液化石油氣儲(chǔ)罐玻璃板液位計(jì)計(jì)量誤差初探論文
一、前言
近年來，我國液化石油氣市場發(fā)展很快，家用、商用和工業(yè)用氣量持續(xù)增加，大小液化石油氣儲(chǔ)配站場遍布各地，儲(chǔ)存罐的數(shù)量也就越來越多，單罐容積也有增大的趨勢(shì)。
眾所周知，計(jì)量工作對(duì)于一個(gè)企業(yè)是非常重要的，沒有正確的計(jì)量，談不上維護(hù)企業(yè)的利益、提高企業(yè)的信譽(yù)、搞好生產(chǎn)管理，還容易產(chǎn)生貿(mào)易摩擦，石油產(chǎn)品的貿(mào)易往往價(jià)高量大，計(jì)量工作尤顯重要。
二、問題的提出
以船運(yùn)液化石油氣碼頭交接貿(mào)易為例，其計(jì)量方法一般是用體積重量法，即首先測量計(jì)算得到液體體積，再換算成重量的方法，船上儲(chǔ)罐的液位測定普遍采用撥桿式液位計(jì)，也有直接在儀表艙讀數(shù)的，一般認(rèn)為，操作規(guī)范時(shí)，拔桿式液位計(jì)讀數(shù)比較可靠，岸上接收庫的液化石油氣球罐，按規(guī)定其液位測定，除采用玻璃板式液位計(jì)外，還要設(shè)磁跟蹤鋼帶液位計(jì)，這兩種設(shè)備的讀數(shù)似乎都可靠。
不管是以船上或岸上的那一方計(jì)量為準(zhǔn)，岸上接收罐的計(jì)量是必不可少的，不要以為船上拔桿式液位計(jì)可靠，計(jì)量準(zhǔn)確，岸上接收罐的計(jì)量就不重要了，實(shí)際上船上讀數(shù)也會(huì)有問題，如拉桿式液位計(jì)的拉放速度、停留的時(shí)間、風(fēng)浪的大小等都可能影響其讀數(shù)的準(zhǔn)確性，船體陳舊時(shí)，由于已作過多次維修改造，其容積表的準(zhǔn)確性也值得懷疑，其它一些人為因素也不是不可能。所以，作為收發(fā)計(jì)量也罷，盤點(diǎn)計(jì)量也罷，岸罐計(jì)量的準(zhǔn)確性是客觀要求。
許多人對(duì)液化石油氣球罐上玻璃板直讀式液位計(jì)的液位讀數(shù)一直沒有懷疑。其實(shí)，其讀數(shù)直接用于計(jì)量時(shí)存在一定問題。筆者幾年來在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，用玻璃板液位計(jì)的讀數(shù)來計(jì)算，結(jié)果極不可靠，比如同一罐（ l,000米3）液化石油氣，不同時(shí)間讀取的數(shù)據(jù)，計(jì)算出的結(jié)果有時(shí)相差10噸以上，根本不可取。
三、問題分析
如附頁圖一1所示，以1,000米3球罐（φ12米）為例，其玻璃液位計(jì)裝于球罐液位導(dǎo)管ABCD[DN 50]的豎直段BC上，該管上下分別與罐頂和罐底相通。
一般認(rèn)為，導(dǎo)管內(nèi)的液面和罐內(nèi)液面處于同一水平面上，其實(shí)不一定，可能差別很大，進(jìn)人導(dǎo)管內(nèi)的液體，如同進(jìn)人了死胡同，在某一平衡狀態(tài)下，導(dǎo)管水平段CD內(nèi)的液體承受著垂直段BC內(nèi)液柱和儲(chǔ)罐內(nèi)液柱對(duì)等的壓力，其作用有如一個(gè)活塞，阻隔著經(jīng)直管內(nèi)的液體流向儲(chǔ)罐內(nèi)。
由于儲(chǔ)罐容積大，特別是在儲(chǔ)液很多時(shí)，儲(chǔ)罐實(shí)際上成了一個(gè)大“熱容”，在環(huán)境溫度高于罐內(nèi)溫度時(shí)，儲(chǔ)罐吸熱，而在環(huán)境溫度低于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度時(shí)，儲(chǔ)罐放熱，也就是說，儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度變化不如環(huán)境溫度變化大，罐內(nèi)溫度變化比較溫和，而導(dǎo)管很小（DN50），其中的液體數(shù)量很少，導(dǎo)管壁完全暴露，故受環(huán)境影響很大，特別是導(dǎo)管處在陽光直射位置時(shí)，其溫度變化更大。
