大鹤管装车系统精确计量的实现

近年来, 大鹤管装车技术已逐渐被越来越多的石化企业和大型油库所采用。由于其采用集中装油方式, 实现了装车自动化控制, 降低了工人劳动强度, 且具有栈台占地面积小、装车损耗低、便于维护和管理等特点受到了很多企业的青睐。但是为了更好的利用大鹤管装车系统, 人们对它的要求已不仅仅是定量装车, 而是要求其达到贸易交接的计量精度要求。因为只有装车系统提供的计量数据直接用于贸易交接才能取消人工槽车检尺的落后计量方式, 从而使装车、计量工作效率进一步提高。

目前许多公司在用的大鹤管装车系统由于设计之初对精确计量要求考虑不足, 致使系统存在许多对计量精度造成影响的不利因素, 系统计量精度不能达到贸易交接的要求。如果将大鹤管装车系统用于贸易交接计量, 按照计量法要求应该依法进行周期检定, 但国家目前没有出台相关技术标准。而采取车载电子秤、车载体积管等检定方式不能完全模拟完整的装车过程, 检定结果与实际情况存在一定偏差。对于这些问题, 本文基于呼和浩特石化公司大鹤管装车系统计量改造实践, 对大鹤管装车系统实现精确计量, 满足贸易交接计量要求方面进行探讨。

该公司大鹤管装车系统分为东、西两个栈台, 每个栈台各有两个鹤位。从罐区到装车栈台共四条装车线, 其中两条为汽油线, 两条为柴油线。装车时可通过流程切换实现两个品种分道装车, 1#鹤位和3#鹤位位于一道装汽油, 2#鹤位和4#鹤位位于一道装柴油。也可以四个鹤位全部装汽油或者柴油。大鹤管栈台分布情况如图1所示。

该装车控制系统是以西门子S7-400中央处理器做为Profibus-DP网络的主站, 并通过网络连接605个ET200从站组成。S7-400主站主要是集成大鹤管定量装车控制逻辑。ET200从站是由数字量输入模块 (DI) 、数字量输出模块 (DO) 、模拟量输入模块 (AI) 、计数器模块 (FM350) 组成。它是系统的控制核心, 所有现场的操作和信息的获取都通过它实现。PLC通过输入模块来接收专用键盘及旋钮的控制指令、集成显示系统 (上位机) 的控制信号、液位开关来的液位到限信号和阀门状态及各种自动的到限信号。通过输出模块对小爬车 (小爬车) 电机的前、后动作, 液压泵的停、启, 鹤位的前进、后退上下移动, 接油斗的提起和放下, 以及各种阀门的开关, 实现装车过程中的手动控制和自动控制。

装车时操作人员利用控制台控制小爬车对位, 放下大鹤管, 并设定装车量。启泵后按启动按钮开始装车。PLC根据流量计传输的流量信息通过调整电液阀开度来控制流量大小, 以满足装车安全和定量控制的需要。当装车量达到设定值时, PLC控制电液阀关闭, 操作人员通过控制台控制收起大鹤管, 对位下一节罐车。

大鹤管装车不是一个管线流量、压力稳定运行的过程。每个鹤位每装完一节罐车就需要关闭电液阀, 升起鹤管, 重新对位下一节罐车。且为了装车安全和定量控制的需要, 对每节罐车装车时都需要通过电液阀控制由初始低流量、最大流量到最后又降为低流量的过程。每个鹤管的启停都会对其它鹤管装车的流量和压力造成影响, 各鹤位流量、压力就会呈无规律变化状态, 从而影响流量计的计量准确性。

为了把这种影响降到最低, 最好的办法就是鹤管之间进行连锁切换控制。由于该石化公司装车泵排量是450 m3, 流量计量程0-400t/h, 因此将大鹤管最大流量控制在流量计最佳流量点, 满量程的80%, 即320t/h。对四个大鹤管选择两两连锁控制, 当只有一个大鹤管装车时开一台泵, 两台大鹤管装车时开两台泵。由流量曲线图图4可以看出, 进行连锁控制后, 互为连锁的两个鹤管装车流量平稳切换, 进栈台的管线总流量可保持平稳, 鹤位工况趋于稳定有利于流量计准确计量。

该大鹤管装车系统四个鹤位流量计全部选用emerson质量流量计, 离线检定计量精度均优于2‰, 可以满足精确计量的需要。但是质量流量计实际应用的计量精度受到多方面因素的影响。由于目前大鹤管装车系统都是以撬装的方式安装, 流量计一般都安装在栈台上, 距离液压站、鹤管距离近, 鹤管升降时产生的震动对流量计计量精度存在一定影响。

从图2可以看出, 消气过滤器、流量计、电液阀全部安装在大鹤管撬装栈台上。装车时油品依次经过消气过滤器、流量计、电液阀, 然后顺管线向下弯头经大鹤管后进入罐车。当电液阀全开时, 必然造成流量计背压过低, 从而影响计量准确性。对于这一情况, 进行计量改造时在电液阀与鹤管之间加装一段向上约3m高的弯头, 并安装了调节阀对流量计背压进行调节。改造后这一情况得到改善。鉴于以上原因, 我们认为大鹤管流量计不应安装在栈台上, 而应安装在栈台外没有振动源的地方, 流量计下游管线可向上至栈台的二层平台, 这样可以同时解决震动及流量计背压不足造成的影响。

油品介质中在输转过程中产生的气体、杂质对流量计的计量精度具有一定影响。消气过滤器是流量计附属设备之一, 应具有自动排气、过滤杂质的作用, 从而保证流量计计量精度。在对原大鹤管装车系统进行检查时发现消气过滤器排气阀门因损坏而处于长期关闭状态, 这样将使消气过滤器无法发挥自动排气的功能。经对其进行修复, 使其恢复了自动排气功能, 从而排除了油品之中的气体对流量计计量准确性的影响。

