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    （中油龍慧自動化工程有限公司，北京 100101）黃懿雪，李國棟，郭長濱
                              
    黃懿雪（1971-）男，福建人，高級工程師，現(xiàn)就職于中油龍慧自動化工程有限公司，研究方向為長輸管道自動化系統(tǒng)。

    摘要：本文針對成品油混輸監(jiān)測系統(tǒng)的功能和精度要求，提出了管段流量界面法和逐站密度檢測修正方法結合來進行成品油批次計算；在介紹成品油管道現(xiàn)場儀表數(shù)值特點的基礎上，論述了成品油混輸監(jiān)測系統(tǒng)研究過程中批次里程計算、逐站密度修正算法、流量數(shù)據(jù)特點、當量管道長度計算和修正方法，該方法已經(jīng)在蘭成渝、西部成品油管道上進行實際應用。

    關鍵詞：混合輸送，混油界面，當量管道長度，批次跟蹤

    Abstract: In order to satisfy the functional and precision requirements of mixed product oil transfer supervision system, this paper proposed a combined solution to calculate the batches of product oil by integratethe method of pipeline flow interface and the method of per-station density correction together. Based on the introduction of on-site meter value features of product oil pipeline, this paper discussed the calculation of batch mileage, the algorithm of per-station density correction, features of flow data and the calculation and correction of equivalent length of pipeline in the R &D process of the mixed product oil transfer supervision system. At present, this solution has been used on Lanzhou-Chengdu-Chongqing Product Oil Pipeline and the Western Product Oil Pipeline.

    Key words: Mixed product oil transfer; mixed oil interface; equivalent length of pipeline; batch tracking

    1 前言

    為了提高管道輸送效率，成品油管道普遍采用了順序輸送方式連續(xù)輸送多種類型油品，管道沿途設有多個分輸站，對輸送的油品進行分輸。隨著油品分輸，管道流量呈階梯狀遞減，管徑也隨之發(fā)生變化。

    不同的油品在密閉管道中順序輸送，由于不同油品的相互擴散會產(chǎn)生混油現(xiàn)象，所以在接合面處出現(xiàn)了一段密度介于相鄰兩種油品密度之間的混油區(qū)。隨著輸送距離增加，混油區(qū)體積也不斷增加。在實際生產(chǎn)中，管道輸送一般采用首站場不同油品連續(xù)注入、中間站場純油注入或分輸、管道末站統(tǒng)一處理混油區(qū)油品的工藝流程。為了保證中間站場盡可能多的純油注入或者分輸，末站場盡可能少的混油處理，都需要調度人員和工藝人員實時準確的監(jiān)測到管道中各種油品的里程和混油區(qū)體積。

    成品油混輸監(jiān)測系統(tǒng)主要是從管道SCADA系統(tǒng)、管道數(shù)據(jù)平臺獲取管道運行過程中的工藝數(shù)據(jù)，自動跟蹤并計算管道混輸?shù)呐螖?shù)量變化、批次里程變化、批次混油變化，從而為管道調度人員和工藝人員提供油品注入、分輸和混油切割處理操作的依據(jù)。通過混輸監(jiān)測系統(tǒng)，調度人員和工藝人員可以準確監(jiān)測管道中多個混油區(qū)的位置和長度，可以盡可能的多分輸油品，減少末端統(tǒng)一處理的混油體積，保證銷售油品的品質，提高管道輸送的經(jīng)濟效益。
                      
                      
                             圖1   混輸監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)層次示意圖

    調度人員需要隨時監(jiān)測管道輸送油品批次和批次位置，這是對成品油進行分輸?shù)闹饕罁?jù)，另外，管道停輸、末站混油處理等工藝操作也需要準確的批次數(shù)據(jù)。混油監(jiān)測系統(tǒng)是管道調度人員進行批次跟蹤作業(yè)的重要依據(jù)，因此，它的計算精度高低直接影響調控成品油管道的運行管理水平。

    本研究根據(jù)成品油管道混輸監(jiān)測的需要，對混輸監(jiān)測技術進行了研究，并根據(jù)研究成果實現(xiàn)了混輸監(jiān)測軟件的開發(fā)，目前該軟件已應用于西部成品油、蘭成渝管道。

    2 批次里程計算方法

    批次里程計算是混輸監(jiān)測系統(tǒng)基本的計算，一般以管道流量儀表傳送上來的管道現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)為主要參數(shù)。流量儀表的測量值進入流量計算機，流量計算機根據(jù)設定的計量標準，如AGA、ISO、國標標準進行換算后輸出。目前，混輸監(jiān)測系統(tǒng)常用的批次里程計算方法一般采用管道流量累積法，即基于批次油品在當前管道內油品體積來進行批次里程計算，管道流量累積方法的原理大致如下：

