原油储运设施专家系统的开发

吴江涛， 陆雅红， 高 辉， 肖礼军， 杨春来

（1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049；2.大连港油品码头公司，辽宁大连116601）

原油储运设施专家系统的开发

吴江涛1， 陆雅红1， 高 辉1， 肖礼军2， 杨春来2

（1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049；2.大连港油品码头公司，辽宁大连116601）

基于不同种类油品物性实验及数值模拟产生的温度场数据，对原油储运设施进行传热研究分析，并根据相关的研究成果开发了一个专家系统。该专家系统界面以MFC为基础，核心算法采用C/C＋＋编写，提供了不同油品不同温度下物性查询、最优运行参数计算、储罐与管道非稳态温度场模拟及运行预测等功能，可为油库运行提供决策，减少能耗，可有效解决油库运行成本高以及科学化管理程度低的问题。

专家系统； 储罐； 管道； 温度场； 运行参数

随着人类社会发展，各国对能源的需求量日益增加，其中突出表现在对原油的需求量不断增大。20世纪70年代，大型油库在世界各地兴起，储罐大型化也成为原油储运行业的必然发展趋势。我国大型油库起步相对较晚，1985年从日本引进第一台原油罐［1］。近年来，我国储运事业发展迅速，对储运设施的设计及施工技术也具有一定水平，但是由于过于依赖以往经验，从各年油库运行情况来看，普遍存在耗能大，运行成本高的问题。因此对原油储运设施和技术进行改进以减小能耗、达到节能目的是当务之急。

目前，已有一些国家拥有针对储运设施较完整的专用软件，可对储运设施（主要是储罐）进行静态和动态分析；如今国内也编制了此类专用程序，但功能并不完善，还未广泛应用到实际。在已有的油库相关软件程序中，几乎没有涉及到油库优化运行。本文通过对原油储运设施的实地检测及深入的理论模拟计算，提出一系列优化方案并编制储罐及管道模拟程序，将相关成果制成一个专家系统，随时为原油储运设施的整体运行提供决策，实现管理科学化，从而达到节能目的。

1 总体框架设计

原油储运设施专家系统运行平台是当前流行的windows XP操作系统，系统界面基于MFC类库，核心算法采用C/C＋＋编写，因此具有良好的可扩展性，采用动态链接库的形式发布，以便在不重新编译全部程序的情况下更新软件。

本文以大连港原油码头为背景进行介绍。原油储运设施专家系统主界面为港区各个罐区的实际分布图，点击各个罐区即可进入具体罐区示意图，如图1所示。在每个储罐示意图上右击，可设置储罐基本信息，包括储油种类，液位高度，加热状态，初始温度，环境参数等。

Fig.1 Skeleton map of a tank field图1 罐区示意图

原油储运设施专家系统主要包括两大方面，参数计算及运行计算。其中参数计算包括对这种不同油品物性的计算及相应储运设施最优运行参数的计算；运行计算包括非稳态温度场的模拟及运行时间或温度的预测，这两部分都分别针对储罐及管道。

2 计算基础

原油储运设施专家系统主要以温度场及物性计算为理论基础，进而进行其他传热模型的计算，因此这两部分的计算结果对后续计算有着直接影响。

2.1 原油物性计算

原油热物性的研究主要分为两个方面，一方面是粘度（μ）、密度（ρ）和温度关系的曲线研究，主要目的在于确定多高温度下粘度值比较合适管道中油品流动；另一方面是导热系数（λ）、比热容（cp）与温度的关系确定，为建立原油储罐以及管道的传热模型提供了精确的热物性数据，对模型的准确性起到至关重要的作用。通过对8种不同油品的各物性实验获得不同温度下的数据［2－5］，并将数据拟合成方程，如式（1）所示。

