油罐(舱)固定式自动液位计应用研究

孙岩,毕海鹏

(1. 中石化石油化工科学研究院有限公司,北京 100083;2. 中国石化集团有限公司科技部,北京 100728)

油罐(舱)中的液位数据是贸易交接及库存管理所关注的计量指标,是静态油量计算[1-2]中的重要计量参数。目前,液位数据主要通过人工检尺[3-4]或固定式自动液位计(ALG)获取。

相比液位手工计量,ALG可实时获取、处理液位数据,并将数据集成于罐(舱)区数据采集与监控系统(SCADA)中,更有利于液位数据的分析利用。在测量结果的准确度方面,计量级ALG的固有误差(仪器测量不确定度)可控制在1 mm以内,同时避免了人工检尺测量过程中引入的测量重复性等标准不确定度分量,降低了测量结果的随机误差。

伴随油罐(舱)计量自动化、数字化转型发展,ALG作为油罐(舱)标准配套设备已广泛投用。然而,ALG的计量结果却难以令人满意,致使大量计量级ALG只用于监控用途,浪费了其实际计量能力。应用中发现,仪表固有误差并非影响ALG测量结果准确度的唯一因素,其测量结果同时受到油品特性、安装及运行条件等多重因素影响。

1 自动液位计应用技术现状

ALG应用文献主要见于技术标准及液位计生产厂家提供的设备使用手册。技术标准包括国际标准(ISO)[5-7]、美国石油学会石油计量标准手册(API MPMS)[8-10]及国家标准[11-13]。以上手册及标准均给出了ALG在投用前仪器测量不确定度要求、安装要求、设置检验方法,以及投用后的后期检验方法及检验频率。相关标准通过提出各种要求性条款使ALG减少受到各种不利因素的影响;设备使用手册是生产厂家结合自身产品专有技术考虑的ALG安装使用说明,总体技术内容及技术要求与主流标准相近,包含技术细节更加全面并具有专用性。

技术标准与设备手册结合使用已成为指导ALG应用的主要方案。

2 影响液位计使用性能的主要因素

2.1 ALG的选型影响

ALG根据测量方式可划分为接触式和非接触式两种类型,由于计量原理不同,所以计量性能有所差异。

2.1.1接触式ALG

接触式ALG通常以伺服式液位计为代表,基于阿基米德原理进行测量。通过高准确度的测力传感器使吊丝以恒定拉力悬挂底部浸没于液面的测量浮子,当液位静止时,拉力等于浮子所受重力与浮力之差;当液面升降时,原有受力平衡被打破,浮子跟随液面同向升降,直到再次实现受力平衡。浮子升降时,伺服电机以一定步幅升降测量钢丝,计数器同步记录伺服电机的转动步数,并自动计算出测量浮子的位移量,即液位的变化量。

伺服式液位计由吊丝悬吊,在摇晃条件下,如油船舱,会带来较大的测量误差及安全隐患。如果油船舱安装伺服式液位计,船体发生剧烈摇晃时,通常将浮子回收并置于“存放”位置,但该操作会影响液位计的使用效率。

2.1.2非接触式ALG

非接触式ALG常见类型为雷达液位计,采用了基于频率调制连续波FMCW(frequency modulated continuous wave)的测量技术。液位计在向液面发射信号的同时,接收由液面返回的信号,发射与接收信号的频率通常不同,雷达液位计将对时间信号的测量转变为对频率信号的测量,经对频率信号处理后进而获得相应的液位。

在测量高蒸气压产品时,雷达液位计可能会存在困难。由于高蒸气压产品在气液界面处的蒸气浓度较高,致使界面处的气液阻抗变化不显著,从而影响回波接收,带来液面测量不准确的问题。同时,储罐内气体空间因高浓度的产品蒸气导致相对介电常数增大,降低了雷达波(电磁波)在气体空间的传播速度。测量时,如果未引入介电常数的变化补偿,测量结果与实际液位会产生较大差异。

