單新云

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450018)

某裝車(chē)末站是中國(guó)石化股份有限公司西北油田分公司重要的油氣儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)輸站場(chǎng)及銷(xiāo)售終端，承載著油田油氣儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、外銷(xiāo)等重要任務(wù)。目前站場(chǎng)銷(xiāo)售油氣品種為重質(zhì)油、輕質(zhì)油，外銷(xiāo)方式為管道外輸和汽車(chē)、火車(chē)運(yùn)輸。

現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)作業(yè)采用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝車(chē)量不準(zhǔn)、操作流程易出錯(cuò)，還存在溢罐、跑油、靜電等安全隱患。為提高自動(dòng)化管理水平，保證安全生產(chǎn)，提高工作效率，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合中石化“數(shù)字化”油田建設(shè)的要求，提出建立1套火車(chē)裝車(chē)線自動(dòng)化定量裝車(chē)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定量裝車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括全廠相關(guān)系統(tǒng)、裝車(chē)管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程儀表，同時(shí)將裝車(chē)泵、可燃?xì)怏w探測(cè)器、出入口火車(chē)衡、聲光報(bào)警器、LED大屏幕顯示等納入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全、可靠、高效地運(yùn)行。

該系統(tǒng)采用二級(jí)布網(wǎng)方式，在現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)鶴位設(shè)置1臺(tái)批量控制器，現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)儀表信號(hào)接入批量控制器，并由其完成油品灌裝自動(dòng)控制及防溢油、防靜電安全聯(lián)鎖保護(hù)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)批量控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入控制室，形成以控制室操作站為集中管理控制單元，現(xiàn)場(chǎng)批量控制器為分散獨(dú)立控制單元的分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風(fēng)險(xiǎn)分散的目的。

2 系統(tǒng)控制原理

現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)不同槽車(chē)罐容，預(yù)先設(shè)定裝車(chē)量及液位高度，質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)流量信號(hào)并上傳至批量控制器，批量控制器根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的提油量指令以及質(zhì)量流量計(jì)的瞬時(shí)流量、累積流量等數(shù)據(jù)控制裝車(chē)閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定量裝車(chē)。批量控制器通過(guò)Modbus通信方式實(shí)時(shí)將流量和控制信息上傳至操作站，可統(tǒng)一顯示裝車(chē)過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)及歷史趨勢(shì)、報(bào)警、報(bào)表等數(shù)據(jù)。操作站通過(guò)以太網(wǎng)與全廠站控系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、銷(xiāo)售系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

定量裝車(chē)控制過(guò)程如圖2所示，該過(guò)程分為3個(gè)階段： 開(kāi)啟階段、恒流發(fā)油階段、結(jié)束階段，不同階段采用不同的控制策略。

1)開(kāi)啟階段。分3個(gè)過(guò)程，間隔時(shí)間可調(diào)。

a)啟動(dòng)過(guò)程。裝車(chē)閥緩慢打開(kāi)，以減少鶴管出口處介質(zhì)的噴射損耗和罐車(chē)液面上方油蒸氣濃度，并降低靜電積聚。直到發(fā)油流量達(dá)到預(yù)置的“小開(kāi)度穩(wěn)流值”，該值為穩(wěn)流值的10%左右。

b)開(kāi)啟穩(wěn)流過(guò)程。在該時(shí)段裝車(chē)閥開(kāi)度基本不變。

c)開(kāi)啟上升過(guò)程。待介質(zhì)淹沒(méi)鶴管，裝車(chē)閥開(kāi)度快速上升，直到發(fā)油流量達(dá)到預(yù)置的“穩(wěn)流值”，其后保持閥開(kāi)度基本不變。

2)恒流發(fā)油階段。該階段按照最大安全流量進(jìn)行發(fā)油，期間裝車(chē)閥開(kāi)度只進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)的范圍通過(guò)預(yù)置“恒流允許偏離值”來(lái)控制，直到實(shí)發(fā)剩余量達(dá)到預(yù)置的“結(jié)束提前量”。

