成品油管道批次跟蹤軟件的開發與應用

于陽，沈亮，李君，郝元放，翟培君，馬帥，劉超

1.中國石油北京油氣調控中心（北京 100007）

2.中國石油管道局工程有限公司（河北 廊坊 065000）

0 引言

長輸成品油管道采用順序輸送工藝輸送汽油、煤油、柴油等多種油品，不同油品首尾之間直接接觸形成一定長度的混油段。理論上，一般將體積分數為50%的一種油品與體積分數為50%的另一種油品的分界位置定義為批次界面所處位置，對批次界面在管道內的位置以及界面到達下一站時間的計算稱為批次跟蹤[1-3]。工程上，管道運行管理人員更關注混油頭及混油尾在管道中的位置，以便及時、準確地將混油段切入混油罐，防止出現油品質量問題。本文所涉及的批次界面位置皆為混油段油頭的位置。批次界面所處里程是成品油管道重要的生產數據，其對中間站場的油品分輸操作以及末站的混油切割操作具有重要意義[4-5]。如果調度員計算錯批次界面里程，很有可能造成不同油品污染的質量事故。

自20 世紀80 年代，就有國外學者研究液體管道中批次界面的跟蹤問題[6-8]，并借助計算機輔助跟蹤管道內的批次界面[9-11]。國內成品油管道的建設、發展及興起較晚，針對成品油管道批次跟蹤的研究起步也較晚。直至2005 年，國內學者陸續關注原油、成品油管道批次界面的跟蹤問題[12-18]，并有學者采用Excel 軟件跟蹤中石化華南管網的批次運行位置[19]，也有學者將在線批次界面計算軟件應用于中石油西部成品油管道及蘭成渝成品油管道[20-21]，然而以上文獻介紹的批次界面計算工具主要有3種缺點：①可拓展性較差，只適用于特定的成品油管道或管網；②功能較為單一，只能進行簡單的批次位置計算；③用戶體驗及可維護性較差，使用過程需要用戶輸入大量冗余信息，輸入條件稍有不適，程序即容易崩潰，且軟件可視化輸出信息較少。為此，亟需結合國內成品油管道的工藝特點，研究并開發出一款功能完備、人機界面良好、可拓展性及可維護性強的成品油管道批次跟蹤軟件。

1 批次界面計算方法

成品油管道沿線各站場一般設有密度計、光學界面監測儀（Optical Interface Detector,OID）、聲速監測儀等批次界面檢測裝置[22-25]，在不同油品過站時能夠有效地進行區分，通過逐站修正混油界面位置的方法提高界面跟蹤的精度。當批次界面通過中間某站場A 站時記錄下該時刻T0，以及該時刻對應的某計算站場C所配置的超聲波流量計累積流量值V0。假如需要調度員計算T 時刻批次界面位置，則還需要對應的T時刻C站超聲波流量計累積流量值V，則T時刻批次界面位置：

式中：S為T時刻批次界面位置，km；SA為A站里程，km；VM為批次界面所在管段的單位管容，m3/km。

特別地，若批次界面位置與流量計所在站場之間存在分輸或注入，還需進一步考慮分輸量或注入量，按式

計算界面里程。

式中：ΔV 為需考慮的分輸量或注入量。若界面位于超聲波流量計所在站場的上游，則分輸量為負、注入量為正；若界面位于超聲波流量計所在站場的下游，則分輸量為正、注入量為負。

除T 時刻批次界面位置，預測批次界面到達下一站時間也是調度員的重要日常工作，調度員會根據該時刻，并結合輸油計劃確定分輸開始或結束時間。

式中：TB為批次界面通過B站時刻預測值；SB為B站里程，km；QA-B為A、B站間的體積流量，m3/h。

由式（1）—式（3）可知，單個批次界面位置計算及其到站時間并不復雜，將管道生產運行原始數據代入公式即可。但是成品油管道順序輸送多種油品，管道中往往同時存在多種油品和多個批次界面。以我國某長輸成品油管道為例，其全長2 086 km，順序輸送混油、0#柴油、92#車用汽油及92#組分汽油4 種油品，管道中批次界面大多數工況下在10～15個，最多時存在21個界面。這時如果還依靠人工進行計算，不僅效率低下，而且還極易發生計算錯誤。

2 軟件開發

基于以上原因亟需開發一款批次界面計算軟件，促使批次界面計算工作更加高效、結果更加準確。從軟件的編譯與運行角度考慮，要求軟件安裝簡便，系統兼容性好，人機交互界面友好，調用方便。經綜合考慮決定使用VB.NET工具進行軟件的開發。

2.1 NET框架

.NET 框架（.NET Framework）由微軟開發，是一個多語言組件開發和執行環境，它提供了一個跨語言的統一編程環境[26]。.NET 框架的目的是便于開發人員更容易地建立應用程序。它的主要特點有：①可以在多種多樣的系統上運行，從服務器、桌面機到掌上電腦和移動電話；②使用行業標準的通信協議，可實現軟件系統之間的智能交互和協同工作；③提供一個標準化的、安全的、一致的模型和環境，提供更加安全的執行環境，即使有來源可疑的代碼存在。

