油罐(艙)固定式自動液位計應(yīng)用研究

孫巖,畢海鵬

(1. 中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司,北京 100083;2. 中國石化集團(tuán)有限公司科技部,北京 100728)

油罐(艙)中的液位數(shù)據(jù)是貿(mào)易交接及庫存管理所關(guān)注的計量指標(biāo),是靜態(tài)油量計算[1-2]中的重要計量參數(shù)。目前,液位數(shù)據(jù)主要通過人工檢尺[3-4]或固定式自動液位計(ALG)獲取。

相比液位手工計量,ALG可實(shí)時獲取、處理液位數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)集成于罐(艙)區(qū)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)中,更有利于液位數(shù)據(jù)的分析利用。在測量結(jié)果的準(zhǔn)確度方面,計量級ALG的固有誤差(儀器測量不確定度)可控制在1 mm以內(nèi),同時避免了人工檢尺測量過程中引入的測量重復(fù)性等標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量,降低了測量結(jié)果的隨機(jī)誤差。

伴隨油罐(艙)計量自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展,ALG作為油罐(艙)標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備已廣泛投用。然而,ALG的計量結(jié)果卻難以令人滿意,致使大量計量級ALG只用于監(jiān)控用途,浪費(fèi)了其實(shí)際計量能力。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),儀表固有誤差并非影響ALG測量結(jié)果準(zhǔn)確度的唯一因素,其測量結(jié)果同時受到油品特性、安裝及運(yùn)行條件等多重因素影響。

1 自動液位計應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

ALG應(yīng)用文獻(xiàn)主要見于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及液位計生產(chǎn)廠家提供的設(shè)備使用手冊。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)[5-7]、美國石油學(xué)會石油計量標(biāo)準(zhǔn)手冊(API MPMS)[8-10]及國家標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。以上手冊及標(biāo)準(zhǔn)均給出了ALG在投用前儀器測量不確定度要求、安裝要求、設(shè)置檢驗(yàn)方法,以及投用后的后期檢驗(yàn)方法及檢驗(yàn)頻率。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過提出各種要求性條款使ALG減少受到各種不利因素的影響;設(shè)備使用手冊是生產(chǎn)廠家結(jié)合自身產(chǎn)品專有技術(shù)考慮的ALG安裝使用說明,總體技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)要求與主流標(biāo)準(zhǔn)相近,包含技術(shù)細(xì)節(jié)更加全面并具有專用性。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備手冊結(jié)合使用已成為指導(dǎo)ALG應(yīng)用的主要方案。

2 影響液位計使用性能的主要因素

2.1 ALG的選型影響

ALG根據(jù)測量方式可劃分為接觸式和非接觸式兩種類型,由于計量原理不同,所以計量性能有所差異。

2.1.1接觸式ALG

接觸式ALG通常以伺服式液位計為代表,基于阿基米德原理進(jìn)行測量。通過高準(zhǔn)確度的測力傳感器使吊絲以恒定拉力懸掛底部浸沒于液面的測量浮子,當(dāng)液位靜止時,拉力等于浮子所受重力與浮力之差;當(dāng)液面升降時,原有受力平衡被打破,浮子跟隨液面同向升降,直到再次實(shí)現(xiàn)受力平衡。浮子升降時,伺服電機(jī)以一定步幅升降測量鋼絲,計數(shù)器同步記錄伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù),并自動計算出測量浮子的位移量,即液位的變化量。

伺服式液位計由吊絲懸吊,在搖晃條件下,如油船艙,會帶來較大的測量誤差及安全隱患。如果油船艙安裝伺服式液位計,船體發(fā)生劇烈搖晃時,通常將浮子回收并置于“存放”位置,但該操作會影響液位計的使用效率。

2.1.2非接觸式ALG

非接觸式ALG常見類型為雷達(dá)液位計,采用了基于頻率調(diào)制連續(xù)波FMCW(frequency modulated continuous wave)的測量技術(shù)。液位計在向液面發(fā)射信號的同時,接收由液面返回的信號,發(fā)射與接收信號的頻率通常不同,雷達(dá)液位計將對時間信號的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷︻l率信號的測量,經(jīng)對頻率信號處理后進(jìn)而獲得相應(yīng)的液位。

