伺服式液位仪与人工测量液高对比产生异常差异的分析

赵海荣

〔中国石化浙江石油分公司 浙江杭州 310009〕

成品油罐自动计量技术已在国内普及使用。目前主流是混合法自动计量系统(HTMS)和储罐多功能计量仪等，但因部分油库安装的自动计量系统其测量参数与人工测量的计量数据相比存在较大差异，还不能完全代替人工计量[1]。其中油罐内液位高度是普遍存在的对比相差较大的重要参数之一。利用伺服式液位仪测量液高是目前自动计量系统液高测量的主要方法。本文就伺服式液位仪测量液高与人工测量液高的对比中可能会影响对比结果的几个主要因素进行分析，从中找出影响伺服式液位仪液高测量准确性以及出现液高对比异常的原因。

1 伺服式液位仪代替人工测量液高的原理

在油罐总高(参照高度)不变的前提下，用伺服式液位仪测得油罐内液位空高，再用油罐总高减去液位空高，即可得到液位实高。人工测量的是油罐内液位实高。当自动计量系统调试完成后，其测量并通过计算得到的储罐内液高，应等于人工测量液高(如图1)。利用等量代换原理，将自动计量系统测得的液高，代替人工测量液高，再使用基于人工测量基准点编制的容积表进行罐内油量自动计算，从而达到自动测量的目的。

图1 测量液高原理示意图

2 测量对比的误差要求

自动计量系统在测量空高、人工测量实高时，都存在随机误差。考虑计量准确性要求，石化系统专门发布了《油库自动计量技术标准》，对自动计量系统和人工测量液高对比的误差作了明确规定：浮顶罐在2 m≤油水总高≤安全高度的测量范围、拱顶罐在1.5 m≤油水总高≤安全高度的测量范围时，两者油水总高对比差异不能超过±3 mm。液高对比超过±3 mm即认为对比异常差异，自动计量系统测量的液高就不能代替人工测量的液高。

3 对比产生异常差异的主要原因分析

目前，对伺服式液位仪测量液高和人工测量液高对比产生异常差异的原因。存在较多主观认识，其中认为最主要的影响因素分别是：伺服式液位仪安装位置、液位仪导向管开孔(槽)设计、液位仪导向管安装方法、人工计量基准板安装方法。以下分别对这4种情况进行逐一分析。

3.1 伺服式液位仪安装位置

伺服式液位仪安装位置一般可分两种，一是与人工计量位置合并安装，共用计量导向管(如图2)。二是与人工计量位置分别安装，可以在远离人工计量口的正对面，也可以在靠近人工计量口的附近(如图3)。

图2 合并安装示意图

图3 分别安装示意图

(1)在不考虑其他因素的前提下，人工计量位置和伺服式液位仪安装位置相同(如图2)。

人工测量储罐内液高：h液=h实

式中：h实为人工计量时测得的实际高度，m。

式中：H参为上计量基准点到下计量基准点的参照高度，m；h空为伺服式液位仪测得的空高，m。

在下计量基准点和参照高度(液位仪安装高度)都不改变的情况下，人工计量位置测得的任何液位的实高：h实=H参-h空

同位置安装时，伺服式液位仪测量的液高和人工测量液高相等，不会出现对比异常差异。

(2)在不考虑其他因素的前提下，人工计量位置和伺服式液位仪安装位置不同(如图3)。

人工测量储罐内液高：h液=h实

在液位仪测量调试过程中，必须对伺服式液位仪测量结果进行基于人工测量的参数修正：

在人工计量基准点无变化、液位仪安装高度不改变的情况下，人工计量位置测得的任何液位实高：h实=H总-h空

不同位置安装时，伺服式液位仪测量液高与人工测量液高相等，不会出现对比异常差异。

由以上分析可知，只要人工计量基准点无变化、液位仪安装高度不改变，伺服式液位仪的安装位置不会影响液位仪代替人工测量的准确度，不会造成对比异常差异。

3.2 伺服式液位仪导向管开孔(槽)设计

液位仪导向管在实际使用中是否开孔(槽)存在3种情况：①在导向管上连续开孔(槽)到储油安全高度以上；②零星开孔(槽)到储油高度的中高部；③不开孔(槽)。在不考虑其它因素的前提下，以内浮顶罐为例(导向管上部密封，如图4)。

图4 液位仪导向管示意图

根据压强计算公式，在人工测量下计量基准点同一水平面上：P0+ρgh实=P1+ρgh1实

由上式可得：h实-h1实=(P1-P0)/ρg

式中：h实为人工测量储罐内液高，m；h1实为伺服式液位仪基于人工测量的下计量基准点同一水平面到导向管内油液面高度，m；p0为内浮盘以上气体压强，Pa；P1为伺服式液位仪导向管内油液面以上气体压强,Pa；ρ、g为油品密度和重力加速度，单位分别为kg/m3和N/kg。

