于陽，沈亮，李君，郝元放，翟培君，馬帥，劉超

1.中國石油北京油氣調(diào)控中心（北京 100007）

2.中國石油管道局工程有限公司（河北 廊坊 065000）

0 引言

長(zhǎng)輸成品油管道采用順序輸送工藝輸送汽油、煤油、柴油等多種油品，不同油品首尾之間直接接觸形成一定長(zhǎng)度的混油段。理論上，一般將體積分?jǐn)?shù)為50%的一種油品與體積分?jǐn)?shù)為50%的另一種油品的分界位置定義為批次界面所處位置，對(duì)批次界面在管道內(nèi)的位置以及界面到達(dá)下一站時(shí)間的計(jì)算稱為批次跟蹤[1-3]。工程上，管道運(yùn)行管理人員更關(guān)注混油頭及混油尾在管道中的位置，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地將混油段切入混油罐，防止出現(xiàn)油品質(zhì)量問題。本文所涉及的批次界面位置皆為混油段油頭的位置。批次界面所處里程是成品油管道重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其對(duì)中間站場(chǎng)的油品分輸操作以及末站的混油切割操作具有重要意義[4-5]。如果調(diào)度員計(jì)算錯(cuò)批次界面里程，很有可能造成不同油品污染的質(zhì)量事故。

自20 世紀(jì)80 年代，就有國外學(xué)者研究液體管道中批次界面的跟蹤問題[6-8]，并借助計(jì)算機(jī)輔助跟蹤管道內(nèi)的批次界面[9-11]。國內(nèi)成品油管道的建設(shè)、發(fā)展及興起較晚，針對(duì)成品油管道批次跟蹤的研究起步也較晚。直至2005 年，國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)關(guān)注原油、成品油管道批次界面的跟蹤問題[12-18]，并有學(xué)者采用Excel 軟件跟蹤中石化華南管網(wǎng)的批次運(yùn)行位置[19]，也有學(xué)者將在線批次界面計(jì)算軟件應(yīng)用于中石油西部成品油管道及蘭成渝成品油管道[20-21]，然而以上文獻(xiàn)介紹的批次界面計(jì)算工具主要有3種缺點(diǎn)：①可拓展性較差，只適用于特定的成品油管道或管網(wǎng)；②功能較為單一，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的批次位置計(jì)算；③用戶體驗(yàn)及可維護(hù)性較差，使用過程需要用戶輸入大量冗余信息，輸入條件稍有不適，程序即容易崩潰，且軟件可視化輸出信息較少。為此，亟需結(jié)合國內(nèi)成品油管道的工藝特點(diǎn)，研究并開發(fā)出一款功能完備、人機(jī)界面良好、可拓展性及可維護(hù)性強(qiáng)的成品油管道批次跟蹤軟件。

1 批次界面計(jì)算方法

成品油管道沿線各站場(chǎng)一般設(shè)有密度計(jì)、光學(xué)界面監(jiān)測(cè)儀（Optical Interface Detector,OID）、聲速監(jiān)測(cè)儀等批次界面檢測(cè)裝置[22-25]，在不同油品過站時(shí)能夠有效地進(jìn)行區(qū)分，通過逐站修正混油界面位置的方法提高界面跟蹤的精度。當(dāng)批次界面通過中間某站場(chǎng)A 站時(shí)記錄下該時(shí)刻T0，以及該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的某計(jì)算站場(chǎng)C所配置的超聲波流量計(jì)累積流量值V0。假如需要調(diào)度員計(jì)算T 時(shí)刻批次界面位置，則還需要對(duì)應(yīng)的T時(shí)刻C站超聲波流量計(jì)累積流量值V，則T時(shí)刻批次界面位置：

