定量裝車系統更新效果評析及影響因素探究

黃興航

(中國石化青島石油化工有限責任公司，山東 青島 266043)

某煉油廠汽車裝車場原定量裝車系統2005年投用，與裝車機泵監控PLC系統、地磅稱重系統、現場各鶴位批量控制器(以下簡稱批控器)、質量流量計、多段控制閥等配套使用，是液體石油產品汽車定量裝車計量的主要監控設備。該系統投用之初較大提升了裝車設備的自動化控制水平，但隨著裝車規模的擴大，暴露出諸多不足，尤其是設計理念已經遠不能滿足現代化企業裝車管理的需求。

1 原定量裝車系統狀況

1.1 系統的不足

由于該裝車定量系統操作缺乏連貫性，部分環節需由人工完成，操作更多地依賴于操作員的經驗和熟練程度，操作界面不友好、導致裝車工作效率低，且勞動強度大，有時會造成誤操作，安全隱患大、運行成本高。

1.2 可靠性和安全性設計欠缺

設備可靠性是生產安全的保障，原定量裝車過程未能實現完全自動控制和安全聯鎖，設計不完善、可靠性較差，存在以下幾方面問題：

1)地磅稱重系統和裝車泵監控系統均獨立設置，沒能與定量裝車系統整合成1套系統平臺，統一管理和監控，相互協作能力弱且存有安全隱患。

2)該系統裝車采用質量流量計與地磅結合方式，質量流量計用于裝車控制，貿易結算采用地磅稱重。計量交接方式流程長，效率不高，存在罐車水箱稱皮重后人為放水操作等漏洞，且地磅作為精密儀器，維護量大，使用限制多。

3)裝車過程中裝車批控器不穩定，精度低，實際操作中發現部分批次裝車超標或不足，質量流量計和地磅稱重數據差值較大，影響計量交接。

1.3 備件及服務能力不足

該系統使用已達15年之久，系統陳舊、設備老化、故障頻發。原批控器產品及配件為非標準件，原廠備件生產及服務能力不足，使該系統不能進行有效的可持續應用及維護。

2 裝車系統更新概況

鑒于原定量裝車系統存在的問題，在不影響開工期間油品正常出廠的前提下一次性解決所有問題，無論在施工周期和投資上均不現實，經研究確定，按照平臺先進、痛點優先、規劃預留的思路分步實施設備更新改造，實施過程如下：

1)因投資費用受限，不考慮功能擴展，只考慮原定量裝車系統更換，保持原裝車業務流程。

2)現場流量計、控制閥利舊，只需對新增電纜重新敷設。重新規劃裝車場儀表機柜室，并對裝車操作室進行布局。

3)新系統平臺安裝調試就位后，將現場暫不裝車的鶴位逐個遷移接至新系統，在線升級替換期間現有裝車系統保持不變，仍可正常裝車和傳輸數據，直至全部等位替換。

2.1 新系統架構及功能

新定量裝車系統在不改變原有管理流程的情況下，采用DL8000批控器、OpenEnterprise軟件以及ControlWave Micro通信管理器實現定量裝車功能。該系統以服務器為核心，服務器之間采用以太網連接，主控制器與現場批控器之間采用RS-485通信，同時具備以太網通信功能，系統的架構如圖1所示。裝車鶴位設置獨立的批控器，既可以在中心控制室統一控制裝車，又可以現場控制裝車，各裝車鶴位相對獨立，以服務器為核心完成各自的功能，在系統異常情況下，各鶴位均能獨立完成定量裝車基本功能，可靠性高。

圖1 新定量裝車系統架構示意

2.1.1系統功能

該系統的主要功能如下：

1)與企業資源計劃系統(ERP)通過Web Service接口通信，實時獲取裝車訂單信息。

2)定量裝車控制。確定工作參數之后，批控器就會按照指定的程序完成自動裝車過程，當裝載量達到設定值時，自動停止裝車。

3)數據采集。批控器可采集流量計脈沖信號或標準電流信號、溢油信號、靜電接地信號、閥門狀態信號以及其他與本鶴位對應的儀表信號，并實現聯鎖控制功能。

4)標準的與第三方系統通信接口，使第三方系統能夠與裝車管理系統完成數據交換。地磅稱重系統等可通過采用RS-485接口Modbus RTU協議接入裝車管理系統。

2.1.2裝車監控管理平臺

上位機管理所有批控器，在上位機上可以實現系統配置、發貨參數設置、調試參數設置、系統編輯、發貨實時控制等，并記錄歷史數據，同時下位機實時向上位機發送發貨數據，在顯示界面上實時顯示發貨情況；故障發生時會有報警提示，還可以查詢歷史數據并打印報表。

