李亞平張華德高煒欣

(1.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司 江蘇徐州) (2.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西西安)

輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)研制＊

李亞平1張華德1高煒欣2

(1.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司 江蘇徐州) (2.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西西安)

分析了管道輸油場(chǎng)站工藝流程的特點(diǎn),提出利用連通圖來(lái)描述場(chǎng)站工藝流程。通過(guò)對(duì)連通圖節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類,使得具體調(diào)度任務(wù)的操作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算連通圖的輻射狀子圖問(wèn)題。針對(duì)輸油場(chǎng)站連通圖包括了有向圖和無(wú)向圖的特點(diǎn),改進(jìn)傳統(tǒng)的搜索算法,使之可以針對(duì)調(diào)度任務(wù),自動(dòng)計(jì)算出操作步驟?；谠撍惴?建立了場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)。

輸油場(chǎng)站;搜索算法;圖論;操作步驟

0 引 言

管道輸油在現(xiàn)代油品運(yùn)輸中起著及其重要的作用,場(chǎng)站是整個(gè)管道輸油操作的核心。場(chǎng)站的轉(zhuǎn)運(yùn)效率影響著整個(gè)輸油的效率,常常會(huì)成為油品運(yùn)輸操作過(guò)程的瓶頸。因此,在調(diào)度任務(wù)下達(dá)后,根據(jù)當(dāng)前工況,快速確定合理的輸油流程,保證輸油系統(tǒng)整體的效率,是非常關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。

一般情況下,在調(diào)度任務(wù)下達(dá)后,確定各閥組和泵組的開關(guān)情況主要涉及以下幾個(gè)因素:

1)當(dāng)前工況,由于場(chǎng)站的進(jìn)油操作和出油操作可能同時(shí)發(fā)生,因此閥門開關(guān)選擇不當(dāng)容易引起“串油”現(xiàn)象;

2)油品外輸管道的管徑,由于油品外輸時(shí)選擇管道的管徑不同,導(dǎo)致需要采用不同揚(yáng)程的輸油泵,與之相匹配的輸油泵也隨之發(fā)生變化。

對(duì)于工藝仿真系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了卓有成效的研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用最優(yōu)化理論建立了成品油管道優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型,并用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解,但沒(méi)有涉及閥門如何動(dòng)作以保證流向正確。文獻(xiàn)[2]對(duì)仿真系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了研究,但未涉及如何關(guān)聯(lián)場(chǎng)站的各種設(shè)備。文獻(xiàn)[3]列舉了一些目前國(guó)際上比較通用的商業(yè)軟件,給出了開發(fā)國(guó)內(nèi)輸油管道軟件的建議。文獻(xiàn)[4]針對(duì)管道壓力、流量等參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了研究。還有大量文獻(xiàn)對(duì)管道瞬變流動(dòng)的求解方法進(jìn)行了研究,常見的有:特征線法[5]、顯式差分法[6]、隱式有限差分法和迦遼金(Galerkin)法[7～8]等。

從大量文獻(xiàn)資料來(lái)看,已有的研究大都集中在對(duì)管道和泵等設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行描述并展示。對(duì)管道瞬變流動(dòng)的求解還不能完全真實(shí)的反映實(shí)際運(yùn)行情況。而在針對(duì)調(diào)度任務(wù),根據(jù)場(chǎng)站結(jié)構(gòu)確定具體操作步驟方面的研究目前還未見文獻(xiàn)報(bào)道。特別是針對(duì)輸油場(chǎng)站的幾何建模方面的研究顯得更加不足。

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)某特大輸油場(chǎng)站的特點(diǎn),給出建立場(chǎng)站幾何模型的方法。在此基礎(chǔ)上,提出一種可以針對(duì)調(diào)度任務(wù),自動(dòng)計(jì)算出操作步驟的算法。論文建立了場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng),某特大輸油場(chǎng)站對(duì)改系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行表明,所研制的系統(tǒng)可行,能夠較明顯地減輕現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。

1 場(chǎng)站分析

輸油場(chǎng)站的任務(wù),主要可以分為“存儲(chǔ)”和“外輸”兩個(gè)部分。存儲(chǔ)是處于商業(yè)或國(guó)家戰(zhàn)略的需求,將油品存于儲(chǔ)油罐內(nèi)。調(diào)度任務(wù)下達(dá)的方式一般是給出來(lái)油位置和具體的儲(chǔ)油罐,需要操作人員確定中間閥的開關(guān)狀態(tài)。圖1所示為一大型場(chǎng)站的商儲(chǔ)區(qū),調(diào)度任務(wù)下達(dá)后,工作人員通過(guò)確定閥的開關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)油品輸入或輸出正確的油罐。

