CN102133982B - 一种油罐全功能计量和报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油罐全功能计量和报警系统，包括：PLC可编程控制器、显示屏、压力测量单元、探测器；探测器包括有N个探测头，分别设置于油罐内的不同测压点位置；且所述探测头至少包括1个设于计量基准面测压点位置的探测头；压力测量单元，包括一个压力变送器和由下至上排列的N组开关单元；PLC可编程控制器，用以通过控制所述开关单元中不同微型电动阀的开启与关闭，根据压力变送器反馈的压力差信号进行各计量参数的计算处理并通过显示屏显示处理结果和/或将处理结果传送至远端计算机；探测器和压力测量单元通过毛细管连接。应用本发明，可一次性实现所有油库计量和安全管理所需的各种参数的测量，降低成本，简化操作，准确度更高。

Description

一种油罐全功能计量和报警系统

技术领域

本发明涉及石化行业领域，尤其涉及一种油罐全功能计量和报警系统。

背景技术

油罐计量和报警是当今石化行业领域现代化管理的一个重要组成部份，新技术的引用和推广势必提高企业的管理能力，获得更大的经济效益。

油罐计量参数包括液位、水位、温度、密度等参数，而目前为实现油库计量和安全管理所需的各种参数的测量，通常采用不同的独立产品来实现不同参数的测量，这些产品包括有液位计、多点温度计、水位测量仪、高位报警仪等。早期的液位测量大多采用机械原理，近年来随着电子技术的应用逐步向机电一体化方向发展，发展了许多新的测量技术，在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构上和功能上都有很大提高。但目前国内油罐综合计量和报警技术存在着以下问题和弊端：有的虽安装了自动化测量系统，但测量精度普遍不高；有的可以达到测量精度但系统稳定性不高；若使用各种高精度的液位计、多点温度计等来分别测量，不仅价格高而且同样存在着测量数据单一不够全面的问题。

发明内容

本发明的目的在于现有技术的缺陷，提供一种油罐全功能计量和报警系统，能够一次性实现所有油库计量和安全管理所需的各种参数的测量，降低成本，简化操作。

本发明实施例是这样实现的。 

一种油罐全功能计量和报警系统，包括：PLC可编程控制器、显示屏、压力测量单元、探测器；

所述探测器，包括有N个探测头，分别设置于油罐内的不同测压点位置；且所述探测头至少包括1个设于计量基准面测压点位置的探测头；

所述压力测量单元，包括一个压力变送器和由下至上排列的N组开关单元；对于第2组至第N-1组开关单元，每组开关单元与压力变送器并联，且包含两个串联的微型电动阀3，对应于该组开关单元的探测头连接于该两个微型电动阀3之间；对于第1组开关单元，包括一个微型电动阀3，一端与压力变送器连接，另一端与所述位于计量基准面测压点位置的探测头连接；对于第N组开关单元，包括一个微型电动阀3，一端与压力变送器连接，另一端与位于油罐上方气体测压点位置的探测头连接；

所述PLC可编程控制器，用以通过控制所述开关单元中不同微型电动阀3的开启与关闭，根据压力变送器反馈的压力差信号进行各计量参数的计算处理并通过显示屏显示处理结果和/或将处理结果传送至远端计算机；

所述探测器和压力测量单元通过毛细管连接。

其中，还包括制氮设备和第N+1组开关单元。

所述第N+1组开关单元，且包括串联的两个微型电动阀3，与压力变送器并联，且所述制氮设备的开口端连接于该两个微型电动阀3之间。

其中，还包括取样系统，该取样系统包括垂直置于油罐内的取样器和置于油罐外的取样控制台。

所述取样器包括取样管，设于取样管外壁的位于不同测压点位置的M个气动控制阀以及设于取样管内底部的U形管、控制阀和置换器，U形管的一开口端伸入置换器内部、另一开口端通过控制阀连接至油罐外的取样口，，所述取样管的管壁设有开孔且通过阀门与所述制氮设备的开口端连通。

所述取样控制台置于对应所述取样口的位置。

其中，所述PLC可编程控制器、显示屏和压力测量单元封装于防爆仪表控制箱内。

其中，所述探测器和取样器安装于同一条导管内，该导管壁从上到下每隔300mm对开两个孔，且该导管的下端部留有接出取样管的空间。

其中，所述探测器以计量基准面为基准，在每隔一米高位置以及250mm高位置和500mm高位置分别设置探测头。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：

1）功能齐全。

本发明中PLC可编程控制器通过对开关单元的控制，可根据压力变送器的压力差信号进行计算分析，进而得出液体质量、液位高度、体积、多点温度、平均温度、每米高度密度、平均密度、每米高度取样、底部水位高度等油库计量和安全管理所需的所有参数信息，且在原油及燃料油等高凝点油品在油面有凝固层的情况下，同样可以精确测量上述参数；另外，本发明中整个测量系统只有一套传感元件，测量数据可就地显示，也能连接到远程计算机，所有的计算和控制都可由远程控制软件操作，与DCS系统或SCADA系统容易集成。

