盧圣峰，李月英，王志芳

（1.獨(dú)山子石化公司 鐵路運(yùn)輸公司，新疆維吾爾自治區(qū) 獨(dú)山子區(qū) 833699；2.獨(dú)山子石化公司 信息網(wǎng)絡(luò)公司，新疆維吾爾自治區(qū) 獨(dú)山子區(qū) 833699）

0 引言

某石化公司有15道火車(chē)棧橋裝置及4處鐵路運(yùn)輸站點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著石腦油、輕烴液化氣、MTBE、原油進(jìn)廠存儲(chǔ)，及汽油、柴油、航煤及苯類(lèi)等液體產(chǎn)品的裝運(yùn)外銷(xiāo)任務(wù)，對(duì)整個(gè)石化公司的生產(chǎn)調(diào)度、物料平衡起著極為至關(guān)重要的作用。隨著企業(yè)專(zhuān)用鐵路信息化及自動(dòng)裝車(chē)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)鐵路運(yùn)輸和自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)取得了進(jìn)一步優(yōu)化。公司于2021年在兩個(gè)棧橋48道火車(chē)棧橋進(jìn)行改造，更換為可視化遠(yuǎn)程控制桁架式自動(dòng)對(duì)位氣動(dòng)密閉液下裝車(chē)鶴管，具備自動(dòng)定量灌裝功能，滿足裝車(chē)及環(huán)保要求。改造取得了良好的效果，不但降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也提高了裝車(chē)效率。但在裝車(chē)過(guò)程中仍需要人員現(xiàn)場(chǎng)完成鐵路機(jī)車(chē)位置調(diào)整、人工計(jì)量檢尺等操作[1]，本文主要討論在現(xiàn)有基礎(chǔ)上鐵路運(yùn)輸及優(yōu)化裝車(chē)的可行性。

隨著企業(yè)專(zhuān)用線路信息化及油品自動(dòng)灌裝技術(shù)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸管理、產(chǎn)品出廠計(jì)量等已經(jīng)逐漸擺脫靠手工記錄、紙質(zhì)單據(jù)等傳統(tǒng)作業(yè)方式，普遍實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸數(shù)據(jù)信息化、裝車(chē)數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出上傳等功能。但隨著企業(yè)智能化和信息化程度的高度發(fā)展，深挖信息系統(tǒng)潛力、最大程度實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、無(wú)人化系統(tǒng)，降低人力成本，實(shí)現(xiàn)可量化的科學(xué)生產(chǎn)管理模式成為當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 鐵路裝車(chē)系統(tǒng)基本情況

某石化分公司是大型煉油、化工、精細(xì)化工一體化的綜合性石化企業(yè)，產(chǎn)品主要銷(xiāo)往西北、西南、華北、華東等地區(qū)。公司專(zhuān)用鐵路是煉化企業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)銷(xiāo)系統(tǒng)連接路網(wǎng)鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著企業(yè)成品及原材料運(yùn)輸及中間產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存等，與全公司物料平衡密切相關(guān)。專(zhuān)用鐵路是企業(yè)生產(chǎn)組織的重要環(huán)節(jié)和最主要的運(yùn)輸方式，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中起著非常重要的作用。

企業(yè)專(zhuān)用鐵路在行車(chē)安全方面主要依靠“微機(jī)信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)”[2]，它解決了鐵路信號(hào)和進(jìn)路排列的問(wèn)題，企業(yè)專(zhuān)用鐵路機(jī)車(chē)安控系統(tǒng)采用鐵路機(jī)車(chē)車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)，車(chē)載系統(tǒng)安裝在機(jī)車(chē)司機(jī)室，對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置追蹤，在接近道口、信號(hào)機(jī)等位置時(shí)給出語(yǔ)音提示，在進(jìn)入棧橋進(jìn)行裝車(chē)操作時(shí)則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員指揮調(diào)整?？课恢茫詽M足火車(chē)定量裝車(chē)控制系統(tǒng)操作范圍的要求。

