范振業(yè)

中石化石油工程設(shè)計有限公司

原油庫一般具有油品收發(fā)、原油存儲及油品計量的功能。原油庫內(nèi)油品的收發(fā)方式主要有鐵路收發(fā)油、公路收發(fā)油、管輸收發(fā)油。本文主要針對管輸收發(fā)油方式對原油計量及其常用儀表選型進行論述。

1 原油庫油品計量

原油庫一般由數(shù)個大型儲油罐組成，以中石化勝利油田某原油庫為例，站內(nèi)有20 000 m3的儲油罐6座，50 000 m3的儲油罐8座，總庫容量520 000 m3，日輸油量可達(3～5)×104t，油品計量是不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它是企業(yè)進行貿(mào)易交接的主要依據(jù)，將直接影響企業(yè)的經(jīng)濟分析、成本核算及經(jīng)濟效益。

1.1 計量準(zhǔn)確度等級的確定

根據(jù)GB 50350-2005 《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》，原油計量可分為以下三級。

一級計量：油田外輸原油的貿(mào)易交接計量。

二級計量：油田內(nèi)部凈化原油或穩(wěn)定原油的生產(chǎn)計量。

三級計量：油田內(nèi)部含水原油的生產(chǎn)計量。

原油庫的外輸計量一般屬于一級計量。一級計量流量計及附屬設(shè)備應(yīng)按GB/T 9109.1-2010《原油動態(tài)計量 一般原則》配置[1]。GB/T 9109.1-2010規(guī)定“流量計基本誤差應(yīng)不大于±0.2%”[2]。GB/T 9109.5-2009《石油和液體石油產(chǎn)品油量計算 動態(tài)計量》規(guī)定“流量計必須符合國家規(guī)定的準(zhǔn)確度等級，用作貿(mào)易交接計量的流量計的準(zhǔn)確度等級應(yīng)不低于0.2級”[3]。

因此，原油庫一般選用0.2級流量計。

1.2 流量計的選型

目前，原油流量計量儀表主要有質(zhì)量流量計和容積式流量計兩類。

1.2.1質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計主要選擇科里奧利質(zhì)量流量計，流體在振動管中流動會產(chǎn)生與質(zhì)量成正比的科里奧利力，通過直接或間接測量科里奧利力就可以得到質(zhì)量流量。表1所列為質(zhì)量流量計的優(yōu)缺點。

表1 質(zhì)量流量計優(yōu)缺點Table1 Advantagesanddisadvantagesofmassflowmeter質(zhì)量流量計優(yōu)點①準(zhǔn)確度高,可直接測得質(zhì)量流量②無可動部件,計量流程中的阻力件對該流量計計量的準(zhǔn)確度影響基本可忽略,即該流量計不需要設(shè)置前后直管段,節(jié)省安裝空間③可作多參數(shù)測量(密度、溫度等);測量準(zhǔn)確度不受密度、黏度等流體物性影響缺點①零點不穩(wěn)定,形成零點漂移,流量下限測量時對準(zhǔn)確度影響大②流體中氣體含量超過一定值會對測量值有很大影響;測量準(zhǔn)確度會受測量管內(nèi)壁磨損腐蝕、沉積結(jié)垢影響③對外界振動干擾較為敏感④不宜用于大口徑測量,大口徑科里奧利質(zhì)量流量計的成本會急劇上升

1.2.2容積式流量計

容積式流量計又稱為定排量流量計，其工作原理是流量計的轉(zhuǎn)動部件在入口壓力與出口壓力壓差的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，將入口流體排向出口。流體不斷地充滿流量計的計量室，又不斷地被輸往出口。在流量計確定的前提下，計量室的容積是固定的，檢測并記錄轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以計算得到流體流過流量計的體積量。

常用的容積式流量計有：刮板流量計和轉(zhuǎn)子式流量計(包括雙轉(zhuǎn)子流量計、腰輪流量計和橢圓齒輪流量計)。從結(jié)構(gòu)原理上來講，刮板流量計的計量準(zhǔn)確度最高，在貿(mào)易交接領(lǐng)域，刮板流量計的應(yīng)用最為廣泛；轉(zhuǎn)子式流量計則多用于油田內(nèi)部生產(chǎn)計量。表2所列為容積式流量計的優(yōu)缺點。

表2 容積式流量計優(yōu)缺點Table2 Advantagesanddisadvantagesofvolumeflowmeter容積式流量計優(yōu)點①安裝無前后直管段要求②計量準(zhǔn)確度高,工業(yè)級容積式流量計準(zhǔn)確度可達0.2級③可測量高黏度流體④可將轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動次數(shù)直接傳遞給計數(shù)器,無需外部能源即可直接獲得流體總量缺點①機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在機械摩擦,體積龐大②對油品的潔凈度要求高,需前置過濾器③油品需單向流動④不能直接測得質(zhì)量流量,需測量密度值進行換算

