劉北，田赤勇，王云峰

(國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華中分公司 湖南輸油處，湖南 長(zhǎng)沙410000)

為解決成品油管道輸送線路長(zhǎng)、下載點(diǎn)多、停輸時(shí)間短，管道內(nèi)油品計(jì)量受壓力溫度影響、無法在線進(jìn)行油品數(shù)量有效盤點(diǎn)，無法實(shí)時(shí)掌握首站油庫(kù)出庫(kù)損耗、管道庫(kù)油品輸送損耗，無法在油品數(shù)量事件的追溯上提供數(shù)據(jù)支撐以及計(jì)量交接數(shù)據(jù)錄入消耗大量人工，且無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)齊等問題，開發(fā)了“基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的成品油管輸自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)”，既方便了計(jì)量、生產(chǎn)運(yùn)行等人員對(duì)油品數(shù)量實(shí)時(shí)盤點(diǎn)及掌握數(shù)量損耗的實(shí)際需求，又提高了崗位人員的工作效率，減少交接計(jì)量中的數(shù)據(jù)誤差，為油品數(shù)量事件追溯提供了較好的數(shù)據(jù)支撐，并建立計(jì)量設(shè)備在線監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，有效避免油品數(shù)量糾紛，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)對(duì)成品油管道遠(yuǎn)距離輸送過程中管線泄漏和打孔盜油等事故起到有效防范監(jiān)督作用[1]。

1 項(xiàng)目背景

一條完整的成品油管道組成如圖1所示，由首站庫(kù)、長(zhǎng)輸管道、下載站組成。某成品油管道由1庫(kù)9站組成，管道全長(zhǎng)近800 km。對(duì)于首站庫(kù)入庫(kù)損耗主要采取入庫(kù)流量計(jì)計(jì)量，油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)相輔的方式，對(duì)于入庫(kù)損耗較容易控制；對(duì)于管輸損耗主要采取下載流量計(jì)為主、出庫(kù)質(zhì)量流量計(jì)相輔的方式，但長(zhǎng)輸管道管道鋪底油近5×104t，管容量相當(dāng)于一個(gè)二級(jí)油庫(kù)，受各管段壓力、溫度、密度影響，管道存油量動(dòng)態(tài)波動(dòng)，現(xiàn)有計(jì)量技術(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)量，管輸損耗較難準(zhǔn)確控制。

圖1 成品油管道組成示意

日常交接盤點(diǎn)受人為因素影響，數(shù)據(jù)存在時(shí)間差，不準(zhǔn)確、漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，無法實(shí)現(xiàn)管道庫(kù)的動(dòng)態(tài)計(jì)量盤點(diǎn)與精確盤點(diǎn)。月結(jié)出現(xiàn)差量時(shí)，由于沒有自動(dòng)采集形成的各種數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史計(jì)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)支撐進(jìn)行溯源，需要花費(fèi)大量的人力分析是造成差量的主要原因。該成品油管道在首站庫(kù)內(nèi)投用了統(tǒng)一的油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)油庫(kù)內(nèi)單罐油品庫(kù)存、發(fā)出數(shù)量、體積量的統(tǒng)一管理，多點(diǎn)密度、溫度修正進(jìn)一步減少計(jì)量誤差，降低損耗，但僅在油庫(kù)內(nèi)進(jìn)行計(jì)量分析，相對(duì)單一，未與下載站及長(zhǎng)輸管道庫(kù)形成完整的計(jì)量系統(tǒng)，無法進(jìn)行綜合計(jì)量分析[2]。

2 項(xiàng)目開發(fā)

根據(jù)成品油長(zhǎng)輸管道監(jiān)控首站油庫(kù)入庫(kù)損耗情況，掌握管道庫(kù)油品輸送實(shí)時(shí)狀況的需要，某公司開發(fā)了基于SCADA的成品油管輸自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，利用現(xiàn)有計(jì)量?jī)x表，根據(jù)運(yùn)行方式進(jìn)行數(shù)字算法建模，監(jiān)測(cè)采集首站庫(kù)油罐的發(fā)出量，檢測(cè)和計(jì)算管道庫(kù)存油的變化量以及下載站的下載量，掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析損耗原因；同時(shí)為了有效控制計(jì)量交接誤差、實(shí)現(xiàn)與受油單位實(shí)時(shí)核對(duì)日下載量，強(qiáng)化計(jì)量監(jiān)督作用，組織相關(guān)單位及部門針對(duì)成品油管道順序輸送時(shí)復(fù)雜的工藝流程、管道輸送運(yùn)行計(jì)劃、油品跟蹤、混油切割回?fù)揭约罢麄€(gè)水力系統(tǒng)中密度、溫度、壓力[3]等對(duì)油品數(shù)量產(chǎn)生的變化因素進(jìn)行了算法優(yōu)化和可行性論證。