    如圖2所示，順序輸送的管道中存在三個批次的油品，90＃汽油用紅色表示，93＃汽油用綠色表示，0＃柴油用黑色表示。
           
                     
                               圖2     管道分輸、注入和批次示意圖

    管道具有若干個分輸、注入分支。

    由于油品的可壓縮性近乎為零，并且管道運行于滿流狀態(tài)下，某一個時刻或者一個時間段內，分輸和注入的油品流量相等，用公式表達如下：
             
                          

      式中：Q_i 為管道輸入的流量， Q₀為管道輸出的流量。

    在某一個時刻，管道內管道總管存等于各個順序輸送批次的體積和，公式表達如下：
                  
                      

      式中： V_b為批次體積，V_p 為管道總管存。

    在某一個時刻，某個批次體積為：

                 

    本項目針對管道流量累積法的原理、過程和準確度進行研究后，提出了一種基于分段計算的管段流量界面法的里程計算方法。管道內按照不同管段的流量，各個批次單獨進行界面計算，某個批次界面位置根據(jù)批次當前的流量確定。公式：

              
    L為混油段中間位置界面距離上一個站的里程，m³；Q_a(t) 為批次界面的瞬時速度。

    一個批次的油品，由于有分輸和注入等因素，在管道中的流速是不同的。在管道輸送過程中，油品的分輸和注入都是在站場完成的，因此，在兩個站場間的干線流量是相同的，都等于前一個站場的出站流速。

    從混油里程的流量累積法和管段流量界面法的原理和過程可以知道，采用流量累積方法計算批次混油體積涉及到的管道流量數(shù)據(jù)很多，任何數(shù)據(jù)誤差，都會導致計算誤差；而管段流量界面方法，僅僅和混油界面所在管段的流量有關系，因素單一，計算精度高。而且，界管段流量界面方法的一個最大優(yōu)點在于可以分段迭代計算和密度修正。

    3 密度檢測修正算法

    采用管段流量界面法進行批次里程計算的時候，隨著油品的管道的運行里程增加，累積的計算誤差越來越大。在經(jīng)過大分輸量站場時，由于相鄰兩個管段的干線流量差別較大，會使計算誤差達到失去計算意義的程度，因此，管段流量界面法需要結合干線密度檢測修正來進行計算修正。

    在成品油管道的各個站場，都安裝了密度檢測儀表，通過儀表密度的變化，來監(jiān)測管道上批次的到站情況。密度判斷要求不能誤判，既不能將密度的波動認為界面到站，也不能界面到站算法沒有判斷出來。
                          
                                圖3  蘭成渝管道站場線密度儀表數(shù)據(jù)變化趨勢曲線
    圖3為蘭成渝管道在三天內的密度變化曲線，是若干批次油品在順序流經(jīng)管道過程中，干線流量計的計量數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，隨著白天溫度上升，油品密度降低；夜晚溫度降低，油品密度升高。同一批次油品由于不同的生產(chǎn)工藝，密度值也會有所變化。另外，不同密度儀表在這個過程中也會具有不同特點的波動。從圖中的六條密度變化曲線可以看到，密度的變化符合上述因素，其中，密度儀表4在2009年11月1日7點05分從密度845.973變化到2009年11月1日7點42分密度751.788，表明管道內順序輸送的柴油批次到汽油批次的變化。密度儀表1在2009年11月2日5點49分到6點15分密度從757.664變化到853.773，表明管道順序輸送的汽油批次到柴油批次的變化。

    為了消除管段間批次里程計算誤差累積產(chǎn)生的管道批次里程計算誤差，系統(tǒng)需要實際的批次油品到站時刻，并以在此時刻為起點，重新開始下一管段的批次里程計算。批次油品到站的時刻，在混油監(jiān)測系統(tǒng)中是通過干線密度儀表變化撲捉到的。由于現(xiàn)場密度變化的復雜，準確及時撲捉油品到站產(chǎn)生的密度變化需要根據(jù)實際工藝數(shù)據(jù)的長期分析、研究來實現(xiàn)。混輸監(jiān)測系統(tǒng)的油品到站產(chǎn)生的密度變化撲捉算法大致過程如下：

