车用乙醇汽油调合等温体积变化精测试验研究

吴宇 何奕峰 范晓辉 刘金成 陶小波 黄海珍

摘      要： 針对车用乙醇汽油在线调合引起的计量不准问题，提出了一种车用乙醇汽油调合体积变化修正方法。在此基础上，通过精测5～35 ℃温度范围的乙醇、汽油密度和乙醇体积占比为8%、10%和12%的车用乙醇汽油密度，推算出车用乙醇汽油等温体积变化数据。结果表明：在常压下，8%～12%乙醇体积占比的车用乙醇汽油在5～35 ℃温度范围内的调合等温体积变化修正系数为1.000 93～1.002 16。在油库车用乙醇汽油调合现场，以10%乙醇体积占比的车用乙醇汽油调合等温体积变化率为参考值，乙醇体积占比变化对调合后的等温乙醇汽油体积变化率影响的最大绝对值为0.002 2%，最小绝对值为0.000 8%。研究结果为车用乙醇汽油在线调合体积修正提供基础数据，对确保车用乙醇汽油贸易结算的公平公正及进一步推广使用车用乙醇汽油具有积极作用。

关  键  词：车用乙醇汽油;调合;体积变化;密度;精测

中图分类号：TQ027.3+5       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）11-2543-05

Experimental Study on Precise Measurement of Volume Change of

Ethanol Gasoline for Motor Vehicles at the Same Temperature

WU Yu 1， HE Yi-feng 2， FAN Xiao-hui 1， LIU Jin-cheng 1， TAO Xiao-bo 3， HUANG Hai-zhen 1

（1. Guangxi Research Institute of Metrology & Test， Nanning 530007， China;

2. Guangxi Petroleum Branch of Sinopec Sales Co.， Ltd.， Nanning 530021， China;

3. Jiangsu Petroleum Branch of Sinopec Sales Co.， Ltd.， Nanjing 210003， China）

Abstract： Aiming at the problem of inaccurate measurement caused by on-line blending of ethanol gasoline for motor vehicles， a method to correct volume change of ethanol gasoline for motor vehicles after blending was proposed. On this basis， through precise measuring of the density of ethanol，gasoline and ethanol gasoline with 8%，10% and 12% ethanol volume ratio in the temperature range of 5～35 ℃， the isothermal volume change data of ethanol gasoline for motor vehicles were calculated. The results showed that at atmospheric pressure，the correction coefficient of blended isothermal volume change of ethanol gasoline with 8%～12% ethanol volume ratio in the temperature range of      5～ 35 ℃ was 1.000 93～1.002 16. At the site of blending ethanol gasoline for motor vehicles in the oil depot，taking the volume change rate of ethanol gasoline with 10% ethanol volume ratio as the reference value， the maximum absolute value of the effect of the blended isothermal volume change rate of ethanol gasoline caused by the change of ethanol volume ratio was 0.002 2%，and the minimum absolute value was 0.000 8%. The study results provide basic data for on-line blending volume correction of ethanol gasoline for motor vehicles， which plays a positive role in ensuring fairness and justice of trade settlement of ethanol gasoline for motor vehicles and further promoting the application of ethanol gasoline for motor vehicles.

Key words： Ethanol gasoline for motor vehicles; Blending; Volume change; Density; Precise measurement

目前，我国的车用乙醇汽油（以下簡称乙醇汽油）是指在汽油组分油（以下简称汽油）中按体积比加入10%的变性燃料乙醇（以下简称乙醇）后作为汽油车燃料用的乙醇汽油[1]。2017年9月13日，国家发改委与国际能源局等15个部门联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用乙醇汽油的实施方案》，规划到2020年在全国实行乙醇汽油的全覆盖[2]。但是，长期以来，车用汽油占据着主导市场，乙醇汽油市场占比相对较少[3-8]。随着乙醇汽油市场增大趋势的明确，确保乙醇汽油贸易结算的计量准确度变得尤为重要。国内相关科研人员对提高乙醇汽油计量准确度和推广应用方面做了很多研究工作。李杨[9]等用偏摩尔体积原理分析了乙醇汽油调合后引起体积减小。王六六[10]等研究了PC+PLC模式建立乙醇汽油在线调合及计量方案。王耘、程琪[11-12]等研究了油库如何进行改造实现乙醇汽油的在线调合与装车。刘菊荣[13]等研究了乙醇汽油的蒸发性能并提出了控制措施。但对乙醇汽油调合等温体积变化精测的研究尚未完善。