整套系統(tǒng)以管輸SCADA為平臺(tái)進(jìn)行自主研發(fā)，分別設(shè)計(jì)開發(fā)了油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)、管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)和管輸靜態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于管輸SCADA為運(yùn)行平臺(tái)搭設(shè)，組態(tài)軟件內(nèi)嵌于HMI操作站系統(tǒng)中，綜合共享了SCADA、現(xiàn)有計(jì)量?jī)x表和過程儀表。在降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投入的基礎(chǔ)上更有效方便的將油庫(kù)液位計(jì)的數(shù)據(jù)、下載站質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)、流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、溫度及密度數(shù)據(jù)集成，避免了數(shù)據(jù)信息孤島實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建了完整的成品油管道自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)沿用了SCADA的數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、及發(fā)布功能，植入動(dòng)態(tài)分析、趨勢(shì)管理、自動(dòng)交換計(jì)量盤點(diǎn)等要素，是使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)整合性能高的分析型軟件。以下分別對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行功能介紹。

2.1 油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)

油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)包括： 單油品批次計(jì)劃內(nèi)首站庫(kù)單罐存油實(shí)時(shí)數(shù)量、單罐發(fā)油損耗以及不同種類的油品在單油品批次計(jì)劃內(nèi)的發(fā)出量和總損耗。該子系統(tǒng)既可實(shí)時(shí)進(jìn)行單罐的盤點(diǎn)及損耗分析，又可對(duì)單批次內(nèi)的不同種類油品的總量盤點(diǎn)和損耗分析，系統(tǒng)數(shù)據(jù)根據(jù)單罐分層密度、溫度以及首站注入密度、進(jìn)站注入油溫進(jìn)行修正，保證計(jì)量允許誤差在±0.28%以內(nèi)，油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面示意

2.2 管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)

管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)包括： 首站庫(kù)每分鐘實(shí)時(shí)注入的汽油、柴油和總油品數(shù)量，各下載站每分鐘實(shí)時(shí)下載的汽油、柴油和總油品數(shù)量，管道庫(kù)每分鐘存量的損耗以及富柴、富汽、泄壓、污油罐每分鐘存量的變化量以及實(shí)時(shí)的油品跟蹤界面，從而自動(dòng)計(jì)算管輸動(dòng)態(tài)損耗。管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面示意

依據(jù)式(1)計(jì)算管輸動(dòng)態(tài)損耗量[4]，其中富柴罐按車柴計(jì)量、富汽罐按92號(hào)汽油計(jì)量。

管輸動(dòng)態(tài)損耗量=首站發(fā)油量-管存動(dòng)態(tài)損耗量-各站下載量-小罐變化量

(1)

式中： 式(1)中所有的量均為每分鐘損耗量；小罐變化量——混油罐、泄放罐、污油罐油品數(shù)量變化量。

該子系統(tǒng)運(yùn)用油品油頭跟蹤功能對(duì)管存動(dòng)態(tài)損耗模型進(jìn)行定義，反映每分鐘管道庫(kù)內(nèi)存油在溫度、密度、壓力等要素的校正下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗狀況，管存動(dòng)態(tài)損耗模型如式(2)所示：

Δm(t)=m(t+1)-m(t)

(2)

式中：A——油頭N+1輸送方向前面的站場(chǎng)數(shù)；B——油頭N+1的管道容積百分比數(shù)，油頭1為100%；t——時(shí)間，min；m——一段油品的質(zhì)量，t；c——現(xiàn)運(yùn)行管道中單種油品段的個(gè)數(shù)；ρ——當(dāng)站在線密度與下載質(zhì)量流量計(jì)密度對(duì)比校正值；VV校正——管道總?cè)莘e校正值；t校正——溫度校正值；Δmw——管存動(dòng)態(tài)損耗量，t。

