植物油仓储汽车定量发油误差分析与应用

粮油仓储企业储油罐区发油基本采用PLC控制系统,配套自控阀门及质量流量计来对汽车发油进行定量控制。虽然质量流量计不作为油品质量计量的结算依据(主要以地磅称重进行计量),但由于多发或少发,会降低发油作业效率,提高操作人员的劳动强度提高,另外也是一种盗防措施。因此从发油作业工艺过程及控制环节分析原因,提高发油精度,减少计量误差,是相关粮油仓储行业的切实需求。

食用油储油罐区发放一般采用发油平台鹤位汽车发放的方式,平台上有若干汽车发油鹤位,汽车发放流量定量控制采用PLC控制站、质量流量计、自控阀门等实现油品的汽车发放(详见下图“汽车发油控制点工艺流程图”)。目前发油流程一般为,操作员进行发油信息录入(车牌号、鹤位号、油品、发油数量等信息),发油平台的加油操作员通过发油平台上的LED屏获得所有加油信息(如:车牌号、油品名称、发`油量、加油位置等),经确认无误后,发油操作员按下现场确认发油按钮(当出现加油异常时按下现场停止按钮终止加油)开始加油,流量计FT-5801对流经管道的油品进行连续计量,把计量后的流量以通讯的方式传送给PLC控制站FIQS-5801,当计量达到预先设定的预定值SP1后,将HV-5801阀门关闭到预先设定的开度,降低发油流量,同时装车仪蜂鸣器、信号灯响和亮(在一定时间内);当计量达到预先设定的目标值SP后,自控系统将管道上的气动阀门HV-5801和泵P-101(以离心泵为例)关闭,完成定量发油流程。汽车发油控制点工艺流程见图1。

仪表测量误差是仪表本身不可克服的,一般按精度计算出最大的误差值X1。举例选用E+H质量流量计,从产品样本获取技术参数,精度为±0.10%,仪表误差如下:

仪表信号传输及转换过程带来的误差X2,一般也可以按照一个固定的误差来考虑,误差的大小根据使用仪表及信号传输电缆、长度等因素确定。由于仪表与PLC之间采用数字通讯信号,因此仪表信号传输及转换误差可以不考虑。

管路系统造成的误差X3(管道、设备、仪表安装无误情况下),如:泵出口压力、流量的改变,阀门开度大小、阀门关闭后管道内残留油品的多少等。泵出口压力、流量波动和气动阀门关闭后管路中残存油品只能通过整定预估出一个定值,在系统整定时作为固定误差加以修正。

关阀时间差造成的误差:气动阀在完成每次关闭的时候,阀由一定开度到全关需要一定的时间,由于气动阀构件、管道压力、油品及环境等因素的影响,每次开关时间会不一样。

例如:流量为40 m3/h,油品密度为898.73 kg/m3,1 s的时间就会产生40 m3/h÷3 600×898.73 kg/m3×1 s≈9.99 kg的误差。

气动阀门的选择:对于发油过程,要求气动控制阀在一定时间处于不同的开度,相当于开始加油的时候使阀门全开,当流量计累计值接近装车给定值时使阀门处在一个相对较小的开度,这时管道流量会由大变小,当流量计累计值达到装车给定值时控制系统停泵、关阀装车发油完成,这样做的目的就是减少误差,因为每次阀门关闭的重复性(特别是重复时间)不可能一致,所以减小流量和阀门开度就可以减少阀门关闭带来的误差。不同气动阀门关闭的重复性误差的对比分析见表1。

