自流式定量裝車控制系統的設計與應用

鄧利永

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075)

某裝車末站是延長石油集團公司在陜北重要的油品儲存及銷售終端，目前站場銷售油氣品種為柴油、汽油及航空煤油，外銷方式通過火車運輸。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，保證安全生產和提高工作效率，減輕操作人員勞動強度，提出建立一套火車自動化定量裝車控制系統。

1 項目背景

該公司某煉油廠下游的裝車末站火車棧橋于2000年建成，利用罐區與裝車區的地理高差，采用自流裝車方式發油。火車棧橋全長312 m，寬2 m，各類油品使用鶴管共計108套，棧橋南北兩側各設52個鶴管，其中在棧橋南側設26個汽油鶴管，棧橋北側設16個汽油鶴管和10個航煤鶴管。目前，鐵路發油全部為人工手動控制裝車，采用人工檢尺計量方式，且敞口裝車。該棧橋設備陳舊落后，存在以下問題：

1)鶴管完全是手工操作，非常不靈活，且裝車作業頻繁操作，勞動強度大。

2)裝車液位完全靠人工檢尺計量方式，由于經常在槽車入口處觀察液面，會吸入大量的油氣，對作業人員健康造成很大傷害。而且裝車量非常不容易控制，易發生冒頂跑油事故。

3)裝車過程中，泄漏比較嚴重。特別是雨季由于落地后的柴油不易揮發，被雨水從土壤中浸泡出來，流入防洪溝又進入河道，對環境存在重大污染隱患。

4)由于是開放式裝車，油品損耗大，特別是夏季溫度較高時，油罐車表面溫度經常達到38.6 ℃，油氣揮發更加嚴重，據統計單次損耗約為裝車量的1%左右。

因此，原油裝車系統易造成油品損耗引起較大經濟損失，對環境造成非常大的污染，且揮發的油氣易燃易爆，其排放對油庫生產作業造成了一定隱患，容易引發火災。為此該公司在2018年對該火車棧橋進行了現代化技術改造。

2 自動化定量裝車控制系統設計及選型

常規定量裝車控制系統通常需要采用裝車泵對管輸油品進行加壓，以便使裝車控制閥達到合適的工作點，并加快裝車速度。該次技改項目由于受到原有設計及場地限制，綜合考慮技術難度和建造成本，主要利用罐區與裝車區地理高差產生的勢能作為動力源，采用自流裝車方式發油。

2.1 控制系統總體設計

該廠裝車末站改造項目結合現場實際情況，在吸取了國內外先進的自動定量裝車工藝經驗基礎上提出了自動化定量裝車控制系統總體設計方案，該系統采用分布式控制方案，由控制室操作站為集中監控單元，現場批控儀[1]為現場控制級的二層結構組成，該系統預留上位機通信接口，以達到整個系統監控管理集中、控制風險分散的目的，保證安全、環保、可靠地運行。

控制室內有上位機管理系統和遠程急停按鈕。上位機管理系統操作站及工程師站用于對火車裝車的控制及其他工藝流程的監視及操作，具有動態圖形化顯示、數據采集和處理、故障報警及生產報表的生成打印及通信功能。

定量裝車儀、現場儀表及控制閥以撬裝形式放置于火車棧橋上。該系統采用“一機一位”的方式，即1套批控儀控制1個鶴位；批控儀與上位機通信通過RS-485和Modbus RTU來實現。由于現場總共108套批控儀，傳輸數據量大，且距離控制室比較遠，為了保證火車裝車時，現場數據能及時發送至上位機系統，現場每7臺批控儀就近設置1臺防爆通信箱，采用光纖通信方式與上位機通信。控制室設置遠程急停按鈕，以便現場出現險情時，及時聯鎖急停現場定量裝車儀。

定量裝車控制系統結構如圖1所示。

圖1 定量裝車控制系統網絡拓撲結構示意

2.2 現場關鍵儀表設備的配置

2.2.1批控儀

在棧橋每個鶴位設置1臺批控儀，火車定量裝車在現場批控儀上進行操作。該方案的優點是，即使遠程上位機出現故障，不影響現場裝車作業。現場就地控制除對鶴管的常規操作外，液位報警聯鎖、急停、鶴管鎖緊等功能均能在批控儀上實現，每臺批控儀只對本鶴位有效。