目前，我国的乙醇汽油生产大多采用管道比例调合工艺。乙醇和汽油分别通过不同的专用管道进行传输，采用10%（体积占比）乙醇与90%（体积占比）汽油进行现场调合装入汽车油罐车，得到乙醇汽油。每个专用管道安装高精度温度计，能准确计量流过管道的液体体积。乙醇汽油贸易结算体积采用在线调合前的汽油体积与乙醇体积计量求和计算。虽然汽油和乙醇的体积都有高精度流量计保障其计量准确度，但此计量方式未考虑乙醇与汽油调合后引起的体积变化，无法保障乙醇汽油计量准确度和贸易结算的公平公正。因此，研究提高乙醇汽油体积计量准确度非常重要。本文研究的乙醇、汽油和乙醇汽油温度范围均为5～35 ℃，乙醇体积占比分别为8%、10%和12%。

1  提高乙醇汽油调合后体积计量准确度的方法探讨

在乙醇汽油调合后的管道上安装高精度流量计是提高乙醇汽油体积计量准确度最直接的方法之一。但安装高精度流量计涉及对原有管道设备的技术升级改造，单一管道及辅助设备升级改造等资金高达数万元，这将给石油企业带来较大的经济负担。因此，此方法成本太高，难以实施。对不同温度组合的乙醇、汽油调合导致的体积变化进行试验研究，然后对油库乙醇汽油贸易结算体积进行修正，是提高乙醇汽油贸易结算计量准确度的较好方法。此方法既可提高乙醇汽油贸易结算计量准确度，又无须对现有的乙醇、汽油调合管道及辅助设备进行改造，实施难度低，可行性高，可为实现我国乙醇汽油全覆盖提供技术支撑，达到贸易结算公平公正、保障消费者权益的目标。

乙醇汽油调合体积变化修正系数测定，比较常用的有体积法测定和质量-密度法测定。体积法测定，即分别测出调合前的乙醇体积、汽油体积、调合后的乙醇汽油体积，体积变化修正系数为调合后的乙醇汽油体积与调合前的乙醇、汽油体积和的比值。由于试验用的乙醇、汽油体积总量相对较小，试验容器的器壁残留量等因素对体积测量准确度影响较大，且须定制颈部分度较小的高精度玻璃容器，试验操作难度大。质量-密度法测定，即通过分别精测调合前的乙醇、汽油密度以及调合后的乙醇汽油密度，计算体积变化修正系数[14-17]。由于质量恒定，调合前的乙醇、汽油质量之和与调合后的乙醇汽油质量相等，调合后的体积变化修正系数可以换算为调合前的乙醇、汽油加权平均密度与调合后的乙醇汽油实测平均密度的比值。

乙醇、汽油调合体积变化修正可通过以下步骤具体实现：

1）精测调合前的等温乙醇、汽油密度以及调合后的乙醇汽油密度，推算出该等温点乙醇汽油体积变化修正系数k1;

2）精测选定温度点的乙醇汽油密度，拟合推算出选定温度点的体积膨胀系数α1;

3）调合前的非等温乙醇、汽油通过体积热容理论换算为等温乙醇、汽油;

4）精测调合前的等温乙醇、汽油温度，调合后的乙醇汽油温度，推算出乙醇汽油的温度变化值  ΔT;

5）乙醇汽油调合体积变化修正系数k=k1×（1+α1×ΔT）。

2  乙醇汽油调合体积变化精测试验

1）乙醇、汽油密度测定。试验用的密度精测仪器为安东帕DMA 5000M高精密振动密度仪（以下简称密度仪）， 测量范围：0～3 000 kg·cm-3，分辨率为1×10-3 kg·cm-3，扩展不确定度为        U=3×10-2 kg·cm-3（k=2）。质量精测仪器为梅特勒 PL4002-IC分析天平，最大称量为4 100 g，分辨率为10 mg，精度等级为○I级。采用带长针头的耐油注射器或玻璃注射器抽取乙醇，注入密度仪并在控制温度下进行密度测量，取3次测量结果的平均值作为该样品的平均密度ρ_1。同理，可以测得汽油样品的平均密度ρ_2。

2）乙醇汽油密度的测定。通过计算乙醇与汽油的容量值，配制某温度的10%乙醇体积占比的乙醇汽油。将配制好的乙醇汽油容量瓶放在磁力搅拌器上进行调合。搅拌10 min，确保调合均匀;静置10 min，消除气泡等不稳定因素。采用带长针头的耐油注射器或玻璃注射器采样中部位置的乙醇汽油，注入密度仪并在控制温度下进行密度测量，求平均作为该样品的平均密度ρ_3。

3）以温度间隔2～3 ℃，每个温控点按照上述两个步骤进行试验，通过数据拟合得到温度范围为5～35 ℃，乙醇、汽油以及10%乙醇体积占比的乙醇汽油密度表。分别配制8%、12%乙醇体积占比的乙醇汽油，重复上述试验，得到乙醇、汽油以及8%、12%乙醇体积占比的乙醇汽油密度表。

