混合法储罐计量系统在常压固定顶罐中的应用

罗宏伟

(大庆石化工程有限公司，黑龙江 大庆 163714)

近年来，中国很多新建的炼化一体化项目都有一个中央罐区，其功能主要承担接收码头进口的化工原料，以及送至码头出口的化工成品，同时还兼有缓冲的功能。为了维护整个工厂的平稳运营，对于整个罐区内各种化工品的存量需要进行储罐计量。储罐计量目的是量化储罐内产品的容积和质量，主要包括液位、温度和压力测量。测量方法取决于储罐类型、介质类型和储罐的使用方式。储罐计量系统的计量精度尤为重要。在计算不同温度条件下的介质体积时，需进行适当的体积补偿。为了实时计算平均视密度和产品质量，通常还会进行储罐底部的压力测量。采用储罐计量系统以数字化方式将储罐信息传输至控制室，再由控制室将介质体积和质量信息分发给库存数据用户。该系统提供的信息还可用于许多不同的方面，如：石油转运和操作、库存控制、贸易交接、损耗控制和质量平衡、体积调整、防溢罐、泄漏监测等。

1 储罐计量系统的相关国际标准

用于贸易计量符合规定的储罐计量系统必须经过国际机构，主要是国际法定计量组织(OIML)的认证。该系统还可能需要获得本地计量机构(例如德国联邦物理技术研究院(PTB)、荷兰国家计量研究院(NMi)、法国国家测试计量实验室(LNE))的批准，目前国内没有类似PTB或NMi的机构，但是部分省、市的国家法定计量检定机构可以根据相应校准规范提供校准证书，如上海市计量测试技术研究院华东国家计量测试中心，依据JJF 1440—2013《混合式油罐系统校准规范》针对混合法罐区计量系统(HTMS)提供测试校准和认证，并发放校准证书。

OIML的组织在内部进行合作，该组织定义了大量测试程序，并为储罐计量设备定义了名为R85的专用程序。OIML R85由两部分组成：计量和技术要求部分，包括：ALG液位计的相关术语、技术要求、安装要求；计量控制和测试部分，包括：递交文档、测试的参考工况、精度测试、滞后测试、静态温度测试、供电压力变化测试、电磁干扰测试等内容。

HTMS主要涉及标准：

ISO 4266-1：2002《石油和液态石油产品-储罐中液位和温度自动测量法第4部分：常压罐的液位测量》(国内等效标准GB/T 21451.1—2008)；ISO 4266-4：2002《石油和液态石油产品-储罐中液位和温度自动测量法第4部分：常压罐的温度测量》(国内等效标准GB/T 21451.4—2008)；ISO 11223：2002《石油和液体石油产品-直接静态测量-立式储罐内油量第1部分：测量罐内静压式的质量测量法》(国内等效标准GB/T 18273—2000)；ISO 15169：2003《石油和液体石油产品 采用混合式油罐测量系统测量立式圆筒形油罐内油品体积、密度和质量的方法》(国内等效标准GB/T 25964—2010)；ISO 91-2：1991《石油计量表-第2部分：以20 ℃为标准温度的表》(国内等效标准GB/T 1885—1998)；OIML R85：2008《用于固定式储罐液位测量的自动液位仪表》。

2 储罐计量方法

储罐计量方法分为混合法，体积法，静压法。

1)混合法。适用于密度分层、含水分层、温度变化等工况，以及要求高精度计量的大容量储罐，既可计算标准体积，也可计算质量。

2)体积法。不适用于密度分层、含水分层工况，应用于体积交接场合。

3)静压法。可适用于计量精度不高、介质密度均匀的小容量储罐, 不适用于密度分层、含水分层工况。

HTMS是传统储罐计量系统和静压储罐计量系统(HTG)的组合体。石油行业中大部分的HTMS，用户感兴趣的是在线测量密度，因为转运容量(标准容量)的计算需要测量液位、温度和密度。HTMS能够避免在储罐上进行人工密度测量。人工密度测量劳动强度大，如果执行不当，通常会导致严重的测量误差。传统的HTG仅配备压力变送器(在A1，A2处)用于计算液位和密度，并没有直接的液位测量系统，只使用A1和A2处的压力变送器(固定间距H)计算密度即HTG中的产品密度，该范围内的密度不能代表储罐内所有产品的密度，因此该值通常不可用于贸易交接。使用HTMS时，为了能够计算密度，HTMS必须配备1个压力变送器(如果是常压储罐)或2个压力变送器(如果不是通大气的储罐)，使用液位计给出的A1变送器以上的液柱高度计算密度，得到的密度值要精确得多，可以代表产品的总体密度。HTMS计量流程如图1所示。

