的操作步骤，提高实验数据处理与综合分析能力[2]。

石油密度通常会受测试温度的影响而不同。为此，国标中定义标准温度20 ℃时的油品密度为标准值[3]。受环境温度以及仪器的影响，石油密度实验的测试温度很难精确达到20 ℃。在非标准温度下测试得到的油品密度为视密度，需要通过《石油计量表》(GB/T1885-1998)对不同测试温度下的视密度换算成标准密度[4]。由于表中不同温度有大量的密度数据，不方便学生查找所需的标准密度。当表中无法直接查到标准密度数值，还需要进一步经过插值法计算得到，过程繁琐[5]。在实验中，学生需要对原油、润滑油、石油产品等多个样品的密度进行测量，上述查表法的效率很难适应石油密度测试的需要。当实际工程应用中需要测试大量石油密度时，查表转换标准密度方法的弊端将更加明显[6]。

利用公式直接计算替代复杂的查表过程进行油品标准密度的转换是解决上述问题的一个有效方法。有学者首先尝试采用库沙柯夫公式进行换算，但是由于该公式较为简单，计算精度不高，很难推广应用[7]。为了进一步提高计算精度，也有学者对库沙柯夫公式进行改进后用于石油产品标准密度的换算[8]。但是该公式中的系数仍然需要根据测试温度进行修正，计算过程仍显繁琐。此外该公式只适用于部分密度和温度范围内石油产品标准密度的换算，其应用受到一定程度的限制。为解决现有石油密度测量中标准密度转换中的不足，本文提出一种换算简便、计算精度高、通用性强的公式，并应用于“石油密度测量实验”的教学实践。

1 石油标准密度换算公式

《石油计量表》主要适用于原油、石油产品、润滑油三类油品。通过对《石油计量表》中这三种产品视密度与标准密度间数值关系的深入分析，总结归纳得到两者的换算公式，如下所示：

(1)原油

ρ20=(-8.97327×10-4×ρt+1.44097)×t+1.01724×ρt-27.97868

(1)

(2)石油产品

ρ20=(-0.00979×ρt+8.09537)×t+1.37010×ρt-290.29266

(2)

(3)润滑油

ρ20=(-1.28949×10-5×ρt+0.62028)×t+1.00023×ρt-12.38053

(3)

式中：ρ20为标准密度，kg/m3；ρt为视密度，kg/m3；t为测试温度，℃。

通过上述改进的换算公式可以方便地将视密度直接一步转换为标准密度。

2 石油标准密度换算公式的验证

2.1 利用《石油计量表》中数值验证石油标准密度换算公式

选取原油中常用的792 kg/m3、796 kg/m3、800 kg/m3视密度值，利用本文提出的换算公式(1)在不同测试温度下分别将视密度转换为标准密度，并与通过《石油计量表》查表换算的标准密度数值进行比较，如图1所示。从图中可以看到，表中查得的标准密度数值基本都在标准密度换算公式绘制的曲线上，两者的误差在0.082‰以内。为了验证标准密度换算公式(2)与公式(3)，将《石油计量表》中的石油产品和润滑油通过查表法与换算公式计算得的标准密度进行比较，发现通过标准密度换算公式(2)与公式(3)得到的两种物质标准密度的最大误差分别为0.581‰和0.053‰，可以满足实验测量精度的需要。

图1 原油标准密度的换算公式计算值与查表值比较Fig.1 Comparison of calculated values obtained by the conversion formula and table look-up values for standard density of crude oil

2.2 利用《石油计量表》中数值的插值验证石油标准密度换算公式

在石油产品密度的试验测试中，还有很多不能直接在《石油计量表》中查到的视密度，而需要通过插值法计算得到标准密度。因此，对《石油计量表》中的数据进行插值计算，进一步验证标准密度换算公式。取视密度为800 kg/m3原油为例，在不同测试温度下利用插值查表与公式换算得到的标准密度的误差如表1所示。