網絡通信系統主要由工業用通信卡、接口轉換器、專用通信電纜等組成，是連接現場控制系統與上位機系統的紐帶，可實現與現有地磅系統、ERP系統的通信。

裝車軟件支持今后控制系統的功能擴展。還可以實現與批控器和質量流量計的自診斷功能，當現場設備出現故障時能及時通知操作員處理故障設備，避免裝車事故發生，提高裝置安全可靠性。主要功能特點如下：

數據采集和顯示、裝車畫面動態顯示、報警功能、趨勢圖顯示功能、發油控制功能、數據記錄及報表功能、系統自診斷功能、權限管理和操作記錄、客戶管理、數據維護、通信功能。開放數據庫只讀權限給ERPMES等系統共享業務數據；提供Modbus接口，同時提供標準OPC接口，供其他第三方系統使用。

2.1.3批控器

批控器是現場安裝的控制儀表，也是計量控制儀表。它直接安裝在每個裝車鶴位鶴管旁邊，通過控制閥門、采集流量計信號以及回訊信號等其他的控制信號，安全、精準、快速地完成裝車作業，并與上位計算機相連，可完成裝車數據及流量計狀態采集、報表制作等工作。具有以下特點：

1)采用隔爆型防爆結構，防爆等級為EXdIIBT6，防護等級為IP66。

2)根據裝車操作要求，采集流量計脈沖信號、裝車控制閥以及閥位反饋信號，并設有靜電接地檢測開關接口。此外，控制器具有與中心控制室控制系統通信的功能，通信協議為TCP/IP-Modbus或Modbus-RTU。

3)批控器在控制器面板上設定裝車流量，控制裝車控制閥，實現自動裝車。控制器面板設有LCD顯示器，能實時顯示發貨的數量并顯示和記錄發貨的質量。控制器面板在白天強光下能清晰顯示，并適應環境溫度。

4)批控器具有可編程功能。根據操作要求，選擇不同類型的輸出卡件，可控制不同類型的閥門來完成裝車流程，可以控制的閥門包括：兩段閥、數字閥(或稱電液閥)或4～20 mA的模擬閥。通過內置的裝車控制程序來調節模擬閥，實現分級多段控制，在0～100%開度范圍內自動控制流量，如，低流量起動—正常流量裝車—低流量過渡—裝車結束。為防止閥門在4 mA時無法完全關死，引起控制器的報警，可以編寫特定的程序，來控制1臺額外的開關閥來保證裝車完畢時閥門完全關閉。當批控器停閥命令發出后，如果裝車量已達到預裝量，但是控制閥仍然有泄漏，則此時采用DO輸出一個信號控制開關閥。在每次裝車開始時，會首先打開該開關閥，然后由模擬閥控制裝車各階段的流量。

5)具有無流量及小流量報警功能。可以通過軟件設置無流量報警和小流量限值，當輸入預裝量并開始裝車時，如果在設置的時間范圍內檢測到無流量則產生報警并關閉閥門結束裝車，如果流量小于所設置的限值同樣會報警并關閉閥門結束裝車，這樣可以避免操作人員私自切除流量計電源而發生數據丟失問題。如果突然切除了質量流量計變送器電源，控制器則無法接收流量脈沖信號，一段時間后，控制器自動認為是無流量狀態，執行報警并停止裝車。

6)批控器具備多種報警信號的輸入與輸出設置。除接地、溢流等常規報警信號外，批控器還可以根據需要連接其他報警設備，實現聯鎖控制。

7)可進行氣相回收計量。在裝車過程中，批控器會實時計量回收氣體的量，等到裝車完成后，無須再扣除回收量，保證了實際裝車的準確度。

2.2 更新效果

根據項目規劃，只更新了系統軟件和現場批控器。新系統更新實施完畢并投用正常后，以22號～25號低硫船燃油鶴位更新前后流量計、地衡計量數據為例，數據分析對比見表1所列。