式中：S為T時(shí)刻批次界面位置，km；SA為A站里程，km；VM為批次界面所在管段的單位管容，m3/km。

特別地，若批次界面位置與流量計(jì)所在站場(chǎng)之間存在分輸或注入，還需進(jìn)一步考慮分輸量或注入量，按式

計(jì)算界面里程。

式中：ΔV 為需考慮的分輸量或注入量。若界面位于超聲波流量計(jì)所在站場(chǎng)的上游，則分輸量為負(fù)、注入量為正；若界面位于超聲波流量計(jì)所在站場(chǎng)的下游，則分輸量為正、注入量為負(fù)。

除T 時(shí)刻批次界面位置，預(yù)測(cè)批次界面到達(dá)下一站時(shí)間也是調(diào)度員的重要日常工作，調(diào)度員會(huì)根據(jù)該時(shí)刻，并結(jié)合輸油計(jì)劃確定分輸開始或結(jié)束時(shí)間。

式中：TB為批次界面通過B站時(shí)刻預(yù)測(cè)值；SB為B站里程，km；QA-B為A、B站間的體積流量，m3/h。

由式（1）—式（3）可知，單個(gè)批次界面位置計(jì)算及其到站時(shí)間并不復(fù)雜，將管道生產(chǎn)運(yùn)行原始數(shù)據(jù)代入公式即可。但是成品油管道順序輸送多種油品，管道中往往同時(shí)存在多種油品和多個(gè)批次界面。以我國某長(zhǎng)輸成品油管道為例，其全長(zhǎng)2 086 km，順序輸送混油、0#柴油、92#車用汽油及92#組分汽油4 種油品，管道中批次界面大多數(shù)工況下在10～15個(gè)，最多時(shí)存在21個(gè)界面。這時(shí)如果還依靠人工進(jìn)行計(jì)算，不僅效率低下，而且還極易發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤。

2 軟件開發(fā)

基于以上原因亟需開發(fā)一款批次界面計(jì)算軟件，促使批次界面計(jì)算工作更加高效、結(jié)果更加準(zhǔn)確。從軟件的編譯與運(yùn)行角度考慮，要求軟件安裝簡(jiǎn)便，系統(tǒng)兼容性好，人機(jī)交互界面友好，調(diào)用方便。經(jīng)綜合考慮決定使用VB.NET工具進(jìn)行軟件的開發(fā)。

2.1 NET框架

.NET 框架（.NET Framework）由微軟開發(fā)，是一個(gè)多語言組件開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境，它提供了一個(gè)跨語言的統(tǒng)一編程環(huán)境[26]。.NET 框架的目的是便于開發(fā)人員更容易地建立應(yīng)用程序。它的主要特點(diǎn)有：①可以在多種多樣的系統(tǒng)上運(yùn)行，從服務(wù)器、桌面機(jī)到掌上電腦和移動(dòng)電話；②使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)之間的智能交互和協(xié)同工作；③提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、安全的、一致的模型和環(huán)境，提供更加安全的執(zhí)行環(huán)境，即使有來源可疑的代碼存在。

2.2 VB程序設(shè)計(jì)語言

Visual Basic（簡(jiǎn)稱VB）是微軟開發(fā)的一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語言，為結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語言[27]。在Visual Basic 中，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，把程序和數(shù)據(jù)封裝起來作為一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都是可視的。開發(fā)人員在界面設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接用Visual Basic的工具箱在屏幕上“畫”出窗口、菜單、命令按鍵等對(duì)象，并為每個(gè)對(duì)象設(shè)置屬性。開發(fā)人員要做的僅僅是對(duì)要完成事件過程的對(duì)象進(jìn)行編寫代碼，因而程序設(shè)計(jì)的效率可大大提高。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)框架

成品油管道批次跟蹤軟件由數(shù)據(jù)載入模塊、顯示模塊、計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊4個(gè)部分組成，軟件的結(jié)構(gòu)框架如圖1。