    （1）限制條件：為了降低錯誤撲捉的情況發(fā)生，僅在系統(tǒng)計算的混油界面位置在站前后10公里范圍內啟動對該站密度計的檢測算法。

    （2）過濾：為排除異常的密度數(shù)值，通過密度值范圍和密度值變化率方法剔除變化異常的密度數(shù)值（如上圖曲線中的短時間內變小很多的值和小于700大于900的所有值）。

    （3）投票算法：通過密度計的多個歷史值進行投票算法，并結合變化率檢測密度是否是在上升或下降。

    （4）判斷：如果判斷出密度的上升或者下降，剛好和站附近界面的油品特征對應時，確認是一次界面到站，對界面進行校正。如果在檢測范圍內一直沒有檢測到密度變化，認為密度計沒有開啟或者故障了，不進行修正。

    4 當量管段長度計算和修正方法

    混輸監(jiān)測系統(tǒng)的計算依據(jù)實際的管道工藝數(shù)據(jù)，這些工藝數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)在混輸監(jiān)測系統(tǒng)初始化后一般不發(fā)生變化，典型數(shù)據(jù)包括管段長度、管段公稱外徑、管段壁厚、管段地溫等管道設計參數(shù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲于混輸監(jiān)測系統(tǒng)的模型配置文件中，用戶根據(jù)監(jiān)測管道的設計數(shù)據(jù)來完成模型文件的配置，混輸監(jiān)測系統(tǒng)啟動后讀取指定的模型文件來完成系統(tǒng)計算過程的初始化。動態(tài)數(shù)據(jù)在混輸監(jiān)測系統(tǒng)的每一個計算過程中都可能發(fā)生變化，典型數(shù)據(jù)包括管段油品溫度、管段流量數(shù)值、管段壓力。動態(tài)數(shù)據(jù)來源于管道SCADA系統(tǒng)或基于SCADA系統(tǒng)的中間實時數(shù)據(jù)庫平臺，混輸監(jiān)測系統(tǒng)的每一次計算，都需要獲取這些參數(shù)的實時數(shù)值。在混輸監(jiān)測系統(tǒng)的周期計算過程中，配置的管道靜態(tài)數(shù)據(jù)和獲取的動態(tài)實時數(shù)據(jù)都具有一定的誤差。管段公稱外徑由于熱脹冷縮現(xiàn)象會隨著管段地溫發(fā)生周期變化。溫度、流量、壓力數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場測量儀表，測量儀表的測量誤差主要由儀表的系統(tǒng)誤差和偶然誤差引起的，根據(jù)儀表的精度的分析，偶然誤差較小，且方向不同，累積效果不明顯。系統(tǒng)誤差因素引起的變化緩慢但時間累積效果明顯，對計算的影響不容忽視。導致管段公稱外徑變化及油品體積變化的管段地溫一般隨著管段當?shù)氐募竟?jié)因素周期變化。所有這些誤差都會引起混輸監(jiān)測系統(tǒng)在不同管段內的批次里程計算精度產(chǎn)生長期緩慢的變化，而且變化原因復雜、變化趨勢不易分析和排除。

    為了避免混輸監(jiān)測系統(tǒng)由于管道模型配置、運行工藝參數(shù)以及其它因素產(chǎn)生的計算誤差，提高混輸監(jiān)測系統(tǒng)批次里程計算的精確度，提出了當量管道長度的計算方法。用考慮了各種因素綜合作用的當量管段長度來替代配置的管段長度來進行批次里程計算。當量管道長度等于各個管道構成管段的當量管段長度總和。當量管段長度在數(shù)值為油品在上一站出站到下一站密度儀表檢測到油品進站時間內，混輸監(jiān)測系統(tǒng)以包含各種誤差因素條件下的管道工藝參數(shù)計算出來的油品運行里程。批次里程計算的各種輸出值，包括批次界面里程、批次界面出站里程、批次界面距離下站里程、批次界面到站時間等都是以當量管段長度作為管道實際長度來計算出來的。

    當量管道長度的方法本質上就是以前期計量的結果倒推輸入?yún)?shù)，并以倒推的輸入?yún)?shù)來計算本期的計算結果。

    對于不同管道、不同管段，當量管段長度不同，并且不斷變化的，因此，管段的當量管段長度數(shù)值在每一個批次到站都會重新計算。為了避免意外情況發(fā)生后產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，混輸監(jiān)測系統(tǒng)對當量管段長度數(shù)值的更新采用更新算法進行控制。一般采取比較簡便的判斷算法即可：當系統(tǒng)批次里程計算誤差連續(xù)三次超過系統(tǒng)精度要求（管道全程不大于3公里），且三次之間的誤差在2公里以內，系統(tǒng)自動根據(jù)計算結果更新管段的當量管段長度。