火車(chē)定量裝車(chē)控制系統(tǒng)主要包括操作室定量裝車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)定量裝車(chē)批控儀、靜電檢測(cè)接地夾、靜電溢油保護(hù)器、流量計(jì)、切斷閥等，定量裝車(chē)控制系統(tǒng)采用二級(jí)布網(wǎng)方式，形成以操作室中的操作站為集中管控單元，現(xiàn)場(chǎng)定量裝車(chē)儀為分散獨(dú)立控制單元的集散控制系統(tǒng)，實(shí)行整個(gè)裝車(chē)系統(tǒng)的監(jiān)控管理集中、控制風(fēng)險(xiǎn)分散的目的，保證裝車(chē)系統(tǒng)安全、環(huán)保、可靠、高效地運(yùn)行。

2 鐵路裝車(chē)系統(tǒng)存在的問(wèn)題及解決方案

企業(yè)鐵路運(yùn)輸專(zhuān)線每年運(yùn)送量65000車(chē)次，貨物量400萬(wàn)噸，從未發(fā)生過(guò)鐵路運(yùn)輸及罐車(chē)跑、冒油及差量事故，保障了公司生產(chǎn)原料及產(chǎn)品出廠的可靠性和準(zhǔn)確性。

目前，企業(yè)專(zhuān)用鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行主要依靠基于軌道電路技術(shù)“微機(jī)信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)地聯(lián)控；裝車(chē)系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)定位和批量灌裝控制系統(tǒng)，配套軌道衡計(jì)量罐車(chē)和人工檢尺計(jì)算，使系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確度高，滿足油品貿(mào)易交接允差的規(guī)定。但鐵路裝車(chē)系統(tǒng)仍存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

2.1 機(jī)車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)

目前，企業(yè)專(zhuān)用鐵路機(jī)車(chē)車(chē)載系統(tǒng)安裝在機(jī)車(chē)司機(jī)室，接收GPS定位信息、速度信息、時(shí)間信息和狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)顯示微機(jī)聯(lián)鎖的相關(guān)信息，即機(jī)車(chē)的位置、速度、車(chē)列前方進(jìn)路、調(diào)車(chē)信號(hào)和距離等，對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置追蹤；在接近道口、車(chē)擋、停留車(chē)、信號(hào)機(jī)位置時(shí)給出語(yǔ)音提示，并具備自停功能[3]。

但該技術(shù)受軌道銹蝕、雜物影響較大，車(chē)輛實(shí)時(shí)定位利用車(chē)載GPS接收機(jī)獲得機(jī)車(chē)定位信息，通常GPS的定位精度為5m～10m，而在企業(yè)專(zhuān)用鐵路的站場(chǎng)，5m～10m可能橫跨3～4 條鐵路線路，并且線路軌間距為1.435m。因此，普通GPS的定位精度是達(dá)不到機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控的要求，不滿足機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控要求。但實(shí)際用于定位裝車(chē)時(shí)需要人工現(xiàn)場(chǎng)指揮，由于存在對(duì)裝車(chē)人員目測(cè)偏差及司機(jī)停車(chē)操作因素的影響，整個(gè)過(guò)程存在很大的隨機(jī)性，所以每列火車(chē)停止的位置都不太相同，最大的差別能達(dá)到3m～5m，以確保罐車(chē)位置滿足現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)的需要，需要頻繁啟動(dòng)機(jī)車(chē)調(diào)整車(chē)位，不僅浪費(fèi)人力和時(shí)間，還造成燃油浪費(fèi)的危害[4]。

解決方案：針對(duì)這一缺陷，文中提出了機(jī)車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)。

機(jī)車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)運(yùn)行罐車(chē)的準(zhǔn)確定位，是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)密閉裝車(chē)的輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由地面應(yīng)答器、車(chē)載子系統(tǒng)、車(chē)載主機(jī)及處理軟件組成。