表1 燃料油鶴管定量裝車改造前后對比

該系統更新后，應用效果如下：

1)表衡差率提高：0.169%-0.048%≈0.12%。

2)以更新后裝車量計算，共節省裝車量：35 081×0.12%≈42.097(t)。

3)按低硫船燃油市場價350美元/噸計(匯率按1美元=6.86人民幣)；4個汽車船燃裝車鶴位每天效益估算：42.097÷6×350×6.86≈16 845.82(元)。

3 裝車精度影響因素分析

設備可靠性和精度問題一直是定量裝車設施的痛點問題，因此分析影響定量裝車精度的主要因素尤為重要。

3.1 質量流量計

質量流量計的誤差對定量裝車系統影響較大，在裝車過程中，一定要將裝車流量控制在正常工況內，并對影響流量計精度的因素進行檢查確認，如溫度、壓力的補償，兩相流，振動，小流量，安裝方式等。在裝車過程中，以工況的不穩定兩相流影響最為常見，如泡狀流、團狀流、空滿空，主要成因為持續的、均勻分布的氣泡，工藝異常引起的周期性氣泡，明確的氣液交替等。裝車過程必須盡量避免并高度關注含氣工況，該工況難以測量，極易高估含氣量。氣液兩相對流量計不確定度的影響如圖2所示。當氣相比率GVF(Gas Void Fraction)小于5%時，不確定度小于1%。可見當液態產品裝車時，氣相比率越小、流速越大時，則測量不確定度越小，測量精度也就越高。

圖2 氣液兩相對流量表不確定度的影響示意

液態介質夾攜氣體通常由工藝掃線、頻繁啟停泵等原因造成，一般通過安裝氣液分離罐或減小閥門開度來解決，即在掃線開始時減小流量計下游閥門的開度，提高背壓以及含氣介質的流速，從而減少流量計測量不確定度，提高計量精度。流量計的下游必須保證合適的背壓以確保被測油品在流經流量計后不產生氣穴/汽蝕現象。一般使流量計前后的壓差小于0.1 MPa，流量計下游的壓力大于0.25 MPa。

3.2 電液閥

由中心控制室定量裝車系統發出遠程指令控制電液閥的通斷，其通斷的效果會間接影響定量裝車的準確程度，低流量和最后閥門流通面積是由閥門執行機構響應時間特性引起的“過沖量”，其主要受到電液閥響應速度的影響。

以DN100油品管線為例，密度987 kg/m3，質量流量qm=6 t/h(流速v為0.212 m/s)，槽車裝車量為35 t，時間為1 s，所造成的誤差為：

或者表達為

借鑒前饋控制理論，可以考慮適當預補償電液閥的過沖量，根據新系統自身數據庫，及時修正提前量。批控器需要對流速相對應的關閥量提前建立數據庫，如果通過對關閥流速的測量調用數據庫數據來預先解決關閥時間，這樣可以大幅減少該誤差。

3.3 批控器

批控器采用預設的邏輯控制閥門，實現小流量開，大流量發，小流量關的發貨曲線，減少靜電的積聚，避免水擊的發生等。定量裝車系統典型控制流程如圖3所示。

圖3 定量裝車典型控制流程示意

在定量裝車系統發出開始裝車指令后，批控器通過預設邏輯控制閥門，以實現上述裝車控制要求。批控器是控制系統的核心，從圖3可看出，裝車過程大體分為三部分，低流量啟動部分、高流速裝車部分、低流量精確控制部分，在實際裝車中，批控器根據瞬時流量和剩余的裝車量，自動調節電液閥的開度使流量保持在穩定值，當剩余裝車量達到預關閉階段時，逐步關閥降低流量，直到裝車量達到控制給定值。該裝車過程中，減少了靜電積聚，避免水擊，實現安全裝車。其中批控器的精度和可靠性是關鍵，根據頻率脈沖信號無衰減的傳輸特點，通過采集流量計脈沖信號并使其無精度損失，實現安全、可靠、穩定的裝車。