我們知道，液體受熱會(huì)膨脹，其密度會(huì)變小，相反，液體受冷時(shí)其體積會(huì)縮小，密度會(huì)變大，就是說，若果儲(chǔ)罐內(nèi)液體的溫度和導(dǎo)管內(nèi)液體的溫度不同時(shí)，則其密度也不同，特別是液化石油氣的膨脹系數(shù)比水的大得多，密度的差異就更大，不能忽略不計(jì)。這時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)液體和導(dǎo)管內(nèi)液體的關(guān)系，如同“U”形壓差計(jì)的工作原理一樣，兩側(cè)液柱對(duì)“活塞”（水平段）的作用力相等。
假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)的液化石油氣為：
1．丙烷：異丁烷=50：50。
2．儲(chǔ)罐內(nèi)平均溫度為T℃。
3．導(dǎo)管內(nèi)液體的平均溫度為t℃。
4．儲(chǔ)罐內(nèi)液位為H（m）
5．導(dǎo)管內(nèi)液位為h（m）
根據(jù)烷烴液體的比重和溫度關(guān)系圖～ 2可知，丙烷和丁烷的比重在-20℃---＋ 50℃范圍內(nèi)呈直線變化，而且兩直線大體平行。由圖--2（見附頁）可查得密度（這里，在數(shù)值上，比重和密度是相等的）如下：
15℃時(shí)：丙15=0.507 丁15 =0.563
40℃時(shí)：丙40 =0.468 丁40=0.533
則混合密度為：
m15=iVi=0.507×0.5+0.563×0.5=0.535
m40=0.468×0.5+0.533×0.5=0.5005
液體密度變化的溫度系數(shù)為：
ν=(m40-m15)/(40-15)=(0.5005-0.535)/25=-0.00138
某一溫度t℃時(shí)的密度為（亦可以直接查圖一2）
t=15+ν(t-15)
液位為h時(shí)，產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：
P=P0+*g*h
任何平衡時(shí)刻，導(dǎo)管內(nèi)液柱和儲(chǔ)罐內(nèi)液柱對(duì)水平段所產(chǎn)生的壓強(qiáng)必定相等，則：
P0+*g*h=P0+γ*g*H
H=th/T=(15+ν(t-15))/(15+ν(T-15))*h=(1-ν(T-t)/(15+ν(T-15)))*h
1．當(dāng)環(huán)境溫度高于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度時(shí)，設(shè) t＝ 30℃，T＝ 20℃，由式一1可得：
H=(1+0.00138*(20-30)/(0.535-0.00138(20-15)))*h=(1-0.0026)*h=0.974h
2．當(dāng)環(huán)境溫度低于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度時(shí)，設(shè)t＝10℃，T＝20℃
由式一1可得：
H＝（ l＋ 0.026） h＝ 1.026h（式一3）
以上分析說明，液位計(jì)讀數(shù)和儲(chǔ)罐內(nèi)實(shí)際液位是有差距的，而且溫差越大，則差距就越大，這樣，用液位計(jì)讀數(shù)h直接查儲(chǔ)罐容積表，計(jì)算出的重量結(jié)果必然不準(zhǔn)確，而且罐的容積越大，誤差就越大，特別是液位剛好在儲(chǔ)罐赤道帶或附近時(shí)誤差大。
這就印證了筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題：l）在岸上儲(chǔ)罐接收船載低于環(huán)境溫度的冷凍液化石油氣（＜10℃）時(shí)，計(jì)算的結(jié)果往往比船上結(jié)果偏多，但幾天后重新讀取數(shù)據(jù)重算時(shí)，結(jié)果可能又少了許多。2）同一罐液化石油氣，即使經(jīng)過長時(shí)間的'停放，使其充分吸／放熱量，達(dá)到大體上和環(huán)境溫度平衡后，一天之中不同時(shí)間讀取的數(shù)據(jù)，計(jì)算得的結(jié)果也差別很大，都是因?yàn)橐何挥?jì)受環(huán)境影響大，而儲(chǔ)罐是一個(gè)大“熱容”，受環(huán)境影響小，從而產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致密度和液位的不同。