數(shù)據(jù)載入模塊旨在解決管道基礎(chǔ)參數(shù)和歷史批次界面數(shù)據(jù)的載入。其中，管道的基礎(chǔ)參數(shù)包括：站場(chǎng)名稱、站場(chǎng)類型、站場(chǎng)里程、站間管容量等。歷史批次界面數(shù)據(jù)包括：批次界面名稱、批次界面所在的站間起點(diǎn)及終點(diǎn)、批次界面過起點(diǎn)站時(shí)間、計(jì)算站場(chǎng)、批次過起點(diǎn)站場(chǎng)時(shí)流量計(jì)數(shù)值、計(jì)算時(shí)間流量計(jì)數(shù)值、站間流量、批次界面距下站距離、批次界面的里程、預(yù)計(jì)批次界面到達(dá)下站的時(shí)間等。

顯示模塊旨在向用戶展示批次界面數(shù)據(jù)表、批次界面位置分布，以及線路縱斷面圖。

計(jì)算模塊主要包含：指定時(shí)刻界面位置計(jì)算、實(shí)時(shí)界面位置預(yù)測(cè)、指定時(shí)間界面位置預(yù)測(cè)、指定停輸位置界面校核4個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)輸出模塊包含：保存當(dāng)前批次界面數(shù)據(jù)、輸出當(dāng)前批次界面數(shù)據(jù)表，以及打印當(dāng)前批次界面數(shù)據(jù)表3個(gè)模塊。

圖1 批次界面計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)框架

3 軟件功能介紹

該軟件除最核心的指定時(shí)刻批次界面位置計(jì)算外，還具有計(jì)算結(jié)果打印、保存兩項(xiàng)基本功能。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)度員生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際需要拓展出如實(shí)時(shí)界面位置預(yù)測(cè)、指定時(shí)間界面位置預(yù)測(cè)、指定停輸位置界面校核、歷史數(shù)據(jù)調(diào)取等實(shí)用功能。

3.1 指定時(shí)刻界面位置計(jì)算

批次界面數(shù)據(jù)表是批次界面計(jì)算軟件中的核心組件，它既是界面位置計(jì)算所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)的輸入窗口，也是界面位置計(jì)算結(jié)果的輸出載體，見圖2。

圖2所示的成品油管道共包含LZ～XY、XY～ZZ、ZZ～CS 3 個(gè)水力系統(tǒng)，共計(jì)13 個(gè)批次界面。對(duì)于圖2中的任意一個(gè)批次界面而言，輸入條件包括如下：

1）在站間起點(diǎn)及站間終點(diǎn)的下拉菜單中選取相應(yīng)的站點(diǎn)，即確定該批次界面所處的站間。

2）通過數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition 系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SCADA 系統(tǒng)）調(diào)取界面過站間起點(diǎn)時(shí)密度、光學(xué)界面檢測(cè)儀或聲速界面監(jiān)測(cè)器等界面監(jiān)測(cè)參數(shù)的歷史趨勢(shì)，確定界面油頭過站間起點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間。

3）在界面上游或下游選取一個(gè)配置超聲波流量計(jì)的站場(chǎng)，即確定計(jì)算數(shù)據(jù)所選站場(chǎng)。

4）通過SCADA 系統(tǒng)調(diào)取計(jì)算數(shù)據(jù)所選站場(chǎng)超聲波流量計(jì)的歷史趨勢(shì)，確定界面油頭過站間起點(diǎn)時(shí)的數(shù)值，以及對(duì)應(yīng)計(jì)算時(shí)間的數(shù)值。

5）確定界面位置所處管段的體積流量，預(yù)測(cè)界面到下一站的時(shí)間。

特別地，對(duì)于已經(jīng)到達(dá)管段末站的批次界面，如圖2 中的LXD0018002（VI）批次、XZGE9218058（VI）批次和ZCD0018028（VI）批次，只需輸入上述1）～3）項(xiàng)條件。此外，批次界面數(shù)據(jù)表還包含了是否考慮分輸及考慮量等因素。

上述輸入條件全部完成之后，設(shè)置計(jì)算時(shí)間，并通過軟件計(jì)算，可以得到界面距下站距離、界面到下站所需時(shí)間、計(jì)算時(shí)間下界面里程等參數(shù)。

圖2 批次界面數(shù)據(jù)

