（中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，北京 100101）黃懿雪，李國棟，郭長(zhǎng)濱
                              
    黃懿雪（1971-）男，福建人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，研究方向?yàn)殚L(zhǎng)輸管道自動(dòng)化系統(tǒng)。

    摘要：本文針對(duì)成品油混輸監(jiān)測(cè)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(cè)修正方法結(jié)合來進(jìn)行成品油批次計(jì)算；在介紹成品油管道現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)值特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論述了成品油混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究過程中批次里程計(jì)算、逐站密度修正算法、流量數(shù)據(jù)特點(diǎn)、當(dāng)量管道長(zhǎng)度計(jì)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(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：混合輸送，混油界面，當(dāng)量管道長(zhǎng)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(shè)有多個(gè)分輸站，對(duì)輸送的油品進(jìn)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(kuò)散會(huì)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(shí)際生產(chǎn)中，管道輸送一般采用首站場(chǎng)不同油品連續(xù)注入、中間站場(chǎng)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(chǎng)盡可能多的純油注入或者分輸，末站場(chǎng)盡可能少的混油處理，都需要調(diào)度人員和工藝人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)主要是從管道SCADA系統(tǒng)、管道數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取管道運(yùn)行過程中的工藝數(shù)據(jù)，自動(dòng)跟蹤并計(jì)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(diào)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(cè)系統(tǒng)，調(diào)度人員和工藝人員可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)管道中多個(gè)混油區(qū)的位置和長(zhǎng)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(zhì)，提高管道輸送的經(jīng)濟(jì)效益。
                      
                      
                             圖1   混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層次示意圖

    調(diào)度人員需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)管道輸送油品批次和批次位置，這是對(duì)成品油進(jìn)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(zhǔn)確的批次數(shù)據(jù)。混油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是管道調(diào)度人員進(jìn)行批次跟蹤作業(yè)的重要依據(jù)，因此，它的計(jì)算精度高低直接影響調(diào)控成品油管道的運(yùn)行管理水平。

    本研究根據(jù)成品油管道混輸監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)混輸監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，并根據(jù)研究成果實(shí)現(xiàn)了混輸監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)，目前該軟件已應(yīng)用于西部成品油、蘭成渝管道。

    2 批次里程計(jì)算方法

    批次里程計(jì)算是混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本的計(jì)算，一般以管道流量?jī)x表傳送上來的管道現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)為主要參數(shù)。流量?jī)x表的測(cè)量值進(jìn)入流量計(jì)算機(jī)，流量計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，如AGA、ISO、國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算后輸出。目前，混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的批次里程計(jì)算方法一般采用管道流量累積法，即基于批次油品在當(dāng)前管道內(nèi)油品體積來進(jìn)行批次里程計(jì)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(gè)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(gè)分輸、注入分支。

    由于油品的可壓縮性近乎為零，并且管道運(yùn)行于滿流狀態(tài)下，某一個(gè)時(shí)刻或者一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，分輸和注入的油品流量相等，用公式表達(dá)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(gè)時(shí)刻，管道內(nèi)管道總管存等于各個(gè)順序輸送批次的體積和，公式表達(dá)如下：
                  
                      

      式中： V_b為批次體積，V_p 為管道總管存。

    在某一個(gè)時(shí)刻，某個(gè)批次體積為：

                 

    本項(xiàng)目針對(duì)管道流量累積法的原理、過程和準(zhǔn)確度進(jìn)行研究后，提出了一種基于分段計(jì)算的管段流量界面法的里程計(jì)算方法。管道內(nèi)按照不同管段的流量，各個(gè)批次單獨(dú)進(jìn)行界面計(jì)算，某個(gè)批次界面位置根據(jù)批次當(dāng)前的流量確定。公式：

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

    一個(gè)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(chǎng)完成的，因此，在兩個(gè)站場(chǎng)間的干線流量是相同的，都等于前一個(gè)站場(chǎng)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(jì)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(huì)導(dǎo)致計(jì)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(guān)系，因素單一，計(jì)算精度高。而且，界管段流量界面方法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)在于可以分段迭代計(jì)算和密度修正。