2.2 VB程序設計語言

Visual Basic（簡稱VB）是微軟開發的一種通用的基于對象的程序設計語言，為結構化的、模塊化的、面向對象的、包含協助開發環境的事件驅動為機制的可視化程序設計語言[27]。在Visual Basic 中，采用面向對象程序設計方法，把程序和數據封裝起來作為一個對象，每個對象都是可視的。開發人員在界面設計時，可以直接用Visual Basic的工具箱在屏幕上“畫”出窗口、菜單、命令按鍵等對象，并為每個對象設置屬性。開發人員要做的僅僅是對要完成事件過程的對象進行編寫代碼，因而程序設計的效率可大大提高。

2.3 軟件結構框架

成品油管道批次跟蹤軟件由數據載入模塊、顯示模塊、計算模塊和數據輸出模塊4個部分組成，軟件的結構框架如圖1。

數據載入模塊旨在解決管道基礎參數和歷史批次界面數據的載入。其中，管道的基礎參數包括：站場名稱、站場類型、站場里程、站間管容量等。歷史批次界面數據包括：批次界面名稱、批次界面所在的站間起點及終點、批次界面過起點站時間、計算站場、批次過起點站場時流量計數值、計算時間流量計數值、站間流量、批次界面距下站距離、批次界面的里程、預計批次界面到達下站的時間等。

顯示模塊旨在向用戶展示批次界面數據表、批次界面位置分布，以及線路縱斷面圖。

計算模塊主要包含：指定時刻界面位置計算、實時界面位置預測、指定時間界面位置預測、指定停輸位置界面校核4個模塊。

數據輸出模塊包含：保存當前批次界面數據、輸出當前批次界面數據表，以及打印當前批次界面數據表3個模塊。

圖1 批次界面計算軟件的結構框架

3 軟件功能介紹

該軟件除最核心的指定時刻批次界面位置計算外，還具有計算結果打印、保存兩項基本功能。在此基礎上，結合調度員生產運行實際需要拓展出如實時界面位置預測、指定時間界面位置預測、指定停輸位置界面校核、歷史數據調取等實用功能。

3.1 指定時刻界面位置計算

批次界面數據表是批次界面計算軟件中的核心組件，它既是界面位置計算所需關鍵數據的輸入窗口，也是界面位置計算結果的輸出載體，見圖2。

圖2所示的成品油管道共包含LZ～XY、XY～ZZ、ZZ～CS 3 個水力系統，共計13 個批次界面。對于圖2中的任意一個批次界面而言，輸入條件包括如下：

1）在站間起點及站間終點的下拉菜單中選取相應的站點，即確定該批次界面所處的站間。

2）通過數據采集及監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition 系統，簡稱SCADA 系統）調取界面過站間起點時密度、光學界面檢測儀或聲速界面監測器等界面監測參數的歷史趨勢，確定界面油頭過站間起點的準確時間。

3）在界面上游或下游選取一個配置超聲波流量計的站場，即確定計算數據所選站場。

4）通過SCADA 系統調取計算數據所選站場超聲波流量計的歷史趨勢，確定界面油頭過站間起點時的數值，以及對應計算時間的數值。

5）確定界面位置所處管段的體積流量，預測界面到下一站的時間。

特別地，對于已經到達管段末站的批次界面，如圖2 中的LXD0018002（VI）批次、XZGE9218058（VI）批次和ZCD0018028（VI）批次，只需輸入上述1）～3）項條件。此外，批次界面數據表還包含了是否考慮分輸及考慮量等因素。

上述輸入條件全部完成之后，設置計算時間，并通過軟件計算，可以得到界面距下站距離、界面到下站所需時間、計算時間下界面里程等參數。

圖2 批次界面數據

3.2 輸送批次的可視化顯示

批次界面數據表雖然可以為調度員提供準確的批次界面位置，但是由于管道中批次數目較多，以列表的方式呈現不僅不能使調度員對管道批次運行情況有全局的掌握，反而會使調度員產生無序而又無規律的錯亂感，為此軟件增加了批次界面的可視化顯示功能。

如圖3所示，在計算結果下方增加一行圖表，該圖由左至右將管道中的所有批次依次排列，同時在柱狀圖的下方標有管道沿途各站場和分輸閥室。此圖將抽象的批次數據進行提煉并進行直觀顯示，形象且簡練。通過此圖調度員可以在極短時間內獲取管道中所有批次的分布情況，并形成對全局的掌控。

圖3 批次界面分布

在每一個批次的圖形上還標有批次名稱以及批次長度，方便調度員在批次界面計算后與上一次的計算結果進行校核比對，減少人為失誤的幾率；同時選取不同的顏色對不同的油品進行區分，增加了視覺沖擊力避免了視疲勞。

