油品儲運自動控制系統(tǒng)設(shè)計

周鵬，肖璽(北京聯(lián)合燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展中心，北京 100029)

油品儲運自動控制系統(tǒng)設(shè)計

周鵬，肖璽
(北京聯(lián)合燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展中心，北京 100029)

介紹了罐區(qū)SCADA系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能。通過對油品儲罐過程儀表及安全儀表等的選用，概述了液位計、液位開關(guān)、閥門、可燃?xì)怏w探測器、火焰探測器、感溫光纖等的特點及各自的安裝方式。介紹了自動定量裝車控制系統(tǒng)自控設(shè)計方案，并討論了汽車上裝及下裝的控制方式及組成儀表的工作原理，重點討論了貿(mào)易計量中體積流量換算成質(zhì)量流量的方法和防靜電、防溢開關(guān)的工作原理。

監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 油品儲罐自動控制 批量控制器 遠(yuǎn)程測控終端系統(tǒng) 現(xiàn)場通信單元 裝車

成品油作為一種不可或缺的能源，消費量在逐年提高，成品油的儲存需要大量的儲罐，自動化控制水平目前參差不齊，現(xiàn)場儀表的選用也有很大的差別。筆者以上海百聯(lián)油庫為例，將罐區(qū)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)、現(xiàn)場過程儀表的選型進(jìn)行論述。

1 SCADA系統(tǒng)配置

該油庫罐區(qū)包括： 汽油罐區(qū)、柴油罐區(qū)、燃料油罐區(qū)，汽車上、下裝車系統(tǒng)，火車上裝車系統(tǒng)，此外還有碼頭定量裝船系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。罐區(qū)采用SCADA系統(tǒng)對工業(yè)對象進(jìn)行實時的本地和遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換控制，并實時監(jiān)視其狀態(tài)，為生產(chǎn)、調(diào)度、管理提供必要的數(shù)據(jù)支持。罐區(qū)設(shè)置了遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)(RTU)，通過Modbus-RTU協(xié)議對各個罐區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和控制輸出，然后數(shù)據(jù)通過中心控制室機(jī)柜間的通信服務(wù)器傳至對應(yīng)的操作員工作站，實現(xiàn)相應(yīng)的操作。油庫SCADA系統(tǒng)配置如圖1所示。

現(xiàn)場的雷達(dá)液位計(包含罐旁指示儀及平均溫度計)使用總線通信結(jié)構(gòu)。除了雷達(dá)液位計(含平均溫度計)的液位、罐內(nèi)溫度等信號直接接入中心控制室的現(xiàn)場通信單元(FCU)，罐區(qū)內(nèi)的其他儀表信號先進(jìn)入相應(yīng)罐區(qū)的RTU，再通過RS-485傳輸至中心控制室。采用RTU方式不僅節(jié)省了大量的電纜，降低工程成本，減少維護(hù)量，同時為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了方便。當(dāng)罐區(qū)擴(kuò)建時，只需增加相應(yīng)數(shù)量的RTU即可。中心控制室內(nèi)設(shè)置上位機(jī)管理控制系統(tǒng)，設(shè)有3個操作站及1個工程師站兼操作員站，通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場RTU、裝車批量控制器、各種配套系統(tǒng)橇塊的PLC信息交換。SCADA具有良好的人機(jī)界面，能完成各種控制和管理功能，控制方式可靠、簡單、高效、方便。

圖1 SCADA系統(tǒng)配置示意

2 罐區(qū)現(xiàn)場儀表的設(shè)計

2.1液位儀表

儲罐油品的液位計量通常采用雷達(dá)液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等。液位報警開關(guān)通常采用音叉液位開關(guān)、浮球液位開關(guān)、外貼式的超聲波液位開關(guān)。該油庫的汽、柴油及燃料油儲罐液位儀表均選用雷達(dá)液位計及其配套的平均溫度計(8點)及罐旁指示儀。雷達(dá)液位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式，電磁波從發(fā)射到接收的時間與其到液面的距離成正比，關(guān)系式如下：

H=ct/2

式中：H—電磁波到液面的距離；c—光速；t—電磁波運行時間。

雷達(dá)液位計的天線形式各異，汽油儲罐選用的是靜止管陣列形式的雷達(dá)天線；柴油儲罐及燃料油儲罐選用拋物面形式的雷達(dá)天線。平均溫度計信號傳入罐旁指示儀，雷達(dá)頭以總線方式將信號傳入控制室FCU單元，然后通過通信服務(wù)器接入罐區(qū)管理系統(tǒng)。