3.2 輸送批次的可視化顯示

批次界面數(shù)據(jù)表雖然可以為調(diào)度員提供準(zhǔn)確的批次界面位置，但是由于管道中批次數(shù)目較多，以列表的方式呈現(xiàn)不僅不能使調(diào)度員對(duì)管道批次運(yùn)行情況有全局的掌握，反而會(huì)使調(diào)度員產(chǎn)生無序而又無規(guī)律的錯(cuò)亂感，為此軟件增加了批次界面的可視化顯示功能。

如圖3所示，在計(jì)算結(jié)果下方增加一行圖表，該圖由左至右將管道中的所有批次依次排列，同時(shí)在柱狀圖的下方標(biāo)有管道沿途各站場(chǎng)和分輸閥室。此圖將抽象的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉并進(jìn)行直觀顯示，形象且簡(jiǎn)練。通過此圖調(diào)度員可以在極短時(shí)間內(nèi)獲取管道中所有批次的分布情況，并形成對(duì)全局的掌控。

圖3 批次界面分布

在每一個(gè)批次的圖形上還標(biāo)有批次名稱以及批次長(zhǎng)度，方便調(diào)度員在批次界面計(jì)算后與上一次的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核比對(duì)，減少人為失誤的幾率；同時(shí)選取不同的顏色對(duì)不同的油品進(jìn)行區(qū)分，增加了視覺沖擊力避免了視疲勞。

3.3 縱斷面圖的可視化顯示

為減少不同油品接觸形成的混油量，在進(jìn)行計(jì)劃停輸時(shí)需要使批次界面位置處于特定的地形，密度較高的油品處于下部，密度較低的油品處于上部。具體而言，柴推汽界面應(yīng)位于上坡段，而汽推柴界面應(yīng)位于下坡段。針對(duì)這一情況，軟件可將管道縱斷面圖上的不同批次按顏色區(qū)分，例如紅色代表汽油、藍(lán)色代表柴油、黃色代表混油，使得批次界面及其所處管段的地形特征一目了然。如圖4 所示，可以直觀地看到管道中的批次界面具體位置：D04/G03 柴推汽界面位于上坡段，而G03/D02 汽推柴界面位于下坡段。

圖4 線路縱斷面

3.4 界面位置預(yù)測(cè)

在界面計(jì)算后的一定時(shí)間范圍內(nèi)，若無界面到站、開分輸、停分輸3種工況，且干線流量波動(dòng)不大，即可在不更新軟件中超聲波流量計(jì)累計(jì)值的前提下，基于給定的干線流量分布，預(yù)測(cè)沿線各計(jì)算站場(chǎng)超聲波流量計(jì)的累計(jì)值，進(jìn)而預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)界面位置分布或指定時(shí)間的界面位置分布，便于調(diào)度員掌握管道內(nèi)界面實(shí)時(shí)或未來時(shí)間的運(yùn)移情況。

3.5 停輸界面位置校核

如前所述，計(jì)劃停輸后，需要使管道中的批次界面位置處于特定的地形。通常，管道計(jì)劃員事先會(huì)給出管道中某個(gè)界面或某些界面的停輸位置，調(diào)度員需要對(duì)停輸時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步核算，并對(duì)停輸界面位置的可行性進(jìn)行校核。

若計(jì)劃員要求某管段計(jì)劃停輸，并且要求某界面停在指定里程處。這時(shí)，調(diào)度員可基于計(jì)算時(shí)間的批次界面，在軟件中選擇指定的停輸參考界面，并輸入相應(yīng)的停輸里程。軟件根據(jù)被指定界面的預(yù)期里程及該界面當(dāng)前的里程，計(jì)算出停輸時(shí)間，再根據(jù)上一節(jié)所述方法，預(yù)測(cè)停輸后界面位置分布。

3.6 歷史批次界面查詢

軟件具備查詢已保存的歷史批次界面，方便管道運(yùn)行管理人員對(duì)界面進(jìn)入管線時(shí)間、界面經(jīng)過沿途各站時(shí)間、以及界面歷史運(yùn)移等情況進(jìn)行追溯。