其中x为物性参数，T为温度（℃），a，b，c为各拟合参数。本文以阿曼油品为例，其物性各拟合参数及平均绝对偏差见表1。

表1 物性参数表Table 1 Coefficients of oil properties

2.2 温度场模拟

温度场的计算是原油储运设施专家系统的核心部分，本文采用数值模拟方法对储罐及管道进行非稳态温度场的模拟。为了保证计算的准确性，在利用C＋＋编程对温度场模拟的同时提供Fluent软件进行远程模拟［6－7］。由于储罐为圆柱形立式储罐，考虑到其对称性，可把模型简化为二维，又因此二维平面轴对称，故取二维平面的半部分作为模拟对象，以减少计算节点，加快计算速度［8－12］。对于管道，同时取二维及三维模型进行模拟，其中三维管道模型取径长比1/5。

二维非稳态能量方程及动量方程如式（2）－（4），其中λ（T），ρ（T），cp（T）及η（T）的表达式见式（1）。

图2为装有阿曼油品的1.0×105m3储罐在满罐情况下加热过程的模拟结果。假设加热初始罐内为均匀温度场（320K）及在冬季工况下，4组蒸汽加热盘管全开。在加热1h后接近顶部由于散热作用温度降低，其他高度的油品温度基本维持不变；加热时间达到10h后，底部由于靠热源近，温度上升明显，另外接近罐顶及以下2m处油品升温明显，而中间部分油品虽然有所升温，但温度升高并不明显；随着加热时间的增加，除了接近顶部和底部温度上升明显外，中间部分升温区域从接近罐顶处逐渐往下扩散，加热24h后，整个罐壁温度均已升高。

Fig.2 Temperature profile along the height of 0.2 m away from the tank wall at different time图2 距离罐壁0.2m处储罐加热轴向温度分布

进行模拟的同时，在油库中选择一个105m3油罐进行现场加热数据测量，此油罐在测量时处于满罐状态，内装阿曼油品。在第一天利用油罐专用测温热电偶测得离罐壁1m处不同高度的油品温度值，在加热24h后，同样测得不同高度的温度值，并将其升温温度与本文模拟的升温温度进行比较，总体来说两者升温趋势一致，平均偏差为6.77%。

由于管道内原油处于层流流动状态，传热传质效果相对较好，由模拟结果来看，罐内油品温度分布基本均匀；而在岩棉保温层中出现明显的温度梯度，这是由于外界的纯导热引起的；在蒸汽伴热管附近属于局部高温区域，也是管道传热和散热的主要部位。

3 功能介绍

原油储运设施专家系统旨在根据实际行库对油库的运行确定高效的运行参数，使整体运行在最优化状态下进行，以达到节能目的。另外，专家系统根据数值模拟结果及相应传热计算，为油库运行提供一些决策性意见，以便更精确地知道运行，实现科学化管理。对专家系统的计算实现采用远程计算方式，以利用高性能计算机实现快速预算，提高效率。图3介绍了本专家系统的计算框架。

Fig.3 Framework work of calculation图3 计算框架图

3.1 物性计算模块

在温度场的计算中，物性数据是精确计算的保障，尤其是对储罐中的自然对流及管道中油品的流动至关重要。另外，油品物性计算及温度场模拟结果也是进行储罐传热模型计算及管道传热模型计算的基础。专家系统中，选择相应油品种类，输入目标温度后，点击查询物性按钮，即可得油品在此温度下4个物性参数，物性查询界面见图4。

Fig.4 Interface of thermal properties data图4 油品物性查询界面

3.2 运行参数优化计算模块

最佳运行参数指油库运行时能耗最小状况下的各运行参数，包括最佳储存温度、最佳装船温度、输油泵高效流量区等。原油储存温度越高，储油过程中维温消耗的能量越多，而装船升温时所需的能量却越小［13］，所以选择一个合理的储存温度对减少能耗有重要意义；另外，对于一般油品黏度、密度是随着温度的增大而减小的，黏度的增大使得泵消耗功率减小，耗电费用减小，然而装船温度的升高势必导致储罐加热温度的升高，耗能增大，费用增大，装船温度的优化对节能也具有重要意义；所谓离心泵的高效流量区是指在泵最高效率点7%左右的工作区流量范围。离心泵输送粘性液体时与输送清水有很大区别，在输送粘稠性介质时，泵流量减少，扬程下降，效率降低，轴功率增加。因此有必要利用清水与粘稠物质性能换算方法进行输油泵功率的计算，本文使用时是美国水力学会标准进行性能转化［14］。