分析圖1可知,場(chǎng)站所涉及的裝置主要有:(1)電動(dòng)閥;(2)泵組;(3)集油管;(4)油罐。各裝置之間通過(guò)管道相連。部分管道可以雙向輸油,部分管道(如圖1中和輸油泵相連的管道)只能單向輸油。

高校文書檔案具有真實(shí)性，必須是準(zhǔn)確、客觀和真實(shí)的，必須與其所記述的各項(xiàng)活動(dòng)相符合，而不能是虛構(gòu)、偽造和假冒的。文書檔案還具有服務(wù)性，能夠直接為學(xué)校管理服務(wù)，材料來(lái)源于管理之中，反過(guò)來(lái)又服務(wù)于學(xué)?？茖W(xué)管理。

圖1 某場(chǎng)站工藝流程圖

2 幾何模型的建立

如果將場(chǎng)站的裝置視為節(jié)點(diǎn),裝置之間的連接管道視為連接線的話,圖1所示的場(chǎng)站可以用圖2來(lái)描述各裝置之間的連接關(guān)系。

圖2 幾何模型圖

為了清楚的用圖2所示的連通圖來(lái)表示工藝流程,本文中節(jié)點(diǎn)主要分為三類:(1)閥門,用符號(hào)v表示;(2)泵,用符號(hào)P表示;(3)空節(jié)點(diǎn)用符號(hào)N表示;(4)特殊裝置(如計(jì)量站),在圖中直接標(biāo)出。四種類型的節(jié)點(diǎn)中,空節(jié)點(diǎn)表明該節(jié)點(diǎn)在工藝流程中只起中轉(zhuǎn)的作用,集油管就是一種典型的空節(jié)點(diǎn)。

從圖論的角度來(lái)看,場(chǎng)站從整體上是一個(gè)無(wú)向圖,但局部是有向圖,例如計(jì)量站有明確的進(jìn)口和出口,油品只能單向流動(dòng)。

一般而言,下達(dá)到場(chǎng)站的調(diào)度任務(wù)僅僅指明來(lái)油位置和存儲(chǔ)位置。例如:“1號(hào)入口來(lái)油經(jīng)計(jì)量間至G-103”就是一典型的調(diào)度任務(wù)。從圖1利用計(jì)算機(jī)直接確定執(zhí)行該調(diào)度任務(wù)需要開那些閥門相對(duì)較難實(shí)現(xiàn),但從圖2可以清楚的發(fā)現(xiàn),確定操作過(guò)程實(shí)際是一個(gè)明確了“始點(diǎn)”和“終點(diǎn)”的輻射狀連通圖的搜索過(guò)程。我們可以利用深度或廣度的搜索方法計(jì)算出可行的輻射狀連通圖,搜索出圖中所涉及的節(jié)點(diǎn)即是我們需要打開的閥和泵。

3 場(chǎng)站結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)

輸油場(chǎng)站所涉及的SCADA系統(tǒng)具有很強(qiáng)的獨(dú)立性,一般而言現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)不允許和外部網(wǎng)絡(luò)直接相連。很多場(chǎng)站甚至也不允許計(jì)算機(jī)外接存儲(chǔ)設(shè)備,因此場(chǎng)站的數(shù)據(jù)只能取自后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)僅僅描述了場(chǎng)站各裝置的性能和狀態(tài),但對(duì)各個(gè)裝置鏈接的幾何結(jié)構(gòu)并沒(méi)有涉及。因此,本文建立節(jié)點(diǎn)表和管道表來(lái)存儲(chǔ)圖2所示連通圖,以便保存整個(gè)場(chǎng)站的連接結(jié)構(gòu)。

表1 節(jié)點(diǎn)表

通過(guò)表1所示的數(shù)據(jù)表,可以將所有節(jié)點(diǎn)信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于圖2所示的連通圖是一個(gè)有向圖和無(wú)向圖的組合,因此本文用數(shù)據(jù)庫(kù)中ValveType字段來(lái)定義閥的輸入輸出屬性,以此對(duì)管道的有向和無(wú)向進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)ValveType為Input時(shí)表示該閥門只能向與其相連的裝置進(jìn)油,當(dāng)ValveType為Output時(shí)表示該閥門只能通過(guò)與其相連的裝置出油,當(dāng)ValveType為Null時(shí)表示該閥門所連管道沒(méi)有固定的流向。在表1基礎(chǔ)上,本文建立表2所示的管道表,通過(guò)表1和表2可以完整的表示整個(gè)場(chǎng)站的裝置結(jié)構(gòu)。

表2 管道表

表2中的W1和W2對(duì)應(yīng)著表1中的Serial字段值。

4 算法確定

和一般圖論中對(duì)圖的搜索不同,圖2所示的幾何模型圖是一個(gè)有向圖和無(wú)向圖的結(jié)合。搜索出的工藝流程圖由于涉及到泵和計(jì)量站,因此也是一個(gè)包含了有向圖和無(wú)向圖的輻射網(wǎng)。本文通過(guò)如圖3所示算法,利用傳統(tǒng)深度搜索算法確定操作步驟。