儲罐類型不同，液位開關(guān)的安裝方式也不同。外貼式超聲波液位開關(guān)為非接觸式，雖然可以用于任何種類的儲罐及油品，安裝也相對方便，但其價格較音叉液位開關(guān)高；浮球液位開關(guān)與音叉液位開關(guān)相比，壽命較短，不適宜黏度較大介質(zhì)，靈敏度較低，因而該油庫選用音叉液位開關(guān)，安裝方式為側(cè)裝，并與水平方向呈15°夾角，防止掛料。

2.2閥門

油罐區(qū)進(jìn)出口主要為大口徑閥門，為加快動作時間，通常選用氣動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門。因燃料油吹掃介質(zhì)為空氣，柴油和汽油吹掃介質(zhì)為氮氣，并且選用了空壓機(jī)及制氮機(jī)橇塊，所以該項目中閥門選用了氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，界區(qū)之間設(shè)置了緊急切斷閥(并配有備用氣罐)。閥門信號有故障報警、閥位反饋、遠(yuǎn)程及就地選擇開關(guān)。

儲罐上安裝的音叉液位開關(guān)與罐進(jìn)出口閥門聯(lián)鎖，高位音叉液位開關(guān)在系統(tǒng)發(fā)出高高限報警時發(fā)出一個開關(guān)量信號聯(lián)鎖關(guān)閉罐根部進(jìn)油閥門，防止冒罐事故發(fā)生；低位音叉液位開關(guān)在系統(tǒng)發(fā)出低低限報警的同時發(fā)出一個開關(guān)量信號聯(lián)鎖罐根部出油閥門，防止抽空事故的發(fā)生。

2.3安全儀表

當(dāng)溫度高于系統(tǒng)內(nèi)溫度設(shè)定值，液位高低位置到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定值，SCADA系統(tǒng)操作員工作站上會顯示報警狀態(tài)，經(jīng)過人工判斷采取必要措施。

安全儀表有火焰探測器、可燃?xì)怏w探測器，還有罐上的感溫儀表(感溫電纜、感溫光纖)等。火焰探測器主要設(shè)置在有可燃?xì)怏w泄漏或者容易產(chǎn)生火焰的區(qū)域，檢測原理主要有催化燃燒和紅外補(bǔ)償兩種。文中筆者重點討論罐上感溫儀表(感溫電纜、感溫光纖)的選用。從使用靈敏度分析，感溫電纜是利用金屬受熱變形，發(fā)生短路而進(jìn)行信號報警，長期使用后，彈性鋼絲外絕緣材料破裂易發(fā)生誤報警；而感溫光纖由于自身特點，極少發(fā)生誤報警。從經(jīng)濟(jì)角度分析，感溫電纜一旦發(fā)生報警，自身發(fā)生破壞短路，必須更換，而感溫光纖壽命較長。因此，該油庫選用了感溫光纖，當(dāng)發(fā)生報警時，經(jīng)人工確認(rèn)火情后與消防系統(tǒng)聯(lián)動。

3 裝車控制系統(tǒng)

3.1裝車系統(tǒng)簡介

自動定量汽車裝車系統(tǒng)具有集中式和分布式兩種控制方案，實際應(yīng)用中多采用分布式，并配置批量控制器。采用分布式批量控制器的裝車程序： 1) 業(yè)務(wù)部發(fā)IC卡給需要裝車的汽車司機(jī)(IC卡屬于裝車門禁系統(tǒng))；2) 司機(jī)在裝車場進(jìn)廠門衛(wèi)處刷卡獲得裝車位置后，大門打開；3) 車開到指定車位刷卡正確后允許裝車；4) 放下鶴管、掛好防溢開關(guān)、接好防靜電接地夾；5) 準(zhǔn)備就緒后，設(shè)定好預(yù)裝量，按下批量控制器按鈕，批量控制器按照程序先打開相應(yīng)鶴位的泵，然后打開相應(yīng)的裝車控制閥，到達(dá)預(yù)裝量再關(guān)閉裝車控制閥然后關(guān)泵，完成裝車。裝車過程中，加油量在批量控制器上顯示。正常情況下，裝車完畢后裝車儀自動關(guān)閉閥門及相應(yīng)泵，油罐汽車到出廠門衛(wèi)處刷卡打印裝車單，將IC卡交回，大門打開即可離開。若在裝車過程中位于槽車上部的防溢液位開關(guān)動作或連接槽車的防靜電接地夾電阻超限，均自動停止裝車；如果現(xiàn)場有緊急情況需要停止加油，按停止裝油按鈕即可停止裝油。實際應(yīng)用中，每個裝車臺還設(shè)有大屏幕顯示器，顯示裝車油品的名稱及裝車量。典型汽車裝車流程如圖2所示。

