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液位测量:中间储罐与库存储罐计量的比较分析

来源:控制工程网2016.03.17阅读 2120

  液位测量有许多需要注意的方面,包括点液位指示、防止容器溢流、以及与监管权转移所需精确度相关的极其精确的测量。很多特殊的应用环境所要求的仪器仪表会根据测量要求的不同而异。当我们考虑中间储罐液位与库存储罐计量(也可能包括监管权转移罐体计量)相对比时,每一种测量所用的仪器仪表都会不同。两种测量类型的区别在哪里?两种类型都适合采用什么样的智能仪表?本文将解答这些问题并提供一些例子说明两种测量类型的特点和应用对策。
  中间储罐液位测量
  在许多应用场合,只需要一般的库存信息或过程控制。在过程工业中有一些典型的应用场合,即存储容器中的材料定期(每天、每周或按需而定)的从工厂的某一部分转移到另一部分,或者作为批流程用来制造最终产品。这些产品在一个工厂中使用,其所有权不进行变更。例如,这些材料可以作为生产最终产品的大量原材料。这类应用场合使用的容器一般都比较小,其容积大小从几百加仑到几万加仑不等。


图1:液位测量与体积输出之间是线性关系。必要的情况下可以采用此方式来修正那些非线性罐体,例如球型设计或具有圆锥截面的罐体。本文所有图片来源:Endress+Hauser

  高效的库存管理能够确保产品可以及时地进行再订购,同时,对于企业的成本控制也十分重要。不过,因为产品的所有权没有变更,对其精度要求就没那么严格。工艺中所使用的产品的量可以通过总流量计来测量,或者通过液位计测量罐体液位的变化而计算得出。一般来说,通常的库存控制应用场合的精度要求是±1英寸。
  最常用于一般库存控制的液位测量装置是标准的自由空间(free-air)雷达和导波雷达仪表。这些产品提供的精度可以达到毫米级,可以满足一般的库存控制需求。这些液位计的输出可以是线性的(图1),为容器内的材料提供体积指示。对于一般的工艺和控制液位设备来说,对于温度和密度变化的额外补偿并不是必须的。
  库存储罐计量
  除了常规的测量,在另外一些应用场合中则需要更高精度的测量。对于适用于这些应用场合的产品来说,液位一般不那么重要,而出于库存目的,需要知晓容器中的材料体积。例如,很多过程工业企业需要符合美国石油学会(API)自动储罐计量(ATG)系统的相关标准。需要这样更高精度的常见产品有石油、燃油、食用油、酒精、果汁以及某些溶剂等。
  ATG系统一般使用一级一级的过程仪表,不过为了增加精度而配置了额外放大功能,例如温度修正(单点或多点),同时配有提供内置密度校正表的系统。因为产品的热膨胀会影响固定体积产品的实际液位,因此需要温度修正来进行调整。例如,对于直径为100英尺的储罐,1度的温度变化会导致储罐的实际液位膨胀或收缩0.1%。对于一个10米高的储罐,0.1%的变化意味着液位变化10毫米或者78.6桶。
  库存储罐计量一般采用液位、温度测量,有时候(为了计算密度)使用压力测量仪器。常用的技术包括雷达、导波雷达以及有时候使用的压力测量变送器。这些技术可以提供±2到3毫米的精度,甚至更高。
  液位变送器的精度越高越好。如果使用体积大小相同的储罐,2毫米的液位误差是15.7桶。因此,如果在变送器精度偏差的基础上再加上热膨胀造成的偏差,有可能会导致数千美元的库存价值差。对于一个拥有20个储罐的罐区,需要考虑的产品价值偏差可能超过10万美元。
  监管权转移储罐计量
  有一些需要极高精度测量的应用场合,例如涉及到监管权转移的贸易交接储罐计量。这些应用场合一般是将产品从一个地点转移到另一个地点或者改变其所有权(监管权从一方转移给另一方),以及那些产品需要向一个或更多政府机构纳税的应用场合。零售终端的例子包括石油和燃油终端(LNG,NGLCONTROL ENGINEERING China版权所有,LPG,航空煤油,原油,柴油等等)、食用油存储和酒精存储容器。这些一般都是直径达到40到120英尺、高度达到30到65英尺、可以储存从几十万到几百万加仑产品的大型储罐。
  面对这些高精度的要求,我们需要采用监管权转移储罐计量系统。库存储罐计量标准与监管权转移储罐计量标准的对比可以参考API第3.1B章节中 “储罐计量——在静态储罐中使用自动储罐计量进行碳氢化合物液体液位测量的标准实践”部分。即使是1英寸的微小误差也可能造成数千加仑的产品或者数千美元的库存差异。