兩類流量計各有優(yōu)缺點，具體采用哪種計量方式很大程度上取決于業(yè)主的交接方式。

1.3 流量計的檢定

流量計檢定的目的是確定流量計系數(shù)，該系數(shù)等于通過流量計的實際流量除以流量計的讀數(shù)。

設(shè)置流量計系數(shù)的目的是為了修正流量計的計量性能。獲取流量計系數(shù)是計算液體石化產(chǎn)品流經(jīng)流量計的標(biāo)準(zhǔn)體積的重要基礎(chǔ)。

流量計檢定有5種方法，即：大體積管、標(biāo)準(zhǔn)流量計、標(biāo)準(zhǔn)罐、稱重法、活塞式小體積管。在原油流量計檢定方法中，目前常用的是大體積管和活塞式小體積管兩種。

根據(jù)API MPMS 《Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 4.8 Operation of Proving Systems》的規(guī)定，不同于大型U型體積管，活塞式小體積管在設(shè)計上是采用小體積檢定容積，多次行程來達到相當(dāng)于大體積管的體積。通過雙時測法進行脈沖采樣，活塞式小體積管可以獲得與大體積管一樣的采樣效果。

表3所列為大、小體積管的優(yōu)缺點比較。

表3 大、小體積管優(yōu)缺點對比Table3 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenlargevolumetubeandsmallvolumetube大體積管活塞式小體積管優(yōu)點①可靠性高②可用于檢定低脈沖分辨率的流量計③對被檢液體中的固體微粒反應(yīng)不敏感①檢定時間短②占地面積小,可移動式③量程比寬,可用于檢定多種流量范圍的流量計缺點尺寸龐大,安裝相對復(fù)雜對潔凈度要求高,固體微粒容易造成量缸中活塞密封件的損壞

大體積管隨檢定流量的不同，價格變化不大；而活塞式小體積管由于受標(biāo)準(zhǔn)容積的限制，價格變化較大。建議在流量小、站內(nèi)設(shè)置多種規(guī)格流量計的場站設(shè)置活塞式小體積管檢定系統(tǒng)；在大流量的場站設(shè)置大體積管檢定系統(tǒng)。

2 原油庫主要測量儀表選型

2.1 罐區(qū)計量儀表

目前在國際上，儲罐計量技術(shù)通常采用以下兩種計量系統(tǒng)。

(1) 以體積為基礎(chǔ)的計量系統(tǒng)，建立在對液位和溫度的精確測量基礎(chǔ)上。這種系統(tǒng)多流行于歐美等發(fā)達國家。

[36][45] 黃超：《框定戰(zhàn)略與“保護的責(zé)任”規(guī)范擴散的動力》，《世界經(jīng)濟與政治》2012年第9期，第65、67頁。

(2) 以質(zhì)量為基礎(chǔ)的計量系統(tǒng)，測量液體產(chǎn)生的靜壓力，進而換算出質(zhì)量。這種系統(tǒng)使用于中國和蘇聯(lián)等國家。

無論采用何種系統(tǒng)，對于庫存管理或者計量交接來說，采用盡可能準(zhǔn)確的測量儀表是極其重要的，高水平的測量儀表配置是原油庫存管理和計量交接的基礎(chǔ)。

在部分儲罐計量應(yīng)用中，用戶需要同時得到準(zhǔn)確的體積和質(zhì)量，故混合法計量系統(tǒng)由此產(chǎn)生?；旌戏ㄓ嬃肯到y(tǒng)一般設(shè)置為：高準(zhǔn)確度液位變送器(在罐頂部安裝一臺)、高準(zhǔn)確度壓力變送器(每座油罐底部設(shè)一只)、單點或多點平均溫度計?；旌戏ńY(jié)合了質(zhì)量測量手段與體積測量手段，可以提供準(zhǔn)確的液位、壓力、溫度、質(zhì)量和密度信息，實現(xiàn)以上兩種技術(shù)的有機結(jié)合。罐區(qū)流程圖如圖1所示。

罐區(qū)計量信息通過專用計量總線接入中控室計量管理工作站。油罐計量儀表選型應(yīng)滿足工業(yè)級測量準(zhǔn)確度要求，準(zhǔn)確度要求見表4。

表4 計量儀表允許誤差Table4 Allowableerrorofmeteringinstrument儀表名稱允許誤差液位變送器±1.0mm壓力變送器±0.04%多點平均溫度計±0.2℃