在上表中,(1)流通能力(Cv)是指当调节阀全开时,阀两端压差为0.1 MPa,流体密度为1 g/cm3时,每小时流径调节阀的流量数,称为流通能力,也称流量系数,以Cv表示,单位为t/h或m3/h;(2)气动薄膜套筒阀是通过20~200 kPa的气信号推动阀杆缓缓移动,移动位置是由控制系统给阀门定位器4~20 mA信号(与阀门开度呈线性关系)控制,定位器根据控制系统给出的4~20 mA信号对阀门输出20~200 kPa气信号,同时通过连杆反馈机构对阀杆位移进行比较,当阀门位置和控制系统给出的控制信号一致后,阀门定位器使阀门保持目前开度不变,直到控制系统信号的改变,优点是阀门开度和流量控制准确,缺点是阀门动作缓慢;(3)气动活塞V球型调节阀与气动薄膜调节阀工作原理一样,执行器的气信号改为20~400 kPa,阀门的动作要比气动薄膜有很大提高,但是由于受阀门定位器的限制阀门关闭的速度还不够理想;(4)三位快速调节阀是通过三位式开关控制使阀门由全开,关到设定的开度,例如30%开度,再由30%开度到全关状态。阀门采用三位式气动执行机构提供一种0°-45°-90°或者0°-90°-180°的操作方式。中间位置是由两个辅助活塞移动产生机械制动,即通过调整辅助活塞推杆的长度来实现限位。这个中间位置是可调的,如90°行程的执行机构能提供20°、30°、50、75°等中间位置。阀的开关是通过三位五通电磁阀来实现的,另外通过对排气室加装快排阀及采取特殊处理保证了阀门30%开度0.5 s内实现全关闭,气信号为400~600 kPa固定值。调节阀特性曲线见图2。

综上所述,依据上述汽车发油控制点工艺流程图,整个测量控制系统的误差主要由以上几个,系统误差X=X1+X2+X3+X4。仪表信号传输及转换误差X2和管路系统造成的误差X3基本上是一个固定误差,在系统调试过程中可以预估予以克服,所以仪表测量误差X1、阀门关闭重复性误差X4能否保证误差在要求的范围内起到了决定性的作用。

(1)假设计算条件:加油槽车为40 000 kg,预定值SP1=39 000 kg,目标给定值SP=39 900 kg(加油最终总量不超过40 000 kg);泵(离心泵)出口流量为60 m3/h;压力为0.5 MPa;工艺管道159×4.5;质量流量计为DN100,精度±0.1%;气动阀为DN150;油品密度为898.73 kg/m3。

(2)控制分为两段进行,第一段,流量控制为60 m3/h,气动阀处于某一开度,加油累计量为39 900 kg;第二阶段,流量控制为30 m3/h,气动阀大约开度在30%,加油累计量为900 kg,上述两个阶段累计加油39 900 kg后,加油过程结束,气动阀、发油泵关闭。

第一阶段加油时间t1=39 000 kg÷(60 m3/h÷60×898.73 kg/m3)≈43.39 min

第二阶段通过改变气动阀门开度,使加油流量达到30 m3/h左右,加油时间t2=900 kg÷(30 m3/h÷60×898.73 kg/m3)≈2.0min

整个加油时间t=t1+t2=43.39+2.0=45.39 min

(3)质量流量计极限测量误差X1=39 900 kg×0.1%=39.9 kg

(4)阀门重复性误差估算值为X4,计算过程见表2。

其中:口径DN150气动活塞三位快速调节阀在第二阶段通过气动执行器,由30%开度到全关一般不超过1 s,估算阀门重复性误差时间差为0.2 s;口径DN150带阀门定位器气动活塞式V球型调节阀在第二阶段,阀门由30%开度到全关一般需最少要2 s(如果使用气动薄膜执行器时间会更长),估算阀门重复性误差时间差为0.4 s;口径DN150带阀门定位器气动薄膜套筒阀在第二阶段,阀门由30%开度到全关一般需最少要5 s,估算阀门重复性误差时间差为1 s。

假设在系统调试过程中已克服误差X2和X3的情况下,不同方案的系统误差对比见表3。

综上所述,通过将发油过程中出现系统误差的因素逐一分析,发现在定量发油快达到预定发油值时,通过降低发油流量以及通过多位快速切断阀提高关阀速度(即缩短关阀响应时间),可以提高定量发油的精度,从而提高发油的工作效率,降低操作人员的劳动强度。