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(jì)的快速穩(wěn)步發(fā)展，在成品油運(yùn)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(dá)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(dá)目的地。管道運(yùn)輸相較于其它運(yùn)輸方式有著低成本、高效率、易于優(yōu)化物流管理、降低運(yùn)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。混油會導(dǎo)致油品質(zhì)量下降，增加油品安全風(fēng)險，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確跟蹤成品油管道中各批次油面所處位置，對油品批次進(jìn)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(yùn)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(zhǔn)確度低、效率低等問題。采用計算機(jī)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(xì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)溫度、壓力、下載量等一系列因素，實時準(zhǔn)確計算管道中各個批次的具體位置及運(yùn)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(jìn)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(zhǔn)確性，減少意外的混油產(chǎn)生，避免不必要的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(diǎn)，站點(diǎn)與站點(diǎn)之間通過管段連接，一般呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每一個站點(diǎn)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(yùn)行之前，必須根據(jù)實際情況對管網(wǎng)進(jìn)行建模，建模的目的是對整個管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)、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(biāo)況體積瞬時流量、標(biāo)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(biāo)況密度、溫度、壓力。

密度計屬性：標(biāo)況密度、工況密度、溫度、密度計距站點(diǎn)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(biāo)況密度、工況密度、運(yùn)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(biāo)況體積、管容質(zhì)量、油頭到達(dá)下一站點(diǎn)距離、油頭到達(dá)下一站點(diǎn)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(diǎn)屬性：站點(diǎn)編號、站點(diǎn)類型（外輸站、下載站、閥室）、里程、高程、進(jìn)站流量計、出站流量計、進(jìn)站壓力、出站壓力、進(jìn)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(diǎn)、下游站點(diǎn)、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(diǎn)、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(jìn)行有機(jī)組合，形成與實際管道一致的配置。根據(jù)管段長度，站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的前后鏈接關(guān)系進(jìn)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(diǎn)，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(yùn)行時，從SCADA 獲取實時數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(diǎn)流量、密度、閥門狀態(tài)，站點(diǎn)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(jìn)行可視化展示。在實際管網(wǎng)線路中，站點(diǎn)與站點(diǎn)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(jìn)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(biāo)況體積變化量，如dtVBin_AB，管段AB 入口標(biāo)況體積變化量。

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

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

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

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

（7）VB2T（）：標(biāo)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(biāo)況體積在管段BC 平均油溫及站點(diǎn)C 標(biāo)況油品密度下的工況體積。

（8）VT2B（）：工況體積轉(zhuǎn)為標(biāo)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(diǎn)B 標(biāo)況油品密度下的標(biāo)況體積。

（9）e：站點(diǎn)標(biāo)況油品密度，如e_C，站點(diǎn)C 的標(biāo)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(diǎn)A 為外輸站，站點(diǎn)B 和站點(diǎn)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(diǎn)A 為外輸站，站點(diǎn)B、站點(diǎn)C、站點(diǎn)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(dá)下一站點(diǎn)時間等，便于管道調(diào)度人員了解每個批次的運(yùn)行狀況，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行油品輸送調(diào)度，跟蹤過程圖形展示如圖5所示，詳細(xì)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(yùn)行，溫度、壓力、油品運(yùn)動粘度等外在及內(nèi)在因素都會對批次的運(yùn)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(dāng)管網(wǎng)中新添加站點(diǎn)或進(jìn)行必要維護(hù)工作后，需要人為進(jìn)行當(dāng)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(yùn)行過程中更加貼近實際的運(yùn)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(dāng)前批次的前一個批次油品密度E_per，當(dāng)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(dāng)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(jìn)度，跟蹤批次油頭位置，當(dāng)油頭快到達(dá)當(dāng)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(diǎn)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(dāng)批次預(yù)到達(dá)站點(diǎn)時，需要開關(guān)相應(yīng)泵閥，進(jìn)行流程切換，提前做準(zhǔn)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(zhǔn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行的位置和速度，也可通過批次跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實時跟蹤，上游站點(diǎn)進(jìn)行發(fā)球，下游站點(diǎn)進(jìn)行收球，批次跟蹤系統(tǒng)界面可以實時跟蹤當(dāng)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(diǎn)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(zhǔn)確地實時計算油頭移動位置，并準(zhǔn)確地計算出到站預(yù)警，及時提示調(diào)度人員進(jìn)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。