2.2 仪器不确定度的影响

ALG不确定度是其测量结果不确定度的重要分量,一般通过校准或检定来划分。根据仪器不确定度对仪器进行准确度等级划分,准确度等级较高的ALG通常会带来高准确度的测量结果,但也意味着更高的使用成本。因此,ALG在选用时,应根据其用途及应用场景确定合适的准确度等级。对于油罐(舱)计量交接用ALG,国家标准[11-13]对ALG在常压罐、带压罐、油船舱应用时,给出了仪器不确定度分别为1 mm,1 mm,3 mm,目前主要ALG制造厂家的仪器不确定度控制在0.5 mm以内,库存管理用ALG的仪器不确定度要求可适当放宽。

油船舱液位计量为动平台计量,其测量结果的准确度要明显低于陆地储罐液位计量结果,因此标准对于油船舱液位计的仪器测量不确定度要求相比陆地储罐液位计有所放宽。

2.3 运行条件的影响

ALG的工况运行条件,包括环境、技术条件等,通常区别于校准或检定条件。因此,ALG测量结果的不确定度不仅包括仪器不确定度分量,还包括由ALG运行条件引入的不确定度分量(以下简称“条件分量”),并且条件分量是测量结果不确定度的主要分量。

运行条件的影响主要来自ALG的安装位置不稳定以及环境条件对ALG计量性能的改变。ALG通常直接安装在罐顶或与储罐适当连接的保持垂直方向并打过孔的计量管上,该计量管是用来降低因液体波动、液体搅拌等引起的测量误差而装入罐内的打过孔的立管。由于温度、压力等变化引起的油罐(舱)变形导致ALG不可避免会发生垂向位移,同时也会引起部分ALG用于液位计算的测量基准点的相对位移,其结果是影响ALG的测量数据。现场温度、湿度及振动等环境条件变化会降低ALG的计量性能,使ALG低于校准或检定时的准确度表现。

国家标准[11-13]对常压罐、带压罐条件分量的要求均为3 mm。

3 ALG的使用建议

3.1 根据应用场景选择

计量罐主要包括常压罐(立式圆筒形)、带压罐(球形)及油船舱。根据罐(舱)类型及储存介质特点,不同类型储罐宜匹配相应形式的液位计。

1)常压罐。一般用于储存雷德蒸气压小于101 kPa的石油和液体产品,该类储罐使用伺服及雷达式液位计均有很好的计量表现。但当常压罐储存易凝高黏原油、燃料油等油品时,雷达液位计为首选,因为该类油品对于伺服液位计会产生粘挂浮子的现象,进而影响测量结果。

2)带压罐。通常储存液化石油气等高蒸气压产品,罐内气相空间高浓度的蒸气会对雷达波的传播造成影响,致使雷达液位计发生示值跳跃而与测量参考值差异较大的现象。因此,在带压罐中宜使用伺服式液位计进行测量。如果仍使用雷达式液位计测量高蒸气压产品,应充分考虑以下因素对测量结果的影响:

a)液位界面回波质量。该影响主要源于在液面处气液两相物性(主要指介电常数)接近,导致回波质量降低以及蒸气分层带来的干扰回波。以液化石油气主要组分丙烷为例,其液相介电常数为1.6,蒸气为1.67,液位界面处二者数值接近,致使界面阻抗变化不明显,降低了反射波强度。为避免该类影响,雷达液位计的待测产品气液两相介电常数差异宜维持在1个数量级以上。

b)电磁波传播速度变化。雷达波是电磁波的一种,其传播速度与介质磁导率及介电常数密切相关。当产品蒸气压较高时,以丙烷为例,罐内气相空间为高浓度的产品蒸气,其介电常数区别于空气介电常数(通常为1),其蒸气会降低雷达波传播速度,如仍以空气作为传播介质进行液位计算,会造成20%左右的测量相对误差。应采取适当措施避免该影响,如引入蒸气补偿算法。

雷达波在介质中的传播速度v如式(1)所示:

(1)

