定量装车控制系统的设计与应用

单新云

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 郑州 450018)

某装车末站是中国石化股份有限公司西北油田分公司重要的油气储存、转输站场及销售终端，承载着油田油气储存、转运、外销等重要任务。目前站场销售油气品种为重质油、轻质油，外销方式为管道外输和汽车、火车运输。

现场装车作业采用人工方式，劳动强度大、装车量不准、操作流程易出错，还存在溢罐、跑油、静电等安全隐患。为提高自动化管理水平，保证安全生产，提高工作效率，减轻操作人员劳动强度，同时结合中石化“数字化”油田建设的要求，提出建立1套火车装车线自动化定量装车控制系统。

1 系统结构

定量装车控制系统结构如图1所示，该系统主要包括全厂相关系统、装车管理系统、现场控制单元、现场过程仪表，同时将装车泵、可燃气体探测器、出入口火车衡、声光报警器、LED大屏幕显示等纳入系统，确保系统安全、可靠、高效地运行。

该系统采用二级布网方式，在现场每个鹤位设置1台批量控制器，现场装车仪表信号接入批量控制器，并由其完成油品灌装自动控制及防溢油、防静电安全联锁保护。同时现场批量控制器通过网络接入控制室，形成以控制室操作站为集中管理控制单元，现场批量控制器为分散独立控制单元的分散控制系统，实现整个系统监控管理集中、控制风险分散的目的。

2 系统控制原理

现场操作人员根据不同槽车罐容，预先设定装车量及液位高度，质量流量计检测流量信号并上传至批量控制器，批量控制器根据上位机下发的提油量指令以及质量流量计的瞬时流量、累积流量等数据控制装车阀开度，实现自动化定量装车。批量控制器通过Modbus通信方式实时将流量和控制信息上传至操作站，可统一显示装车过程的各项参数及历史趋势、报警、报表等数据。操作站通过以太网与全厂站控系统、ERP系统、销售系统相连，实现数据共享。

定量装车控制过程如图2所示，该过程分为3个阶段： 开启阶段、恒流发油阶段、结束阶段，不同阶段采用不同的控制策略。

1)开启阶段。分3个过程，间隔时间可调。

a)启动过程。装车阀缓慢打开，以减少鹤管出口处介质的喷射损耗和罐车液面上方油蒸气浓度，并降低静电积聚。直到发油流量达到预置的“小开度稳流值”，该值为稳流值的10%左右。

b)开启稳流过程。在该时段装车阀开度基本不变。

c)开启上升过程。待介质淹没鹤管，装车阀开度快速上升，直到发油流量达到预置的“稳流值”，其后保持阀开度基本不变。

2)恒流发油阶段。该阶段按照最大安全流量进行发油，期间装车阀开度只进行微调，微调的范围通过预置“恒流允许偏离值”来控制，直到实发剩余量达到预置的“结束提前量”。

3)结束阶段。分3个过程，间隔时间可调。

a)关闭下降过程。装车阀缓慢关闭，以消除水锤，保护管道及其管道仪表。直到发油流量达到预置的“小开度稳流值”。

b)关闭稳流过程。在该时段装车阀开度基本不变。

图1 定量装车控制系统结构示意

图2 装车过程流量控制示意

c)结束过程。装车阀开度从“关闭稳流开度”快速下降，直到装车阀全关，发油流量为零。

3 主要硬件选型

3.1 批量控制器

定量装车控制器是该系统的核心设备，其主要功能是对装车过程实施程序控制及安全联锁保护。按照预定流量完成多段控制和切断功能，从而实现精确定量装车及防止静电、溢油、水击等现象发生，保护管道仪表设备。该控制器具备以下功能如下：