设人工测量液高和伺服式液位仪测量液高之差为Δh，伺服式液位仪导向管内气体压强和浮盘以上气体压强之差为ΔP，则：

Δh=h实-h1实=(P1-P0)/ρg=ΔP/ρg

由上式可得：ΔP=Δhρg

(1)

当伺服式液位仪导向管内气体压强和浮盘以上气体压强相等时，Δh=0，人工测量液高和伺服式液位仪测量液高没有差异。

当伺服式液位仪导向管内气体压强和浮盘以上气体压强不相等时，根据气体平衡方程(假设温度不变)，导向管内气体：PV=nRT

其中：P为导向管内气体压强；V为导向管内气体体积；n为物质的量；R为普适气体常数；T为绝对温度。

则：P0V0=P1V1

得：P0LS=P1(L-h)S

h=(P1-P0)L/P1

(2)

式中：P0为油品刚浸没导向管开孔时密闭导向管内气体压力，Pa；V0为油品刚浸没导向管开孔时密闭导向管内液面以上气体体积，m3；P1为油品进入并超过导向管最高开孔时密闭导向管内液面以上气体压力，Pa；V1为油品进入并超过导向管最高开孔时密闭导向管内液面以上气体体积，m3；L为导向管最高开孔到导向管顶部的距离，m；h为导向管最高开孔到油品进入导向管的深度，m。

根据公式(1)和(2)，可得：

h=(P1-P0)L/P1=ΔPL/(P0+ΔP)=ΔhρgL/(P0+Δhρg)

(3)

在伺服式液位仪和人工测量液高对比出现异常差异的临界值，即Δh=3 mm时：设汽油密度ρ汽=740.0 kg/m3，柴油密度ρ柴=836.0 kg/m3，因内浮顶油罐上部有透气孔，所以浮盘以上压力P0近似等于大气压，P0=101 325 Pa，将以上参数分别代入(3)，当罐内储存汽油时：h=0.000 21 L；罐内储存柴油时：h=0.000 24 L。

即：当伺服式液位仪导向管没有开孔(槽)或开孔(槽)未到储油安全高度以上时，只要油液面进入液位仪导向管并浸没导向管最高开孔(槽)高度以上时，伺服式液位仪与人工测量对比就会出现异常差异。

以长度为18 m的液位仪导向管为例，计算开孔(槽)高度在液高对比产生异常差异时，油品进入导向管最高开孔(槽)以上的最大深度，结果见表1。

表1 导向管是否开孔设计对测量液高的影响

伺服式液位仪导向管是否开孔(槽)会严重影响液高对比结果。当导向管没有开孔(槽)或开孔(槽)高度达不到储油高度的最高值以上时，在油品进入导向管或超过导向管开孔(槽)的最大高度后，液位仪导向管内气体压力与浮盘以上气体压力就会有压差，油品进入导向管越多，压差越大，液高对比差异越大。只有在导向管上超过储油最高位置的地方开孔(槽)，才能保证导向管内外气体压力一致，液高对比就不会产生异常差异。但如需要在该导向管内测密度(使用全自动计量仪或伺服式密度计)，还需要保证导向管内油品的样本代表性，油品必须能在导向管内与油罐间自由流动，因此要保证导向管有足够数量和足够尺寸的开孔(槽)。

3.3 液位仪导向管安装方法

液位仪导向管的安装一般可分为两种，一种是安装在油罐底板上(如图5)，另一种是安装在油罐壁上(如图6)。以液位仪导向管位置和人工计量位置不一致为例，在不考虑其它因素的前提下，分析液位仪导向管安装方法对液高对比结果的影响。

图5 安装在底板示意图

图6 安装在罐壁示意图

(1)伺服式液位仪导向管安装在油罐底板上，当液位仪导向管所在油罐底板发生沉降时，液位仪与导向管一起整体下降，但总高不变；油液面会有少量位移，但一般不会随着底板的沉降而发生同等距离的整体下降。

人工测量液高：h液=h′=h实-h空移

式中，h空移为油液面下降的距离，m。

式中，h1实移为液位仪导向管下降的距离，m。

因为：h实=H总-h空，代入上式

所以：ΔH=H总-h空-h空移-H总+(h空-h1实移+h空移)=-h1实移

在油罐底板正常完好时，ΔH=0，即导向管安装在油罐底板时不会影响液高对比。但当液位仪导向管所在底板位置出现沉降等异常时，液位仪测量液高不等于人工测量液高，当液位仪导向管底板位置下降超过3 mm时，其测量的液高与人工测量对比会出现异常差异。反之，也可以通过液高对比的异常差异，去判断油罐底板是否存在沉降等异常情况。当油罐底板出现沉降等异常情况时，油罐容积表的底容量发生改变，此类油罐不能再作为贸易交接计量使用[2]。

(2)伺服式液位仪导向管安装在油罐壁上。当油罐底板(除基准板所在位置外)任何一处发生沉降时，液位仪与导向管都不会随着油罐底板的沉降而发生任何变化；油液面会有少量位移，但一般不会随着底板的沉降而发生同等距离的整体下降。

