自動(dòng)密度計(jì)與儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

周安川

（中國(guó)石化銷售股份有限公司安徽石油分公司，安徽 合肥 230000）

1 理論的依據(jù)

1.1 混合法工作原理

混合法應(yīng)用自動(dòng)液位計(jì)可直接測(cè)量出儲(chǔ)罐油品的液位高度；伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)等液位計(jì)也可測(cè)量出儲(chǔ)罐水位高度；平均溫度計(jì)可直接測(cè)量出儲(chǔ)罐油品的平均溫度。則根據(jù)儲(chǔ)罐容積表得到t 溫度下的油品體積。再查GB1885 得到VCF20。則得到油品標(biāo)準(zhǔn)體積：V20=Vt×VCF20。

混合法密度自動(dòng)測(cè)量的工作原理是：

ρt（真空中）：在t 溫度、H 液位高度下的平均密度。

P：在t 溫度、H 液位高度下的油品靜壓力差。

g：當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

則質(zhì)量（真空中）：m=ρt×Vt

1.2 混合法密度測(cè)量的缺欠

以應(yīng)用最多，液位安全高度為13m 的成品（汽、柴）油油罐為例。

根據(jù)混合法工作原理[1]，選用目前精度最高的壓力變送器：應(yīng)用量程為124kPa，精度為±0.02%FS。

如果不考慮環(huán)境溫度變化的影響測(cè)量油品密度，那么它的最大絕對(duì)誤差大約為24.8Pa。根據(jù)混合法公式，油品密度由壓力和液位計(jì)算得出，在差壓變送器絕對(duì)誤差為24.8Pa 時(shí)所引入的密度誤差用下式表示：

高度為2.53m，則密度誤差就為1kg/m3；高度為5.06m，則密度誤差就為0.5kg/m3；所以液位高度在5m 以下時(shí)，密度誤差要大于計(jì)量要求。而一部分油庫(kù)在壓力變送器的安裝、調(diào)校、維護(hù)上未按照計(jì)量?jī)x表的規(guī)程操作，致使實(shí)際使用精度遠(yuǎn)超過(guò)±0.02%。所以混合法儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們當(dāng)時(shí)選用時(shí)的期望值。因此我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，加裝自動(dòng)密度計(jì)直接測(cè)量密度，才能真正達(dá)到貿(mào)易交接的計(jì)量水平。

2 儲(chǔ)罐自動(dòng)密度計(jì)

2.1 發(fā)展歷程

進(jìn)入2000 年，以Enraf 手提式儲(chǔ)罐液位計(jì)量裝置、LEMIS 便攜式儲(chǔ)罐自動(dòng)密度計(jì)最先在煉化企業(yè)應(yīng)用。隨著石化銷售企業(yè)對(duì)油品貿(mào)易交接計(jì)量精度要求的提高，儲(chǔ)罐手持計(jì)量工具得到了推廣。而“LEMIS 便攜式儲(chǔ)罐自動(dòng)密度計(jì)”就是目前在儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中應(yīng)用的所謂“伺服密度計(jì)”的雛形。最早在儲(chǔ)罐密度計(jì)量上應(yīng)用的自動(dòng)密度計(jì)是“多點(diǎn)在線密度計(jì)”。其根據(jù)儲(chǔ)罐高度設(shè)置固定的密度測(cè)量傳感器，這個(gè)結(jié)構(gòu)就像儲(chǔ)罐多點(diǎn)平均溫度計(jì)。見(jiàn)圖1 所示。

圖1 多點(diǎn)自動(dòng)密度計(jì)

由于多點(diǎn)在線密度計(jì)受限于應(yīng)用，近5 年來(lái)，參照“便攜式儲(chǔ)罐自動(dòng)密度計(jì)”原理與結(jié)構(gòu)的“伺服密度計(jì)”應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 自動(dòng)密度計(jì)

自動(dòng)密度計(jì)的結(jié)構(gòu)分為兩部分：傳感器和變送器。其關(guān)鍵部件是密度傳感器。目前在儲(chǔ)罐液體測(cè)量中應(yīng)用的傳感器多為諧振式（也稱為振動(dòng)式）液體密度傳感器。見(jiàn)圖2。

圖2 多點(diǎn)自動(dòng)密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

諧振式測(cè)量原理是通過(guò)諧振子振動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)密度測(cè)量。諧振子在工作過(guò)程中，可等效為一個(gè)單自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)以固有頻率振動(dòng)，固有頻率只與系統(tǒng)中的等效質(zhì)量和等效彈性系數(shù)有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)中的彈性敏感元件和液體相接觸而改變了系統(tǒng)的等效質(zhì)量，使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的固定頻率變化，確定待測(cè)液體的密度。根據(jù)諧振子結(jié)構(gòu)可分為諧振筒式液體密度傳感器、諧振管式液體密度傳感器、諧振膜式液體密度傳感器、諧振弦式液體密度傳感器、音叉式液體密度傳感器[2]。

