成品油批次輸送跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

左志恒，蔡其星，汪 濤，馮雷濤，姚 杰

（1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣州511400；2.中控技術(shù)（西安）有限公司，西安710075）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速穩(wěn)步發(fā)展，在成品油運輸技術(shù)方面也不斷成熟，管道輸送已成為成品油輸送的主要方式。管道輸送不同于鐵路、公交罐裝輸送方式，為達到輸送能力最大化，一般采用批次輸送的策略，即多種油品按批次先后順序通過管道輸送到達目的地。管道運輸相較于其它運輸方式有著低成本、高效率、易于優(yōu)化物流管理、降低運輸損耗和風(fēng)險等明顯優(yōu)勢，目前已被世界各國廣泛采用。

管道輸送過程中多種成品油在同一管道順序輸送，相鄰的油品會產(chǎn)生混油段，導(dǎo)致管道中原有的各個批次界面位置發(fā)生變化，而成品油的溫度、密度、粘度、管道壓力等因素也會影響混油段?；煊蜁?dǎo)致油品質(zhì)量下降，增加油品安全風(fēng)險，嚴重的話會導(dǎo)致經(jīng)濟損失。但是在管道批次輸送過程中，混油界面是無法避免的，能否準確跟蹤成品油管道中各批次油面所處位置，對油品批次進行精確切割并下載分輸，最大化減少混油界面長度，是指導(dǎo)管道正常運行的關(guān)鍵[1]。

批次輸送跟蹤傳統(tǒng)方法一般采用人工計算方式，這種方法有時效性差、準確度低、效率低等問題。采用計算機信息化手段實現(xiàn)油頭位置自動計算，批次輸送精確跟蹤，是實現(xiàn)油品輸送精細化管理，提升輸送效率的必然手段，因此，油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運而生。

1 油品批次輸送自動化跟蹤

隨著自動化技術(shù)的成熟，SCADA 系統(tǒng)已成為長輸管線的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，協(xié)助工程師完成日常管道運行的調(diào)度、管控、監(jiān)控等一系列工作。SCADA 系統(tǒng)實現(xiàn)了管道運行數(shù)據(jù)實時自動采集，為油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)批次輸送自動化跟蹤具備了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。油品批次輸送自動化跟蹤系統(tǒng)能夠在批次輸送過程中實時獲取批次啟輸時間、批次輸送量、流速，各站點溫度、壓力、下載量等一系列因素，實時準確計算管道中各個批次的具體位置及運行狀況，實時計算批次到站時間和距離，以圖形化方式在電腦屏幕中動態(tài)展示，并且生成油頭報警[2]，及時提醒操作人員對批次進行分割下載或分輸操作，有效提高生產(chǎn)效率，提高工藝切換速度與準確性，減少意外的混油產(chǎn)生，避免不必要的經(jīng)濟損失。

2 油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)

為實現(xiàn)油品批次輸送自動化跟蹤，油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運而生。本系統(tǒng)與SCADA 系統(tǒng)存在互聯(lián)互通的關(guān)系，從SCADA 系統(tǒng)獲取實時數(shù)據(jù)，同時將計算結(jié)果反饋給SCADA 系統(tǒng)，生成批次到站報警和日志等，油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)配套成熟的SCADA 系統(tǒng)，是數(shù)字化管道整體解決方案的重要組成部分。

油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)功能包含批次輸送自動計算、批次油頭位置跟蹤、批次到站報警、清管球跟蹤等關(guān)鍵功能，其實現(xiàn)方式如下所述。

2.1 管道建模

成品油管道系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，整個管網(wǎng)包含多個站點，站點與站點之間通過管段連接，一般呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每一個站點又包含流量計、密度計，管段上有相應(yīng)閥門。油品批次傳輸過程中溫度、壓力等因素都會影響其變化。因此，在批次輸送跟蹤系統(tǒng)運行之前，必須根據(jù)實際情況對管網(wǎng)進行建模，建模的目的是對整個管網(wǎng)系統(tǒng)進行虛擬化表述，明確管網(wǎng)系統(tǒng)邊界范圍。在管線建模過程中，將管網(wǎng)中站點、管段、閥門、流量計、密度計、批次、油品等抽象為一個對象[3]，而管線對象也會包含其它對象，每一個對象的變化影響著其它對象的變化，將管網(wǎng)系統(tǒng)抽象為對象之間的相互作用，管道模型中相關(guān)的對象及屬性如下所述：

閥門屬性：開到位狀態(tài)、關(guān)到位狀態(tài)。

流量計屬性：質(zhì)量瞬時流量、質(zhì)量累積流量、標況體積瞬時流量、標況體積累積流量、工況體積瞬時流量、工況體積累積流量、工況密度、標況密度、溫度、壓力。

