立式金属罐容量计量方法的研究

摘要

立式金属罐是国际间石油化工产品贸易结算的主要计量器具，也是国内石油、液体石油产品贸易结算、收发交接的重要计量器具和储存设备。其测量的准确性不仅影响着企业的成本核算和经济效益，而且直接关系到国家对内对外贸易的经济利益和国家计量信誉。因此，准确地实现立式金属罐容积计量具有实际意义。
　　立式金属罐容积计量失准是一个至今未能解决的难题。作为存储设备和计量器具的立式金属罐在实际使用过程中，由于底量、浮顶质量不断发生变化和径向偏差无法全部测量，而对液位测量国际上又没有相应的标准装置，无法评价液位测量的精度及相关指标，从而直接导致计量失准。
　　针对这种情况，论文研究内容与创新工作如下:
　　(1)提出了一种以爬壁机器人为载体的光学基准法的径向偏差测量方法，以解决传统的人工爬壁携带径向测量仪的测量方式由于罐体较高，检测点的定位不准确影响测量精度以及高危险问题。
　　由于爬壁机器人是该方法能否实现的核心，在提出测量方法的基础上重点对爬壁机器人进行了设计研究。设计了爬壁机器人整体结构，研究确定了爬壁机器人的非接触永磁吸附方式;经过对爬壁机器人运动方式的分析，确定了四轮驱动方式;建立机器人的动力学和运动学模型，分析和确定力学平衡条件，为抗倾覆设计提供参考;对爬壁机器人控制系统的运动模块、倾角模块、电源模块等硬件模块进行了设计，实现对爬壁机器人运动姿态的控制。对爬壁机器人的运动能力、越障能力、负载能力等主要性能进行了实验测试，测试结果表明，其性能指标满足现场使用要求，达到径向偏差测量要求。
　　(2)提出了立式金属罐浮顶质量、底量在线测量方法，以解决立式金属罐浮顶单板变形和底板变形引起的容量及其变化值在离线状态下的测量与载荷状态下的测量存在较大的差异，导致测量精度不高的问题。
　　在分析底量、浮顶质量现有离线测量方法弊端的基础上，本文提出了利用投入式液位计实现对立式金属罐底量增量的在线实时测量方法，利用压力变送器实现对立式金属罐的浮顶质量在线实时测量方法。建立了一套浮顶质量实时测量的实验装置，验证了测量方法的可行性。采用投入式液位计、压力变送器、模拟量采集模块等构建了罐底量、浮项质量实时检测系统，研制与大容量计量站原有立式罐计量系统数据库对接的软件系统，实现了对原有罐容表的修正，形成完备的立式金属罐容量检定系统。
　　(3)提出了基于双频激光干涉原理的液位测量方案，研制检定液位计的液位标准装置和检定流量计的流量标准装置，以解决检定液位计的液位标准装置至今没有建立，其计量出现异议将无法评判的问题。
　　研制双浮子、双导轨结构的测量装置，解决双频激光干涉过程中测量丢数的问题;研制自动校准装置，解决标准装置高精度零点校准的问题;确定采用大小泵双向液位控制方案;对液位标准罐本体的荷载进行了分析计算，提出罐顶荷载变化500N时，罐顶的高度变化量小于20μm的标准罐本体制造方案;提出基于Edlen公式以相对湿度为参量的空气折射率的修正方法。
　　研制液位标准试验装置，对液位标准试验装置的稳态特性进行测试，检测装置中的液位稳态变化范围小于50μm，满足液位稳定性的设计要求;建立油罐油气折射率实验装置，采用回归正交试验的方法，确定多元线性回归方程，通过对多元线性回归方程的分析，对标准罐内油气折射率进行现场测量，以补偿、修正测量结果。
　　在液位标准装置基础上，建立流量标准装置的原理和工艺。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 立式金属罐概述

1．2．1 立式罐的基本结构

1．2．2 立式金属罐的检定原理

1．3 立式罐容积计量研究与应用现状

1．3．1 罐体几何量测量研究及应用现状

1．3．2 罐体底量的测量研究及应用现状

1．3．3 罐体浮顶质量测量研究及应用现状

1．3．4 液位计在储油罐计量中的应用现状

1．4 课题工作的主要内容

第2章 立式金属罐径向偏差测量载体的研制

2．1 以爬壁机器人为载体的光学垂准线法测量原理

2．2 爬壁机器人的结构设计

2．2．1 吸附方式确定

2．2．2 移动方式确定

2．3 爬壁机器人的运动模型

2．3．1 爬壁机器人的静力学分析

2．3．2 爬壁机器人的运动学分析

2．3．3 爬壁机器人的动力学分析

2．4 控制系统总体设计

2．4．1 硬件设计

2．4．2 软件设计

2．5 爬壁机器人性能测试

2．5．1 测试结果分析

2．5．2 爬壁机器人技术指标

2．6 本章小结

第3章 立式金属罐底量在线实时测量研究

3．1 底量形成机理分析

3．2 基于投入式液位计底量测量方案的提出

3．3 基于投入式液位计的底量测量原理

3．3．1 投入式液位计大气补偿原理

3．3．2 投入式液位计测量原理

3．3．3 底量测量数学模型的建立

3．4 底量测量系统的建立

3．5 模拟实验结果分析

3．6 本章小结

第4章 立式金属罐浮顶质量的在线测量

4．1 立式罐外浮顶的基本结构

4．2 影响浮顶质量测量的因素分析

4．2．1 单盘变形

4．2．2 升降运动与罐壁之间的摩擦力

4．3 基于压力变送器的测量方案提出

4．3．1 浸液体积测量方法的提出

4．3．2 基于压力变送器的基本测量原理

4．4 底量、浮顶质量测量系统的建立

4．5 模拟实验及结果分析

4．5．1 实验内容及实验设备

4．5．2 实验结果分析

4．6 本章小结

第5章 液位、流量标准装置的研制

5．1 基于双频激光干涉原理的液位、流量测量方案

5．1．1 双频激光干涉仪的测量原理

5．1．2 基于双频激光干涉仪的液位测量原理

5．1．3 基于双频激光干涉仪的流量测量原理

5．2 液位标准装置的研制

5．2．1 液位标准装置的的总体设计

5．2．2 标准装置的影响因素分析

5．2．3 双浮子结构确定

5．2．4 自动校准装置研制

5．2．5 控制系统设计

5．3 标准罐本体的研制

5．4 液位标准装置的光路补偿研究

5．4．1 基于Edlen公式空气折射率的修正

5．4．2 以相对湿度为参量的空气折射率的修正

5．5 基于液位测量的流量标准装置的研制

5．5．1 容积法与称重法液体流量标准装置

5．5．2 基于液位测量的液体流量标准装置的研制

5．6 试验结果分析

5．6．1 液位标准试验装置稳态特性的试验

5．6．2 油气对光路影响的实验

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间课题工作