徐慶松

（中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營257026）

相較于天然氣、原油管道工程，成品油管道工程在設(shè)計過程中，除了各站場、閥室數(shù)據(jù)采集和控制外，需考慮諸多問題，如：在各站場（泵站）、閥室串聯(lián)運行的長輸管道中，整條管線形成一個密閉水力系統(tǒng)，某一處流量或壓力變化都將引起全線操作的變化，水擊波沿管道傳播，極易造成管道某些管段超壓而導致管道破裂，嚴重威脅管道運行安全。因此，如何設(shè)計水擊保護、泄漏檢測系統(tǒng)是管道安全運行的關(guān)鍵；成品油管道的主要功能是順序輸送不同油品，正確的檢測和跟蹤混油界面并及時進行油品分輸和混油界面切割，是保證輸送油品質(zhì)量的關(guān)鍵。

國內(nèi)成品油管道在實際應用與控制水平上，與歐美管輸企業(yè)有較大差距［1］，本文針對某成品油輸油管道工程，參照國家及行業(yè)工程設(shè)計規(guī)范［2-3］，結(jié)合廠商的先進技術(shù)，按照安全、可靠、經(jīng)濟的原則進行設(shè)計，為國內(nèi)成品油管道工程自控系統(tǒng)設(shè)計積累寶貴經(jīng)驗。

1 SCADA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為使成品油管道系統(tǒng)能夠可靠、安全及高效地運行，采用SCADA控制系統(tǒng)監(jiān)視和跟蹤混油界面，實現(xiàn)各站場的順序邏輯控制、泵的超壓保護及防止“水擊”對管道的破壞作用等［4］。SCADA控制系統(tǒng)由調(diào)度控制中心、各站控系統(tǒng)和閥室RTU系統(tǒng)構(gòu)成，調(diào)度控制中心接收各站控系統(tǒng)和RTU上傳的數(shù)據(jù)，對全線進行自動化控制和調(diào)度管理，SCADA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 水擊保護

成品油長輸管道工藝系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的、連續(xù)的水力系統(tǒng)，若首站和某中間站突然出現(xiàn)非正常閥門啟閉和泵機組非正常停運，就會導致水擊現(xiàn)象發(fā)生。同時，在同一條管道內(nèi)順序輸送不同油品時，油品交替界面的混油段的速度會發(fā)生變化，混油段進入泵時，泵的特性將發(fā)生突變，也會引起水擊現(xiàn)象［5］。

在進站與出站主干線設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)和控制進出站壓力。調(diào)節(jié)閥一般選用電液執(zhí)行機構(gòu)，UPS供電，響應速度快，安全可靠，起到一定的水擊保護作用。水擊保護系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 SCADA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

對于管道運行中出現(xiàn)的計劃外停泵、關(guān)閥及設(shè)備故障等可能產(chǎn)生水擊事故，調(diào)節(jié)閥無法正常調(diào)節(jié)時，主要采用水擊超前保護、泄壓保護等措施［6］。如圖2所示，水擊超前保護是在SCADA控制系統(tǒng)中設(shè)置邏輯控制，保護程序的目標是全線無超壓點，泄壓閥盡量不動作，當外輸泵出口壓力高高報警時聯(lián)鎖停泵，保證外輸壓力不會超限；當進站壓力超限時，壓力報警信號會聯(lián)鎖泄放閥對水擊進行泄放，響應時間小于0.1 s。

圖2 水擊保護系統(tǒng)示意

目前，應用較廣的泄壓閥有兩種形式，先導式泄壓閥和氮氣式泄壓閥，其壓力泄放效果都能滿足成品油管道的要求。先導式泄壓閥是依靠閥體內(nèi)部的導閥來開啟的，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，不需要額外的輔助設(shè)施，但由于先導式泄壓閥的導管較細，黏性較大的油品易在導管內(nèi)粘結(jié)，影響泄放效果，不適用于高黏油品，因此成品油泄放選用先導式泄壓閥，原油采用氮氣式泄壓閥［7］。