密度傳感器中內(nèi)置了高精度溫度傳感器，溫度傳感器一般選用精度在±0.1℃的Pt1000 鉑電阻。保證了密度、溫度的同位、同時(shí)測(cè)量。并且，密度傳感器中還內(nèi)置了水位探測(cè)器，可測(cè)量?jī)?chǔ)罐油水界面。

自動(dòng)密度計(jì)變送器部分是一個(gè)集運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、計(jì)量運(yùn)算為一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。其包括了動(dòng)力及傳動(dòng)部件、液位計(jì)量部件、控制及通訊部件等。

動(dòng)力及傳動(dòng)部件是由步進(jìn)電機(jī)、減速器、同軸連接器、尺帶、尺帶輪、計(jì)量輪組成。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的裝置。一個(gè)脈沖，電機(jī)走一步，旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度（稱為“步距角”）。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)的頻率，停止的位置取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，步進(jìn)電機(jī)軸帶動(dòng)尺帶輪旋轉(zhuǎn)，尺帶輪帶動(dòng)尺帶上下移動(dòng)。一般設(shè)定一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.02°，傳動(dòng)到尺帶輪，根據(jù)尺帶輪纏繞直徑的變化，尺帶移動(dòng)0.005～0.02mm。達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

液位計(jì)量部件主要由密碼器和計(jì)量輪組成。編碼器是把角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)的裝置，也稱為碼盤[3]。尺帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)尺帶帶動(dòng)計(jì)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)量輪傳動(dòng)編碼器。編碼器輸出脈沖信號(hào)，編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)0.01°角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)尺帶在在輪上走過(guò)0.02mm，通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)尺帶上下運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度測(cè)量。

控制及通訊部件是變送器的電氣部件。由步進(jìn)電機(jī)控制器、系統(tǒng)微控制器、非易失性存儲(chǔ)器、時(shí)鐘控制器、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、安全柵等組成。步進(jìn)電機(jī)控制器用于控制步進(jìn)電機(jī)；系統(tǒng)微控制器為中央總控；非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)配置及關(guān)鍵數(shù)據(jù)；時(shí)鐘控制器為系統(tǒng)運(yùn)行及測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)注時(shí)間；數(shù)據(jù)采集器用于測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)采集；信號(hào)轉(zhuǎn)換器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將防爆0區(qū)電信號(hào)與隔爆區(qū)電信號(hào)隔離；安全柵為密度傳感器提供本質(zhì)安全型電源與通訊。

密度傳感器與變送器之間是通過(guò)尺帶連接。尺帶的襯底材料是優(yōu)質(zhì)高碳素鋼，抗拉強(qiáng)度：＞1600N/mm2，這與量油尺相同。尺帶鋼制襯底向下與密度傳感器殼體連接，向上與變送器殼體連接，變送器殼體通過(guò)法蘭跨接銅片與罐體連接，形成設(shè)備整體接地。尺帶襯底兩側(cè)各有一根0.2mm2的銅導(dǎo)線，完成密度傳感器與變送器通訊。尺帶附著在表面的材料為耐油、耐磨、絕緣材料。并且對(duì)于避免靜電電荷積聚，在國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)GB3836 中有詳細(xì)要求，并必須通過(guò)第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)的防爆檢定。

2.3 自動(dòng)密度計(jì)安裝

鑒于多數(shù)油庫(kù)為原計(jì)量系統(tǒng)改造，所以，盡量要求現(xiàn)場(chǎng)不清罐、不動(dòng)火、不影響油庫(kù)正常作業(yè)的情況下施工?，F(xiàn)有系統(tǒng)已基本組成，僅缺密度計(jì)。所以，密度計(jì)安裝于人工計(jì)量口，改造工程很小，易于實(shí)施。

在油罐人工計(jì)量口之上安裝自動(dòng)密度計(jì)，必須安裝“量油轉(zhuǎn)換器（俗稱：投尺箱）”，便于人工計(jì)量操作，也便于人工與自動(dòng)進(jìn)行計(jì)量比對(duì)。投尺箱上部法蘭與密度計(jì)法蘭配套，下部法蘭與原有投尺孔法蘭配套。

若該罐需要人工投尺，在計(jì)量軟件界面上點(diǎn)擊該罐圖標(biāo)，再點(diǎn)擊【人工投尺】按鈕，密度計(jì)將自動(dòng)收回密度探頭，投尺結(jié)束后，仍在該界面點(diǎn)擊【密度測(cè)量】，密度計(jì)將恢復(fù)測(cè)量狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)具有操作按鈕，可在現(xiàn)場(chǎng)操作提升密度計(jì)傳感器。

3 儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

成品油油庫(kù)儲(chǔ)油罐安裝自動(dòng)密度計(jì)的目的不是增加密度測(cè)量設(shè)備，而是為提升儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)精度。實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐油品計(jì)量精度最高、穩(wěn)定性最好、可靠性最強(qiáng)、操作性最易的油罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。做到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性；計(jì)量與監(jiān)控的互補(bǔ)性；計(jì)量方式的兼容性；數(shù)據(jù)處理的多樣性。才是我們最終的目的。所以，僅提高了密度測(cè)量精度，而沒(méi)有提高油罐計(jì)量系統(tǒng)精度，則未完全達(dá)到安裝自動(dòng)密度計(jì)的目的。