3)結(jié)束階段。分3個(gè)過(guò)程，間隔時(shí)間可調(diào)。

a)關(guān)閉下降過(guò)程。裝車(chē)閥緩慢關(guān)閉，以消除水錘，保護(hù)管道及其管道儀表。直到發(fā)油流量達(dá)到預(yù)置的“小開(kāi)度穩(wěn)流值”。

b)關(guān)閉穩(wěn)流過(guò)程。在該時(shí)段裝車(chē)閥開(kāi)度基本不變。

圖1 定量裝車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 裝車(chē)過(guò)程流量控制示意

c)結(jié)束過(guò)程。裝車(chē)閥開(kāi)度從“關(guān)閉穩(wěn)流開(kāi)度”快速下降，直到裝車(chē)閥全關(guān)，發(fā)油流量為零。

3 主要硬件選型

3.1 批量控制器

定量裝車(chē)控制器是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是對(duì)裝車(chē)過(guò)程實(shí)施程序控制及安全聯(lián)鎖保護(hù)。按照預(yù)定流量完成多段控制和切斷功能，從而實(shí)現(xiàn)精確定量裝車(chē)及防止靜電、溢油、水擊等現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)管道儀表設(shè)備。該控制器具備以下功能如下：

1)采集數(shù)據(jù)信號(hào)?？山邮軠囟?、質(zhì)量流量/體積流量、液位、防靜電保護(hù)裝置檢測(cè)信號(hào)及控制閥位回訊信號(hào)，LCD顯示屏顯示等功能。

2)參數(shù)設(shè)定、報(bào)警。依據(jù)裝車(chē)要求，預(yù)置液位高度、提前量、開(kāi)閥延遲時(shí)間、流體密度等，當(dāng)達(dá)到預(yù)置液位高度及流量時(shí)，提前報(bào)警。

3)現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)控制。依據(jù)人工指令及設(shè)定程序?qū)嵭醒b車(chē)程序控制，自動(dòng)開(kāi)啟/關(guān)閉裝車(chē)閥。

4)溢油靜電保護(hù)。發(fā)生溢油或靜電狀況時(shí)，自動(dòng)切斷裝車(chē)閥，停止裝車(chē)。

5)現(xiàn)場(chǎng)急停功能。裝車(chē)過(guò)程異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)按鈕急停裝車(chē)。

6)儀表配電。給現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制閥提供工作電源。

7)數(shù)據(jù)通信。采用RS-485和Modbus-RTU通信協(xié)議與上位控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

3.2 控制閥

控制閥是該裝車(chē)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用有： 確保油品貿(mào)易交接時(shí)的控制精度；在裝車(chē)鶴管浸沒(méi)前，以小流量裝車(chē)，防止流量太大產(chǎn)生靜電造成危險(xiǎn)；在裝車(chē)快結(jié)束時(shí)，實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閥，防止管道產(chǎn)生“水擊”。

目前，裝車(chē)用控制閥主要采用： 氣動(dòng)兩(多)段式開(kāi)關(guān)球閥、數(shù)控電液閥、電動(dòng)V型球閥和氣動(dòng)控制閥，裝車(chē)控制閥比選見(jiàn)表1所列。

表1 裝車(chē)控制閥比選

續(xù)表1

對(duì)于獨(dú)立的成品油或化工品油庫(kù)，由于沒(méi)有儀表氣源，油品性質(zhì)好，可優(yōu)先選用數(shù)控電液閥；對(duì)于獨(dú)立的原油油庫(kù)，由于沒(méi)有儀表氣源，同時(shí)考慮油品中含有雜質(zhì)，可優(yōu)先選用電動(dòng)V型球閥；對(duì)于煉油廠成品油裝車(chē)，往往有可靠的儀表氣源，同時(shí)煉油廠裝車(chē)產(chǎn)品種類(lèi)多，油品性質(zhì)差異大，可優(yōu)先選用氣動(dòng)兩段閥，該閥對(duì)各種油品的適應(yīng)性都好。