4）乙醇汽油调合体积变化修正系数计算。假定试验过程中，乙醇、汽油、乙醇汽油的挥发量可忽略，则：

ρ_1·V_1+ρ_2?V_2=ρ_3?V_3 。    （1）

式中：ρ_1，ρ_2—乙醇，汽油的密度，g·cm-3;

V_1，V_2—乙醇，汽油的体积，cm3;

ρ_3—等温乙醇汽油的密度，g·cm-3;

V3—等温乙醇汽油的体积，cm3。

设调合前的乙醇体积占比为a%，则汽油的体积占比为1-a%，则乙醇汽油调合等温体积变化修正系数k_1为：

k_1=V_3/（V_1+V_2 ）=（a%?ρ_1+（1-a%）?ρ_2）/ρ_3    。   （2）

乙醇汽油调合等温体积变化修正系数为调合前的乙醇、汽油体积占比加权平均密度与调合后的等温乙醇汽油实测平均密度的比值。

3  结果和讨论

3.1  乙醇汽油调合等温体积变化数据分析

在常压下，利用密度仪分别对调合前的乙醇、汽油密度精测，对乙醇体积占比分别为8%、10%和12%的等温乙醇汽油密度精测。不同乙醇体积占比的配制是通过天平和密度仪控制，但受仪器测量精度、人员操作等因素影响，乙醇实际体积占比应根据乙醇、汽油实际的质量和密度数据推算，乙醇汽油的加权平均密度也应根据乙醇实际体积占比进行推算。把8%、10%和12%乙醇體积占比的乙醇汽油配制样品分别标号为P8、P10和P12。经试验精测得到调合前的乙醇、汽油密度数据如表1所示，调合后的乙醇汽油密度数据如表2所示。经计算，得到乙醇汽油等温体积变化修正数据如表3所示。

由表1、表2和表3数据可知，乙醇、汽油调合前的加权平均密度大于等温乙醇汽油实测密度，调合后的等温乙醇汽油体积变大;在常压下，8%～12%乙醇体积占比的调合等温车用乙醇汽油在5～35 ℃温度范围内体积变化修正系数为1.000 93～1.002 16。

将P8、P10和P12乙醇汽油等温体积变化率数据随温度变化拟合成曲线如图1所示。

由表2和图1可知，乙醇汽油体积变化率跟乙醇体积占比有关;在常压下，5～35 ℃温度范围内，调合后的等温乙醇汽油体积变化率随乙醇体积占比升高而增大。在常压下，8%～12%乙醇体积占比范围内，调合后的等温乙醇汽油体积变化率随温度升高而增大。

3.2  不同乙醇体积占比对调合后的等温体积变化率的影响分析

以10%乙醇体积占比的乙醇汽油调合等温体积变化率为参考值，分析乙醇体积占比每变化0.1%对调合后的等温乙醇汽油体积变化率的影响，分析数据如表4所示。

将乙醇体积占比变化0.1%对调合后的等温乙醇汽油体积变化率的影响拟合成曲线，如图2所示。由表4和图2可知，乙醇体积占比变化0.1%对调合后的等温乙醇汽油体积变化率的影响较小，最大绝对值为0.001 1%，最小绝对值为0.000 4%。在油库乙醇汽油调合现场，控制乙醇体积占比的高精度流量计计量精度一般优于0.2级，因此，乙醇体积占比在9.8%～10.2%。在油库乙醇汽油调合现场，乙醇体积占比变化对调合后的等温乙醇汽油体积变化率的影响最大绝对值为0.002 2%，最小绝对值为0.000 8%。因此，现场调合可直接采用10%乙醇体积占比的乙醇汽油调合等温体积变化修正系数，而不必考虑实测乙醇实际体积占比。

4  结 论

1）乙醇、汽油调合后的等温乙醇汽油体积变化精测，可以通过精测调合前的乙醇、汽油密度和调合后的乙醇汽油密度实现。

2）乙醇、汽油调合后的等温乙醇汽油体积是增大的，乙醇汽油调合等温体积变化率跟调合前的乙醇体积占比有关;在常压下，8%～12%乙醇体积占比的调合等温车用乙醇汽油在5～35 ℃温度范围内的体积变化修正系数为1.000 93～1.002 16。在常压下，温度5～35 ℃范围内，调合后的等温乙醇汽油体积变化率随调合前的乙醇体积占比升高而增大。在常压下，8%～12%乙醇体积占比范围内，调合后的等温乙醇汽油体积变化率随温度升高而增大。

3）在油库乙醇汽油调合现场，以10%乙醇体积占比的乙醇汽油调合体积变化率为参考值，乙醇体积占比变化对调合后的等温乙醇汽油体积变化率影响的最大绝对值为0.002 2%，最小绝对值为 0.000 8%。因此，乙醇汽油现场调合时，可直接采用10%乙醇体积占比的乙醇汽油调合等温体积变化修正系数，不须实测乙醇实际体积占比。

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