图2:图中显示的是一个配有液位测量、压力和温度补偿的典型库存储罐计量系统。将这些先进产品放在一起使用,可以提供最大可能的高精度,因此不需要考虑环境条件就可以确定储罐内产品的真实质量。

  在监管权转移储罐计量的应用场合,采用了最精确的液位、温度测量仪表,以及特殊场合的压力(用于密度)测量仪表(图2)。所涉及的产品包括自由空间雷达及伺服测量变送器等。这些产品提供的精度可以达到±1毫米以内。


图3:安装在温度探头底部的电容液位变送器可以检测到罐底积水。

  库存和贸易交接的两种储罐计量的应用(图2和图3)中,为了应对被测量介质的热膨胀对液位变化的影响,需要采用温度补偿进行调节。根据不同的应用场合和精度要求,温度变送器可以是通过单点方式的,也可以覆盖整个液位测量区域的多点方式,因为大型储罐从罐底到罐顶会有较大范围的温度分布。在一些储罐中,因为其产品有不同来源而不能很容易的混合在一起,所以会有分层现象,测量不同分层的温度很重要。对于温度测量,API第7章给出了如何确定正确的测温点或均值测量的指导方法。
  除了精确的液位和温度测量,有一些应用场合要求对密度变化进行补偿。对于这样的应用,需要采用压力变送器来提供容器内介质的质量测量。液位测量与质量相结合,可以检测到由流体静力学压力加载到容器壁上所产生的变形(膨胀),这对储罐来说,非常典型。
  许多容器也需要测量沉积在容器底部的水量,被称为罐底积水。大多数的沉积水是从以石油和油为主要成分的液体里脱离出来的,不过也包括通过容器通风口以及浮动灌顶的垫圈渗透进来的水。分离出来并沉积到罐底的水,在装满NSV(净标准体积)产品容器的时候,必须予以考虑。测量罐底积水的最直观的理由是在贸易交接时所测量和支付的应当是需要的产品,而不是水。经过测量,作为储罐计量系统的一部分,可以从NSV值中将水去除掉。同时,去除水也是出于维护的目的,即维护团队为了防止储罐底部生锈而定期去除水,因为生锈有可能会导致液体泄漏从而造成对环境的危害。
  罐底积水通常使用电容液位变送器测量(图3)。电容变送器利用了水的高介电性和导电性与碳氢化合物的低介电性和非导电性之间的电气性差别来确定接口。在大多数情况下,电容传感器安装在温度传感器的底部或者通过使用伺服计量。
  现场中每一个智能仪表所产生的数据会进一步上传到库存管理系统中(图4)。通过各种现场仪表,一个完整的库存管理系统可以便捷的访问被采集的数据。现场设备的输出与一个储罐计量网关进行接口CONTROL ENGINEERING China版权所有,网关可以修正体积和质量,包括API校正表和计量表(TCT),并且用户仅需要通过浏览器就可以实现对数据的访问。
  也有一些为基于微软Windows软件所准备的选项,甚至在PLC或DCS内引入修正过的测量方式。为了满足诸如NMi和PTB机构批准的度量衡的需要,网关或软件可以提供将数据转换到体积或质量测量的计算。OIML和API为这些实践和精确度提供了建议。网关或软件可以使用同一个网络服务器,这使得在任何地方都可以访问数据。


图4:就像这款Endress+Hauser的终端管理软件套装,储罐监控软件为采集的数据提供了更便捷的访问。

  不同应用场合对于液位测量的要求也不一样。对于中间储罐液位来说,因为只采用液位测量CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此一般只需要一个液位变送器。面对库存或贸易交接储罐计量的应用场合,为了达到所要求的精度,需要额外考虑例如温度和压力补偿以及储罐计量网关或软件。这里的主要区别在于需要测量质量或体积,不仅仅是液位值。另外,与一个对各方面技术都精通的仪表供应商合作,不仅可以满足你的需求控制工程网版权所有,还可以为你提供合理预算的解决方案。最终让你通过正确的方式获得工厂所需要的液位或者体积数据CONTROL ENGINEERING China版权所有,更轻松的完成任务。(作者:Bill Sholette)

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