1)采集数据信号。可接受温度、质量流量/体积流量、液位、防静电保护装置检测信号及控制阀位回讯信号，LCD显示屏显示等功能。

2)参数设定、报警。依据装车要求，预置液位高度、提前量、开阀延迟时间、流体密度等，当达到预置液位高度及流量时，提前报警。

3)现场装车控制。依据人工指令及设定程序实行装车程序控制，自动开启/关闭装车阀。

4)溢油静电保护。发生溢油或静电状况时，自动切断装车阀，停止装车。

5)现场急停功能。装车过程异常时，现场手动按钮急停装车。

6)仪表配电。给现场仪表及控制阀提供工作电源。

7)数据通信。采用RS-485和Modbus-RTU通信协议与上位控制系统进行数据通信，实施远程监视与控制。

3.2 控制阀

控制阀是该装车系统中的关键设备，其主要作用有： 确保油品贸易交接时的控制精度；在装车鹤管浸没前，以小流量装车，防止流量太大产生静电造成危险；在装车快结束时，实现分段关阀，防止管道产生“水击”。

目前，装车用控制阀主要采用： 气动两(多)段式开关球阀、数控电液阀、电动V型球阀和气动控制阀，装车控制阀比选见表1所列。

表1 装车控制阀比选

续表1

对于独立的成品油或化工品油库，由于没有仪表气源，油品性质好，可优先选用数控电液阀；对于独立的原油油库，由于没有仪表气源，同时考虑油品中含有杂质，可优先选用电动V型球阀；对于炼油厂成品油装车，往往有可靠的仪表气源，同时炼油厂装车产品种类多，油品性质差异大，可优先选用气动两段阀，该阀对各种油品的适应性都好。

该站场为原油储运站，且无仪表气源提供，因此该设计采用适用于原油介质、无需气源、且控制效果较好的电动V型球阀，以实现初始装车与正常装车的流量安全控制，确保介质流速始终处于安全高效阶段。在大小流量切换时，实现线性调节，避免了分段式控制导致的快速流量变化带来的冲击，起到降耗、降静电的作用，既高速付油，又平稳启闭，大幅减小了冲过量误差，确保安全装车，同时减少了对流量计、装车泵的损害。

3.3 流量计

该站场装车介质为轻质油和重油，因此采用高精度、高可靠性、适用介质范围广的质量流量计，实现装车流量的测量。正常情况下流量计主要负责定量控制，对外贸易结算主要以地磅计量为准。

4 软件设计

装车管理系统采用OpenEnterprise平台，并根据现场需求组态。在上位机上实现系统配置、发货参数设置、调试参数设置、发货实时控制、报表打印、权限管理、事件记录、操作记录等功能；同时批量控制器实时向装车管理系统发送装车实时数据，包括： 流量、阀位、液位、静电接地、可燃气体浓度等，在显示界面上实时显示装载情况；当发生故障时上位机会有报警提示。

5 安全设计

设计中在每个装车鹤位上均安装有溢油保护器及静电接地夹，溢油保护器和静电接地夹的状态引入批量控制器。当液位到达上限或接地电阻超标时，联锁关装车阀，停止装车，避免溢油事故发生，保证静电接地安全。另外，充装的介质为易燃易爆或有毒介质．火车装车栈桥周围设置有可燃及有毒气体探测器并带有就地声光报警功能，检测泄漏在空气中的可燃及有毒气体含量，检测信号远传引入上位机RTU系统。当检测到气体泄漏时发出声光报警，并由RTU将报警信号远传至现场批量控制器，由批量控制器联锁关闭装车阀停止装车。

6 系统使用效果

该定量装车控制系统自2018年6月正式投用以来，运行良好。大幅提升了装车作业自动化水平，保证了操作安全性，降低了作业人员劳动强度。现场装车作业人员由原有的50余人减少至20人，装车作业时间由原来4 h缩减为2.5 h，达到了减员增效和提高油田生产效益的目的。

7 结束语

定量装车控制系统在油气储运站场中应用是一种必然的趋势。本文从实际需求出发，设计了一套可靠性高、安全保护措施完善、操作方便、易维护的定量装车控制系统，总体运行效果良好，满足了生产管理需要，节省了成本，提高了经济效益，值得在油气田各种汽车、火车装车场合推广应用。