式中:c——电磁波在真空中的传播速度;μ——介质的相对磁导率,通常取1;ε——介质的相对介电常数。

3)油船舱。液位测量为动平台测量,其测量环境决定了伺服式液位计的局限性。对于油船舱,宜使用雷达式液位计进行测量。

3.2 开展在线检定

ALG虽然不是强制检定计量器具,但定期的检定是检查其计量性能及量值溯源的必要步骤。

现有检定规程JJG 971—2019《液位计 检定规程》[14]的检定条件为实验室检定,要求检定周期不超过1 a。按现有检定规程要求,ALG的后续检定需从罐上拆除移入实验室进行,该操作一方面会影响储罐正常运行,频繁的拆装也会降低ALG的计量性能及使用寿命,并且实验室的检定结果很难在罐上使用时复现。为解决以上问题,推荐做法是实验室检定仅用于ALG出厂首次检定,待安装后,实施在线(罐上)检定。在线检定可通过使用固定的标准距离或移动式标准器进行。

标准距离应选择相对稳定不变的距离,可以是ALG的上参照点,下基准板或者是预置的检验针。检定时,使用ALG对选定的标准距离进行测量,并通过示值误差对检定结果进行判断。以上标准距离是具有不确定度的,在使用时应予以注意。

使用移动式标准器进行在线检定应选定准确度表现更好的标准器。现有准确度等级较高的移动式液位计量装置为便携式电子计量装置(PEGD),该装置是一种由尺带及电子尺坨组成的量油尺,可理解为传统量油尺的自动化升级,大幅减小了由人工操作(包括对模拟式仪器的读数存在人为偏移)引入的标准不确定度分量,使用发现PEGD具有较好的稳定性及测量准确度表现。基于PEGD开发出检定装置及检定方法可成为未来ALG在线检定的研究方向。

3.3 选择合适的安装位置

ALG安装位置的选择,主要考虑以下几方面:

1)安装位置的稳定性。对于常压罐及带压罐,ALG通常安装在计量管上,以减小储罐变形造成的ALG安装位置的垂向变化。对于油船舱,ALG直接固定在油船甲板上,因为油船摆动及海上其他不利工况,船舱形变易对稳液管带来安全隐患。

2)对计量罐形式的考虑。对于带压罐,ALG应尽量靠近罐体垂向中心线位置安装,以提高ALG的测量范围;对于油船舱测量,将ALG安装在长方体船舱的几何中心可免于进行液位的横、纵倾修正,若是非对称船舱,如艏艉边舱,ALG应靠近内侧舱壁安装,以提高ALG的测量范围。

3)与手工检尺位置的匹配。当参比手工检尺读数检验ALG读数时,手工检尺位置应靠近ALG的测量位置,以避免过远距离所带来的难以预测的垂向位移。

3.4 定期检验

定期检验是对ALG计量性能判断的期间核查过程,通过结果比对的方式检查ALG是否仍保持上一次检定或校准后的良好状态,其准确度技术指标是否仍符合要求。

ALG检验的实现方式与在线检定或校准相似,均借助手工检尺或固定的标准距离与ALG复现的测量结果比对。不同的是,检验是对ALG计量性能研判的常规操作,其操作条件要求没有检定或校准时的要求严格。检验时,手工检尺或固定距离的测量结果准确度无法保证高于ALG,因此检验不具有量值溯源性。

检验过程中的比对结果限值称为试验差,对常压罐的试验差要求为4 mm,对油船舱的试验差要求为6 mm,对带压罐的试验差要求为3 mm。当实际比对结果在限值内时,可认为ALG的计量性能符合使用要求,当超出时,有必要综合分析原因,并进一步判断该检验周期内的ALG数据是否可信。

4 结束语

使用ALG获得稳定准确的液位数据是一项系统性、长期性工作,除ALG投用前的选型外,还应综合考虑ALG的使用条件,并定期对ALG进行检验调整。使用ALG虽然减少了人工检尺的劳动强度,但用户需将更多精力投入到ALG的日常监控及维护上,只有这样,才能使ALG在库存管理及交接计量中发挥更好的使用效果,并为计量数字化转型提供更多的帮助。