2.2.2質量流量計

質量流量計[2]選用進口品牌科氏力質量流量計，一體式安裝，精度達到貿易交接的級別，轉換器帶有傳遞數字信號的通信接口，輸出多種測量參數和信息至現場批控儀，如瞬時流量、累計流量、密度等信號。以瞬時流量控制裝車速度實現程控裝車，并防止介質超速產生靜電出現安全事故，以累計流量實現定量裝車。

2.2.3裝車控制閥

裝車控制閥[3-6]是定量裝車控制系統中的關鍵設備，其主要作用有：確定油品貿易交接時的控制精度和穩定性，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”。根據鶴管距離成品油罐區的遠近，綜合技術、節能及項目現場約束條件，采用以下不同的選型方案：

1)油品罐底部位置與火車棧橋高差約為30 m，同時考慮到管線沿程阻力，當油品送至火車棧橋附近時，最低只有0.2 MPa(油品罐滿罐時，壓力會更高一些)，汽油和柴油鶴管靠近罐區，在油罐內油量滿足裝車的情況下，操作壓力滿足數控電液閥的正常工作要求，由于該項目采用自流式裝車，對數控電液閥壓力驅動下限要求較高，經過產品比選，確定采用可無級調節的進口數控電液閥。數控電液閥由先導電磁閥和主閥組成，發油時首先開鶴位球閥，然后再控制數控電液閥的常開、常閉電磁閥，兩者的時間差可以根據定量裝車控制曲線，在線通過批控儀的TIM定時器單元進行設定、修改。

2)航煤鶴管距離成品油罐區較遠，當航煤經輸油管線送到航煤鶴管附近時，操作壓力已不足0.1 MPa，已經超出數控電液閥正常工作范圍。同時，由于該項目為獨立的成品油罐區，項目現場無儀表氣源，根據對不同閥門的節流形式及工作特性曲線作比較，選擇V型電動調節球閥[7]調節航煤的定量裝車。V型球閥閥芯為V型結構，具有等百分比流量特性，流通能力大，可調范圍大，具有剪切力，能關閉嚴密，適用于黏性流體的控制。

綜上分析，對于柴油和汽油定量裝車，選用數控電液閥；對于航煤定量裝車，選用電動V型球閥。裝車控制閥選型見表1所列。

表1 裝車控制閥選型方案

2.2.4溢流液位開關

為了保障裝車安全，隨鶴管設備成套提供了溢流液位開關，在任何裝車狀態下，當液位超限時，均會關閉裝車球閥。

為了避免裝車過程中物料與空氣摩擦產生靜電積累過高引起火災事故，要求槽車有良好的接地系統，裝車儀啟動后首先監測接地報警信號，若大于100 Ω，則發出接地告警鈴聲，拒絕執行裝車，同時發出聲訊報警。

2.3 定量裝車控制程序設計

在程控裝車過程中，根據設計“一機一位”的原則，多個鶴位進行裝車作業時，應依次順序啟動或停止裝車系統，防止同時啟動或停止多個鶴位，產生“水擊”現象。并且在裝車鶴管浸沒前，以小流量裝車，防止流量太高產生靜電造成危險。在裝車過程中，通過充裝量和實時裝車量差值與在線流量進行計算，判斷剩余時間。裝車快結束時，實現分段關閥，防止管道產生“水擊”。當用鶴管給火車槽車裝車液位到達額定高度或額定流量(需要考慮溫度補償)時，裝車定量控制器關閉液相和氣相閥門，同時發出聲訊報警。閥門的開關狀態應同時在儀表控制間的LCD屏幕上顯示。典型的定量裝車流量曲線[5-6]如圖2所示。

圖2 定量裝車流量曲線示意

在進行自動裝車任務時，操作人員首先通過手動完成鶴管對位。對位完成后，接上靜電接地夾后再向批控儀發出信號，批控儀接到信號后，在檢測到無報警的情況下，運行自動發油控制程序。當控制系統完成操作人員給定的發油量時，自動關閉閥門，記錄發油信息并上傳至控制室上位機PLC。批控儀主流程控制程序[8]如圖3所示。

圖3 批控儀主程序流程示意

3 結束語

該項目于2020年成功投用，總體運行效果良好，實現了生產工藝對火車裝車棧橋的自動化要求，為企業創造了可觀的經濟效益，也使產品揮發損失降到最低限度，減少環境污染，確保裝車安全可靠，同時采用高精度質量流量計，提高裝車自動化程度，使油品計量更為準確。