火車裝車過程與汽車裝車類似，只是裝火車站臺工藝主管上連接多個鶴位(上裝)，同時可以并入多臺泵同時為火車槽車裝車，其典型工藝流程如圖3所示。

圖2 汽車裝車流程示意

圖3 火車裝車流程

3.2裝車系統(tǒng)儀表的選用

3.2.1流量檢測

自動檢定裝車計量有質(zhì)量計量和體積計量兩種方法，流量計也分為質(zhì)量流量計和體積流量計。如果檢測時使用體積流量計，但貿(mào)易交接時采用質(zhì)量流量作為交接依據(jù)，則需要將體積流量折算成質(zhì)量流量。折算時需要檢測管路油品的實際溫度，對容積式流量計的計量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，換算成20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)體積流量，再換算成油品的質(zhì)量流量。換算方法如下：

qm=qV[1-γ(T-20)]ρ20 ℃

式中：qV—瞬時流體的體積流量；γ—管路中流體的體積膨脹系數(shù)；T—管路中流體溫度；ρ20 ℃—20 ℃時流體密度。

實際工程中，應(yīng)采用某一時段的累計體積流量進(jìn)行計算。為保證計量精度，流量計輸出信號應(yīng)為脈沖信號。

3.2.2防靜電和防溢開關(guān)

1) 防靜電開關(guān)是自動定量裝車實現(xiàn)聯(lián)鎖的關(guān)鍵設(shè)備，帶接觸電阻檢測的專用防靜電開關(guān)有2個探針，一個探針將槽車上的裸鋼板直接接地；另一個提供接地電阻檢測。當(dāng)起動裝車時，批量控制器先測量接地電阻，若大于100 Ω，則停止裝車，上位機(jī)同時報警；若小于100 Ω，則按預(yù)裝量進(jìn)行自動定量裝車。

2) 根據(jù)裝車方式的不同，防溢開關(guān)的安裝位置也各不相同。當(dāng)采用上裝車時，電容防溢開關(guān)安裝在裝車鶴管的上部，裝車時與鶴管同時插入槽車，安裝高度與槽車額定液位相當(dāng)；當(dāng)采用下裝車時，防溢開關(guān)由具有下裝口的槽車配帶，當(dāng)裝車液位超過額定高度時，防溢開關(guān)動作，同時向批量控制器發(fā)送中斷請求，批量控制器立即關(guān)閉閥門，避免物料溢出，上位機(jī)同時發(fā)出聲音報警。

3.2.3兩段式球閥

為防止裝車過程中的水擊現(xiàn)象及保護(hù)裝車系統(tǒng)中的流量計等重要儀表，裝車系統(tǒng)采用了兩段式球閥。兩段式球閥由2臺電磁閥控制閥門流量，使開閥、關(guān)閥速度更為緩慢，使管道流體變化平穩(wěn)。兩段式球閥與裝車批量控制器結(jié)合，可實現(xiàn)平穩(wěn)的批量控制，同時保護(hù)了重要儀表。

4 結(jié)束語

根據(jù)百聯(lián)油庫整體業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，使用當(dāng)前先進(jìn)的自動化、信息化技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)了百聯(lián)油庫各部門的信息共享，進(jìn)而實現(xiàn)經(jīng)營決策的科學(xué)化，可為用戶提供安全、高效的油品輸配，降低了人工勞動強(qiáng)度。

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AutomationControlSystemDesignforOilStorageandTransportation

Zhou Peng，Xiao Xi

(BUGAS，Beijing,100029，China)

The supervisory control and data acquisition (SCADA) system, network structure and the function for tank farm are introduced. The characteristics and individual installation techniques for liquid level indicator, liquid level switch, valve, flammable gas detector, flame detector and temperature sensing optical fiber are summarized by selecting the process and safety instrument for oil storage. The design scheme of automatic control system for automatic and quantitative entrucking control system is introduced. The working principle of control mode of tops and bottoms loading and the related instrument are discussed. The method of converting volume flow to mass flow in trade measure, the anti-static and spill-proof switch are stressed.

supervisory control and data acquisition; oil tank automatic control; batch controller; RTU; FCU; entrucking

稿件收到日期：2013-03-25，修改稿收到日期2013-06-17。

周鵬，男，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)就職于北京聯(lián)合燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展中心電控室，任自控工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0012-04