图1 HTMS计量流程示意

由图1可知，采用HTMS需要配置的仪表：压力(p1～p3)，液位计，平均温度计。具体计算过程在规范GB/T 25964—2010中有详细描述，TGS厂家提供的储罐信号通信单元(TCU)中已经将计算过程整合进去了，不再需要工艺人员手动计算。

3 常压罐混合法计量典型仪表配置

3.1 计量仪表配置

HTMS典型仪表配置如图2所示。

图2 HTMS典型仪表配置示意

对于仪表类型，精度要求，在规范GB/T 25964—2010和OIML R85中都有明确要求：

1)自动液位计。一般采用雷达或者伺服液位计，由于同时考虑基于体积以及质量交接，因此ALG仪表精度通常要求为±1 mm。

2)平均温度计。测量平均温度是为了补偿液体由于温度变化导致的体积变化。精度通常选±0.25 ℃，测温元件选择多点RTD，测温点按照GB/T 21454—2008《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》中表1的要求。如果介质含水，平均温度计可带界面计。

3)压力变送器A1，A2。用于测量密度，根据GB/T 25964—2010中表2的要求，变送器A1，A2的压力测量值p1，p2的线性误差通常选读数的±0.07%。由于已经有了自动液位计，因此通常A2变送器可以作为选配，用中部变送器A2的测量值p2可计算出用于比较或警示目的的替代密度(即静压式油罐计量或HTG)，也可以将其用于自动液位计无法使用时备用密度计算(详见GB/T 25964—2010中5.6节内容)。通常情况下对于密度测量没有较高的要求时，A2变送器不用配备。

4)压力变送器A3。用于测量气相压力及密度，对于通大气的储罐如外浮顶罐，A3变送器可以不配。根据GB/T 25964—2010中表2的要求，线性误差通常选读数的±0.2%。

5)油水界位测量。介质可能含水并分层时，需配备油水界位仪表，采用与多点温度计集成的缆式油水界位传感器，或者单独设置电容式、射频导纳或其他适用的油水界位仪表。如果是罐底排水油水界位测量应单独设置。

3.2 液位计安装注意事项

需要注意的是，随着储罐液位的变化，储罐会变形，自动液位计的法兰高度会比设计高度低，大部分液位计测量从其安装位置向下到液面的距离(空高测量)，通过从参考高度(从液位计安装点到基准板的距离)中减去空高来计算液位。如果该距离不恒定，计算方法将出现误差，即液位会随参考高度的变化而变化。假如一个储罐直径30 m，液位测量误差2 mm，则液体体积误差就会达1.4×103L。

因此，API 3.1 B推荐ALG的导波管在固定顶储罐顶部采用波纹管密封的方式，做一个滑动轴套以维持ALG的法兰面高度恒定，保持测量精度，轴套的制造方式如图3所示。

4 常压罐区自动计量系统综合架构

目前储罐计量系统使用开放式架构和标准化通信协议，用户不再受单一供应商的限制，在选择仪表时可以有许多选择。

平均温度变送器、压力变送器、罐旁指示仪的信号都接到雷达后采用Modbus或者厂家协议接到总线接线箱后，数据传输到罐表系统的TCU，在TCU中可以嵌入储罐库存计算功能，并可取得API或NMI等机构的认证，TCU的数据通过交换机传输到DCS，如果用于国际贸易结算，TCU应配备海关锁，只有海关锁解锁时才允许对TCU进行软件设置。典型系统架构如图4所示，所有信息可以显示在储罐计量系统的监控站上。

图4 常压罐区自动计量系统综合系统典型架构示意

在设计时需要注意储罐计量系统的仪表和DCS，SIS用仪表的分开和共享问题。

5 结束语

本文针对常压固定顶罐混合计量系统的现场仪表选型、精度以及规范要求、常压储罐混合法计量系统的系统架构进行了简短描述，对于常压混合法储罐计量系统的设计起到了指导作用。