圖3 搜索算法

利用圖3所示算法確定操作步驟時(shí)需特別注意:(1)在利用傳統(tǒng)深度搜索算法進(jìn)行搜索時(shí),如有某一節(jié)點(diǎn)的工況為投運(yùn)狀態(tài),為避免串油,算法在搜索到該節(jié)點(diǎn)時(shí)及應(yīng)立即回溯;(2)節(jié)點(diǎn)類型為閥門、泵和特殊裝置時(shí),如該節(jié)點(diǎn)為投運(yùn)狀態(tài),則與之直接相連的空節(jié)點(diǎn)也應(yīng)為投運(yùn)狀態(tài),否則在搜索出的操作流程可能導(dǎo)致串油。

5 系統(tǒng)研發(fā)

輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā),分為界面研發(fā)和算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員習(xí)慣于工控的界面,工控開發(fā)系統(tǒng)雖然在監(jiān)視和界面開發(fā)上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的搜索算法,也很難實(shí)現(xiàn)真正的面向?qū)ο缶幊獭?/p>

因此,本文利用delphi開發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā),通過(guò)建立一個(gè)后臺(tái)計(jì)算類實(shí)現(xiàn)圖3所示的搜索算法。在界面研發(fā)方面,為了逼真的顯示工藝流程,我們開發(fā)了泵、閥門和管道等可用于其它編程環(huán)境的工控組件,利用這些工控組件方便的實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)站工藝流程圖。在對(duì)管道控件進(jìn)行研發(fā)時(shí),為了克服SCADA系統(tǒng)自帶工控?zé)o法顯示管道中油品流動(dòng)及其方向,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作人員難以判斷具體流程的問(wèn)題,我們?cè)诠艿揽丶屑尤攵〞r(shí)器,可以通過(guò)控制定時(shí)器的時(shí)間控制屏幕上所顯示的管道中油品流動(dòng)速度,更加逼真的展示現(xiàn)場(chǎng)工況,指導(dǎo)操作。

輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算程序和基于工況組態(tài)的系統(tǒng)界面三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本系統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢語(yǔ)言進(jìn)行管理和維護(hù)。

整個(gè)系統(tǒng)的界面如圖5所示,利用圖5所示的系統(tǒng),我們對(duì)一真實(shí)的調(diào)度任務(wù):“1號(hào)入口來(lái)油經(jīng)計(jì)量間至G-103”進(jìn)行操作指導(dǎo),計(jì)算出的結(jié)果如圖5所示,和現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員做出的處理完全一致。我們對(duì)某大型場(chǎng)站全天調(diào)度任務(wù)進(jìn)行了操作指導(dǎo)計(jì)算,正確率為100%,證明本文所提算法和所研發(fā)的系統(tǒng)可靠、有效。

圖5 系統(tǒng)界面

6 結(jié) 論

1)工藝流程圖可以用一個(gè)連通圖來(lái)進(jìn)行描述,針對(duì)調(diào)度任務(wù),通過(guò)搜索連通圖可以確定操作流程。

2)所研發(fā)的操作指導(dǎo)系統(tǒng)可以投入使用。該系統(tǒng)屬于專用的軟件系統(tǒng)。與通用的軟件相比,它在指導(dǎo)運(yùn)行人員操作方面效果更好。

3)通過(guò)在管道控件中集成定時(shí)器,管道可以顯示油品的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度,仿真效果在這一方面較很多專業(yè)仿真系統(tǒng)更好。

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PI,2010,24(6):60～63

This paper analyses the characteristics of station of long-distance oil transmission pipeline,and proposes to use a connected graph for describing the process of the station.By classifying the nodes of the connected graph,the problem of how to operate for a specific scheduled task can be translated to the problem of how to calculate a radial sub-graph of the connected graph.For the connected graph of the oil transmission station includes directed graph and undirected graph,we improve the traditional search algorithm.The improved algorithm can calculate operation steps for a specific scheduled task automatically.Based on the algorithm,we set up oil transmission station operational guidance system,the real application of the system shows that the algorithm and the system is practical and reliable.

Key words:oil transmission station;search algorithm;graph theory;operation step

Development of oil transmission station operational guidance sys-tem.

Li Yaping,Zhang Huade and Gao Weixinwei.

TM715

B

1004-9134(2010)06-0060-04

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目,基金編號(hào):08jk411

李亞平,男,1973年生,高級(jí)工程師,工學(xué)學(xué)士(研究生在讀),1996年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)通信工程專業(yè),主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息化規(guī)劃與發(fā)展,現(xiàn)在中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司工作。郵編:221008

2009-12-25編輯:劉雅銘)