2.2 閥門執(zhí)行機構(gòu)的選擇

常用的閥門執(zhí)行機構(gòu)有氣動執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)、氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)和電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)等。其中，氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)一般用于天然氣長輸管道項目，電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)較多用于油品長輸管道項目，原油庫場站一般選用氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)。

氣動執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)缺點對比見表5。

通過對比，對于自控閥門數(shù)量比較多的場站，可選用氣動執(zhí)行機構(gòu)。自控閥門數(shù)量較少的場站建議選用電動執(zhí)行機構(gòu)。

表5 氣動和電動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)缺點對比Table5 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenpneumaticandelectricalactuator氣動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點①執(zhí)行機構(gòu)操作簡單,維檢修方便②單作用執(zhí)行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)故障安全③執(zhí)行機構(gòu)動作時間快①不受氣候影響,防護等級較高②結(jié)構(gòu)簡單,安裝尺寸小,使用壽命長③適合大力矩閥門缺點①需要有動力氣源,對氣源的壓力及潔凈度要求高,需設(shè)空氣壓縮機、儀表風(fēng)罐及配套設(shè)施,增加工程投資②配套于大口徑、高壓力閥門,輸出力矩較大的氣動執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸大,運輸及安裝不方便③控制部件較零散①電子電路相對復(fù)雜,當(dāng)出現(xiàn)故障時,現(xiàn)場人員維修相對比較難②執(zhí)行機構(gòu)動作時間相對較長

2.3 油儲罐液位測量儀表

對于采用混合法計量系統(tǒng)的油庫罐區(qū)，油儲罐液位測量儀表主要有高準(zhǔn)確度雷達液位計和高準(zhǔn)確度的伺服液位計兩種。

雷達液位計是基于發(fā)射-反射-接收的工作原理。雷達傳感器的天線發(fā)射波束形式的電磁波，電磁波遇到被測物料表面形成反射，反射回波信號由天線進行接收。處理器采集所有發(fā)射及反射波束，經(jīng)過處理計算后得出物料表面與檢測探頭之間的距離。

伺服液位計是基于阿基米德原理進行液位測量。伺服電機通過上下調(diào)整測量鋼絲改變浮子的位置，以使浮子位于被測液體表面，此時浮子本身的重力、液體的浮力(阿基米德浮力)和鋼絲拉力平衡。

雷達液位計和伺服液位計的優(yōu)缺點對比見表6。

表6 雷達液位計和伺服液位計優(yōu)缺點對比Table6 Comparisonofadvantagesanddisadvantagesbetweenradarandservolevelmeter雷達液位計伺服液位計優(yōu)點①準(zhǔn)確度高②無傳動部件,與檢測介質(zhì)不接觸③安裝方便①準(zhǔn)確度高②測量穩(wěn)定,維護量?、劭蓽y量油水界面功能缺點當(dāng)安裝在油儲罐上時,長時間的油氣揮發(fā)物附著在探頭表面,會影響雷達探頭的測量準(zhǔn)確度安裝要求高,價格較貴

2.4 油罐溫度測量儀表

儲罐溫度測量目前有兩種通用的測量方法，一種為普通的Pt100鉑熱電阻一體化溫度變送器，另一種為多點平均溫度計測量。

由于油罐在縱向上各層的溫度是不一致的，為了提高計量準(zhǔn)確度，當(dāng)采用混合法計量儲罐油品時，推薦采用平均多點溫度計測量儲罐內(nèi)各個油層溫度。

GB/T 50892-2013《油氣田及管道工程儀表控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“在設(shè)備、襯里管道、非金屬管道和有色金屬管道上安裝時，宜選用法蘭連接方式”[4]。油罐的溫度儀表安裝形式應(yīng)采用法蘭連接。

2.5 可燃氣體檢測儀表

可燃氣體探測根據(jù)檢測原理的不同主要分為催化燃燒式、紅外式、電化學(xué)式和半導(dǎo)式。原油庫常用催化燃燒式或紅外式可燃氣體探測器。

催化燃燒式可燃氣體探測器的檢測原理是基于惠斯通電橋原理，擴散到探測器催化燃燒室的可燃氣體在催化燃燒劑的作用下，進行無焰燃燒，產(chǎn)生熱量，溫度升高。溫度變化影響感應(yīng)電阻阻值，打破電橋平衡，形成微小的電壓差，電壓差信號與燃燒室內(nèi)可燃氣體的體積分?jǐn)?shù)成正比，通過檢測電壓差，進而達到檢測可燃氣體含量的目的。

