付油控制装置现场校准方法的研究

施 鑫，安海骄，张 璋

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

石油公司油库对外销售液体石油产品 （如汽油、柴油等）的过程中，付油控制装置（以下简称付油装置）负责油品的输送和计量，利用流量计采集的流量信号、 温度传感器采集的温度信号等数据，经过数学模型运算，计算出输出的成品油量。付油是将油库储油罐中的油品经过付油管线输送到装车鹤位，再注入油罐车的过程，在此过程中系统一方面要通过控制阀门或变频器调节输油量，另一方面要借助流量计准确计量输油量，借此作为结算依据。在实际应用中，由于流量计不便拆卸，石油公司对于付油装置现场计量校准的需求十分迫切。

1 付油装置的原理及特性

付油控制装置主要由计量单元、 安全防护单元、动力单元、主控单元和执行机构等部分组成，如图1 所示。计量单元主要包括安装在输油管路上的流量计、温度变送器、压力变送器，用于采集装置工况参数。安全防护单元主要实现静电接地、防溢油、紧急停止、油品安全流速检测、油气回收等功能。动力单元主要指泵机，为油品的输送提供动力。主控单元实现显示信息、数据存储、采集、计算、操作控制、系统参数修改、系统管理等功能。执行机构主要指流量调节阀、开关阀等部件。付油装置通过鹤管（鹤位）与油罐车接口连接，一套付油装置往往具有多个鹤位，可实现不同种类油品的加注。

图1 付油控制装置示意图Fig.1 Structure diagram of oil-dispensing equipment

在付油装置装载成品油之前，首先要设定一个预装量，称为付油设定值，装置通过控制泵和阀门进行装载，当接近付油设定值时，切断油路。此时，系统显示出装载量，称为付油显示值。我们将作为付油结算依据的量值称为付油结算值。在实际贸易中，既有将付油显示值作为结算值的情况，也有将付油设定值作为结算值的情况。值得注意的是，不仅付油显示值与设定值可能不同，而且二者与实际装载量也可能存在差异。针对实际需求，付油装置现场校准工作需要通过技术手段准确地测量出付油结算值与实际装载量间的误差（称为付油结算值误差），和付油设定值与显示值间的误差（称为预装量控制误差），以便将误差控制在允许的范围内。

2 付油结算值误差的校准方法研究

考虑到现场校准的可操作性和接近工况条件的要求，校准时将付油装置的鹤管与收集容器相连接并开始付油操作，付油完成后计量收集容器中油品的质量或体积。采用衡器测量油品质量的方法称为衡量法，采用标准金属量器测量油品体积的方法称为容积比较法。付油装置的计量单元一般采用质量流量计或容积式流量计计量付油量，根据计量单元的流量计类型相应地优先选择衡量法或容积比较法，因为这样可以避免密度测量引入的不确定度。

2.1 计量单元为质量流量计

付油控制装置的计量单元为质量流量计时，单次测量的付油结算值误差按式（1）计算：

式中：Ei为第i次测量的付油结算值误差；Mi为第i次测量的付油结算值（付油显示值或设定值）；（Ms）i为第i次测量的付油标准值。

使用不同主标准器时，付油标准值的计算方法如下：

（1）以衡器作为主标准器

式中：（ms）i为第i次测量的衡器的示值；Cf为浮力修正因子，根据式（3）计算：

式中：ρs为主标准器处油品的视密度；ρb为衡器检定用标准砝码的密度；ρa为空气密度。

若检定衡器时不使用砝码，则：

（2）以标准金属量器作为主标准器

式中：（Vo）i为第i次测量标准金属量器的示值；βs为标准金属量器的体膨胀系数；β 为油品的体膨胀系数；κ 为油品的压缩系数；tm为流量计处油品的温度；ts为标准金属量器处油品的温度；pm为流量计处油品的压力；ps为标准金属量器处油品的压力；VCF20为将计量温度（tm）下的体积修正到20 ℃下的体积修正系数[1]；ρ20为由视密度和计量温度查标准密度表[1]得到的标准密度。