    3 密度檢測(cè)修正算法

    采用管段流量界面法進(jìn)行批次里程計(jì)算的時(shí)候，隨著油品的管道的運(yùn)行里程增加，累積的計(jì)算誤差越來越大。在經(jīng)過大分輸量站場(chǎng)時(shí)，由于相鄰兩個(gè)管段的干線流量差別較大，會(huì)使計(jì)算誤差達(dá)到失去計(jì)算意義的程度，因此，管段流量界面法需要結(jié)合干線密度檢測(cè)修正來進(jìn)行計(jì)算修正。

    在成品油管道的各個(gè)站場(chǎng)，都安裝了密度檢測(cè)儀表，通過儀表密度的變化，來監(jiān)測(cè)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(dòng)認(rèn)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(chǎng)線密度儀表數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)曲線
    圖3為蘭成渝管道在三天內(nèi)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(jì)的計(jì)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(huì)有所變化。另外，不同密度儀表在這個(gè)過程中也會(huì)具有不同特點(diǎn)的波動(dòng)。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(diǎn)05分從密度845.973變化到2009年11月1日7點(diǎn)42分密度751.788，表明管道內(nèi)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(diǎn)49分到6點(diǎn)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(jì)算誤差累積產(chǎn)生的管道批次里程計(jì)算誤差，系統(tǒng)需要實(shí)際的批次油品到站時(shí)刻，并以在此時(shí)刻為起點(diǎn)，重新開始下一管段的批次里程計(jì)算。批次油品到站的時(shí)刻，在混油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是通過干線密度儀表變化撲捉到的。由于現(xiàn)場(chǎng)密度變化的復(fù)雜，準(zhǔn)確及時(shí)撲捉油品到站產(chǎn)生的密度變化需要根據(jù)實(shí)際工藝數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期分析、研究來實(shí)現(xiàn)。混輸監(jiān)測(cè)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(cuò)誤撲捉的情況發(fā)生，僅在系統(tǒng)計(jì)算的混油界面位置在站前后10公里范圍內(nèi)啟動(dòng)對(duì)該站密度計(jì)的檢測(cè)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(shí)間內(nèi)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(jì)的多個(gè)歷史值進(jìn)行投票算法，并結(jié)合變化率檢測(cè)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(duì)應(yīng)時(shí)，確認(rèn)是一次界面到站，對(duì)界面進(jìn)行校正。如果在檢測(cè)范圍內(nèi)一直沒有檢測(cè)到密度變化，認(rèn)為密度計(jì)沒有開啟或者故障了，不進(jìn)行修正。

    4 當(dāng)量管段長(zhǎng)度計(jì)算和修正方法

    混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算依據(jù)實(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)在混輸監(jiān)測(cè)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(zhǎng)度、管段公稱外徑、管段壁厚、管段地溫等管道設(shè)計(jì)參數(shù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模型配置文件中，用戶根據(jù)監(jiān)測(cè)管道的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來完成模型文件的配置，混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后讀取指定的模型文件來完成系統(tǒng)計(jì)算過程的初始化。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每一個(gè)計(jì)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(dòng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每一次計(jì)算，都需要獲取這些參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值。在混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的周期計(jì)算過程中，配置的管道靜態(tài)數(shù)據(jù)和獲取的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(huì)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(chǎng)測(cè)量?jī)x表，測(cè)量?jī)x表的測(cè)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(shí)間累積效果明顯，對(duì)計(jì)算的影響不容忽視。導(dǎo)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(dāng)?shù)氐募竟?jié)因素周期變化。所有這些誤差都會(huì)引起混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同管段內(nèi)的批次里程計(jì)算精度產(chǎn)生長(zhǎng)期緩慢的變化，而且變化原因復(fù)雜、變化趨勢(shì)不易分析和排除。

    為了避免混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于管道模型配置、運(yùn)行工藝參數(shù)以及其它因素產(chǎn)生的計(jì)算誤差，提高混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)批次里程計(jì)算的精確度，提出了當(dāng)量管道長(zhǎng)度的計(jì)算方法。用考慮了各種因素綜合作用的當(dāng)量管段長(zhǎng)度來替代配置的管段長(zhǎng)度來進(jìn)行批次里程計(jì)算。當(dāng)量管道長(zhǎng)度等于各個(gè)管道構(gòu)成管段的當(dāng)量管段長(zhǎng)度總和。當(dāng)量管段長(zhǎng)度在數(shù)值為油品在上一站出站到下一站密度儀表檢測(cè)到油品進(jìn)站時(shí)間內(nèi)，混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以包含各種誤差因素條件下的管道工藝參數(shù)計(jì)算出來的油品運(yùn)行里程。批次里程計(jì)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(shí)間等都是以當(dāng)量管段長(zhǎng)度作為管道實(shí)際長(zhǎng)度來計(jì)算出來的。