綜合以上因素，在質量流量計誤差和電液閥關閉滯后誤差基本確定的情況下，應選擇高精度可靠的批控器來滿足裝車δ<2‰的貿易交接要求。通過解決批控器的控制精度問題，可以使油品裝車從地磅交接過渡到流量計交接，從而簡化管理流程，節約運行成本。為進一步提高裝車效率和精度，還需從根本上優化流量計測量誤差δ1。

4 改進及建議

4.1 新系統在裝車業務管理存在的問題

1)定量裝車過程能初步實現自動控制和聯鎖，但裝車泵由原PLC系統監控，未能與新系統進行協調管理、聯動控制。

2)裝車計量管理不統一，定量裝車系統、地磅稱重系統、裝車泵監控系統獨立設置，計量數據分散且計量標準不一。地磅稱重系統與新系統雖然建立了Modbus通信，地磅稱重系統可以讀取定量裝車系統部分數據，但地磅稱重系統數據未能傳送給定量裝車系統。

3)原有ERP接口受限，定量裝車系統實裝量數據無法回傳給ERP客戶。有待于完成數據回傳功能，實現訂單管理的自動閉環。

4.2 裝車業務流程存在的問題

1)目前訂單號需要操作員手動輸入，在車輛較多時效率會降低，建議增加一卡通，將地磅稱重數據接入定量裝車系統，從進廠稱重開始制卡，綁定從ERP取回的訂單數據；司機持卡自行至現場刷卡即可裝車；裝車完成后刷卡稱重結算，并交回卡片。

2)相對于現有的人工呼叫啟泵及人為控制錯車不停泵操作，需將泵啟、停信號接入裝車系統，將大幅提高裝車效率，降低操作人員工作量。

3)在現場工藝條件允許的情況下，增加泵出口必要的裝車循環線，以確保裝車介質工況穩定，降低δ1。

4)裝車作業過程缺少連貫性，人員身份識別、數據錄入過程等需手動參與環節偏多，需要進一步提高自動化水平。

4.3 工藝流程及配套設施

現有液態烴產品的裝車流程為1臺機泵對應多個鶴位，且機泵未設變頻控制和壓力返回線，無法滿足裝車壓力穩定的要求。裝車過程機泵頻繁啟停，導致頻繁出現低流量報警，批控器停裝現象，不僅使裝車操作變得被動，而且使質量流量計測量精度受到影響，需完善裝車公共配套工藝流程。

部分鶴位采用了兩段式電液閥，該類閥門適用于一般不易揮發的油品裝車，只有小開度和全開兩個位置可以控制，由于現場部分兩段式閥門小開度無法調節，導致開始裝車時和裝車末段的小流量控制階段流速過大，除了有安全風險外，會導致裝車末段控制精度問題，只能通過增大裝車末段小流量控制階段的時間，導致裝車效率較低。

對于易氣化的化工品裝車鶴位，如丙烯、丙烷等，存在如下問題：

1)由于介質易氣化，每次啟動泵時會存在管道壓力不穩現象，導致泵不易啟動，且啟動后存在管道介質不能滿管現象，對最終計量精度有影響。

2)閥門為電液閥，但是沒有壓力變送器，無法檢測質量流量計所需的穩定背壓，最終影響δ1。

3)沒有使用氣相回收管線，在裝車末段時因產品氣化導致罐車壓力上升，壓力過高而無法順利完成預裝量，氣溫較高的夏季尤為明顯。

4)大部分裝車鶴位目前沒有防溢油探頭，為防止裝車設施故障時導致油品溢出，影響安全環保，防溢油檢測是必不可少的保護措施。

5 結束語

新的定量裝車系統投運后，提高了裝車效率，降低人員工作量。后續，應將機泵監控系統整合到該系統平臺中，實現裝車過程和機泵控制協調管理、聯動控制；逐步擴展自動化功能，完善工藝流程和裝車業務流程，從ERP下單、門禁管理、排隊叫號、裝車出廠全流程實現智能化裝車。大幅簡化人員現場手動操作環節，減輕勞動強度。提升罐區裝車自動化程度，實現對現場設備的故障診斷，并為裝車管理和智能診斷一體化解決方案提供軟硬件平臺。最終實現以質量流量計進行貿易交接的高效、安全、智能的定量裝車一體化控制。