為了保證管輸動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精度在±0.28%的計(jì)量允許誤差以內(nèi)，通過一系列的軟硬件及工藝運(yùn)行特點(diǎn)分析進(jìn)行改良提升，主要包括：

1)首油庫(kù)架設(shè)流量計(jì)算機(jī)，將外輸流量采樣周期從5 s/次提升至50 ms/次，增加每分鐘流量采樣次數(shù)，盡量消除流量波動(dòng)誤差。

2)對(duì)各下載站場(chǎng)流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行精度復(fù)核與采集校正。

3)管存容積表嚴(yán)格按照調(diào)度中心管道容積表編制，分管徑分區(qū)段，將管段分為三段進(jìn)行各自的油品跟蹤與計(jì)量。

4)各站場(chǎng)泄放罐、污油罐、混油罐嚴(yán)格按照容積表檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行計(jì)量。

5)根據(jù)某中間站越站與否的兩種運(yùn)行方式，對(duì)該段管道容積按照某中間站下載條件進(jìn)行自動(dòng)切換，保證油頭準(zhǔn)確。

6)對(duì)各站進(jìn)站密度計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)進(jìn)行校正，與下載質(zhì)量流量計(jì)密度進(jìn)行對(duì)比校正，滿足精度要求。

7)校正各站進(jìn)站溫度滿足精度要求。

2.3 管輸靜態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)

管輸靜態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)包括： 首站庫(kù)單批次或連續(xù)批次注入的汽、柴油和總油品數(shù)量，各下載站單批次或連續(xù)批次下載的汽、柴油和總油品數(shù)量，管道庫(kù)單批次或連續(xù)批次存量的損耗，富柴、富汽、泄壓、污油罐單批次或連續(xù)批次存量的變化量以及人工拖入拖出油品變化量，從而自動(dòng)計(jì)算管輸靜態(tài)損耗量。管輸靜態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 管輸靜態(tài)自動(dòng)計(jì)量子系統(tǒng)界面示意

管輸靜態(tài)損耗量計(jì)算如式(3)所示，其中富柴罐按車柴計(jì)量、富汽罐按92號(hào)汽油計(jì)量。

(3)

式中： 式(3)中所有的量均是以單批次或連續(xù)批次為單位的損耗量；小罐變化量——混油罐、泄放罐、污油罐油品數(shù)量變化量；其他變化量——人工拖入拖出油品變化量，可通過界面直接鍵入?yún)⒓佑?jì)算。

針對(duì)同時(shí)單批次或連續(xù)批次的停輸時(shí)段的管存油品分段情況，定義管存靜態(tài)損耗，反映了管存不同批次油品在密度、溫度、壓力等因素的修正下，針對(duì)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行管存靜態(tài)損耗建模，管存靜態(tài)損耗模型如式(4)所示：

(4)

Δmw1=Δm1(t1)

式中：A1——停輸時(shí)輸送方向的站場(chǎng)數(shù)；t1——油品批次數(shù)；m1——管存油品的質(zhì)量，t；Δmw1——管存靜態(tài)損耗量，t。

2.4 歷史趨勢(shì)畫面

歷史趨勢(shì)畫面可以選擇任意時(shí)間段，分別查看管輸動(dòng)態(tài)損耗、首站庫(kù)發(fā)油量趨勢(shì)以及各下載站下載量趨勢(shì)的各種歷史數(shù)據(jù)，提供相應(yīng)的歷史曲線打印功能，時(shí)間記錄分辨率為1 min。

2.5 報(bào)警功能

報(bào)警設(shè)計(jì)中順序排列著系統(tǒng)的報(bào)警信息，包括： 日期、時(shí)間、說明、類型、級(jí)別、確認(rèn)、數(shù)值、限值等內(nèi)容，且最后產(chǎn)生的報(bào)警排在最上面。針對(duì)管輸損耗過大及油庫(kù)單罐之間竄油事件判斷設(shè)計(jì)報(bào)警提示，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1)當(dāng)管輸動(dòng)態(tài)損耗在一定時(shí)間段內(nèi)持續(xù)在允許誤差范圍以外，系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警。操作人員應(yīng)及時(shí)確認(rèn)報(bào)警，并判斷是否存在計(jì)量設(shè)備故障或防范外管道打孔盜油事件。