以某1000m3球罐為例，其條件同上，不考慮氣相的影響，設(shè)液位計(jì)讀數(shù) h＝7.0m
1）設(shè)液位計(jì)內(nèi)液體溫度為 30℃，罐內(nèi)液體平均溫度為 20℃，根據(jù)式一2，得罐內(nèi)液位為：
H＝0.974h＝0.974X 7.0＝6.82（m）
由h和H查罐容表，得到液體的體積分別為：
586．928m3和 565．873m3
罐內(nèi)混合密度為：
20＝15＋ν（t－15）＝0.535－0.00138（20－15）＝0.5281
由G＝0.99785V20算得在空氣中的重量分別為：309．290噸和 298．200噸
就是說，若果直接以液位計(jì)讀數(shù)計(jì)算，則偏多 11.090T。
2）設(shè)液位計(jì)內(nèi)的溫度為 10℃，儲(chǔ)罐內(nèi)平均溫度為 20℃，根據(jù)式一 3，則：
H＝1.026h＝1.026X7.0＝7.182（m）
由h和H查罐容表，得液體體積分別為：
586．928m3和 607．809m3
計(jì)算出的重量分別為：
309．290噸和 320300噸
就是說，如果用液位讀數(shù)直接計(jì)算，則偏少 11． 010噸。
四、解決問題的辦法
為了解決儲(chǔ)罐玻璃液位計(jì)的讀數(shù)誤差問題，筆者認(rèn)為有如下幾個(gè)辦法：
1．公式修正法。
按上述分析的方法，對(duì)液位計(jì)讀數(shù)進(jìn)行修正，該法實(shí)際上難以準(zhǔn)確，因?yàn)閷?dǎo)管內(nèi)液體的平均溫度難以測準(zhǔn)。
2．選擇讀數(shù)時(shí)間。
改變讀數(shù)時(shí)間的隨意性，選好讀取時(shí)間，能在一定程度上克服環(huán)境因素對(duì)液位計(jì)讀數(shù)的影響，最好把讀數(shù)時(shí)間選在氣溫比較溫和、氣溫比較接近一天之中的平均溫度或接近儲(chǔ)罐內(nèi)溫的時(shí)候，如夏天在日出之前讀數(shù)，冬天在早上9：00左右讀數(shù)，但該法對(duì)生產(chǎn)作業(yè)有一定影響，不夠方便。
3．更換液位計(jì)內(nèi)的液體。
在讀數(shù)前，把液位計(jì)導(dǎo)管內(nèi)的液化石油氣換掉，可以1）把導(dǎo)管內(nèi)的液化石油氣放掉，換人罐內(nèi)新的液體，但該法不安全；2）加一手搖泵，將導(dǎo)管內(nèi)的液化石油氣往回儲(chǔ)罐內(nèi)，再從罐內(nèi)放人新的液化石油氣，然后盡快讀取液位數(shù)據(jù)。
4加裝計(jì)量設(shè)備。
可考慮在儲(chǔ)罐頂部增設(shè)防爆型雷達(dá)測深系統(tǒng)，該法在舊罐上改造較難。
五、結(jié)束語
玻璃板直讀式液位計(jì)讀數(shù)難以讀準(zhǔn)，球形儲(chǔ)罐上的磁跟蹤鋼帶液位計(jì)讀數(shù)又如何？實(shí)際情況是，就所安裝的國產(chǎn)鋼帶液位計(jì)而言，很大一部分是失效的，這是因?yàn)椋菏紫龋圃旒夹g(shù)和安裝質(zhì)量上存在問題，鋼帶很容易被卡住；其次是其使用環(huán)境惡劣，在
接卸液化石油氣船時(shí)，特別是罐內(nèi)液位很低時(shí)，高速進(jìn)人儲(chǔ)罐的液化石油氣，在罐內(nèi)劇烈翻騰，使鋼帶液位計(jì)系統(tǒng)的浮筒及其導(dǎo)向鋼絲波動(dòng)報(bào)大，有時(shí)會(huì)使磁吸頭脫落，無法計(jì)量，有的甚至使導(dǎo)向鋼絲脫鉤，并相互糾纏在一起，從而徹底失去計(jì)量作用；再者，即使鋼帶液位計(jì)系統(tǒng)沒有問題，但不同組成的液化石油氣及不同的溫度下，其密度亦不同，致使液體對(duì)浮筒的浮力不同，從而影響了液位的顯示精度。
除液位計(jì)外，影響計(jì)量準(zhǔn)確性的另一個(gè)因素是儲(chǔ)罐內(nèi)氣液相的平均溫度，由于測溫棒伸入罐內(nèi)的長度有限，故測得的內(nèi)溫有時(shí)并不能反映平均溫度。
總之，相比之下，鋼帶液位計(jì)不如玻璃板直讀式液位計(jì)可靠，而選取恰當(dāng)?shù)淖x數(shù)時(shí)間能有效地克服環(huán)境因素造成的影響。除液化石油氣球罐外，其它儲(chǔ)存輕質(zhì)液體的儲(chǔ)罐，當(dāng)設(shè)玻璃板液位計(jì)時(shí)，其讀數(shù)也應(yīng)引起注意。