首先，在道岔叉尖信號(hào)燈絕緣節(jié)的位置安裝地面應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)停靠位置定位，地面應(yīng)答器安裝在股道枕木中間，水泥枕采用黃色自噴漆噴涂鐵路徽標(biāo)標(biāo)識(shí)，木枕使用螺絲釘在地面應(yīng)答器旁邊安裝鐵路徽記標(biāo)識(shí)牌。安裝示意圖如圖1。

圖1 地面應(yīng)答器安裝示意圖Fig.1 The schematic diagram of ground transponder installation

根據(jù)鶴管桁車(chē)運(yùn)行距離及罐車(chē)長(zhǎng)度，在用可視化遠(yuǎn)程控制桁架式氣動(dòng)密閉液下裝車(chē)鶴管對(duì)位包絡(luò)范圍為4000mm；與鐵路線垂直方向按照棧橋邊緣與鐵路中心線之間2125mm間距考慮鶴管對(duì)位范圍。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，在道岔處設(shè)置3處地面應(yīng)答器，滿足機(jī)車(chē)前后移動(dòng)距離要求，兼顧實(shí)現(xiàn)所有罐車(chē)裝車(chē)任務(wù)。然后，在機(jī)車(chē)底部安裝地面應(yīng)答器讀取單元，天線與主機(jī)通過(guò)饋線連接，通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)地面應(yīng)答器主機(jī)與車(chē)載主機(jī)的連接。地面應(yīng)答器天線設(shè)備如圖2。

圖2 地面應(yīng)答器天線Fig.2 Ground transponder antenna

機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)速25km/h，根據(jù)GPS定位傳輸，當(dāng)接近地面應(yīng)答器5m～10m范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)車(chē)減速5km/h運(yùn)行，至機(jī)動(dòng)車(chē)主機(jī)與地面應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)位，從而避免多次移動(dòng)機(jī)車(chē)，造成人力及能耗浪費(fèi)。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)地面應(yīng)答器與車(chē)載主機(jī)的通訊數(shù)據(jù)，計(jì)算出機(jī)車(chē)的實(shí)際位置PV1，需要?？课恢脼镾V1，用繼電器指示實(shí)際定位與地面應(yīng)答器的偏差，繼電器均為常開(kāi)繼電器。當(dāng)機(jī)車(chē)位置位于罐口左側(cè)時(shí)，PV1>0，則DV1>0，此時(shí)繼電器1得電，指示燈常亮；當(dāng)機(jī)車(chē)位置與應(yīng)答器位置接近時(shí)，PV1<0.5m時(shí)，繼電器1閃爍；當(dāng)機(jī)車(chē)實(shí)際到達(dá)應(yīng)答器位置時(shí)，PV1=0，則DV1=0，機(jī)車(chē)自動(dòng)停車(chē)。機(jī)車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)控制系統(tǒng)示意圖如圖3。

圖3 機(jī)車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)控制示意圖Fig.3 The controlling sketch map of locomotive automatic positioning system

2.2 罐車(chē)計(jì)量檢測(cè)

2021年，針對(duì)老區(qū)火車(chē)棧橋隱患治理項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了棧橋的可視化遠(yuǎn)程控制桁架式自動(dòng)對(duì)位氣動(dòng)密閉液下裝車(chē)鶴管，具備自動(dòng)定量灌裝功能。裝車(chē)流量計(jì)使用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，流量計(jì)精度為0.2級(jí)，滿足相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 9109.5-2017《石油和液體石油產(chǎn)品動(dòng)態(tài)計(jì)量》5.2.1條：“流量計(jì)必須符合國(guó)家規(guī)定的精確度等級(jí)，用作貿(mào)易交接計(jì)量的流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于0.2級(jí)”的要求。但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于裝車(chē)線內(nèi)油品中含有氣體影響，及流量計(jì)受氣體的影響，仍然未實(shí)現(xiàn)定量精準(zhǔn)裝車(chē)，達(dá)到貿(mào)易交接目的，目前仍然需要人工檢尺測(cè)量及軌道衡計(jì)量罐車(chē)重量。

