基于SCADA的成品油管輸自動計量系統的開發與應用

劉北，田赤勇，王云峰

(國家石油天然氣管網集團有限公司華中分公司 湖南輸油處，湖南 長沙410000)

為解決成品油管道輸送線路長、下載點多、停輸時間短，管道內油品計量受壓力溫度影響、無法在線進行油品數量有效盤點，無法實時掌握首站油庫出庫損耗、管道庫油品輸送損耗，無法在油品數量事件的追溯上提供數據支撐以及計量交接數據錄入消耗大量人工，且無法實現數據對齊等問題，開發了“基于數據采集與監視控制系統(SCADA)的成品油管輸自動計量系統”，既方便了計量、生產運行等人員對油品數量實時盤點及掌握數量損耗的實際需求，又提高了崗位人員的工作效率，減少交接計量中的數據誤差，為油品數量事件追溯提供了較好的數據支撐，并建立計量設備在線監測預警機制，有效避免油品數量糾紛，獲得了較好的經濟效益。同時對成品油管道遠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督作用[1]。

1 項目背景

一條完整的成品油管道組成如圖1所示，由首站庫、長輸管道、下載站組成。某成品油管道由1庫9站組成，管道全長近800 km。對于首站庫入庫損耗主要采取入庫流量計計量，油庫自動計量系統相輔的方式，對于入庫損耗較容易控制；對于管輸損耗主要采取下載流量計為主、出庫質量流量計相輔的方式，但長輸管道管道鋪底油近5×104t，管容量相當于一個二級油庫，受各管段壓力、溫度、密度影響，管道存油量動態波動，現有計量技術無法準確計量，管輸損耗較難準確控制。

圖1 成品油管道組成示意

日常交接盤點受人為因素影響，數據存在時間差，不準確、漏報、誤報現象時有發生，無法實現管道庫的動態計量盤點與精確盤點。月結出現差量時，由于沒有自動采集形成的各種數據報表和歷史計量數據趨勢支撐進行溯源，需要花費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內投用了統一的油庫自動計量系統，可實現油庫內單罐油品庫存、發出數量、體積量的統一管理，多點密度、溫度修正進一步減少計量誤差，降低損耗，但僅在油庫內進行計量分析，相對單一，未與下載站及長輸管道庫形成完整的計量系統，無法進行綜合計量分析[2]。

2 項目開發

根據成品油長輸管道監控首站油庫入庫損耗情況，掌握管道庫油品輸送實時狀況的需要，某公司開發了基于SCADA的成品油管輸自動計量系統，利用現有計量儀表，根據運行方式進行數字算法建模，監測采集首站庫油罐的發出量，檢測和計算管道庫存油的變化量以及下載站的下載量，掌握實時數據，分析損耗原因；同時為了有效控制計量交接誤差、實現與受油單位實時核對日下載量，強化計量監督作用，組織相關單位及部門針對成品油管道順序輸送時復雜的工藝流程、管道輸送運行計劃、油品跟蹤、混油切割回摻以及整個水力系統中密度、溫度、壓力[3]等對油品數量產生的變化因素進行了算法優化和可行性論證。

整套系統以管輸SCADA為平臺進行自主研發，分別設計開發了油庫自動計量子系統、管輸動態自動計量子系統和管輸靜態自動計量子系統。該系統基于管輸SCADA為運行平臺搭設，組態軟件內嵌于HMI操作站系統中，綜合共享了SCADA、現有計量儀表和過程儀表。在降低系統經濟投入的基礎上更有效方便的將油庫液位計的數據、下載站質量流量計的數據、流量計算機系統數據、溫度及密度數據集成，避免了數據信息孤島實現了數據共享，構建了完整的成品油管道自動計量系統。該系統沿用了SCADA的數據監控、采集、及發布功能，植入動態分析、趨勢管理、自動交換計量盤點等要素，是使用方便、擴展性強、數據整合性能高的分析型軟件。以下分別對三個子系統進行功能介紹。

