液化石油氣儲罐玻璃板液位計計量誤差初探論文
液化石油氣儲罐玻璃板液位計計量誤差初探論文
一、前言
近年來，我國液化石油氣市場發展很快，家用、商用和工業用氣量持續增加，大小液化石油氣儲配站場遍佈各地，儲存罐的數量也就越來越多，單罐容積也有增大的趨勢。
眾所周知，計量工作對於一個企業是非常重要的，沒有正確的計量，談不上維護企業的利益、提高企業的信譽、搞好生產管理，還容易產生貿易摩擦，石油產品的貿易往往價高量大，計量工作尤顯重要。
二、問題的提出
以船運液化石油氣碼頭交接貿易為例，其計量方法一般是用體積重量法，即首先測量計算得到液體體積，再換算成重量的方法，船上儲罐的液位測定普遍採用撥杆式液位計，也有直接在儀表艙讀數的，一般認為，操作規範時，拔杆式液位計讀數比較可靠，岸上接收庫的液化石油氣球罐，按規定其液位測定，除採用玻璃板式液位計外，還要設磁跟蹤鋼帶液位計，這兩種裝置的讀數似乎都可靠。
不管是以船上或岸上的那一方計量為準，岸上接收罐的計量是必不可少的，不要以為船上拔杆式液位計可靠，計量準確，岸上接收罐的計量就不重要了，實際上船上讀數也會有問題，如拉桿式液位計的拉放速度、停留的時間、風浪的大小等都可能影響其讀數的準確性，船體陳舊時，由於已作過多次維修改造，其容積表的準確性也值得懷疑，其它一些人為因素也不是不可能。所以，作為收發計量也罷，盤點計量也罷，岸罐計量的準確性是客觀要求。
許多人對液化石油氣球罐上玻璃板直讀式液位計的液位讀數一直沒有懷疑。其實，其讀數直接用於計量時存在一定問題。筆者幾年來在實踐中發現，用玻璃板液位計的讀數來計算，結果極不可靠，比如同一罐（ l,000米3）液化石油氣，不同時間讀取的資料，計算出的結果有時相差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，其玻璃液位計裝於球罐液位導管ABCD[DN 50]的豎直段BC上，該管上下分別與罐頂和罐底相通。
一般認為，導管內的液麵和罐內液麵處於同一水平面上，其實不一定，可能差別很大，進人導管內的液體，如同進人了死衚衕，在某一平衡狀態下，導管水平段CD內的液體承受著垂直段BC內液柱和儲罐內液柱對等的壓力，其作用有如一個活塞，阻隔著經直管內的液體流向儲罐內。
由於儲罐容積大，特別是在儲液很多時，儲罐實際上成了一個大“熱容”，在環境溫度高於罐內溫度時，儲罐吸熱，而在環境溫度低於儲罐內溫度時，儲罐放熱，也就是說，儲罐內的溫度變化不如環境溫度變化大，罐內溫度變化比較溫和，而導管很小（DN50），其中的液體數量很少，導管壁完全暴露，故受環境影響很大，特別是導管處在陽光直射位置時，其溫度變化更大。
我們知道，液體受熱會膨脹，其密度會變小，相反，液體受冷時其體積會縮小，密度會變大，就是說，若果儲罐內液體的溫度和導管內液體的溫度不同時，則其密度也不同，特別是液化石油氣的膨脹係數比水的大得多，密度的差異就更大，不能忽略不計。這時，儲罐內液體和導管內液體的關係，如同“U”形壓差計的工作原理一樣，兩側液柱對“活塞”（水平段）的作用力相等。
假設儲罐內的液化石油氣為：
1．丙烷：異丁烷=50：50。
2．儲罐內平均溫度為T℃。
3．導管內液體的平均溫度為t℃。
4．儲罐內液位為H（m）
5．導管內液位為h（m）
根據烷烴液體的比重和溫度關係圖～ 2可知，丙烷和丁烷的比重在-20℃---＋ 50℃範圍內呈直線變化，而且兩直線大體平行。由圖--2（見附頁）可查得密度（這裡，在數值上，比重和密度是相等的）如下：
15℃時：丙15=0.507 丁15 =0.563
40℃時：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係數為：
ν=(m40-m15)/(40-15)=(0.5005-0.535)/25=-0.00138
某一溫度t℃時的密度為（亦可以直接查圖一2）
t=15+ν(t-15)
液位為h時，產生的壓強為：
P=P0+*g*h