表1 不用测试温度下视密度800 kg/m3的原油利用插值查表与公式换算得到的标准密度的比较

由表1可以看到利用换算公式计算得到的原油标准密度与插值法计算得出的标准密度的误差值最大为0.062‰，证明该公式同样适用于《石油计量表》中无法通过查表直接得到而需要通过插值计算的数值。

综上所述，本文所提出的油品标准密度换算公式的精度可以满足原油、石油产品、润滑油等常见油品标准密度的转换。

3 不同标准密度换算方法的比较

以测量温度39.2 ℃下视密度800 kg/m3的原油为例，分别用查表法、文献公式计算法、本文提出的公式换算法得到标准密度，通过计算过程的比较，分析各方法的优劣。

3.1 用《石油计量表》查表求标准密度

利用《石油计量表》通过查表法将视密度换算为标准密度，主要经过以下3个步骤：

(1)在表2所示的《石油计量表》中定位视密度为800 kg/m3的数据列。

(2)表中39.2 ℃的视密度无法通过查表直接得到20 ℃的标准密度，需要找到39.2 ℃附近的39 ℃和39.25 ℃，见表2虚线框中的两栏数据。

(3)根据39 ℃和39.25 ℃的标准密度814 kg/m3和814.2 kg/m3，通过线性差值法计算得到39.2 ℃视密度下的标准密度为814.16 kg/m3。

表2 石油计量表(节选)

3.2 用文献公式计算标准密度

利用文献[8]中的公式将视密度换算为标准密度，则需要以下2个步骤：

(1)根据不同的测试温度在表3中查得标准密度的修正系数k。当测试温度为39.2 ℃时，通过线性插值得到k为-6.07×10-4。

表3 不同测试温度下的修正系数(节选)

(2)通过如下公式将39.2 ℃时的视密度换算为标准密度为814.156 kg/m3。

ρ20=ρt+(1.35998-0.00081×ρt)×(t-20)-k×ρt

(4)

3.3 用改进的换算公式计算标准密度

利用改进的公式(1)可以一步直接将视密度换算为标准密度为814.159 kg/m3，其数值比文献公式的计算值814.156 kg/m3更接近标准值814.16 kg/m3。

表4 3种标准密度测试方法的比较

将上述三种标准密度换算方法的特点列于表4，从表中可以看出，虽然查表法的计算精度高、但是计算步骤多，过程繁琐。文献中的公式可以简化查表法的步骤，但是只能适用于计算原油的标准密度，使用范围受到限制。本文提出的改进的公式计算法只需要一步就可以直接利用公式计算得到标准密度，简单方便，不仅可以适用于《石油计量表》中的全部油品，还提高了现有文献中公式法的计算精度，为利用计算机辅助进行石油标准密度的转换提供了基础。

4 利用改进的换算公式进行石油标准密度测试的实践

教师指导学生在测试温度下测量原油、柴油、石油醚、润滑油等多个样品的密度，然后利用Excel软件分别编写石油标准密度的换算公式(1)～(3)，把各样品的视密度输入计算表格，可以自动计算石油标准密度。相比较现有的查表法，改进的换算公式可以大幅提高石油标准密度的计算效率，方便学生对大量石油密度测试数据的分析与处理。

5 结 论

现有的石油密度测试实验需要将测试温度下的视密度转换为标准密度。本文通过对《石油计量表》中不同测试温度下视密度与标准密度数据的分析，拟合得到两者的转换公式。利用该公式计算原油、石油产品、润滑油标准密度的最大误差分别为0.082‰、0.581‰、0.053‰，计算精度高。本文所提出的改进公式可以直接一步计算得出标准密度，解决了现有石油产品密度测量过程中查表换算方式普遍存在不易查阅、过程繁琐的问题，适用于《石油计量表》中的全部油品，可方便地用于石油标准密度的换算，为利用计算机辅助进行石油标准密度的转换提供了基础。通过教学实践证明本文所提出的换算公式可以大幅提高石油标准密度的计算效率，特别适用于大量石油密度测试数据的分析与处理。