密度計屬性：標況密度、工況密度、溫度、密度計距站點距離、是否開啟自動修正、密度計修正距離、密度計修正密度誤差范圍。

油品屬性：油品編號、溫度、標況密度、工況密度、運動粘度。

批次屬性：油品、編號、啟輸時間、油頭位置、油尾位置、批次管容工況體積、管容標況體積、管容質(zhì)量、油頭到達下一站點距離、油頭到達下一站點預(yù)到站時間、批次產(chǎn)生報警、批次消失報警、油頭預(yù)到站報警、油頭到站報警。

站點屬性：站點編號、站點類型（外輸站、下載站、閥室）、里程、高程、進站流量計、出站流量計、進站壓力、出站壓力、進站溫度、出站溫度、站內(nèi)密度計、外輸油品。

管段屬性：管段編號、上游站點、下游站點、管段長度、體積、壁厚、最大承受壓力、管段狀態(tài)、管段內(nèi)批次。

管線屬性：站點、管段。

管道模型效果如圖1所示。

圖1 管道模型Fig.1 Pipeline model

2.2 管網(wǎng)組態(tài)

通過建模完成整個管網(wǎng)對象的抽象化表述，接著需將管道模型中各個管網(wǎng)對象進行有機組合，形成與實際管道一致的配置。根據(jù)管段長度，站點與站點之間的前后鏈接關(guān)系進行管網(wǎng)組態(tài)，即可繪制出真實管網(wǎng)信息圖，根據(jù)需要配置監(jiān)控的具體管線、管段、站點，管道組態(tài)效果如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)組態(tài)效果Fig.2 Pipeline configuration effect

2.3 數(shù)據(jù)采集及批次計算

油品輸送批次跟蹤系統(tǒng)運行時，從SCADA 獲取實時數(shù)據(jù)，并進行每秒計算得出批次油頭輸送的位置。從SCADA 獲取的數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)站點流量、密度、閥門狀態(tài)，站點流速、壓力、溫度，油品溫度、密度、體積變化量、啟輸時間、下載量等，批次輸送跟蹤系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給SCADA 軟件，再由SCADA 軟件做批次輸送跟蹤進行可視化展示。在實際管網(wǎng)線路中，站點與站點會出現(xiàn)無分支結(jié)構(gòu)、多分支結(jié)構(gòu)，對于不同線路計算模式有所差異，整體采用在管段平均油溫下進入管段的油品體積變化量等于流出管段的油品體積變化量[4]。

（1）dtVavg：管段平均溫度下體積變化量，如dt-Vavg_AB，管段AB 平均溫度下體積變化量。

（2）dtVBin：管段入口標況體積變化量，如dtVBin_AB，管段AB 入口標況體積變化量。

（3）dtVBout：管段出口標況體積變化量，如dtVBout_AB，管段AB 出口標況體積變化量。

（4）Tavg=T1/3+T2×2/3：Tavg 為平均溫度；T1 為起點溫度；T2 為終點溫度。

（5）dtV：站點下載標況體積變化量，如dtV_B，站點B 下載標況體積變化量。

（6）dtVout：站點外輸標況體積變化量，如dtVout_A，站點A 外輸標況體積變化量。

（7）VB2T（）：標況溫度下體積轉(zhuǎn)為工況溫度下體積，如VB2T（dtVBout_BC，Tavg_BC，e_C），管段BC 出口標況體積在管段BC 平均油溫及站點C 標況油品密度下的工況體積。

（8）VT2B（）：工況體積轉(zhuǎn)為標況體積，如VT2B（dtVavg_BC，Tavg_BC，e_B），管段BC 平均體積變化量在管段BC 平均油溫及站點B 標況油品密度下的標況體積。

（9）e：站點標況油品密度，如e_C，站點C 的標況油品密度。

2.3.1 無分支管線結(jié)構(gòu)

無分支管線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無分支管線結(jié)構(gòu)Fig.3 No branch pipeline structure

假設(shè)站點A 為外輸站，站點B 和站點C 為下載站，則有如下計算公式：

①dtVBout_BC=dtV_C

②dtVavg_BC=VB2T（dtVBout_BC，Tavg_BC，e_C）

③dtVBin_BC=VT2B（dtVavg_BC，Tavg_BC，e_B）

④dtVBout_AB=dtV_B+dtVBin_BC

⑤dtVavg_AB=VB2T（dtVBout_AB，Tavg_AB，e_B）

⑥dtVBin_AB=VT2B（dtVavg_AB，Tavg_AB，e_A）

⑦dtV_A=dtVBin_AB

2.3.2 分支管線結(jié)構(gòu)

分支管線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分支管線結(jié)構(gòu)Fig.4 Branch pipeline structure