    當量管道長度的算法有效解決了季節(jié)、溫度、儀表系統(tǒng)誤差等長期緩慢變化因素對界面里程計算的影響，減少了系統(tǒng)校準的次數(shù)，提高了系統(tǒng)長期運行的精度。

    5 流量數(shù)據(jù)修正算法

    混輸監(jiān)測系統(tǒng)在西部成品油、蘭成渝管道運行過程中，管道運行工藝參數(shù)來源于管道上安裝的各種測量儀表，數(shù)據(jù)上行過程由于現(xiàn)場測試儀表、中心SCADA系統(tǒng)、中心的中間數(shù)據(jù)庫平臺，儀表故障、維護以及傳輸、SCADA系統(tǒng)切換等原因，系統(tǒng)從中間數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)存在異常情況。

    對于混輸監(jiān)測系統(tǒng)來說，由于數(shù)據(jù)獲取的環(huán)節(jié)多，中間經(jīng)過多次存儲和轉換，異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是不可完全避免的。為了排除異常數(shù)據(jù)引起的大誤差，需要對系統(tǒng)獲取的管道流量數(shù)據(jù)進行校驗和修正。通過對管道實際生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并結合管道流體理論分析，發(fā)現(xiàn)可以用管道流量數(shù)據(jù)環(huán)公式來進行流量儀表數(shù)據(jù)值的修正。管道流量數(shù)據(jù)環(huán)公式的過程在于：①管道流量儀表數(shù)據(jù)包括干線儀表數(shù)據(jù)和分支儀表數(shù)據(jù)，分支儀表數(shù)據(jù)包括分輸、注入；②沿著管道流體運動方向建立流量環(huán)，每個環(huán)包括兩個干線儀表數(shù)據(jù)和多個分支儀表數(shù)據(jù)；③每個環(huán)一般包括輸入－分輸－輸出三個流量值；④相鄰兩個環(huán)通過同一流量值關聯(lián)，即上一個環(huán)的輸出，是下一個環(huán)的輸入。對于沒有分支的環(huán)節(jié)，可以認為其分輸為零即可；⑤環(huán)質量確定，根據(jù)輸入減去分輸與輸出偏差5%的原則，確定環(huán)的質量為正確和錯誤。在一個流量環(huán)中，按照公式來確定環(huán)的質量。環(huán)的質量分為優(yōu)環(huán)和劣環(huán)。⑥從起點開始遍歷環(huán)中流量數(shù)值，在管道模型中尋找連續(xù)正確環(huán)，按照流量值最多原則確定修正起點；⑦從起點開始，向兩個方向按照公式進行計算，修改劣環(huán)的數(shù)據(jù)。

    6 混輸監(jiān)測系統(tǒng)在蘭成渝、西部成品油管道上應用

    西部成品油管道起點烏魯木齊，途經(jīng)天山、戈壁灘、祁連山區(qū)、黃土高原等地區(qū)，終點為蘭州，全長1858km。跨越多少個省區(qū)，管道設計輸量為烏魯木齊～新堡中間站管徑為Φ559，新堡中間站～蘭州末站管徑為Φ508。包括18個站場，24個閥室，5個高點。其中分輸站場5個，分輸閥室4個。

    蘭成渝成品油管道起始于甘肅省蘭州市蘭州煉油廠附近，經(jīng)四川省成都市到達重慶市。道全長1247km，設計年均輸量為（最大可達 ），輸送油品主要為#90汽油、#93汽油和#0柴油（隨市場需求情況還可以輸送航煤、LPG和其它石油產(chǎn)品）。包括15個站場，15個閥室，3個高點，其中分輸站13個，分輸閥室3個。

    混輸監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場運行需要一定的調試和學習過程，在西部成品油管道和蘭成渝管道的工程實施中，系統(tǒng)大概經(jīng)過10個批次的調試和學習后，基本達到了全線不大于3公里的計算精度。期間，系統(tǒng)在管道停輸、啟輸以及中心數(shù)據(jù)庫切換的情況下基本保持運行可靠、計算準確。

    7 總結

    通過在混輸監(jiān)測系統(tǒng)中以管段流量界面法作為批次里程計算的主要方法，并以流量數(shù)據(jù)修正方法、當量管道長度計算和修正方法等方法作為輔助，有效解決了混輸監(jiān)測系統(tǒng)的計算精度問題。

     摘自《自動化博覽》2010年第七期