人工测量液高：h液=h′=h实-h空移

因为：h实=H总-h空，代入上式

所以：ΔH=H总-h空-h空移-H总+(h空+h空移)=0

当液位仪导向管安装在罐壁时，不管油罐底板是否存在沉降等异常，只要计量基准板位置没有变化，液位仪测量液高与人工测量液高就总是相等，其测量的液高对比不会出现异常差异。但因底板沉降等原因会造成油罐底容积改变，此类油罐不能再作为贸易交接计量使用。

在液位仪导向管安装位置和人工计量口安装位置一致时，伺服式液位仪导向管安装在油罐底板和安装在罐壁上，造成液高计量对比的结论与安装位置不一致时的结论相反。

3.4 人工计量基准板安装方法

人工计量基准板安装一般可分为3种，一是安装在油罐底板上(图7)，二是安装在油罐壁上(图8)，三是安装在人工计量导向管的下部(图9)。以液位仪导向管位置和人工计量位置不一致为例，在不考虑其它因素的前提下，分析人工计量基准板安装方法不同对液高对比结果的影响。

图7 基准板安装在底板

图8 基准板安装在罐壁

图9 基准板安装在导向管下部

(1)人工计量基准板安装在油罐底板上，当安装有计量基准板的油罐底板发生沉降时，计量基准板会同时随之发生移位；油液面会有少量位移，但一般不会随着底板的沉降而发生同等距离的整体下降。此时：

人工测量液高：h液=h′=h实+h实移-h空移

式中：h′为油罐底板沉降后测得的实际油高，m；h实移为底板沉降引起的下计量基准板下降的距离，m。

液位仪测量液高：

人工测量和液位仪测量之差：

因为：h实=H总-h空，代入上式

所以：ΔH=H总-h空+h实移-h空移-H总+(h空+h空移)=h实移

在油罐底板正常完好时，ΔH=0，即基准板安装在油罐底板时不会影响液高对比。当计量基准板所在底板位置出现沉降等异常时，液位仪测量液高不等于人工测量液高，当下计量基准板下降超过3 mm时，其测量的液高对比会出现异常差异。同时，因为计量基准板的沉降，使得基于人工计量基准点编制的原容积表将不再适用于底板沉降变化后的油罐，此类油罐不能再作为贸易交接计量使用。

(2)人工计量基准板安装在油罐壁上或人工计量导向管的下部，当油罐底板发生沉降等变化时，计量基准板因固定在罐壁或导向管下部，其不会随底板沉降而移动。油液面因为底板的沉降等变化会有少量位移，但一般不会随着底板沉降而发生等距离的整体下降。

人工测量液高：h液=h′=h实-h空移

因为：h实=H总-h空，代入上式

所以：ΔH=H总-h空-h空移-H总+(h空+h空移)=0

当计量基准板安装在油罐壁或人工计量导向管下部时，不管油罐底板是否存在沉降等异常，液位仪测量液高与人工测量液高总是相等，其测量的液高对比不会出现异常差异。但因底板沉降等原因会造成底容积改变，使得基于人工计量基准点编制的原容积表将不再适用于底板沉降变化后的油罐，此类油罐不能再作为贸易交接计量使用。

在液位仪导向管安装位置和人工计量口安装位置一致时，同理分析可知：当油罐底板发生沉降等异常时，计量基准板安装在油罐底板上，如果液位仪导向管同样安装在底板上，则液高对比不会产生异常；如果液位仪导向管安装在罐壁上时，液高对比会产生异常。当计量基准板安装在罐壁上，如果导向管安装在油罐底板时，则液高对比都会产生异常；如果导向管安装在罐壁时，则液高对比无异常。

4 措施建议

油罐在安装伺服式液位仪时，除了要考虑后期液高对比不能有异常差异外，还要考虑对油罐底部状态的监管，以确认是否存在底板变形等影响计量交接的情况。对伺服式液位仪及人工计量基准板的设计、安装提出以下建议措施：

(1)伺服式液位仪的安装位置可以选择在罐顶的任何方便安装的地方。

(2)伺服式液位仪的导向管应开孔(槽)设计，以保证导向管内外气体压力一致，消除液高对比差异。如需通过导向管测密度，还需在导向管上开孔(槽)，具体方法是：交叉开通孔，孔的直径应不小于50 mm，间距不大于100 mm，或交叉向上对称开槽，槽的宽度不小于25 mm，长度不小于250 mm。开孔(槽)时应连续向上超过油罐最大储油液位高度。

(3)当伺服式液位仪导向管位置和人工计量口位置不一致时，伺服式液位仪的导向管应安装在油罐底板上。当伺服式液位仪导向管位置和人工计量口位置一致时，伺服式液位仪导向管应安装在油罐壁上。

(4)当伺服式液位仪导向管位置和人工计量口位置不一致时，人工计量基准板应安装在油罐底板上。当伺服式液位仪导向管位置和人工计量口位置一致时，人工计量基准板也应安装在油罐底板上。