2.1 油庫自動計量子系統

油庫自動計量子系統包括： 單油品批次計劃內首站庫單罐存油實時數量、單罐發油損耗以及不同種類的油品在單油品批次計劃內的發出量和總損耗。該子系統既可實時進行單罐的盤點及損耗分析，又可對單批次內的不同種類油品的總量盤點和損耗分析，系統數據根據單罐分層密度、溫度以及首站注入密度、進站注入油溫進行修正，保證計量允許誤差在±0.28%以內，油庫自動計量子系統界面如圖2所示。

圖2 油庫自動計量子系統界面示意

2.2 管輸動態自動計量子系統

管輸動態自動計量子系統包括： 首站庫每分鐘實時注入的汽油、柴油和總油品數量，各下載站每分鐘實時下載的汽油、柴油和總油品數量，管道庫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時的油品跟蹤界面，從而自動計算管輸動態損耗。管輸動態自動計量子系統界面如圖3所示。

圖3 管輸動態自動計量子系統界面示意

依據式(1)計算管輸動態損耗量[4]，其中富柴罐按車柴計量、富汽罐按92號汽油計量。

管輸動態損耗量=首站發油量-管存動態損耗量-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、污油罐油品數量變化量。

該子系統運用油品油頭跟蹤功能對管存動態損耗模型進行定義，反映每分鐘管道庫內存油在溫度、密度、壓力等要素的校正下產生的動態損耗狀況，管存動態損耗模型如式(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數；B——油頭N+1的管道容積百分比數，油頭1為100%；t——時間，min；m——一段油品的質量，t；c——現運行管道中單種油品段的個數；ρ——當站在線密度與下載質量流量計密度對比校正值；VV校正——管道總容積校正值；t校正——溫度校正值；Δmw——管存動態損耗量，t。

為了保證管輸動態自動計量子系統數據的精度在±0.28%的計量允許誤差以內，通過一系列的軟硬件及工藝運行特點分析進行改良提升，主要包括：

1)首油庫架設流量計算機，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，盡量消除流量波動誤差。

2)對各下載站場流量計算機進行精度復核與采集校正。

3)管存容積表嚴格按照調度中心管道容積表編制，分管徑分區段，將管段分為三段進行各自的油品跟蹤與計量。

4)各站場泄放罐、污油罐、混油罐嚴格按照容積表檢測報告進行計量。

5)根據某中間站越站與否的兩種運行方式，對該段管道容積按照某中間站下載條件進行自動切換，保證油頭準確。

6)對各站進站密度計數據波動進行校正，與下載質量流量計密度進行對比校正，滿足精度要求。

7)校正各站進站溫度滿足精度要求。

2.3 管輸靜態自動計量子系統

管輸靜態自動計量子系統包括： 首站庫單批次或連續批次注入的汽、柴油和總油品數量，各下載站單批次或連續批次下載的汽、柴油和總油品數量，管道庫單批次或連續批次存量的損耗，富柴、富汽、泄壓、污油罐單批次或連續批次存量的變化量以及人工拖入拖出油品變化量，從而自動計算管輸靜態損耗量。管輸靜態自動計量子系統界面如圖4所示。

圖4 管輸靜態自動計量子系統界面示意

管輸靜態損耗量計算如式(3)所示，其中富柴罐按車柴計量、富汽罐按92號汽油計量。

(3)

式中： 式(3)中所有的量均是以單批次或連續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參加計算。

針對同時單批次或連續批次的停輸時段的管存油品分段情況，定義管存靜態損耗，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，針對相對靜止狀態進行管存靜態損耗建模，管存靜態損耗模型如式(4)所示：

(4)

Δmw1=Δm1(t1)