3.1 儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1）油品商業(yè)質(zhì)量測(cè)量準(zhǔn)確度≤±0.2%；

2） 系統(tǒng)重復(fù)性≤±0.15%；

3） 油品液位測(cè)量準(zhǔn)確度≤±3mm；

4） 密度測(cè)量準(zhǔn)確度≤±0.5kg/m3；

5） 油水界面測(cè)量準(zhǔn)確度≤±2mm；

6） 溫度測(cè)量準(zhǔn)確度≤±0.3℃；

7）系統(tǒng)使用壽命≥10 年。

3.2 儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這種系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)70 年代，其主要特征是將一個(gè)庫(kù)區(qū)儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)分布到每個(gè)儲(chǔ)油罐，一個(gè)罐上的所有計(jì)量?jī)x表連接到一個(gè)罐前處理器（現(xiàn)場(chǎng)處理器）中，作為一個(gè)獨(dú)立的單罐計(jì)量系統(tǒng)。罐前處理器可以是一個(gè)低成本的小型PLC，也可以是一個(gè)微處理器為基礎(chǔ)的計(jì)量處理器，許多儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)生產(chǎn)廠家都有這樣的產(chǎn)品。罐前處理器把每個(gè)罐許多特定的幾何參數(shù)（即罐的容積表、石油產(chǎn)品的密度換算表、體積修正系數(shù)表等）存儲(chǔ)在內(nèi)，結(jié)合采集到的液位計(jì)、密度計(jì)、溫度計(jì)、壓力變送器數(shù)據(jù)值，經(jīng)過(guò)獨(dú)立計(jì)算及處理，得到該儲(chǔ)罐的液位高度、油品溫度、油品密度、標(biāo)準(zhǔn)體積、商業(yè)質(zhì)量。

將系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)儀表層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、綜合管理層。各個(gè)層面各司其職，便于系統(tǒng)維護(hù)與更新?lián)Q代。每個(gè)處理器器都能獨(dú)自完成自己的功能，讓系統(tǒng)的故障分散，不會(huì)因一個(gè)儀表故障引起全套系統(tǒng)癱瘓。由于現(xiàn)場(chǎng)處理器采用固化的應(yīng)用軟件集成了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的算法和程序控制，不受計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)的影響，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。罐處理器可組成的混合法可拆解成：液位法、靜壓法、密度法，并互為冗余、互為轉(zhuǎn)換，并且增加了計(jì)量數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)顯示，優(yōu)化了油庫(kù)罐區(qū)巡檢。

圖3 儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 電氣連接

原系統(tǒng)安裝不變，加一根電纜、護(hù)管、接線箱，從罐頂密度計(jì)至罐旁現(xiàn)場(chǎng)處理器（顯示器）。罐旁現(xiàn)場(chǎng)處理器安裝支架采用地腳螺栓安裝或混凝土澆筑。儀表電纜應(yīng)用“明裝”護(hù)管連接，電源與通訊應(yīng)用原電源與通訊電纜（如圖4）。

在中央控制室設(shè)置計(jì)量工作站，包括：計(jì)算機(jī)一臺(tái)、接口單元一臺(tái)、計(jì)量軟件一套。

3.5 計(jì)量工作站與人機(jī)界面

由于上層計(jì)算機(jī)僅為系統(tǒng)配置、系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)綜合；所以，上層計(jì)算機(jī)只是一個(gè)工作站，即使關(guān)閉，每個(gè)罐處理器仍可獨(dú)立運(yùn)行計(jì)量操作，不影響油庫(kù)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)及PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。分布式系統(tǒng)擁有高速的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同控制器和監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理計(jì)算機(jī)的綜合控制。然后通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道，能夠把不同的控制器關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)可以監(jiān)控其他設(shè)備，完成功能高級(jí)復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化信息。網(wǎng)頁(yè)版（在油庫(kù)專網(wǎng)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器查看計(jì)量數(shù)據(jù)）

圖4 電源與通訊電纜

4 結(jié)語(yǔ)

成品油油庫(kù)儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量已走過(guò)二十多個(gè)年頭，成敗褒貶不一。近一年多來(lái)，計(jì)量系統(tǒng)加入自動(dòng)密度計(jì)裝置，提升計(jì)量系統(tǒng)精度，已得到實(shí)踐的證實(shí)。但是，儲(chǔ)罐計(jì)量是一個(gè)系統(tǒng)工程，仍要考慮其建設(shè)過(guò)程中的四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）設(shè)計(jì)的合理性；2）安裝施工質(zhì)量；3）所選儀表及系統(tǒng)的精度；4）調(diào)試人員的水平。并非系統(tǒng)安裝完畢即萬(wàn)事大吉，根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，儀表、裝調(diào)、使用維護(hù)，三種誤差各占系統(tǒng)總誤差的百分比為40%、30%、30%。即按4-3-3 規(guī)律分布，儀表的固有誤差只占40%左右，而另有60%的誤差來(lái)源于安裝與調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、正確使用及日常維護(hù)。所以，建設(shè)好一個(gè)儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，還要付出許許多多不懈的努力。