在測量高蒸氣壓產(chǎn)品時,雷達(dá)液位計可能會存在困難。由于高蒸氣壓產(chǎn)品在氣液界面處的蒸氣濃度較高,致使界面處的氣液阻抗變化不顯著,從而影響回波接收,帶來液面測量不準(zhǔn)確的問題。同時,儲罐內(nèi)氣體空間因高濃度的產(chǎn)品蒸氣導(dǎo)致相對介電常數(shù)增大,降低了雷達(dá)波(電磁波)在氣體空間的傳播速度。測量時,如果未引入介電常數(shù)的變化補(bǔ)償,測量結(jié)果與實(shí)際液位會產(chǎn)生較大差異。

2.2 儀器不確定度的影響

ALG不確定度是其測量結(jié)果不確定度的重要分量,一般通過校準(zhǔn)或檢定來劃分。根據(jù)儀器不確定度對儀器進(jìn)行準(zhǔn)確度等級劃分,準(zhǔn)確度等級較高的ALG通常會帶來高準(zhǔn)確度的測量結(jié)果,但也意味著更高的使用成本。因此,ALG在選用時,應(yīng)根據(jù)其用途及應(yīng)用場景確定合適的準(zhǔn)確度等級。對于油罐(艙)計量交接用ALG,國家標(biāo)準(zhǔn)[11-13]對ALG在常壓罐、帶壓罐、油船艙應(yīng)用時,給出了儀器不確定度分別為1 mm,1 mm,3 mm,目前主要ALG制造廠家的儀器不確定度控制在0.5 mm以內(nèi),庫存管理用ALG的儀器不確定度要求可適當(dāng)放寬。

油船艙液位計量為動平臺計量,其測量結(jié)果的準(zhǔn)確度要明顯低于陸地儲罐液位計量結(jié)果,因此標(biāo)準(zhǔn)對于油船艙液位計的儀器測量不確定度要求相比陸地儲罐液位計有所放寬。

2.3 運(yùn)行條件的影響

ALG的工況運(yùn)行條件,包括環(huán)境、技術(shù)條件等,通常區(qū)別于校準(zhǔn)或檢定條件。因此,ALG測量結(jié)果的不確定度不僅包括儀器不確定度分量,還包括由ALG運(yùn)行條件引入的不確定度分量(以下簡稱“條件分量”),并且條件分量是測量結(jié)果不確定度的主要分量。

運(yùn)行條件的影響主要來自ALG的安裝位置不穩(wěn)定以及環(huán)境條件對ALG計量性能的改變。ALG通常直接安裝在罐頂或與儲罐適當(dāng)連接的保持垂直方向并打過孔的計量管上,該計量管是用來降低因液體波動、液體攪拌等引起的測量誤差而裝入罐內(nèi)的打過孔的立管。由于溫度、壓力等變化引起的油罐(艙)變形導(dǎo)致ALG不可避免會發(fā)生垂向位移,同時也會引起部分ALG用于液位計算的測量基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位移,其結(jié)果是影響ALG的測量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場溫度、濕度及振動等環(huán)境條件變化會降低ALG的計量性能,使ALG低于校準(zhǔn)或檢定時的準(zhǔn)確度表現(xiàn)。

國家標(biāo)準(zhǔn)[11-13]對常壓罐、帶壓罐條件分量的要求均為3 mm。

3 ALG的使用建議

3.1 根據(jù)應(yīng)用場景選擇

計量罐主要包括常壓罐(立式圓筒形)、帶壓罐(球形)及油船艙。根據(jù)罐(艙)類型及儲存介質(zhì)特點(diǎn),不同類型儲罐宜匹配相應(yīng)形式的液位計。