2)設(shè)計(jì)首站庫(kù)單罐在進(jìn)出口閥判斷為關(guān)閉時(shí)180 s內(nèi)液位變化量超過3 mm，操作人員應(yīng)及時(shí)確認(rèn)報(bào)警，并判斷是否存在計(jì)量設(shè)備故障或防范閥門內(nèi)漏造成的單罐之間的竄油事件。

2.6 報(bào)表功能

系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表，分別為單批次計(jì)量盤點(diǎn)報(bào)表和單日計(jì)量盤點(diǎn)報(bào)表。單批次計(jì)量盤點(diǎn)報(bào)表包括： 單一批次計(jì)劃內(nèi)各站的油品數(shù)量的發(fā)出(下載)量、管存損耗量以及管輸?shù)木C合損耗量，主要適用于單一批次計(jì)劃內(nèi)各站油品的數(shù)量盤點(diǎn)、損耗分析；單日計(jì)量盤點(diǎn)報(bào)表主要實(shí)現(xiàn)油品每日一鍵盤點(diǎn)，包括： 每日9點(diǎn)至次日9點(diǎn)首站油庫(kù)注入不同品種油品數(shù)量及各下載站下載不同品種的油品數(shù)量，系統(tǒng)自動(dòng)生成LIMS系統(tǒng)每日盤點(diǎn)所需數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)齊、動(dòng)態(tài)盤點(diǎn)，大幅降低工作量，減少人工誤差，實(shí)現(xiàn)人工數(shù)據(jù)盤點(diǎn)與每日自動(dòng)一鍵盤點(diǎn)誤差率控制在±0.28%允許范圍內(nèi)[5]。

3 項(xiàng)目特點(diǎn)

該成品油管輸自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)具有以下五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)現(xiàn)了油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)與管輸系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，消除了數(shù)據(jù)孤島，為首站油庫(kù)油品注入管道的數(shù)量比對(duì)工作提供數(shù)據(jù)支撐，較大程度上降低了首站庫(kù)注入管道庫(kù)的交接計(jì)量誤差。

2)完善了首站庫(kù)油罐的發(fā)出量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，檢測(cè)和計(jì)算管道庫(kù)存油的變化量以及下載站的下載量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)管輸損耗異常預(yù)警功能，有效地反映油品泄漏、計(jì)量?jī)x器設(shè)備故障情況，對(duì)打孔盜油事件起到有效防范監(jiān)督作用。

3)當(dāng)單批次或月度出現(xiàn)損耗時(shí)，可通過查詢油品動(dòng)態(tài)損耗曲線發(fā)現(xiàn)具體的油品損耗時(shí)段，通過對(duì)該時(shí)段的油品計(jì)量參數(shù)的損耗位置查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)損耗的追溯管理。

4)利用油品每日一鍵盤點(diǎn)功能，保證各站數(shù)據(jù)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)每日管道與受油單位交易率100%，大幅降低工作量，減少人工誤差，將人工數(shù)據(jù)盤點(diǎn)與每日自動(dòng)一鍵盤點(diǎn)交接計(jì)量誤差率控制在±0.28%允許范圍內(nèi)。

5)通過對(duì)單罐未收發(fā)油時(shí)油品數(shù)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)同種、同一流程內(nèi)的油品的竄罐進(jìn)行預(yù)警，保障油品質(zhì)量安全。

4 效 益

系統(tǒng)投用后，該成品油管道的交接計(jì)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，方便了質(zhì)量管理人員實(shí)時(shí)核對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)和損耗分析，追溯損耗原因，提升了成品油管道油品計(jì)量交接的管理水平。通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)核對(duì)，交接計(jì)量誤差得到有效控制和減小，截至2020年4月，成品油管道交接計(jì)量誤差始終控制在允許的±0.28%以內(nèi)。2020年該成品油管道預(yù)計(jì)輸送量為4.4 Mt，交接計(jì)量誤差為0.28%，每降低誤差0.01%可獲得計(jì)量效益440 t約人民幣352萬元。同時(shí)，為成品油管道遠(yuǎn)距離安全輸送提供了有效保障，具有很好的社會(huì)效益。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)投用后，成品油管輸交接計(jì)量誤差控制在±0.28%以內(nèi)，確保了交接計(jì)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理、功能完善，提高了工作效率和管理水平，對(duì)該成品油管道的交接計(jì)量數(shù)據(jù)起到了監(jiān)督作用，值得其他同類企業(yè)借鑒。