3.3 縱斷面圖的可視化顯示

為減少不同油品接觸形成的混油量，在進行計劃停輸時需要使批次界面位置處于特定的地形，密度較高的油品處于下部，密度較低的油品處于上部。具體而言，柴推汽界面應位于上坡段，而汽推柴界面應位于下坡段。針對這一情況，軟件可將管道縱斷面圖上的不同批次按顏色區分，例如紅色代表汽油、藍色代表柴油、黃色代表混油，使得批次界面及其所處管段的地形特征一目了然。如圖4 所示，可以直觀地看到管道中的批次界面具體位置：D04/G03 柴推汽界面位于上坡段，而G03/D02 汽推柴界面位于下坡段。

圖4 線路縱斷面

3.4 界面位置預測

在界面計算后的一定時間范圍內，若無界面到站、開分輸、停分輸3種工況，且干線流量波動不大，即可在不更新軟件中超聲波流量計累計值的前提下，基于給定的干線流量分布，預測沿線各計算站場超聲波流量計的累計值，進而預測實時界面位置分布或指定時間的界面位置分布，便于調度員掌握管道內界面實時或未來時間的運移情況。

3.5 停輸界面位置校核

如前所述，計劃停輸后，需要使管道中的批次界面位置處于特定的地形。通常，管道計劃員事先會給出管道中某個界面或某些界面的停輸位置，調度員需要對停輸時間進行進一步核算，并對停輸界面位置的可行性進行校核。

若計劃員要求某管段計劃停輸，并且要求某界面停在指定里程處。這時，調度員可基于計算時間的批次界面，在軟件中選擇指定的停輸參考界面，并輸入相應的停輸里程。軟件根據被指定界面的預期里程及該界面當前的里程，計算出停輸時間，再根據上一節所述方法，預測停輸后界面位置分布。

3.6 歷史批次界面查詢

軟件具備查詢已保存的歷史批次界面，方便管道運行管理人員對界面進入管線時間、界面經過沿途各站時間、以及界面歷史運移等情況進行追溯。

4 應用效果

成品油管道批次跟蹤軟件于2018 年9 月應用于某成品油管道實際生產，至2018 年底，共計算并跟蹤批次界面270 余次，期間共成功預測并監測了122 個批次界面的運移及到站情況（以下簡稱工況）。以下將通過對比批次界面的預測到站時間與實際到站時間，計算并分析批次到站時的里程偏差、批次到站時的相對偏差，以評價軟件的應用效果。

圖5 呈現了批次界面到站前，批次到站的預測時間與批次實際到站時間的偏差。由圖5 可知，所有工況的偏差都在±1.25 h 內。通過進一步統計分析可知，偏差在±15 min 的工況占工況總數的33.6%；偏差在±30 min的工況占工況總數的64.8%；偏差在±40 min的工況占工況總數的80.3%；所有工況的平均時間偏差為0.44 h，即26 min，滿足實際生產對于批次界面到站時間預測精度的要求。

圖6呈現了批次界面到站時，批次的預測行程與站間距的偏差。由圖6 可知，所有工況的偏差都在±3.5 km 以內。通過進一步統計分析可知，偏差在±1 km 的工況占工況總數的50%；偏差在±1.5 km的工況占工況總數的69.7%；偏差在±2 km的工況占工況總數的86.9%；所有工況的平均距離偏差為1.17 km，滿足實際生產對于批次界面里程預測精度的要求。

圖5 批次界面到站時的時間偏差

圖6 批次界面到站時的距離偏差

為了更客觀地評價批次界面里程及到站時間預測值的準確度，將各工況的時間偏差與批次界面途徑站間的理論耗時相除，或計算批次界面實際到站時的行程預測值與站間距之比，可以得到各批次界面到站時間或預測里程的相對偏差（簡稱相對偏差），如圖7 所示。由此可知，各工況的相對偏差基本在±5%范圍內，其中偏差在±1%的工況占總工況的51.6%；偏差在±2%的工況占總工況的85.2%；所有工況的平均偏差為1.3%，滿足實際生產對于批次界面相對偏差預測精度的要求。

圖7 批次界面到站時的相對偏差

5 結論

綜上所述，所開發的成品油管道批次跟蹤軟件不僅具備批次界面位置計算的核心功能，還可用于預測批次界面到站時間、實時及指定時間批次界面跟蹤、校核批次停輸界面、保存及查看歷史批次界面等功能。軟件的人機界面良好、可拓展性及可維護性較強，可以滿足管道生產的精度要求，提升批次界面計算的工作效率，同時降低了油品質量風險隱患。

然而，軟件以各站場超聲波流量計、密度計和OID 為主要數據源，由于超聲波流量計在生產運行中存在一定計量誤差，其數值準確度在一定程度上影響批次界面的計算結果。今后，在積累大量的批次界面跟蹤數據后，可通過修正超聲波流量計累計值的途徑，進一步提升批次界面跟蹤的精度。