基于多数据融合分析的航空煤油储罐安全运行监测分析系统研究

李金铸，陈东华

(中国航空油料有限责任公司吉林省分公司，吉林 长春 130504)

0　引　言

航空煤油储罐属于常压罐，罐体变形是它最为常见的安全问题，多数原因是罐内压力异常导致的。对于罐体压力安全运行中较为关键的一个部件就是呼吸阀，目前国内所有的航空煤油储罐上面均安装有一个或多个呼吸阀。这些呼吸阀出自不同的厂家，型号也各有不同，但是基本原理大致相同。通过调研不同地区和不同类型的储罐运行情况，目前存在较为普遍的问题就是呼吸阀本身的运行情况得不到很好的监控。

综合对比国内外针对呼吸阀阻火器改进的相关文献，除了“全天候呼吸阀”、“液压防冻呼吸阀”，还有人利用热管的工作原理,提出了采用“热管呼吸阀”解决呼吸阀的冻结。这些改进从不同的角度在一定程度上解决“冻死”问题，但由于储罐所处的特殊的气候条件和地理位置，各种呼吸阀在长期使用中,由于油污、杂质和积灰堆积在阀口处,难免会出现漏气、卡死、堵塞、通气量不足等故障。另外，呼吸阀本身的机械特性决定了不可能完全避免呼吸阀不正常工作的情况，无论通过改进呼吸阀或者更换呼吸阀的方法，均不可能彻底的解决呼吸阀“卡死”的问题，所做的几乎都是“无用功”[1-2]。

呼吸阀的不正常呼吸，将导致罐体的呼吸不正常，长时间的积累或短时间罐内气压的急剧变化均将导致罐体的迅速变形。研究一套航空煤油储罐安全运行监测分析系统，实时监测储罐的压力和呼吸情况，对于保证储罐自身的安全以及航空飞行的安全稳定运行就显得尤为重要。

1　系统整体设计方案

本研究依据结构力学和流体及气体的基本理论，结合国内外航煤燃油储罐安全运行的发展趋势，以及现行航煤燃油储罐运行中存在的问题，通过理论分析、室内模型测试和多数据融合分析的方法，对各个问题进行系统的研究，并提出航煤储罐安全运行实时检测分析的技术方案，对其性能进行分析和验证，最终设计完成一套航煤储罐安全运行检测分析系统，解决航煤储罐运行中存在的部分问题。研究工作主要分为两部分：(1)针对生产运行中存在的安全隐患，容易造成罐体变形、航煤挥发、环境污等问题，着手解决呼吸阀稳定运行的问题；(2)分析储罐正常呼吸的影响因素和规律，分别通过实验室模拟试验测试和多数据融合分析的方法对常压储罐进行测试和分析，总结出影响储罐正常呼吸的相关要素，并依据要素判断航煤储罐当前的运行情况，及当前储罐运行的健康指数，并进行系统发布。

系统的整体结构如图1所示。

图1　系统结构图

系统的数据库和上位机软件以紫金桥工业组态软件为基础搭建。

2　系统分析模型的建立

(1)呼吸模型建立

依据航空煤油储罐设计标准、呼吸阀阻火器选用标准及《中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 0511.1-2010》确定模型建立的理论基础。

依据以下理论可计算出在一定压力下呼吸阀可以提供的呼吸量。

由公式

(1)

可推出

(2)

则可进一步推导出

Q=3600v·S

(3)

式中：Δp为压降值，单位为帕斯卡(Pa)，为实际压力p和开启压力ps的差值；v为通过呼吸阀通风管时的流速，单位为米每秒(m/s);ζ为通过阀(或呼吸阀+阻火器)时的总局部阻力系数；g为重力加速度，取g=9.81 m/s；ρ为标准状态下的空气密度，单位为千克每立方米(kg/m3)，取ρ=1.2 kg/m3;Q为通气量，单位为立方米每小时(m3/h)。

由于研究对象航空煤油的闪点为45℃左右，且储罐对象体积为1 000 m3，故相应的依据储罐收发油流量可以计算出实际需要的呼吸量。相应公式如下：

Qi=Vo+Qt

(4)

Qo=1.07Vi+0.6Qt

(5)

Qt=0.178V

(6)

式中，Qi为收油时总通气量(呼吸量)，单位为立方米每小时(m3/h)；Qo为发油时总通气量(呼吸量)，单位为立方米每小时(m3/h)；Qt为在吸气或排气的同时，由于气温变化(包括骤降大雨致使的油气温度下降)引起的通气量，单位为立方米每小时(m3/h)；Vi为收油流量，单位为立方米每小时(m3/h)；Vo为发油流量，单位为立方米每小时(m3/h)；V为油罐容积，单位为立方米(m3)。

由此确定选取罐内压力、罐内温度、罐外温度、实时流量作为储罐运行分析模型的输入参数，模型输入数据实时运算分析，判断系统运行状况。通过高低温不同环境的数据监视分析，经过对模型的修正和完善，数据模型已实现了多数据融合准确分析的功能。

(2)压力模型建立

对于压力模型的建立，主要涉及到合理阈值选取的问题。一般的选取方法就是根据储罐设计资料，直接按照操作压力限值选取，但是这么设置存在着一定的不安全因素。本文通过长时间的数据监控，获得了不同状态下的测得值的阈值，将之设置为阈值的“高限值”和“低限值”，将储罐设计的操作压力设置为“高高限值”“低低限值”，这样确保了更为准确的系统状态判定，同时也提高储罐运行的安全性。

3　系统运行测试

系统运行软件界面如图2～图5所示。

通过现场大量实验表明，该系统已达到研究目的预期效果，符合项目开题标准要求。系统反应时间小于90 s；报警率100%；误报率小于5%；实现了判断储罐实时运行健康状况的功能。

对应项目最初的技术指标要求完成的航空煤油储罐安全运行实时监测系统满足了以下指标，达到了开题的目标要求：

(1)系统反应时间：系统中相关数据库数据操作占用的时间最长，执行的最长时间不超过60 s；

图2　系统主界面

图3　系统运行参数实时趋势分析图

图4　运行状况分析评价界面

图5　历史数据查询界面

(2)报警率：100%；

(3)误报率：小于5%。系统的模拟信号有时受到外界磁场或一些不确定因素的影响，通过长时间的监测，压力数据基本没有出现误报，温度数据有部分误报数据，经过数据滤波处理后，整体不超过5%。

(4)实现判断储罐实时运行健康指标的功能。系统运行健康等级分为A、B、C、D四个等级，依据不同的指标给出相应的处理措施。

4　结　论

本研究通过室内实验开发和油库现场试验的方式开展了大量的研究工作，完成了航空煤油储罐安全运行监测分析系统搭建,并经过长期优化现已定型用于实时分析数据。该系统能实时监控储罐的运行情况，并对异常情况报警，并能对运行健康状况做出评估；依据监视系统发现的不同问题，提示采取不同的措施应对出现的危险情况；通过系统数据分析可为进一步规范操作规程提供依据。

参考文献：

[1]张丽娜, 陈保东, 王立志. 呼吸阀的工作特性和新型呼吸阀的开发[J]. 油气储运, 2001, 20(11):46-48.

[2]向长军, 孙永昌, 杨建国,等. 一种新型防结冰阻火一体化呼吸阀的应用[J]. 安全、健康和环境, 2014, 14(2):36-38.