紅外式可燃氣體探測器的工作原理是基于大氣傳輸理論中的光譜本征吸收原理，探測器中紅外發(fā)射組件發(fā)出的紅外光由檢測室的聚焦系統(tǒng)照射到光敏傳感器件，紅外光源發(fā)出的紅外光強度是恒定的，光敏傳感器件的感應(yīng)輸出則是恒定的，信號經(jīng)放大電路放大后輸出電壓也是恒定的。當(dāng)檢測室中擴散進可燃氣體時，紅外光的光通量中特定波段的光由于被可燃氣體吸收而衰減，導(dǎo)致光敏傳感器件感應(yīng)輸出電壓降低，輸出電壓降低的幅度與進入檢測室的可燃氣體含量是成比例的。因此，通過檢測信號放大電路輸出電壓的變化，就可以檢測出檢測室中可燃氣體含量。

從性價比考慮，一般選用催化燃燒式可燃氣體探測器。

2.6 火災(zāi)檢測設(shè)備

儲罐區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢往往會迅速擴散，形成大面積燃燒，經(jīng)常會殃及周圍儲罐或其他設(shè)施，可能會造成人員傷亡或巨大財產(chǎn)損失。在石油儲罐區(qū)進行火災(zāi)實時監(jiān)測，綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，對及時發(fā)現(xiàn)潛在的火險和預(yù)測可能的災(zāi)害事故具有實際意義。而對于油罐區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計也是有明確規(guī)范要求的(見表7)。

表7 油罐區(qū)火災(zāi)設(shè)置規(guī)范要求明細表Table7 Detailedspecificationofstandard規(guī)范名稱要求GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》單罐容量不小于50000m3的浮頂油罐應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)[5]GB50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》單罐容量等于或大于50000m3的浮頂油罐應(yīng)設(shè)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)[6]GB50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》外浮頂罐宜采用線型光纖感溫火災(zāi)探測器,且每只線型光纖感溫火災(zāi)探測器應(yīng)只能保護一個油罐;除浮頂和臥式油罐外的其他油罐宜采用火焰探測器[7]

設(shè)計均應(yīng)按照上述規(guī)范要求進行，單罐容量等于或大于50 000 m3的浮頂油罐應(yīng)設(shè)置光纖感溫探測器對初期火災(zāi)進行監(jiān)測，部分重要場站罐容較小，如20 000 m3儲罐，應(yīng)業(yè)主要求也可采用光纖檢測法進行火災(zāi)監(jiān)測；其他小容量油罐一般建議設(shè)置火焰探測器。

光纖感溫探測器主要有：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器[8]。常用的有分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器。

3 結(jié) 語

油品計量方式的選取很大程度上取決于業(yè)主的交接方式。體積交接普遍運用于歐洲和中東等國家。質(zhì)量交接在美國應(yīng)用較多。在中國，存在著體積交接和質(zhì)量交接兩種方式，采用哪種方式主要由業(yè)主的要求決定。

近年來，隨著儀表自動化產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及產(chǎn)品技術(shù)水平的進步，不同工作原理的檢測儀表之間的技術(shù)差距相對變小，對同一種工藝流程，檢測儀表的種類可能會有很多。如何選擇經(jīng)濟、合理、安全可靠的儀表設(shè)備，合規(guī)設(shè)計，避免過度設(shè)計，是每一位工程設(shè)計人員應(yīng)該把握的重點。只有充分地解讀規(guī)范要求及結(jié)合生產(chǎn)實際，才能做好自控儀表設(shè)計。

[1] 大慶油田工程有限公司. 油氣集輸設(shè)計規(guī)范： GB 50350-2005[S]. 北京： 中國計劃出版社， 2005： 53.

[2] 中國石油天然氣股份有限公司計量測試研究所. 原油動態(tài)計量 一般原則： GB/T 9109.1-2010 [S]. 北京： 中國計劃出版社， 2010: 2.

[3] 中國石油天然氣股份有限公司計量測試研究所. 石油和液體石油產(chǎn)品油量計算 動態(tài)計量： GB/T 9109.5-2009 [S]. 北京： 中國計劃出版社， 2009: 5.

[4] 中國石化集團中原勘探局勘察設(shè)計研究院. 油氣田及管道工程儀表控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范： GB/T 50892-2013[S] . 北京： 中國計劃出版社， 2013： 16.

[5] 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院. 石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范： GB 50183-2004 [S] . 北京： 中國計劃出版社， 2004： 50-51.

[6] 中國石化工程建設(shè)公司. 石油庫設(shè)計規(guī)范： GB 50074-2002 [S] . 北京： 中國計劃出版社， 2002： 47.

[7] 公安部沈陽消防研究所. 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范GB 50116-2013 [S] . 北京： 中國計劃出版社， 2013： 46.

[8] 周廣麗， 鄂書林， 鄧文淵. 光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)用[J]. 光通信技術(shù). 2007(6): 54-57.