式中：A1——停輸時輸送方向的站場數；t1——油品批次數；m1——管存油品的質量，t；Δmw1——管存靜態損耗量，t。

2.4 歷史趨勢畫面

歷史趨勢畫面可以選擇任意時間段，分別查看管輸動態損耗、首站庫發油量趨勢以及各下載站下載量趨勢的各種歷史數據，提供相應的歷史曲線打印功能，時間記錄分辨率為1 min。

2.5 報警功能

報警設計中順序排列著系統的報警信息，包括： 日期、時間、說明、類型、級別、確認、數值、限值等內容，且最后產生的報警排在最上面。針對管輸損耗過大及油庫單罐之間竄油事件判斷設計報警提示，具體設計內容如下：

1)當管輸動態損耗在一定時間段內持續在允許誤差范圍以外，系統將產生報警。操作人員應及時確認報警，并判斷是否存在計量設備故障或防范外管道打孔盜油事件。

2)設計首站庫單罐在進出口閥判斷為關閉時180 s內液位變化量超過3 mm，操作人員應及時確認報警，并判斷是否存在計量設備故障或防范閥門內漏造成的單罐之間的竄油事件。

2.6 報表功能

系統根據生產實際需要設計數據報表，分別為單批次計量盤點報表和單日計量盤點報表。單批次計量盤點報表包括： 單一批次計劃內各站的油品數量的發出(下載)量、管存損耗量以及管輸的綜合損耗量，主要適用于單一批次計劃內各站油品的數量盤點、損耗分析；單日計量盤點報表主要實現油品每日一鍵盤點，包括： 每日9點至次日9點首站油庫注入不同品種油品數量及各下載站下載不同品種的油品數量，系統自動生成LIMS系統每日盤點所需數據報表，實現數據的時間對齊、動態盤點，大幅降低工作量，減少人工誤差，實現人工數據盤點與每日自動一鍵盤點誤差率控制在±0.28%允許范圍內[5]。

3 項目特點

該成品油管輸自動計量系統具有以下五個優點：

1)實現了油庫自動計量系統與管輸系統之間的數據共享，消除了數據孤島，為首站油庫油品注入管道的數量比對工作提供數據支撐，較大程度上降低了首站庫注入管道庫的交接計量誤差。

2)完善了首站庫油罐的發出量實時數據的監測，檢測和計算管道庫存油的變化量以及下載站的下載量實時數據，設計管輸損耗異常預警功能，有效地反映油品泄漏、計量儀器設備故障情況，對打孔盜油事件起到有效防范監督作用。

3)當單批次或月度出現損耗時，可通過查詢油品動態損耗曲線發現具體的油品損耗時段，通過對該時段的油品計量參數的損耗位置查詢，實現對損耗的追溯管理。

4)利用油品每日一鍵盤點功能，保證各站數據對齊，實現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，將人工數據盤點與每日自動一鍵盤點交接計量誤差率控制在±0.28%允許范圍內。

5)通過對單罐未收發油時油品數量的實時監控，對同種、同一流程內的油品的竄罐進行預警，保障油品質量安全。

4 效 益

系統投用后，該成品油管道的交接計量數據更加準確，方便了質量管理人員實時核對計量數據和損耗分析，追溯損耗原因，提升了成品油管道油品計量交接的管理水平。通過數據的實時核對，交接計量誤差得到有效控制和減小，截至2020年4月，成品油管道交接計量誤差始終控制在允許的±0.28%以內。2020年該成品油管道預計輸送量為4.4 Mt，交接計量誤差為0.28%，每降低誤差0.01%可獲得計量效益440 t約人民幣352萬元。同時，為成品油管道遠距離安全輸送提供了有效保障，具有很好的社會效益。

5 結束語

該系統投用后，成品油管輸交接計量誤差控制在±0.28%以內，確保了交接計量數據更加準確。該系統設計科學合理、功能完善，提高了工作效率和管理水平，對該成品油管道的交接計量數據起到了監督作用，值得其他同類企業借鑒。