在每节罐车装油结束后, 鹤管内存油都会落入罐车, 从而使鹤管形成空管。当下一节罐车装车时, 经过流量计计量的油品首先会充满鹤管, 然后进入罐车。装车结束时落入罐车的鹤管存油会补回装车开始时充满鹤管所用的油品, 因此理论上来说, 进入每节罐车的油品与经流量计计量的油品数量是一致的。

但是如果鹤管与电液阀之间的管线是水平的, 当装车结束, 鹤管内存油落入罐车时, 水平管线内的油品也会进入罐车, 这时因电液阀已经关闭, 水平管线内油品在上游没有压力的情况下不能快速流净, 这样在鹤管升起时会造成部分油品损失, 从而产生计量误差。对此采取鹤管与电液阀之间靠近鹤管处增加一段向上弯头的管线, 使装车结束时弯头顶部下游一侧的管线存油在重力和惯性的作用下快速流入罐车, 从而减少因此造成的计量误差。为了避免管线存油下落过程中管线内出现的真空产生虹吸效应, 应在弯头顶部安装大口径真空破坏器, 确保管线存油全部迅速进入槽车。

目前定量装车系统多采用批控器与电液阀结合以实现对装车流量的控制。本大鹤管装车系统选用的是丹尼尔788型电液阀, 它的工作原理是:电液阀的主阀是由两个电磁阀控制, 当两个电磁阀加电时, 主阀开启。批控器能够自动对电磁阀进行送电和断电, 通过两个电磁阀把主阀开启、关闭或调节到所需流速的特定位置。它的特点是由批控器自动控制, 实现低流量启动、高流速控制、低流量关闭和最终截断。通过在不同管线压力下使介质保持恒定流速, 以保证流量计在最高精度下工作。

我们在实际应用中发现, 批控器对电液阀的控制不宜进行精确控制, 而应进行流量范围控制, 以减少电液阀对流量的调节频次, 使管线流量稳定在一个适当的范围。电液阀频繁调节会使管线流量呈波浪线型波动。如果选用的控制阀反应过程慢, 流量调节不到位, 也会造成批控器频繁发出调节指令, 造成流量异常波动, 不利于流量计准确计量。

在装车过程中客观上存在装车损耗。装车时油品挥发的油气经油气回收系统回收处理, 返回储罐。这部分经过流量计计量但并没有进入罐车, 由于其不可单独计量, 所以只能按照GB11085-89《散装液态石油产品损耗》规定的装车损耗定额计算装车损耗量并从流量计计量结果中扣除。

按照JJG1038-2008《科里奥利质量流量计检定规程》规定, 在质量流量计计量检定时对标准衡器的质量示值进行了修正, 使标准衡器计量结果转换为真空中的质量后对流量计计量结果进行校准。因此, 流量计计量结果测量的是油品在真空中的质量。而我国贸易计量采用的是“空气中的重量”。所以应按照GB/T9109.5-2009《石油和液体石油产品油量计算动态计量》中规定的空气浮力修正系数对流量计计量结果进行修正。

对大鹤管装车系统的标定有车载电子秤或车载体积管两种方式, 但由于铁路罐车装车计量的间断性, 使用这两种方式都存在一定弊端, 不能完全模拟完整的装车过程, 检定结果与实际情况存在一定偏差。

我们认为, 对大鹤管装车系统计量准确性标定的最佳办法是以静态轨道衡作为计量标准进行标定。静态轨道衡计量精度优于1‰, 完全可以满足作为大鹤管装车系统计量标准的需要。利用静态轨道衡称重的方法对大鹤管装车系统进行标定不受装车过程的影响, 只对装车结束后罐车实际装油量进行计量, 能够客观反映装车流量计的计量准确性。该公司在计量改造结束后使用轨道衡对三批经大鹤管装车的铁路罐车进行静态称重, 称重结果与大鹤管装车系统计量结果的部分比对数据见表1。从比对数据可以看出, 经过计量改造的大鹤管装车系统计量精度达到了3‰以内, 计量性能稳定可靠。 (表1如下)

由于目前作为收油方的油库多采用罐车检尺的方式进行收油量的复核。而罐车检尺计量误差7‰, 大鹤管装车系统计量误差3‰, 两种计量方式客观上存在计量差异。我们在经过多次数据比对后发现, 一批罐车中检尺数据与大鹤管装车系统数据差量超过3‰的情况总是存在, 而且有时所占比例还比较大, 但是整批罐车的总差量基本都在3‰以内。经过静态轨道衡标定后, 我们认为流量计计量结果比较稳定, 不存在忽高忽低的现象。每批罐车检尺操作方法等因素也都相同, 我们认为比对误差的主要来源是铁路罐车容积表。由于铁路罐车这种计量方式存在较大的计量误差, 我们认为油库应尝试采用计量精度较高的大罐计量 (计量误差3.5‰) 或其它可行的计量方式来取代罐车检尺的计量方式, 避免对收油盈亏问题做出错误判断。

该公司在此次大鹤管定量装车系统的计量改造过程中取得了一些经验教训, 通过改造使大鹤管装车系统满足了贸易交接计量精度的要求, 但是受原有设施及环境所限, 其中还有许多不足之处, 大鹤管装车系统的计量精度还有进一步提升的空间。随着大鹤管装车技术的不断改进和完善, 相信与其相关的计量问题必然会逐步得到解决。大鹤管装车技术以其自动化程度高、安全、环保等优势必然会进一步得到广泛应用。