原油储运设施专家系统考虑了实际的环境因素对各参数的影响，例如当地风速、湿度、日照强度等，使计算结果更为精确。在运行参数界面选择了油品种类、输油泵类型及设置了环境参数后，即可得最优运行参数，见图5。

Fig.5 Interface of the optimal loading temperature图5 最佳装船温度界面

3.3 温度场计算模块

对储罐非稳态温度场的模拟有利于随时获得罐内温度分布，对储罐何时需开始升温或冷却操作，何时达到所需温度等都具有指导性意义，另一方面，温度场分布是精确地进行其他传热计算的重要基础。同样，通过对输油管道温度场的模拟可知输油过程中油温降幅及最终是否达到装船或装罐温度要求。

其中储罐及管道温度场都分为加热过程及冷却过程。在相应界面输入储罐或管道参数及实际环境参数后，可得一定时间后的温度场分布图，温度场界面见图6。

Fig.6 Interface of simulating temperature fields in heating process图6 加热温度场模拟界面

3.4 运行预测计算模块

由于数值计算速度相对较慢，若用户需模拟10 d以上的温度场且需短时间内得到结果，则原油储运设施专家系统提供储罐及管道运行预测模块以进行快速预测计算。储罐运行预测计算包括加热过程的时间、温度预测及冷却过程的时间温度预测，管道运行预测计算包括伴热温度预测与无伴热温度预测。对于储罐加热或冷却时间及温度的预测计算可使油库合理安排进度，以更有效地达到用户需求；同样对管线伴热或无伴热情况下最终温度的预测计算是使油品温度达到用户要求的重要保障。图7中分别为无伴热管线温度预测及储罐加热温度预测界面及界面。

4 结束语

现阶段原油储运设施专家系统已有油库投入使用，反应良好。为了更好的应用于储运行业，在进一步研究工作中对该系统提出以下几个方面的改进建议：系统中考虑了环境参数对温度场的影响，其中的环境参数是日平均环境状况，下一步的工作中可考虑实时环境因素对温度场及传热模型的影响；现阶段储罐各信息参数还需手动输入，后续工作中可将此专家系统与油库已有的实时监控系统相连接，方便操作；另外，对于管道模型的计算，已考虑不同管径下的各种情况，进一步工作中还将增加对不同容积储罐模型的计算，以满足不同油库需求。

Fig.7 Interface of operational temperature estimation图7 运行温度预测界面

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（Ed.：WYX，Z）

Development of Expert System on Crude Oil Storage and Transportation Facilities

WU Jiang－tao1，LU Ya－hong1，GAO Hui1，XIAO Li－jun2，YANG Chun－lai2
（1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shanxi710049，P.R.China；2.Dalian Port Oil Terminal Company，Dalian Liaoning116601，P.R.China）

Based on experiments on thermo－physical properties of crude oils and numerical simulations of oil tanks and pipes，heat－transfer calculation was carried out.With the calculation result，an expert system was developed on MFC and C/C＋＋.The expert system affords oils’thermo－physical properties data at different temperatures and the optimal operation parameters.It also provides unsteady temperature fields data and estimations on operation process.So strategic decisions on operation could be offered to oil depots.By the expert system，energy consumption is cut down for the oil depots，and the aim of decreasing cost is also gained.

Expert system；Storage tank；Oil pipe；Temperature field；Operation parameters

.Tel.：＋86－29－82666875；e－mail：jtwu＠mail.xjtu.edu.cn

TB61

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.017

2010－06－10

吴江涛（1973－），男，浙江东阳市，教授，博士。

全国优秀博士论文作者专项基金（200540）。

1006－396X（2011）01－0073－05

Received10June2010；revised20December2010；accepted29December2010