2）准确度高。

本系统由同一个高精度、高稳定的罗斯蒙特3051压力变送器完成一个油罐的所有参数测量，不存在系统误差，可应用于油罐的精确计量，比传统雷达液位计计量、浮子液位计计量更加准确，特别对油罐计量是前后尺之差的特性。油品分层、原油含水不均匀可做到分层计量，弥补了三点计量带来的误差。

PLC可编程控制器，根据油品混和、流动、扩散的特性采用一种科学的计算方法，使得计量精度明显提高，在密度计量时通过就地取样测出的密度和全功能油品计量系统所测的密度在同一温度下能够保证完全一致。

3）安全性强。

本系统在油罐内没有电缆及电器化设备，仅使用安全的氮气作为工作介质，电气设备可安装在非防爆区，也可以安装在防爆仪表控制箱内，再将防爆仪表控制箱安装在罐区的爆炸性气体环境1区或2区。系统无静电积聚，确保与罐壁、罐底、罐顶的接地电阻至少有两处小于10欧姆。且每个监控功能都是独立的，都能发出独立的报警信号。

4）价廉物美。

本系统的价格仅为其它同等精度计量装置的50%到70%，容易维护，产品质量可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的油罐全功能计量和报警系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的取样系统中取样器的结构示意图。

【图号标识】为：1 PLC可编程控制器，2显示屏，3微型电动阀，4压力变送器，5毛细管，6防爆仪表控制箱，7探测头，8制氮设备，9气动控制阀，10置换器，11控制阀，12 U形管，13连接头，14压力表。

具体实施方式

本发明的核心思想为：采用高精度小量程的压力变送器来减小测量值的绝对误差；将探测器固定成每米高度一个测压点，每个相邻测压点经精密加工使误差小于0.1mm，采用特殊的取压方法将测压点的液体压力极小误差地传送到压力变送器，该压力变送器再将所采集到的信号进行模数处理后传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器根据压力变送器的信号来切换开关单元中微型电动阀的开关，从而测量不同高度的相邻两个测压点的压差，进而根据压差来计算出液高、水高、密度和油重量等参数。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，该图所示为本实施例所提供的油罐全功能计量和报警系统，包括：PLC可编程控制器1、显示屏2、压力测量单元、探测器、制氮设备8。

探测器，置于油罐内部，包括有N个探测头7，分别设于不同测压点位置；本实施例中，在预设的计量基准面位置、250mm高位置、300mm高位置以及以计量基准面为零点位置的情况下每隔1米设置分别设置一个探测头7。

压力测量单元，包括一个压力变送器4和由下至上排列的N组开关单元；对于第2组至第N-1组开关单元，每组开关单元与压力变送器4并联，且包含两个串联的微型电动阀3，对应于该组开关单元的探测头7连接于该两个微型电动阀3之间；对于第1组开关单元，包括一个微型电动阀3，一端与压力变送器4连接，另一端与所述位于计量基准面测压点位置的探测头7连接；对于第N组开关单元，包括一个微型电动阀3，一端与压力变送器4连接，另一端与位于油罐上方气体测压点位置的探测头7连接；此外，该压力测量单元还包括第N+1组开关单元，该开关单元与压力变送器4并联，且包含两个串联的微型电动阀3，制氮单元的开口端连接于该两个微型电动阀3之间。

PLC可编程控制器1，和一般微机一样，CPU是PLC可编程控制器1的运算和控制核心，控制其它所有模块和外接设备的运行，CPU由运算器、控制器和寄存器组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O输入输出电路连接；输入部分是压力变送器4的4-20MA的标准信号及控制指令，输出部分是晶体管或继电器数字信号输出，控制开关单元中微型电动阀3的开启和关闭，控制通讯端口远传测量数据。

本实施例中，将显示屏2、PLC可编程控制器1和压力测量单元等电气设备安装在防爆仪表控制箱6内，防爆仪表控制箱6安装在灌区的爆炸性气体环境1区或2区。

在应用时，PLC可编程控制器1根据液体静压计算公式、理想气体状态方程以及液体存储的规律来测量液位、密度、水高和温度等参数，下面将对多种参数的测量及计算过程分别描述。