4 應(yīng)用效果

成品油管道批次跟蹤軟件于2018 年9 月應(yīng)用于某成品油管道實(shí)際生產(chǎn)，至2018 年底，共計(jì)算并跟蹤批次界面270 余次，期間共成功預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)了122 個(gè)批次界面的運(yùn)移及到站情況（以下簡(jiǎn)稱工況）。以下將通過對(duì)比批次界面的預(yù)測(cè)到站時(shí)間與實(shí)際到站時(shí)間，計(jì)算并分析批次到站時(shí)的里程偏差、批次到站時(shí)的相對(duì)偏差，以評(píng)價(jià)軟件的應(yīng)用效果。

圖5 呈現(xiàn)了批次界面到站前，批次到站的預(yù)測(cè)時(shí)間與批次實(shí)際到站時(shí)間的偏差。由圖5 可知，所有工況的偏差都在±1.25 h 內(nèi)。通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析可知，偏差在±15 min 的工況占工況總數(shù)的33.6%；偏差在±30 min的工況占工況總數(shù)的64.8%；偏差在±40 min的工況占工況總數(shù)的80.3%；所有工況的平均時(shí)間偏差為0.44 h，即26 min，滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)于批次界面到站時(shí)間預(yù)測(cè)精度的要求。

圖6呈現(xiàn)了批次界面到站時(shí)，批次的預(yù)測(cè)行程與站間距的偏差。由圖6 可知，所有工況的偏差都在±3.5 km 以內(nèi)。通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析可知，偏差在±1 km 的工況占工況總數(shù)的50%；偏差在±1.5 km的工況占工況總數(shù)的69.7%；偏差在±2 km的工況占工況總數(shù)的86.9%；所有工況的平均距離偏差為1.17 km，滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)于批次界面里程預(yù)測(cè)精度的要求。

圖5 批次界面到站時(shí)的時(shí)間偏差

圖6 批次界面到站時(shí)的距離偏差

為了更客觀地評(píng)價(jià)批次界面里程及到站時(shí)間預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確度，將各工況的時(shí)間偏差與批次界面途徑站間的理論耗時(shí)相除，或計(jì)算批次界面實(shí)際到站時(shí)的行程預(yù)測(cè)值與站間距之比，可以得到各批次界面到站時(shí)間或預(yù)測(cè)里程的相對(duì)偏差（簡(jiǎn)稱相對(duì)偏差），如圖7 所示。由此可知，各工況的相對(duì)偏差基本在±5%范圍內(nèi)，其中偏差在±1%的工況占總工況的51.6%；偏差在±2%的工況占總工況的85.2%；所有工況的平均偏差為1.3%，滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)于批次界面相對(duì)偏差預(yù)測(cè)精度的要求。

圖7 批次界面到站時(shí)的相對(duì)偏差

5 結(jié)論

綜上所述，所開發(fā)的成品油管道批次跟蹤軟件不僅具備批次界面位置計(jì)算的核心功能，還可用于預(yù)測(cè)批次界面到站時(shí)間、實(shí)時(shí)及指定時(shí)間批次界面跟蹤、校核批次停輸界面、保存及查看歷史批次界面等功能。軟件的人機(jī)界面良好、可拓展性及可維護(hù)性較強(qiáng)，可以滿足管道生產(chǎn)的精度要求，提升批次界面計(jì)算的工作效率，同時(shí)降低了油品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)隱患。

然而，軟件以各站場(chǎng)超聲波流量計(jì)、密度計(jì)和OID 為主要數(shù)據(jù)源，由于超聲波流量計(jì)在生產(chǎn)運(yùn)行中存在一定計(jì)量誤差，其數(shù)值準(zhǔn)確度在一定程度上影響批次界面的計(jì)算結(jié)果。今后，在積累大量的批次界面跟蹤數(shù)據(jù)后，可通過修正超聲波流量計(jì)累計(jì)值的途徑，進(jìn)一步提升批次界面跟蹤的精度。