2.2 计量单元为容积式流量计

付油控制装置的计量单元为容积式流量计时，单次测量的付油结算值误差按式（6）计算：

式中：Ei为第i次测量的付油结算值误差；Vi为第i次测量的付油结算值；（Vs）i为第i次测量的付油标准值。

使用衡器和或标准金属量器作为主标准器时，付油标准值分别根据式（7）或（8）计算：

付油结算值误差E按式（9）计算：

式中：n为校准次数。

付油结算值误差的重复性Er按式（10）计算：

式中：（Ei）max为单次测量付油结算值误差中的最大值；（Ei）min为单次测量付油结算值误差中的最小值；dn为极差系数，其值见表1。

表1 极差系数表Tab.1 Coefficient dn

3 预装量控制误差的校准方法研究

为了贴近工况条件，预装量控制误差试验可在实际付油过程中测量，并保证付油设定值不小于3000 L 或3000 kg。记录每次付油过程装置的设定值和显示值。

单次测量的预装量控制误差Δi按式（11）计算：

式中：（Qset）i为第i次测量装置的付油设定值；（Qdis）i为第i次测量装置的付油显示值。

付油控制装置的预装量控制误差Δ 按式（12）计算：

4 实验研究与不确定度分析

为了进一步验证校准方法的有效性，选取一套付油控制装置进行实验研究。装置计量单元流量计采用质量流量计，温度变送器最大允许误差不超过±0．5 ℃，付油结算值采用显示值。校准使用的主标准器和配套仪器包括：2000 L 二等金属量器，温度计（最大允许误差不超过±0．2 ℃） 和二等石油密度计。分别测量付油结算值误差和预装量控制误差，实验数据如表2 和表3 所示。

根据式（1）和式（5），付油结算值误差可按式（13）计算：

表2 付油结算值误差校准实验结果Tab.2 Experiment result for calibration of settlement flow error

表3 预装量控制误差校准实验结果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的不确定度贡献量可忽略不计，并将K视为常数，付油结算值误差的不确定度传播率如式（15）所示：

式中灵敏系数为

由式（15）可知，付油结算值误差的不确定度来源主要有：标准金属量器引入的不确定度分量；被校装置引入的不确定度分量，即重复测量引入的A类不确定度；介质标准密度引入的不确定度分量；体积修正系数引入的不确定度分量。

（1）标准金属量器引入的不确定度分量u（V0）

标准金属量器的准确度等级为二等，其最大允许误差为±0．025%，按照均匀分布考虑，则：

灵敏度系数c（V0）＝-0．501（1/m3）。

（2）被校装置引入的不确定度分量u（M）

被校装置引入的不确定度考虑主要为重复测量引入的A 类不确定度，按照式（17）计算。

灵敏度系数c（M）＝0．000677（1/kg）。

（3）介质标准密度引入的不确定度分量ur（ρ20）

由于介质标准密度是由标准器处油品计量温度（ts）和视密度（ρs）查石油产品标准密度表[1]获取的，因此介质标准密度引入的不确定度分量与计量温度、视密度有关。以第一次测量数据为例，由于温度计的最大允许误差为±0．2 ℃，二等标准石油密度计的最大允许误差为±0．3 kg/m3，按照均匀分布考虑，ts和ρs的最佳估计值分别落在（17．1～17．5）℃和（742．2～742．8）kg/m3的范围内，忽略标准密度表的不确定度，通过查表可得到在此计量温度和视密度区间内的所有标准密度值，获得ρ20的范围为（739．6～740．6）kg/m3，假设其服从均匀分布，则有：

灵敏度系数c（ρ20）＝-0．00135 m3/kg。

同理，计算另外两次测量的对应值，取其中最大者作为u（ρ20），即0．289 kg/m3。

（4）体积修正系数引入的不确定度分量ur（VCF20）

体积修正系数由流量计处油品计量温度（tm）和标准密度（ρ20）查石油产品体积修正系数表[1]获取。其标准不确定度评定方法与标准密度类似，通过查表可得到VCF20在1．0037～1．0049 的范围内，假设其服从均匀分布，则有：

灵敏度系数c（VCF20）＝-0．994。

同理，计算另外两次测量的对应值，取其中最大者作为u（VCF20），即0．000346。

将各标准不确定度分量代入式（15），得到E的合成标准不确定度为0．056%。取包含因子k＝2，扩展不确定度Ur为0．11%。

5 结语

本文研究了付油控制装置的现场校准方法，针对结算双方关心的付油结算值误差和预装量控制误差给出了实验方案，采用衡量法和容量比较法测量付油标准值，并根据不同计量单元种类，分别给出了使用两种校准方法的数据处理过程。最终通过实验和不确定度分析验证了该校准方法的可行性。