影響罐車(chē)計(jì)量檢測(cè)準(zhǔn)確性的問(wèn)題分析有以下3種：

1）裝車(chē)線內(nèi)油品含有氣體所造成的影響

油品裝車(chē)時(shí)需要對(duì)短時(shí)批料流量進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)汽柴油裝車(chē)線內(nèi)會(huì)經(jīng)歷“空—滿—空”的氣液兩相過(guò)程。由于裝車(chē)線內(nèi)存在氣相，當(dāng)流體中含有部分氣體或運(yùn)行工況不穩(wěn)定時(shí)，油品容易將流經(jīng)管線、設(shè)備高點(diǎn)的氣體帶入質(zhì)量流量計(jì)，造成流量計(jì)計(jì)量出現(xiàn)偏差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，含氣泡1%（體積比）時(shí)質(zhì)量流量計(jì)誤差可達(dá)到1%～2%，含氣泡10%時(shí)誤差增加至15%～20%。當(dāng)液體流量在30kg/min～100kg/min變化，密度降在0%～35%變化時(shí)，含氣液體流量測(cè)量誤差最大可達(dá)50%[5]。

圖4 含氣液體流量下原始測(cè)量誤差Fig.4 The original measurement error at gas liquid flow rate

解決方案：

因?yàn)楣艿篮瑲饬恐苯佑绊懸后w質(zhì)量流量測(cè)量，含氣液體流量的含氣量（GVF）在實(shí)際測(cè)量中不易獲取和在線實(shí)時(shí)計(jì)算，但可以通過(guò)質(zhì)量流量傳感器信號(hào)的頻率反映被測(cè)混合流體的密度 。通過(guò)變送器增加Modbus通訊線，在DCS系統(tǒng)讀取實(shí)測(cè)流體密度。通過(guò)增加計(jì)算公式及歷史趨勢(shì)，可以計(jì)算出液體流量密度變化，進(jìn)而判斷出對(duì)裝車(chē)量的影響。根據(jù)已知單相液體的密度D0，就可以計(jì)算出密度降Dd為：

針對(duì)被測(cè)介質(zhì)密度變化，對(duì)裝車(chē)線內(nèi)氣相對(duì)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響，在每套質(zhì)量流量計(jì)前設(shè)置管道消氣過(guò)濾器[6]，其示意圖如圖5。

圖5 裝車(chē)管道消氣過(guò)濾器示意圖Fig.5 The schematic diagram of exhaust filter in loading pipeline

同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中采取多種手段并行的方式開(kāi)展裝車(chē)工作：

① 在每套汽柴油鶴管質(zhì)量流量計(jì)前設(shè)置管道消氣過(guò)濾器，為減少裝車(chē)線內(nèi)氣相對(duì)末端罐車(chē)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響，對(duì)初裝過(guò)程中操作進(jìn)行調(diào)整，泵開(kāi)啟5min后再進(jìn)行裝車(chē)，機(jī)泵通過(guò)回流控制閥進(jìn)行循環(huán)，盡量讓氣相通過(guò)消氣器進(jìn)行消除。經(jīng)過(guò)測(cè)試，92#汽油末端4#、5#鶴偏位差明顯減小。

② 為防止裝車(chē)線內(nèi)氣相對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響，裝車(chē)時(shí)采取先開(kāi)末端兩個(gè)鶴位，待裝載量超20t排氣后，再對(duì)后續(xù)鶴位進(jìn)行裝車(chē)。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，95#汽油在末端1#、2#鶴位排氣后，3#鶴位偏差較1#、2#鶴位明顯減小。

