基于多數據融合分析的航空煤油儲罐安全運行監測分析系統研究

李金鑄，陳東華

(中國航空油料有限責任公司吉林省分公司，吉林 長春 130504)

0　引　言

航空煤油儲罐屬于常壓罐，罐體變形是它最為常見的安全問題，多數原因是罐內壓力異常導致的。對于罐體壓力安全運行中較為關鍵的一個部件就是呼吸閥，目前國內所有的航空煤油儲罐上面均安裝有一個或多個呼吸閥。這些呼吸閥出自不同的廠家，型號也各有不同，但是基本原理大致相同。通過調研不同地區和不同類型的儲罐運行情況，目前存在較為普遍的問題就是呼吸閥本身的運行情況得不到很好的監控。

綜合對比國內外針對呼吸閥阻火器改進的相關文獻，除了“全天候呼吸閥”、“液壓防凍呼吸閥”，還有人利用熱管的工作原理,提出了采用“熱管呼吸閥”解決呼吸閥的凍結。這些改進從不同的角度在一定程度上解決“凍死”問題，但由于儲罐所處的特殊的氣候條件和地理位置，各種呼吸閥在長期使用中,由于油污、雜質和積灰堆積在閥口處,難免會出現漏氣、卡死、堵塞、通氣量不足等故障。另外，呼吸閥本身的機械特性決定了不可能完全避免呼吸閥不正常工作的情況，無論通過改進呼吸閥或者更換呼吸閥的方法，均不可能徹底的解決呼吸閥“卡死”的問題，所做的幾乎都是“無用功”[1-2]。

呼吸閥的不正常呼吸，將導致罐體的呼吸不正常，長時間的積累或短時間罐內氣壓的急劇變化均將導致罐體的迅速變形。研究一套航空煤油儲罐安全運行監測分析系統，實時監測儲罐的壓力和呼吸情況，對于保證儲罐自身的安全以及航空飛行的安全穩定運行就顯得尤為重要。

1　系統整體設計方案

本研究依據結構力學和流體及氣體的基本理論，結合國內外航煤燃油儲罐安全運行的發展趨勢，以及現行航煤燃油儲罐運行中存在的問題，通過理論分析、室內模型測試和多數據融合分析的方法，對各個問題進行系統的研究，并提出航煤儲罐安全運行實時檢測分析的技術方案，對其性能進行分析和驗證，最終設計完成一套航煤儲罐安全運行檢測分析系統，解決航煤儲罐運行中存在的部分問題。研究工作主要分為兩部分：(1)針對生產運行中存在的安全隱患，容易造成罐體變形、航煤揮發、環境污等問題，著手解決呼吸閥穩定運行的問題；(2)分析儲罐正常呼吸的影響因素和規律，分別通過實驗室模擬試驗測試和多數據融合分析的方法對常壓儲罐進行測試和分析，總結出影響儲罐正常呼吸的相關要素，并依據要素判斷航煤儲罐當前的運行情況，及當前儲罐運行的健康指數，并進行系統發布。

系統的整體結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

系統的數據庫和上位機軟件以紫金橋工業組態軟件為基礎搭建。

2　系統分析模型的建立

(1)呼吸模型建立

依據航空煤油儲罐設計標準、呼吸閥阻火器選用標準及《中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 0511.1-2010》確定模型建立的理論基礎。

依據以下理論可計算出在一定壓力下呼吸閥可以提供的呼吸量。

由公式

(1)

可推出

(2)

則可進一步推導出

Q=3600v·S

(3)

式中：Δp為壓降值，單位為帕斯卡(Pa)，為實際壓力p和開啟壓力ps的差值；v為通過呼吸閥通風管時的流速，單位為米每秒(m/s);ζ為通過閥(或呼吸閥+阻火器)時的總局部阻力系數；g為重力加速度，取g=9.81 m/s；ρ為標準狀態下的空氣密度，單位為千克每立方米(kg/m3)，取ρ=1.2 kg/m3;Q為通氣量，單位為立方米每小時(m3/h)。