該站場(chǎng)為原油儲(chǔ)運(yùn)站，且無(wú)儀表氣源提供，因此該設(shè)計(jì)采用適用于原油介質(zhì)、無(wú)需氣源、且控制效果較好的電動(dòng)V型球閥，以實(shí)現(xiàn)初始裝車(chē)與正常裝車(chē)的流量安全控制，確保介質(zhì)流速始終處于安全高效階段。在大小流量切換時(shí)，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié)，避免了分段式控制導(dǎo)致的快速流量變化帶來(lái)的沖擊，起到降耗、降靜電的作用，既高速付油，又平穩(wěn)啟閉，大幅減小了沖過(guò)量誤差，確保安全裝車(chē)，同時(shí)減少了對(duì)流量計(jì)、裝車(chē)泵的損害。

3.3 流量計(jì)

該站場(chǎng)裝車(chē)介質(zhì)為輕質(zhì)油和重油，因此采用高精度、高可靠性、適用介質(zhì)范圍廣的質(zhì)量流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝車(chē)流量的測(cè)量。正常情況下流量計(jì)主要負(fù)責(zé)定量控制，對(duì)外貿(mào)易結(jié)算主要以地磅計(jì)量為準(zhǔn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

裝車(chē)管理系統(tǒng)采用OpenEnterprise平臺(tái)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求組態(tài)。在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、發(fā)貨參數(shù)設(shè)置、調(diào)試參數(shù)設(shè)置、發(fā)貨實(shí)時(shí)控制、報(bào)表打印、權(quán)限管理、事件記錄、操作記錄等功能；同時(shí)批量控制器實(shí)時(shí)向裝車(chē)管理系統(tǒng)發(fā)送裝車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括： 流量、閥位、液位、靜電接地、可燃?xì)怏w濃度等，在顯示界面上實(shí)時(shí)顯示裝載情況；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)上位機(jī)會(huì)有報(bào)警提示。

5 安全設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中在每個(gè)裝車(chē)鶴位上均安裝有溢油保護(hù)器及靜電接地夾，溢油保護(hù)器和靜電接地夾的狀態(tài)引入批量控制器。當(dāng)液位到達(dá)上限或接地電阻超標(biāo)時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)裝車(chē)閥，停止裝車(chē)，避免溢油事故發(fā)生，保證靜電接地安全。另外，充裝的介質(zhì)為易燃易爆或有毒介質(zhì)．火車(chē)裝車(chē)棧橋周?chē)O(shè)置有可燃及有毒氣體探測(cè)器并帶有就地聲光報(bào)警功能，檢測(cè)泄漏在空氣中的可燃及有毒氣體含量，檢測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)傳引入上位機(jī)RTU系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到氣體泄漏時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并由RTU將報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)傳至現(xiàn)場(chǎng)批量控制器，由批量控制器聯(lián)鎖關(guān)閉裝車(chē)閥停止裝車(chē)。

6 系統(tǒng)使用效果

該定量裝車(chē)控制系統(tǒng)自2018年6月正式投用以來(lái)，運(yùn)行良好。大幅提升了裝車(chē)作業(yè)自動(dòng)化水平，保證了操作安全性，降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)作業(yè)人員由原有的50余人減少至20人，裝車(chē)作業(yè)時(shí)間由原來(lái)4 h縮減為2.5 h，達(dá)到了減員增效和提高油田生產(chǎn)效益的目的。

7 結(jié)束語(yǔ)

定量裝車(chē)控制系統(tǒng)在油氣儲(chǔ)運(yùn)站場(chǎng)中應(yīng)用是一種必然的趨勢(shì)。本文從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套可靠性高、安全保護(hù)措施完善、操作方便、易維護(hù)的定量裝車(chē)控制系統(tǒng)，總體運(yùn)行效果良好，滿足了生產(chǎn)管理需要，節(jié)省了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，值得在油氣田各種汽車(chē)、火車(chē)裝車(chē)場(chǎng)合推廣應(yīng)用。