③ 對(duì)初期裝車(chē)時(shí)瞬間大流量數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，消除瞬間大流量數(shù)據(jù)對(duì)流量計(jì)計(jì)量的影響，修改批控儀程序（剔除＞1000t/h的瞬時(shí)流量），消除瞬間氣體造成的大流量對(duì)計(jì)量造成的影響[7]。

2）批量控制儀裝車(chē)信號(hào)產(chǎn)生的影響

裝車(chē)計(jì)量用質(zhì)量流量計(jì)選用脈沖輸出信號(hào)至批量控制儀[8]，批量控制儀按照設(shè)定的程序完成自動(dòng)裝車(chē)過(guò)程。通過(guò)批量控制儀實(shí)現(xiàn)控制閥門(mén)流量大小控制，實(shí)現(xiàn)裝車(chē)低流量啟動(dòng)速度、最高流速、關(guān)閉前低流速，以及無(wú)流量等控制功能。初始裝車(chē)流速可控制小于1m/s，浸沒(méi)垂管底端20cm下的流速小于4m/s。流量系數(shù)為脈沖信號(hào)輸出流量計(jì)的固有系數(shù)，如流量計(jì)每檢測(cè)到0.4kg的物料時(shí)發(fā)出10個(gè)脈沖，則流量系數(shù)應(yīng)設(shè)為0.1，即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)0.4kg。修正系數(shù)可用于對(duì)裝車(chē)時(shí)產(chǎn)生的誤差做出調(diào)整。

流量計(jì)發(fā)送脈沖數(shù)至批量控制儀，批量控制儀匯總脈沖數(shù)后按一定比例形成已裝量。因流量計(jì)數(shù)據(jù)直接傳輸至批量控制儀而非直接引入DCS系統(tǒng)，無(wú)法依據(jù)模擬信號(hào)進(jìn)行系數(shù)修正，需要現(xiàn)場(chǎng)分批次抄寫(xiě)流量計(jì)數(shù)據(jù)，裝車(chē)前對(duì)該?dān)Q位流量計(jì)累計(jì)噸位進(jìn)行記錄。裝車(chē)結(jié)束后，再次對(duì)該?dān)Q位流量計(jì)累計(jì)噸位進(jìn)行核實(shí)，通過(guò)將流量計(jì)數(shù)據(jù)與批量控制儀數(shù)據(jù)比對(duì)[9]，確認(rèn)是否需要對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正。若控制儀控制裝入量為1000，而實(shí)際檢測(cè)到裝車(chē)量為998，則為消除脈沖信號(hào)對(duì)定量裝車(chē)準(zhǔn)確性的影響，需要對(duì)定量裝車(chē)進(jìn)行系數(shù)修正，可將修正系數(shù)設(shè)置為0.9980，使控制儀控制的數(shù)量與實(shí)際裝車(chē)量一致；如一致，則可以保證修正系數(shù)為1不變。

3 應(yīng)用前景

隨著危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源區(qū)及國(guó)家安全監(jiān)管總局《油氣罐區(qū)防火防爆十條規(guī)定》的發(fā)布實(shí)施，各企業(yè)對(duì)火車(chē)棧橋重要程度越來(lái)越高，各種隱患治理項(xiàng)目和施工正逐步實(shí)施，企業(yè)鐵路運(yùn)輸和自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)取得了進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程控制桁架式自動(dòng)對(duì)位氣動(dòng)密閉液下裝車(chē)鶴管，具備自動(dòng)定量灌裝功能，滿足裝車(chē)及環(huán)保要求需求。改造提高了裝車(chē)效率的同時(shí)，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。但在鐵路機(jī)車(chē)位置調(diào)整、人工計(jì)量檢尺[10]等方面，仍未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。針對(duì)這些不足，本文主要討論在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化鐵路運(yùn)輸機(jī)車(chē)自動(dòng)定位及自動(dòng)定量精準(zhǔn)裝車(chē)的可行性，使自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)效率更高，功能更趨于完善，對(duì)提高裝車(chē)效率具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。