定量裝車控制系統的設計與應用

單新云

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 鄭州 450018)

某裝車末站是中國石化股份有限公司西北油田分公司重要的油氣儲存、轉輸站場及銷售終端，承載著油田油氣儲存、轉運、外銷等重要任務。目前站場銷售油氣品種為重質油、輕質油，外銷方式為管道外輸和汽車、火車運輸。

現場裝車作業采用人工方式，勞動強度大、裝車量不準、操作流程易出錯，還存在溢罐、跑油、靜電等安全隱患。為提高自動化管理水平，保證安全生產，提高工作效率，減輕操作人員勞動強度，同時結合中石化“數字化”油田建設的要求，提出建立1套火車裝車線自動化定量裝車控制系統。

1 系統結構

定量裝車控制系統結構如圖1所示，該系統主要包括全廠相關系統、裝車管理系統、現場控制單元、現場過程儀表，同時將裝車泵、可燃氣體探測器、出入口火車衡、聲光報警器、LED大屏幕顯示等納入系統，確保系統安全、可靠、高效地運行。

該系統采用二級布網方式，在現場每個鶴位設置1臺批量控制器，現場裝車儀表信號接入批量控制器，并由其完成油品灌裝自動控制及防溢油、防靜電安全聯鎖保護。同時現場批量控制器通過網絡接入控制室，形成以控制室操作站為集中管理控制單元，現場批量控制器為分散獨立控制單元的分散控制系統，實現整個系統監控管理集中、控制風險分散的目的。

2 系統控制原理

現場操作人員根據不同槽車罐容，預先設定裝車量及液位高度，質量流量計檢測流量信號并上傳至批量控制器，批量控制器根據上位機下發的提油量指令以及質量流量計的瞬時流量、累積流量等數據控制裝車閥開度，實現自動化定量裝車。批量控制器通過Modbus通信方式實時將流量和控制信息上傳至操作站，可統一顯示裝車過程的各項參數及歷史趨勢、報警、報表等數據。操作站通過以太網與全廠站控系統、ERP系統、銷售系統相連，實現數據共享。

定量裝車控制過程如圖2所示，該過程分為3個階段： 開啟階段、恒流發油階段、結束階段，不同階段采用不同的控制策略。

1)開啟階段。分3個過程，間隔時間可調。

a)啟動過程。裝車閥緩慢打開，以減少鶴管出口處介質的噴射損耗和罐車液面上方油蒸氣濃度，并降低靜電積聚。直到發油流量達到預置的“小開度穩流值”，該值為穩流值的10%左右。

b)開啟穩流過程。在該時段裝車閥開度基本不變。

c)開啟上升過程。待介質淹沒鶴管，裝車閥開度快速上升，直到發油流量達到預置的“穩流值”，其后保持閥開度基本不變。

2)恒流發油階段。該階段按照最大安全流量進行發油，期間裝車閥開度只進行微調，微調的范圍通過預置“恒流允許偏離值”來控制，直到實發剩余量達到預置的“結束提前量”。

3)結束階段。分3個過程，間隔時間可調。

a)關閉下降過程。裝車閥緩慢關閉，以消除水錘，保護管道及其管道儀表。直到發油流量達到預置的“小開度穩流值”。

b)關閉穩流過程。在該時段裝車閥開度基本不變。

圖1 定量裝車控制系統結構示意

圖2 裝車過程流量控制示意

c)結束過程。裝車閥開度從“關閉穩流開度”快速下降，直到裝車閥全關，發油流量為零。

3 主要硬件選型

3.1 批量控制器

定量裝車控制器是該系統的核心設備，其主要功能是對裝車過程實施程序控制及安全聯鎖保護。按照預定流量完成多段控制和切斷功能，從而實現精確定量裝車及防止靜電、溢油、水擊等現象發生，保護管道儀表設備。該控制器具備以下功能如下：