假設(shè)站點A 為外輸站，站點B、站點C、站點D為下載站，則有如下計算公式：

①dtVBout_BC=dtV_C

②dtVavg_BC=VB2T（dtVBout_BC，Tavg_BC，e_C）

③dtVBin_BC=VT2B（dtVavg_BC，Tavg_BC，e_B）

④dtVBout_BD=dtV_D

⑤dtVavg_BD=VB2T（dtVBout_BD，Tavg_BD，e_D）

⑥dtVBin_BD=VT2B（dtVavg_BD，Tavg_BD，e_B）

⑦dtVBout_AB=dtV_B+dtVBin_BC+dtVBin_BD

⑧dtVavg_AB=VB2T（dtVBout_AB，Tavg_AB，e_B）

⑨dtVBin_AB=VT2B（dtVavg_AB，Tavg_AB，e_A）

⑩dtV_A=dtVBin_AB

2.4 批次輸送跟蹤圖形化展示

通過批次管理軟件計算服務(wù)，將計算結(jié)果傳送到SCADA，由SCADA 將管道中各個批次的具體位置以圖形方式動態(tài)展示。展示數(shù)據(jù)包括管線中各個管段批次編號、批次頭尾位置、批次啟輸時間、批次管容質(zhì)量、批次工況密度、批次工況體積、批次預(yù)到站時間、批次預(yù)到達下一站點時間等，便于管道調(diào)度人員了解每個批次的運行狀況，根據(jù)計算結(jié)果進行油品輸送調(diào)度，跟蹤過程圖形展示如圖5所示，詳細數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 批次輸送跟蹤Fig.5 Batch delivery tracking

圖6 批次輸送跟蹤實時數(shù)據(jù)Fig.6 Real-time data of batch transportation tracking

2.5 批次輸送跟蹤修正

在實際應(yīng)用中，成品油需要在長輸管道中長期運行，溫度、壓力、油品運動粘度等外在及內(nèi)在因素都會對批次的運行情況產(chǎn)生影響，在油品輸送過程中能夠根據(jù)密度誤差做批次位置自動修正，使其更符合真實情況[5]。當管網(wǎng)中新添加站點或進行必要維護工作后，需要人為進行當前管段的批次屬性調(diào)整，包括批次油頭位置、批次密度、批次油品等屬性。批次自動修正及手動修正使批次在運行過程中更加貼近實際的運行情況，手動修正功能如圖7所示。

圖7 手動修正Fig.7 Manual correction

批次自動修正方法，在管段中部署密度計，批次計算時，實時計算密度計所處位置的油品密度E_cur，當前批次的前一個批次油品密度E_per，當前批次的下一個批次油品密度E_next 與密度計實際測量結(jié)果E 比較，設(shè)密度誤差范圍為e，密度計校正距離M。

e.對當前管線的批次修正只自動修正一次。

2.6 批次到站報警

批次到站報警是指批次輸送跟蹤系統(tǒng)自動計算油品批次輸送的進度，跟蹤批次油頭位置，當油頭快到達當前站場時，本站場就會產(chǎn)生相應(yīng)的報警，以提示操作人員及時接收油品批次。批次輸送跟蹤系統(tǒng)報警包括批次產(chǎn)生、批次消失、批次預(yù)到站、批次到站、站點異常等信息，同時將報警信息推送到SCADA 系統(tǒng)，便于操作人員及時收到查看[6]。當批次預(yù)到達站點時，需要開關(guān)相應(yīng)泵閥，進行流程切換，提前做準備工作，提高生產(chǎn)安全性及效率，同時提高了工藝切換速度與準確性，減少混油量，提高了油品質(zhì)量，批次到站報警效果如圖8所示。

圖8 批次產(chǎn)生、消失、到站報警Fig.8 Batch deneration，disappearance and arrival alarm

2.7 清管球跟蹤

在長輸管線的施工營運過程中，管道內(nèi)會殘存有各種雜質(zhì)、施工廢棄物、積液、結(jié)垢，如果不及時清理，會造成過濾系統(tǒng)和管線閥門的損毀，導(dǎo)致管線運力下降，甚至發(fā)生安全風(fēng)險，因此管線清理是日常工作。清管球在管道中運行的位置和速度，也可通過批次跟蹤系統(tǒng)進行實時跟蹤，上游站點進行發(fā)球，下游站點進行收球，批次跟蹤系統(tǒng)界面可以實時跟蹤當前清管球位置。

3 結(jié)語

本文設(shè)計實現(xiàn)的油品批次輸送跟蹤系統(tǒng)，能夠支持多分支、環(huán)狀復(fù)雜管網(wǎng)線路；支持站點的正向傳輸、反向傳輸；支持批次跟蹤、在線實時報警、批次的自動及手動修改、清管球跟蹤等功能，經(jīng)過實踐應(yīng)用證明，本系統(tǒng)能夠比較準確地實時計算油頭移動位置，并準確地計算出到站預(yù)警，及時提示調(diào)度人員進行油品分輸操作，提高了油品輸送效率，有效減少混油產(chǎn)生。