3 混油界面檢測及處理

在成品油順序輸送過程中，正確地檢測和跟蹤混油界面并能及時進行油品分輸和混油界面切割，是保證輸送油品質(zhì)量的關(guān)鍵。該工程管道輸送的成品油品種為汽油和柴油，其中汽油為92號、95號，柴油為0號、-10號。汽油主要以辛烷值來確定其標號，劃分柴油標號的主要依據(jù)是它的凝固點溫度，均與密度無直接關(guān)系，密度并不是辨別柴油、汽油標號的物理參數(shù)。同一個煉油廠在同一段時期內(nèi)生產(chǎn)的不同標號的汽油、柴油，因基礎(chǔ)油相同，所以其密度也大致相同。

該工程中，混油的界面檢測采用密度計檢測加光學界面儀的方法［8］，光學界面儀是利用不同油品對光的折射率不同的原理進行檢測。在成品油輸送過程中，對于兩種密度差較大的油品介質(zhì)，如柴油推送汽油情況時，通過密度檢測即可以確定油品界面，如圖3所示；對于密度大致相同的油品介質(zhì)，如兩種相鄰牌號汽油推送情況時，需要通過光學界面儀確定油品界面，如圖4所示。

圖3 柴油推送汽油情況下曲線變化示意

圖4 兩種相鄰牌號汽油推送情況下曲線變化示意

該工程在站內(nèi)設(shè)置1套密度計撬用于密度測量，在站內(nèi)及站外1 km處分別設(shè)置1套光學界面儀傳感器，用于混油界面檢測及混油界面切割。混油界面檢測及處理流程如圖5所示，當混油界面通過傳感器B時，光學界面儀控制器會發(fā)送信號至SCADA控制系統(tǒng)，提示操作人員混油界面距離站內(nèi)切換流程有5～10 min，當混油界面通過傳感器A時，SCADA控制系統(tǒng)會發(fā)送指令控制開關(guān)閥進行切油操作。

圖5 混油界面檢測及處理流程示意

4 管道在線模擬仿真與泄漏檢測

管道在線模擬仿真是提高調(diào)度管理水平的一種有力手段，為批次管理、調(diào)度決策提供科學的依據(jù)，利用其泄漏檢測功能，可及時發(fā)現(xiàn)泄漏和定位，減少經(jīng)濟損失和及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，同時其訂單模型、前景預算等對生產(chǎn)調(diào)配起到優(yōu)化作用［9］。管道在線模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 管道在線模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由圖6可知，根據(jù)管道的物理數(shù)據(jù)建立一個精確的管道流體實時瞬態(tài)模型，通過SCADA控制系統(tǒng)實時采集管道系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油品介質(zhì)等參數(shù)并驅(qū)動模型運行，實現(xiàn)對管道流體的準確模擬，同時考慮管道的流體運行狀態(tài)，模擬混油段的性質(zhì)，跟蹤管道內(nèi)批次的運行，提示批次預計到達時間，協(xié)助切油操作。

利用管道在線模擬仿真，可以實現(xiàn)管道泄漏檢測與定位，該種通過軟件模型方式的泄漏檢測技術(shù)是依據(jù)實時瞬態(tài)模型法，即在管道穩(wěn)定運行的情況下，管道內(nèi)產(chǎn)品的凈流量應守恒的原理。

目前，管道泄漏檢測一般采用負壓波方法，該方法在負壓波的基礎(chǔ)上結(jié)合軟件模型法的方式，當負壓波發(fā)生報警時，通過軟件方式對管道泄漏情況進行確認，從而避免因正常壓力波動而觸發(fā)的不必要的聯(lián)鎖關(guān)斷。負壓波和軟件模型法在泄漏檢測方式上區(qū)別見表1所列。

表1 負壓波和軟件模型法泄漏檢測方式比較

5 結(jié)束語

本文主要介紹了成品油管道中自控系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容，采用SCADA系統(tǒng)監(jiān)視和跟蹤混油界面，并防止水擊對管道的破壞作用等；“密度計檢測+光學界面儀”的方法可以及時準確地確定成品油混油界面；管道在線模擬仿真為批次管理、調(diào)度決策、泄漏檢測提供了科學的依據(jù)。