1)采集數據信號。可接受溫度、質量流量/體積流量、液位、防靜電保護裝置檢測信號及控制閥位回訊信號，LCD顯示屏顯示等功能。

2)參數設定、報警。依據裝車要求，預置液位高度、提前量、開閥延遲時間、流體密度等，當達到預置液位高度及流量時，提前報警。

3)現場裝車控制。依據人工指令及設定程序實行裝車程序控制，自動開啟/關閉裝車閥。

4)溢油靜電保護。發生溢油或靜電狀況時，自動切斷裝車閥，停止裝車。

5)現場急停功能。裝車過程異常時，現場手動按鈕急停裝車。

6)儀表配電。給現場儀表及控制閥提供工作電源。

7)數據通信。采用RS-485和Modbus-RTU通信協議與上位控制系統進行數據通信，實施遠程監視與控制。

3.2 控制閥

控制閥是該裝車系統中的關鍵設備，其主要作用有： 確保油品貿易交接時的控制精度；在裝車鶴管浸沒前，以小流量裝車，防止流量太大產生靜電造成危險；在裝車快結束時，實現分段關閥，防止管道產生“水擊”。

目前，裝車用控制閥主要采用： 氣動兩(多)段式開關球閥、數控電液閥、電動V型球閥和氣動控制閥，裝車控制閥比選見表1所列。

表1 裝車控制閥比選

續表1

對于獨立的成品油或化工品油庫，由于沒有儀表氣源，油品性質好，可優先選用數控電液閥；對于獨立的原油油庫，由于沒有儀表氣源，同時考慮油品中含有雜質，可優先選用電動V型球閥；對于煉油廠成品油裝車，往往有可靠的儀表氣源，同時煉油廠裝車產品種類多，油品性質差異大，可優先選用氣動兩段閥，該閥對各種油品的適應性都好。

該站場為原油儲運站，且無儀表氣源提供，因此該設計采用適用于原油介質、無需氣源、且控制效果較好的電動V型球閥，以實現初始裝車與正常裝車的流量安全控制，確保介質流速始終處于安全高效階段。在大小流量切換時，實現線性調節，避免了分段式控制導致的快速流量變化帶來的沖擊，起到降耗、降靜電的作用，既高速付油，又平穩啟閉，大幅減小了沖過量誤差，確保安全裝車，同時減少了對流量計、裝車泵的損害。

3.3 流量計

該站場裝車介質為輕質油和重油，因此采用高精度、高可靠性、適用介質范圍廣的質量流量計，實現裝車流量的測量。正常情況下流量計主要負責定量控制，對外貿易結算主要以地磅計量為準。

4 軟件設計

裝車管理系統采用OpenEnterprise平臺，并根據現場需求組態。在上位機上實現系統配置、發貨參數設置、調試參數設置、發貨實時控制、報表打印、權限管理、事件記錄、操作記錄等功能；同時批量控制器實時向裝車管理系統發送裝車實時數據，包括： 流量、閥位、液位、靜電接地、可燃氣體濃度等，在顯示界面上實時顯示裝載情況；當發生故障時上位機會有報警提示。

5 安全設計

設計中在每個裝車鶴位上均安裝有溢油保護器及靜電接地夾，溢油保護器和靜電接地夾的狀態引入批量控制器。當液位到達上限或接地電阻超標時，聯鎖關裝車閥，停止裝車，避免溢油事故發生，保證靜電接地安全。另外，充裝的介質為易燃易爆或有毒介質．火車裝車棧橋周圍設置有可燃及有毒氣體探測器并帶有就地聲光報警功能，檢測泄漏在空氣中的可燃及有毒氣體含量，檢測信號遠傳引入上位機RTU系統。當檢測到氣體泄漏時發出聲光報警，并由RTU將報警信號遠傳至現場批量控制器，由批量控制器聯鎖關閉裝車閥停止裝車。

6 系統使用效果

該定量裝車控制系統自2018年6月正式投用以來，運行良好。大幅提升了裝車作業自動化水平，保證了操作安全性，降低了作業人員勞動強度。現場裝車作業人員由原有的50余人減少至20人，裝車作業時間由原來4 h縮減為2.5 h，達到了減員增效和提高油田生產效益的目的。

7 結束語

定量裝車控制系統在油氣儲運站場中應用是一種必然的趨勢。本文從實際需求出發，設計了一套可靠性高、安全保護措施完善、操作方便、易維護的定量裝車控制系統，總體運行效果良好，滿足了生產管理需要，節省了成本，提高了經濟效益，值得在油氣田各種汽車、火車裝車場合推廣應用。