    當(dāng)量管道長(zhǎng)度的方法本質(zhì)上就是以前期計(jì)量的結(jié)果倒推輸入?yún)?shù)，并以倒推的輸入?yún)?shù)來計(jì)算本期的計(jì)算結(jié)果。

    對(duì)于不同管道、不同管段，當(dāng)量管段長(zhǎng)度不同，并且不斷變化的，因此，管段的當(dāng)量管段長(zhǎng)度數(shù)值在每一個(gè)批次到站都會(huì)重新計(jì)算。為了避免意外情況發(fā)生后產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)當(dāng)量管段長(zhǎng)度數(shù)值的更新采用更新算法進(jìn)行控制。一般采取比較簡(jiǎn)便的判斷算法即可：當(dāng)系統(tǒng)批次里程計(jì)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(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果更新管段的當(dāng)量管段長(zhǎng)度。

    當(dāng)量管道長(zhǎng)度的算法有效解決了季節(jié)、溫度、儀表系統(tǒng)誤差等長(zhǎng)期緩慢變化因素對(duì)界面里程計(jì)算的影響，減少了系統(tǒng)校準(zhǔn)的次數(shù)，提高了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的精度。

    5 流量數(shù)據(jù)修正算法

    混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在西部成品油、蘭成渝管道運(yùn)行過程中，管道運(yùn)行工藝參數(shù)來源于管道上安裝的各種測(cè)量?jī)x表，數(shù)據(jù)上行過程由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表、中心SCADA系統(tǒng)、中心的中間數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，儀表故障、維護(hù)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(duì)于混輸監(jiān)測(cè)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(chǔ)和轉(zhuǎn)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(duì)系統(tǒng)獲取的管道流量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和修正。通過對(duì)管道實(shí)際生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并結(jié)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(jìn)行流量?jī)x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?jī)x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(yùn)動(dòng)方向建立流量環(huán)，每個(gè)環(huán)包括兩個(gè)干線儀表數(shù)據(jù)和多個(gè)分支儀表數(shù)據(jù)；③每個(gè)環(huán)一般包括輸入－分輸－輸出三個(gè)流量值；④相鄰兩個(gè)環(huán)通過同一流量值關(guān)聯(lián)，即上一個(gè)環(huán)的輸出，是下一個(gè)環(huán)的輸入。對(duì)于沒有分支的環(huán)節(jié)，可以認(rèn)為其分輸為零即可；⑤環(huán)質(zhì)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(zhì)量為正確和錯(cuò)誤。在一個(gè)流量環(huán)中，按照公式來確定環(huán)的質(zhì)量。環(huán)的質(zhì)量分為優(yōu)環(huán)和劣環(huán)。⑥從起點(diǎn)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(diǎn)；⑦從起點(diǎn)開始，向兩個(gè)方向按照公式進(jìn)行計(jì)算，修改劣環(huán)的數(shù)據(jù)。

    6 混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在蘭成渝、西部成品油管道上應(yīng)用

    西部成品油管道起點(diǎn)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(diǎn)為蘭州，全長(zhǎng)1858km。跨越多少個(gè)省區(qū)，管道設(shè)計(jì)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(gè)站場(chǎng)，24個(gè)閥室，5個(gè)高點(diǎn)。其中分輸站場(chǎng)5個(gè)，分輸閥室4個(gè)。

    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(dá)重慶市。道全長(zhǎng)1247km，設(shè)計(jì)年均輸量為（最大可達(dá) ），輸送油品主要為#90汽油、#93汽油和#0柴油（隨市場(chǎng)需求情況還可以輸送航煤、LPG和其它石油產(chǎn)品）。包括15個(gè)站場(chǎng)，15個(gè)閥室，3個(gè)高點(diǎn)，其中分輸站13個(gè)，分輸閥室3個(gè)。

    混輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要一定的調(diào)試和學(xué)習(xí)過程，在西部成品油管道和蘭成渝管道的工程實(shí)施中，系統(tǒng)大概經(jīng)過10個(gè)批次的調(diào)試和學(xué)習(xí)后，基本達(dá)到了全線不大于3公里的計(jì)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(yùn)行可靠、計(jì)算準(zhǔn)確。

    7 總結(jié)

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

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第七期