1)常壓罐。一般用于儲存雷德蒸氣壓小于101 kPa的石油和液體產(chǎn)品,該類儲罐使用伺服及雷達(dá)式液位計均有很好的計量表現(xiàn)。但當(dāng)常壓罐儲存易凝高黏原油、燃料油等油品時,雷達(dá)液位計為首選,因?yàn)樵擃愑推穼τ谒欧何挥嫊a(chǎn)生粘掛浮子的現(xiàn)象,進(jìn)而影響測量結(jié)果。

2)帶壓罐。通常儲存液化石油氣等高蒸氣壓產(chǎn)品,罐內(nèi)氣相空間高濃度的蒸氣會對雷達(dá)波的傳播造成影響,致使雷達(dá)液位計發(fā)生示值跳躍而與測量參考值差異較大的現(xiàn)象。因此,在帶壓罐中宜使用伺服式液位計進(jìn)行測量。如果仍使用雷達(dá)式液位計測量高蒸氣壓產(chǎn)品,應(yīng)充分考慮以下因素對測量結(jié)果的影響:

a)液位界面回波質(zhì)量。該影響主要源于在液面處氣液兩相物性(主要指介電常數(shù))接近,導(dǎo)致回波質(zhì)量降低以及蒸氣分層帶來的干擾回波。以液化石油氣主要組分丙烷為例,其液相介電常數(shù)為1.6,蒸氣為1.67,液位界面處二者數(shù)值接近,致使界面阻抗變化不明顯,降低了反射波強(qiáng)度。為避免該類影響,雷達(dá)液位計的待測產(chǎn)品氣液兩相介電常數(shù)差異宜維持在1個數(shù)量級以上。

b)電磁波傳播速度變化。雷達(dá)波是電磁波的一種,其傳播速度與介質(zhì)磁導(dǎo)率及介電常數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)產(chǎn)品蒸氣壓較高時,以丙烷為例,罐內(nèi)氣相空間為高濃度的產(chǎn)品蒸氣,其介電常數(shù)區(qū)別于空氣介電常數(shù)(通常為1),其蒸氣會降低雷達(dá)波傳播速度,如仍以空氣作為傳播介質(zhì)進(jìn)行液位計算,會造成20%左右的測量相對誤差。應(yīng)采取適當(dāng)措施避免該影響,如引入蒸氣補(bǔ)償算法。

雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播速度v如式(1)所示:

(1)

式中:c——電磁波在真空中的傳播速度;μ——介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率,通常取1;ε——介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

3)油船艙。液位測量為動平臺測量,其測量環(huán)境決定了伺服式液位計的局限性。對于油船艙,宜使用雷達(dá)式液位計進(jìn)行測量。

3.2 開展在線檢定

ALG雖然不是強(qiáng)制檢定計量器具,但定期的檢定是檢查其計量性能及量值溯源的必要步驟。

現(xiàn)有檢定規(guī)程JJG 971—2019《液位計 檢定規(guī)程》[14]的檢定條件為實(shí)驗(yàn)室檢定,要求檢定周期不超過1 a。按現(xiàn)有檢定規(guī)程要求,ALG的后續(xù)檢定需從罐上拆除移入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,該操作一方面會影響儲罐正常運(yùn)行,頻繁的拆裝也會降低ALG的計量性能及使用壽命,并且實(shí)驗(yàn)室的檢定結(jié)果很難在罐上使用時復(fù)現(xiàn)。為解決以上問題,推薦做法是實(shí)驗(yàn)室檢定僅用于ALG出廠首次檢定,待安裝后,實(shí)施在線(罐上)檢定。在線檢定可通過使用固定的標(biāo)準(zhǔn)距離或移動式標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)距離應(yīng)選擇相對穩(wěn)定不變的距離,可以是ALG的上參照點(diǎn),下基準(zhǔn)板或者是預(yù)置的檢驗(yàn)針。檢定時,使用ALG對選定的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行測量,并通過示值誤差對檢定結(jié)果進(jìn)行判斷。以上標(biāo)準(zhǔn)距離是具有不確定度的,在使用時應(yīng)予以注意。

