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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。

    摘要：本文針對成品油混輸監測系統的功能和精度要求，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場儀表數值特點的基礎上，論述了成品油混輸監測系統研究過程中批次里程計算、逐站密度修正算法、流量數據特點、當量管道長度計算和修正方法，該方法已經在蘭成渝、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生混油現象，所以在接合面處出現了一段密度介于相鄰兩種油品密度之間的混油區。隨著輸送距離增加，混油區體積也不斷增加。在實際生產中，管道輸送一般采用首站場不同油品連續注入、中間站場純油注入或分輸、管道末站統一處理混油區油品的工藝流程。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測到管道中各種油品的里程和混油區體積。

    成品油混輸監測系統主要是從管道SCADA系統、管道數據平臺獲取管道運行過程中的工藝數據，自動跟蹤并計算管道混輸的批次數量變化、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。通過混輸監測系統，調度人員和工藝人員可以準確監測管道中多個混油區的位置和長度，可以盡可能的多分輸油品，減少末端統一處理的混油體積，保證銷售油品的品質，提高管道輸送的經濟效益。
                      
                      
                             圖1   混輸監測系統數據層次示意圖

    調度人員需要隨時監測管道輸送油品批次和批次位置，這是對成品油進行分輸的主要依據，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據。混油監測系統是管道調度人員進行批次跟蹤作業的重要依據，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。

    本研究根據成品油管道混輸監測的需要，對混輸監測技術進行了研究，并根據研究成果實現了混輸監測軟件的開發，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測系統基本的計算，一般以管道流量儀表傳送上來的管道現場流量數據為主要參數。流量儀表的測量值進入流量計算機，流量計算機根據設定的計量標準，如AGA、ISO、國標標準進行換算后輸出。目前，混輸監測系統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據很多，任何數據誤差，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據變化趨勢曲線
    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管道過程中，干線流量計的計量數據。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生的管道批次里程計算誤差，系統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，在混油監測系統中是通過干線密度儀表變化撲捉到的。由于現場密度變化的復雜，準確及時撲捉油品到站產生的密度變化需要根據實際工藝數據的長期分析、研究來實現。混輸監測系統的油品到站產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生，僅在系統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

    混輸監測系統的計算依據實際的管道工藝數據，這些工藝數據包括靜態數據和動態數據。靜態數據在混輸監測系統初始化后一般不發生變化，典型數據包括管段長度、管段公稱外徑、管段壁厚、管段地溫等管道設計參數。靜態數據存儲于混輸監測系統的模型配置文件中，用戶根據監測管道的設計數據來完成模型文件的配置，混輸監測系統啟動后讀取指定的模型文件來完成系統計算過程的初始化。動態數據在混輸監測系統的每一個計算過程中都可能發生變化，典型數據包括管段油品溫度、管段流量數值、管段壓力。動態數據來源于管道SCADA系統或基于SCADA系統的中間實時數據庫平臺，混輸監測系統的每一次計算，都需要獲取這些參數的實時數值。在混輸監測系統的周期計算過程中，配置的管道靜態數據和獲取的動態實時數據都具有一定的誤差。管段公稱外徑由于熱脹冷縮現象會隨著管段地溫發生周期變化。溫度、流量、壓力數據來源于現場測量儀表，測量儀表的測量誤差主要由儀表的系統誤差和偶然誤差引起的，根據儀表的精度的分析，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地的季節因素周期變化。所有這些誤差都會引起混輸監測系統在不同管段內的批次里程計算精度產生長期緩慢的變化，而且變化原因復雜、變化趨勢不易分析和排除。

    為了避免混輸監測系統由于管道模型配置、運行工藝參數以及其它因素產生的計算誤差，提高混輸監測系統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，混輸監測系統以包含各種誤差因素條件下的管道工藝參數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參數，并以倒推的輸入參數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值在每一個批次到站都會重新計算。為了避免意外情況發生后產生的錯誤數據，混輸監測系統對當量管段長度數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：當系統批次里程計算誤差連續三次超過系統精度要求（管道全程不大于3公里），且三次之間的誤差在2公里以內，系統自動根據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、溫度、儀表系統誤差等長期緩慢變化因素對界面里程計算的影響，減少了系統校準的次數，提高了系統長期運行的精度。

    5 流量數據修正算法

    混輸監測系統在西部成品油、蘭成渝管道運行過程中，管道運行工藝參數來源于管道上安裝的各種測量儀表，數據上行過程由于現場測試儀表、中心SCADA系統、中心的中間數據庫平臺，儀表故障、維護以及傳輸、SCADA系統切換等原因，系統從中間數據庫獲取的數據存在異常情況。

    對于混輸監測系統來說，由于數據獲取的環節多，中間經過多次存儲和轉換，異常數據的產生是不可完全避免的。為了排除異常數據引起的大誤差，需要對系統獲取的管道流量數據進行校驗和修正。通過對管道實際生產過程中的大量數據進行統計并結合管道流體理論分析，發現可以用管道流量數據環公式來進行流量儀表數據值的修正。管道流量數據環公式的過程在于：①管道流量儀表數據包括干線儀表數據和分支儀表數據，分支儀表數據包括分輸、注入；②沿著管道流體運動方向建立流量環，每個環包括兩個干線儀表數據和多個分支儀表數據；③每個環一般包括輸入－分輸－輸出三個流量值；④相鄰兩個環通過同一流量值關聯，即上一個環的輸出，是下一個環的輸入。對于沒有分支的環節，可以認為其分輸為零即可；⑤環質量確定，根據輸入減去分輸與輸出偏差5%的原則，確定環的質量為正確和錯誤。在一個流量環中，按照公式來確定環的質量。環的質量分為優環和劣環。⑥從起點開始遍歷環中流量數值，在管道模型中尋找連續正確環，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，修改劣環的數據。

    6 混輸監測系統在蘭成渝、西部成品油管道上應用

    西部成品油管道起點烏魯木齊，途經天山、戈壁灘、祁連山區、黃土高原等地區，終點為蘭州，全長1858km。跨越多少個省區，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。

    混輸監測系統現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，系統大概經過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，系統在管道停輸、啟輸以及中心數據庫切換的情況下基本保持運行可靠、計算準確。

    7 總結

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

     摘自《自動化博覽》2010年第七期