由于研究對象航空煤油的閃點為45℃左右，且儲罐對象體積為1 000 m3，故相應的依據儲罐收發油流量可以計算出實際需要的呼吸量。相應公式如下：

Qi=Vo+Qt

(4)

Qo=1.07Vi+0.6Qt

(5)

Qt=0.178V

(6)

式中，Qi為收油時總通氣量(呼吸量)，單位為立方米每小時(m3/h)；Qo為發油時總通氣量(呼吸量)，單位為立方米每小時(m3/h)；Qt為在吸氣或排氣的同時，由于氣溫變化(包括驟降大雨致使的油氣溫度下降)引起的通氣量，單位為立方米每小時(m3/h)；Vi為收油流量，單位為立方米每小時(m3/h)；Vo為發油流量，單位為立方米每小時(m3/h)；V為油罐容積，單位為立方米(m3)。

由此確定選取罐內壓力、罐內溫度、罐外溫度、實時流量作為儲罐運行分析模型的輸入參數，模型輸入數據實時運算分析，判斷系統運行狀況。通過高低溫不同環境的數據監視分析，經過對模型的修正和完善，數據模型已實現了多數據融合準確分析的功能。

(2)壓力模型建立

對于壓力模型的建立，主要涉及到合理閾值選取的問題。一般的選取方法就是根據儲罐設計資料，直接按照操作壓力限值選取，但是這么設置存在著一定的不安全因素。本文通過長時間的數據監控，獲得了不同狀態下的測得值的閾值，將之設置為閾值的“高限值”和“低限值”，將儲罐設計的操作壓力設置為“高高限值”“低低限值”，這樣確保了更為準確的系統狀態判定，同時也提高儲罐運行的安全性。

3　系統運行測試

系統運行軟件界面如圖2～圖5所示。

通過現場大量實驗表明，該系統已達到研究目的預期效果，符合項目開題標準要求。系統反應時間小于90 s；報警率100%；誤報率小于5%；實現了判斷儲罐實時運行健康狀況的功能。

對應項目最初的技術指標要求完成的航空煤油儲罐安全運行實時監測系統滿足了以下指標，達到了開題的目標要求：

(1)系統反應時間：系統中相關數據庫數據操作占用的時間最長，執行的最長時間不超過60 s；

圖2　系統主界面

圖3　系統運行參數實時趨勢分析圖

圖4　運行狀況分析評價界面

圖5　歷史數據查詢界面

(2)報警率：100%；

(3)誤報率：小于5%。系統的模擬信號有時受到外界磁場或一些不確定因素的影響，通過長時間的監測，壓力數據基本沒有出現誤報，溫度數據有部分誤報數據，經過數據濾波處理后，整體不超過5%。

(4)實現判斷儲罐實時運行健康指標的功能。系統運行健康等級分為A、B、C、D四個等級，依據不同的指標給出相應的處理措施。

4　結　論

本研究通過室內實驗開發和油庫現場試驗的方式開展了大量的研究工作，完成了航空煤油儲罐安全運行監測分析系統搭建,并經過長期優化現已定型用于實時分析數據。該系統能實時監控儲罐的運行情況，并對異常情況報警，并能對運行健康狀況做出評估；依據監視系統發現的不同問題，提示采取不同的措施應對出現的危險情況；通過系統數據分析可為進一步規范操作規程提供依據。

參考文獻：

[1]張麗娜, 陳保東, 王立志. 呼吸閥的工作特性和新型呼吸閥的開發[J]. 油氣儲運, 2001, 20(11):46-48.

[2]向長軍, 孫永昌, 楊建國,等. 一種新型防結冰阻火一體化呼吸閥的應用[J]. 安全、健康和環境, 2014, 14(2):36-38.