使用移動式標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行在線檢定應(yīng)選定準(zhǔn)確度表現(xiàn)更好的標(biāo)準(zhǔn)器?，F(xiàn)有準(zhǔn)確度等級較高的移動式液位計量裝置為便攜式電子計量裝置(PEGD),該裝置是一種由尺帶及電子尺坨組成的量油尺,可理解為傳統(tǒng)量油尺的自動化升級,大幅減小了由人工操作(包括對模擬式儀器的讀數(shù)存在人為偏移)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量,使用發(fā)現(xiàn)PEGD具有較好的穩(wěn)定性及測量準(zhǔn)確度表現(xiàn)?；赑EGD開發(fā)出檢定裝置及檢定方法可成為未來ALG在線檢定的研究方向。

3.3 選擇合適的安裝位置

ALG安裝位置的選擇,主要考慮以下幾方面:

1)安裝位置的穩(wěn)定性。對于常壓罐及帶壓罐,ALG通常安裝在計量管上,以減小儲罐變形造成的ALG安裝位置的垂向變化。對于油船艙,ALG直接固定在油船甲板上,因?yàn)橛痛瑪[動及海上其他不利工況,船艙形變易對穩(wěn)液管帶來安全隱患。

2)對計量罐形式的考慮。對于帶壓罐,ALG應(yīng)盡量靠近罐體垂向中心線位置安裝,以提高ALG的測量范圍;對于油船艙測量,將ALG安裝在長方體船艙的幾何中心可免于進(jìn)行液位的橫、縱傾修正,若是非對稱船艙,如艏艉邊艙,ALG應(yīng)靠近內(nèi)側(cè)艙壁安裝,以提高ALG的測量范圍。

3)與手工檢尺位置的匹配。當(dāng)參比手工檢尺讀數(shù)檢驗(yàn)ALG讀數(shù)時,手工檢尺位置應(yīng)靠近ALG的測量位置,以避免過遠(yuǎn)距離所帶來的難以預(yù)測的垂向位移。

3.4 定期檢驗(yàn)

定期檢驗(yàn)是對ALG計量性能判斷的期間核查過程,通過結(jié)果比對的方式檢查ALG是否仍保持上一次檢定或校準(zhǔn)后的良好狀態(tài),其準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)是否仍符合要求。

ALG檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式與在線檢定或校準(zhǔn)相似,均借助手工檢尺或固定的標(biāo)準(zhǔn)距離與ALG復(fù)現(xiàn)的測量結(jié)果比對。不同的是,檢驗(yàn)是對ALG計量性能研判的常規(guī)操作,其操作條件要求沒有檢定或校準(zhǔn)時的要求嚴(yán)格。檢驗(yàn)時,手工檢尺或固定距離的測量結(jié)果準(zhǔn)確度無法保證高于ALG,因此檢驗(yàn)不具有量值溯源性。

檢驗(yàn)過程中的比對結(jié)果限值稱為試驗(yàn)差,對常壓罐的試驗(yàn)差要求為4 mm,對油船艙的試驗(yàn)差要求為6 mm,對帶壓罐的試驗(yàn)差要求為3 mm。當(dāng)實(shí)際比對結(jié)果在限值內(nèi)時,可認(rèn)為ALG的計量性能符合使用要求,當(dāng)超出時,有必要綜合分析原因,并進(jìn)一步判斷該檢驗(yàn)周期內(nèi)的ALG數(shù)據(jù)是否可信。

4 結(jié)束語

使用ALG獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的液位數(shù)據(jù)是一項系統(tǒng)性、長期性工作,除ALG投用前的選型外,還應(yīng)綜合考慮ALG的使用條件,并定期對ALG進(jìn)行檢驗(yàn)調(diào)整。使用ALG雖然減少了人工檢尺的勞動強(qiáng)度,但用戶需將更多精力投入到ALG的日常監(jiān)控及維護(hù)上,只有這樣,才能使ALG在庫存管理及交接計量中發(fā)揮更好的使用效果,并為計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供更多的幫助。