①油品液位。

液位测量公式： Pn－PA =Dn·h   。    

n：最靠近液面的取压点。

h：该测压点以上的液体高度。

H：该测压点到液位基准面的高度，由于是固定不锈钢支架，H可以精确计算得到。

PA：液面以上1米范围内的蒸汽压。

Dn：最靠近液面的密度值，此密度定时更新，并存储在PLC数据区。

液位：LEVEL=h+H 。

应用本发明的系统测量液位时，PLC可编程控制器1首先通过程序判定出最靠近液面的测压点（例如17米高测压点），通过不锈钢毛细管5（或聚四氟乙稀管）向安装在最靠近液面的测压点的探测头7和安装在安全液面以上1米处测压点的探测头7吹扫氮气，大于液面压强的气体将通过液面顶部排除后，压力变送器4通过两个探测头7测量出这两个测压点之间的压力差并传送给PLC可编程控制器1，PLC可编程控制器1经过分析和计算而得出此两个测压点之间的液面高度，再加上最靠近液面的测压点以下的所有液面高度从而得出整个油罐的液面高度。

图1所示的液位测量流程为：“17米高测压点A17和油罐上方气体测压点C”的压力通过“不锈钢毛细管5（或聚四氟乙稀管）”引压到“微型电磁阀组”经切换后引压至“压力变送器4”，由“压力变送器4”输出的电流信号经PLC可编程控制器1分析计算最后显示在显示屏2上或远传到远端计算机。

②每一米高度的密度 。

每一米高度的密度的计算公式Pn-1－Pn =Dtn??1  。       

n：第n个测压点。

Pn，Pn-1：第n个测压点与n-1点的差压。

Dtn：第n个测压点与n-1点之间1米高度的液体在t温度下的平均密度。

应用本发明的系统测量每米密度时，通过不锈钢毛细管5（或聚四氟乙稀管）向相邻两个测压点（例如17米、16米处的测压点）吹扫氮气，大于液面压强的气体将通过液面顶部排除，剩余两点之间的压力差经过PLC可编程控制器1分析和计算而得出此两个压力探测点之间密度值。

图1所示的每米密度测量流程为：“17米高测压点A17和16米高测压点A16压力通过“不锈钢毛细管5（或聚四氟乙稀管）”引压到“微型电磁阀组”经切换后引压至“压力变送器4”，由“压力变送器4”输出的电流信号经PLC可编程控制器1分析计算最后显示在显示屏2上或远传到远端计算机。

③水高。

水高的计算公式：P浮子－PB =D水??水高  。  

PB：基准面测压点（此测压点可焊接在油罐底板上）。

P浮子：油水界面浮子测压点。

D水：水在最低温度测量点所测温度下的密度 。

10mm厚的超高分子PE板，密度0.93kg/l，不吸水，不亲油，耐腐蚀，保持永远浮在油水界面。

B0、B1、B2测量点的具体安装位置由罐的底部结构、计量基准面的设置、出油管大小和标高、排水口、存油的品种和操作方式等因素来确定，以保证计量水高的准确。

④油量。

体积V：将油罐的仓容表的数据输入PLC数据块，再根据水高和液高与仓容表的对应关系、静压修正值、罐体膨胀系数求得。

重量M(吨)：M=V*(平均密度-1.1)。

平均密度是每一米高度密度的平均值。(KG/LT)1.1 KG/LT为空气中浮力影响。

⑤多点温度。

温度测量是采用气体压力式温度计的测量方式经过修正计算而得。温度和压力有对应关系。关键是保证气体为理想气体或非常接近理想气体。以及取压管内的气体质量要由环境温度和气体压力求得，这样方可得到油罐内感温包内的气体质量。

    理想气体状态方程。

    PiVi=(Mi/m)Rti 。

Pi：第i个测温点的绝对压力。

    Vi：第i个测温点的感温包和取压管的体积之和。

    Mi：第i个测温点的气体质量。

    m ：气体分子量。

    R：气体常数。

    Ti：第i个测温点的气体绝对温度。

ti=Ti－273.15 。

ti：第i个测温点的液体温度。

另外，本实施例所提供的油罐全功能计量和报警系统还包括取样系统，取样系统由垂直置于油罐内的取样器和置于油罐外部的取样控制台两部分组成。

其中，取样器的结构如图2所示，一个油库使用一台制氮机，制氮机安装在油库非防爆区，其出口用直径20mm的管线连接到每个罐的全功能计量和报警系统包括取样系统。取样管、设于取样管外壁的位于不同测压点位置的多个气动控制阀9以及设于取样管内底部的U形管12、控制阀11和置换器10，U形管12的一开口端伸入置换器10内部、另一开口端通过控制阀11连接至油罐外的取样口；取样控制台置于取样口对应的位置。

在进行取样时，通过充入氮气开启对应取样点的气动控制阀9，油样品从该气动控制阀9流入垂直安装在罐内的取样管，顺着取样管流入容积为8公升左右的置换器10（用ND150的不锈钢无缝管焊接封堵两端的容器）内；油样品流满此置换器10后再通过U形管12流往罐外取样口从而达到采取油样品的目的。之所以要让油样品先流入置换器10就是为了保证取样口采取的油样品是8公升以后才流出的样品，从而保证采取的油样品是所需取样点流出的油样品。