任何平衡時刻，導管內液柱和儲罐內液柱對水平段所產生的壓強必定相等，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．當環境溫度高於儲罐內溫度時，設 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．當環境溫度低於儲罐內溫度時，設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，液位計讀數和儲罐內實際液位是有差距的，而且溫差越大，則差距就越大，這樣，用液位計讀數h直接查儲罐容積表，計算出的重量結果必然不準確，而且罐的容積越大，誤差就越大，特別是液位剛好在儲罐赤道帶或附近時誤差大。
這就印證了筆者在實踐中發現的問題：l）在岸上儲罐接收船載低於環境溫度的冷凍液化石油氣（＜10℃）時，計算的結果往往比船上結果偏多，但幾天後重新讀取資料重算時，結果可能又少了許多。2）同一罐液化石油氣，即使經過長時間的'停放，使其充分吸／放熱量，達到大體上和環境溫度平衡後，一天之中不同時間讀取的資料，計算得的結果也差別很大，都是因為液位計受環境影響大，而儲罐是一個大“熱容”，受環境影響小，從而產生溫差，導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，設液位計讀數 h＝7.0m
1）設液位計內液體溫度為 30℃，罐內液體平均溫度為 20℃，根據式一2，得罐內液位為：
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，若果直接以液位計讀數計算，則偏多 11.090T。
2）設液位計內的溫度為 10℃，儲罐內平均溫度為 20℃，根據式一 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
計算出的重量分別為：
309．290噸和 320300噸
就是說，如果用液位讀數直接計算，則偏少 11． 010噸。
四、解決問題的辦法
為了解決儲罐玻璃液位計的讀數誤差問題，筆者認為有如下幾個辦法：
1．公式修正法。
按上述分析的方法，對液位計讀數進行修正，該法實際上難以準確，因為導管內液體的平均溫度難以測準。
2．選擇讀數時間。
改變讀數時間的隨意性，選好讀取時間，能在一定程度上克服環境因素對液位計讀數的影響，最好把讀數時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罐內溫的時候，如夏天在日出之前讀數，冬天在早上9：00左右讀數，但該法對生產作業有一定影響，不夠方便。
3．更換液位計內的液體。
在讀數前，把液位計導管內的液化石油氣換掉，可以1）把導管內的液化石油氣放掉，換人罐內新的液體，但該法不安全；2）加一手搖泵，將導管內的液化石油氣往回儲罐內，再從罐內放人新的液化石油氣，然後儘快讀取液位資料。
4加裝計量裝置。
可考慮在儲罐頂部增設防爆型雷達測深系統，該法在舊罐上改造較難。
五、結束語
玻璃板直讀式液位計讀數難以讀準，球形儲罐上的磁跟蹤鋼帶液位計讀數又如何？實際情況是，就所安裝的國產鋼帶液位計而言，很大一部分是失效的，這是因為：首先，製造技術和安裝質量上存在問題，鋼帶很容易被卡住；其次是其使用環境惡劣，在
接卸液化石油氣船時，特別是罐內液位很低時，高速進人儲罐的液化石油氣，在罐內劇烈翻騰，使鋼帶液位計系統的浮筒及其導向鋼絲波動報大，有時會使磁吸頭脫落，無法計量，有的甚至使導向鋼絲脫鉤，並相互糾纏在一起，從而徹底失去計量作用；再者，即使鋼帶液位計系統沒有問題，但不同組成的液化石油氣及不同的溫度下，其密度亦不同，致使液體對浮筒的浮力不同，從而影響了液位的顯示精度。
除液位計外，影響計量準確性的另一個因素是儲罐內氣液相的平均溫度，由於測溫棒伸入罐內的長度有限，故測得的內溫有時並不能反映平均溫度。
總之，相比之下，鋼帶液位計不如玻璃板直讀式液位計可靠，而選取恰當的讀數時間能有效地克服環境因素造成的影響。除液化石油氣球罐外，其它儲存輕質液體的儲罐，當設玻璃板液位計時，其讀數也應引起注意。