本实施例中所提供的系统安装方法如下。

1、在罐内计量导管附近安装一条DN150或DN200的钢导管（浮顶罐需要导管，拱顶罐不需要导管），将探测器和取样器安装在导管内，如其它导管有安装取样器的空间则不必安装专用导管(比如与计量导管共用)。导管壁从上到下每隔300mm对开两个DN25的孔，以使得罐内的油能够充分进入到导管中，进而保证测量的准确性。导管的下端部(接近罐底)留有接出取样管的空间(500mm以上)。此专用钢导管的安装形式与计量导管或计量导波管相似，目的是为了便于顺利通过浮盘。

2、罐壁开孔： 罐壁预留一个法兰连接DN150PN1.6Mpa，罐壁开孔位置尽量靠近取样管。罐顶连接法兰DN200PN1.0Mpa或DN150PN1.6Mpa，距计量口2m范围内，距罐壁1米。

3、为了确保安全，要使用氮气作为驱动和传压气体。在测量和取样过程中，只需极少量的0.3-0.8MPa的氮气，氮气管到罐壁开孔点1m范围内。

4、电源和通信电缆：提供DC24V或者AC220V电源到现场，首选DC24V±10%；提供通信电缆到监控室，采用外径8mm的西门子专用双芯电缆，如只需现场显示，就不需要通信电缆。

整套系统安装完成后对其进行试运行调试，具体包括。

1、系统调试校准内容：液位校准、油温校准、水位校准、密度校准、取样校准、蒸气压校准。

2、系统经调试后能够准确测量油罐的油高、水高、多点温度、多点密度、蒸汽压，测量误差可以满足油库计量、监测和报警使用。能够直接测量出油品的质量能够在罐下取到每一米高度的油样。

3、调试方法：在进出油过程中对系统涉及的所有参数变化情况进行跟踪记录，在最高液位处和最低液位处作好情况变化记录；根据记录数据和压力变送器4测出的压力值历史数据校准系统的所有参数；当系统所装油罐完成一次进出油作业过程后液位调试完成。

系统调试数据对比的方法是：用经过计量主管部门检定合格的油尺、玻璃密度计、水银温度计和量水尺，根据国标规定的测量方法，从五次测量值去掉最大值和最小值，其余三次取平均来作为标准值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，该系统包括：PLC可编程控制器、显示屏、压力测量单元、探测器；

所述探测器，包括有N个探测头，分别设置于油罐内的不同测压点位置；且所述探测头至少包括1个设于计量基准面测压点位置的探测头；

所述压力测量单元，包括一个压力变送器和由下至上排列的N组开关单元；对于第2组至第N-1组开关单元，每组开关单元与压力变送器并联，且包含两个串联的微型电动阀，对应于该组开关单元的探测头连接于该两个微型电动阀之间；对于第1组开关单元，包括一个微型电动阀，一端与压力变送器连接，另一端与所述位于计量基准面测压点位置的探测头连接；对于第N组开关单元，包括一个微型电动阀，一端与压力变送器连接，另一端与位于油罐上方气体测压点位置的探测头连接；

所述PLC可编程控制器，用以通过控制所述开关单元中不同微型电动阀的开启与关闭，根据压力变送器反馈的压力差信号进行各计量参数的计算处理并通过显示屏显示处理结果和/或将处理结果传送至远端计算机；所述计量参数包括：油品液位、每一米高度的密度、水高、油量、多点温度；

所述探测器和压力测量单元通过毛细管连接。

2.如权利要求1所述的油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，还包括制氮设备和第N+1组开关单元，

所述第N+1组开关单元，包括串联的两个微型电动阀，与压力变送器并联，且所述制氮设备的开口端连接于该两个微型电动阀之间。

3.如权利要求2所述的油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，还包括取样系统，该取样系统包括垂直置于油罐内的取样器和置于油罐外的取样控制台；

所述取样器包括取样管，设于取样管外壁的位于不同测压点位置的M个气动控制阀以及设于取样管内底部的U形管、控制阀和置换器，U形管的一开口端伸入置换器内部、另一开口端通过控制阀连接至油罐外的取样口，所述取样管的管壁设有开孔且通过阀门与所述制氮设备的开口端连通；

所述取样控制台置于对应所述取样口的位置。

4.如权利要求1所述的油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，所述PLC可编程控制器、显示屏和压力测量单元封装于防爆仪表控制箱内。

5.如权利要求3所述的油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，所述探测器和取样器安装于同一条导管内，该导管壁从上到下每隔300mm对开两个孔，且该导管的下端部留有接出取样管的空间。

6.如权利要求1所述的油罐全功能计量和报警系统，其特征在于，所述探测器以计量基准面为基准，在每隔一米高位置以及250mm高位置和500mm高位置分别设置探测头。

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