基于SCADA的成品油管输自动计量系统的开发与应用

刘北，田赤勇，王云峰

(国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司 湖南输油处，湖南 长沙410000)

为解决成品油管道输送线路长、下载点多、停输时间短，管道内油品计量受压力温度影响、无法在线进行油品数量有效盘点，无法实时掌握首站油库出库损耗、管道库油品输送损耗，无法在油品数量事件的追溯上提供数据支撑以及计量交接数据录入消耗大量人工，且无法实现数据对齐等问题，开发了“基于数据采集与监视控制系统(SCADA)的成品油管输自动计量系统”，既方便了计量、生产运行等人员对油品数量实时盘点及掌握数量损耗的实际需求，又提高了岗位人员的工作效率，减少交接计量中的数据误差，为油品数量事件追溯提供了较好的数据支撑，并建立计量设备在线监测预警机制，有效避免油品数量纠纷，获得了较好的经济效益。同时对成品油管道远距离输送过程中管线泄漏和打孔盗油等事故起到有效防范监督作用[1]。

1 项目背景

一条完整的成品油管道组成如图1所示，由首站库、长输管道、下载站组成。某成品油管道由1库9站组成，管道全长近800 km。对于首站库入库损耗主要采取入库流量计计量，油库自动计量系统相辅的方式，对于入库损耗较容易控制；对于管输损耗主要采取下载流量计为主、出库质量流量计相辅的方式，但长输管道管道铺底油近5×104t，管容量相当于一个二级油库，受各管段压力、温度、密度影响，管道存油量动态波动，现有计量技术无法准确计量，管输损耗较难准确控制。

图1 成品油管道组成示意

日常交接盘点受人为因素影响，数据存在时间差，不准确、漏报、误报现象时有发生，无法实现管道库的动态计量盘点与精确盘点。月结出现差量时，由于没有自动采集形成的各种数据报表和历史计量数据趋势支撑进行溯源，需要花费大量的人力分析是造成差量的主要原因。该成品油管道在首站库内投用了统一的油库自动计量系统，可实现油库内单罐油品库存、发出数量、体积量的统一管理，多点密度、温度修正进一步减少计量误差，降低损耗，但仅在油库内进行计量分析，相对单一，未与下载站及长输管道库形成完整的计量系统，无法进行综合计量分析[2]。

2 项目开发

根据成品油长输管道监控首站油库入库损耗情况，掌握管道库油品输送实时状况的需要，某公司开发了基于SCADA的成品油管输自动计量系统，利用现有计量仪表，根据运行方式进行数字算法建模，监测采集首站库油罐的发出量，检测和计算管道库存油的变化量以及下载站的下载量，掌握实时数据，分析损耗原因；同时为了有效控制计量交接误差、实现与受油单位实时核对日下载量，强化计量监督作用，组织相关单位及部门针对成品油管道顺序输送时复杂的工艺流程、管道输送运行计划、油品跟踪、混油切割回掺以及整个水力系统中密度、温度、压力[3]等对油品数量产生的变化因素进行了算法优化和可行性论证。

整套系统以管输SCADA为平台进行自主研发，分别设计开发了油库自动计量子系统、管输动态自动计量子系统和管输静态自动计量子系统。该系统基于管输SCADA为运行平台搭设，组态软件内嵌于HMI操作站系统中，综合共享了SCADA、现有计量仪表和过程仪表。在降低系统经济投入的基础上更有效方便的将油库液位计的数据、下载站质量流量计的数据、流量计算机系统数据、温度及密度数据集成，避免了数据信息孤岛实现了数据共享，构建了完整的成品油管道自动计量系统。该系统沿用了SCADA的数据监控、采集、及发布功能，植入动态分析、趋势管理、自动交换计量盘点等要素，是使用方便、扩展性强、数据整合性能高的分析型软件。以下分别对三个子系统进行功能介绍。

2.1 油库自动计量子系统

油库自动计量子系统包括： 单油品批次计划内首站库单罐存油实时数量、单罐发油损耗以及不同种类的油品在单油品批次计划内的发出量和总损耗。该子系统既可实时进行单罐的盘点及损耗分析，又可对单批次内的不同种类油品的总量盘点和损耗分析，系统数据根据单罐分层密度、温度以及首站注入密度、进站注入油温进行修正，保证计量允许误差在±0.28%以内，油库自动计量子系统界面如图2所示。

图2 油库自动计量子系统界面示意

2.2 管输动态自动计量子系统

管输动态自动计量子系统包括： 首站库每分钟实时注入的汽油、柴油和总油品数量，各下载站每分钟实时下载的汽油、柴油和总油品数量，管道库每分钟存量的损耗以及富柴、富汽、泄压、污油罐每分钟存量的变化量以及实时的油品跟踪界面，从而自动计算管输动态损耗。管输动态自动计量子系统界面如图3所示。

图3 管输动态自动计量子系统界面示意

依据式(1)计算管输动态损耗量[4]，其中富柴罐按车柴计量、富汽罐按92号汽油计量。

管输动态损耗量=首站发油量-管存动态损耗量-各站下载量-小罐变化量

(1)

式中： 式(1)中所有的量均为每分钟损耗量；小罐变化量——混油罐、泄放罐、污油罐油品数量变化量。

该子系统运用油品油头跟踪功能对管存动态损耗模型进行定义，反映每分钟管道库内存油在温度、密度、压力等要素的校正下产生的动态损耗状况，管存动态损耗模型如式(2)所示：

Δm(t)=m(t+1)-m(t)

(2)

式中：A——油头N+1输送方向前面的站场数；B——油头N+1的管道容积百分比数，油头1为100%；t——时间，min；m——一段油品的质量，t；c——现运行管道中单种油品段的个数；ρ——当站在线密度与下载质量流量计密度对比校正值；VV校正——管道总容积校正值；t校正——温度校正值；Δmw——管存动态损耗量，t。

为了保证管输动态自动计量子系统数据的精度在±0.28%的计量允许误差以内，通过一系列的软硬件及工艺运行特点分析进行改良提升，主要包括：

1)首油库架设流量计算机，将外输流量采样周期从5 s/次提升至50 ms/次，增加每分钟流量采样次数，尽量消除流量波动误差。

2)对各下载站场流量计算机进行精度复核与采集校正。

3)管存容积表严格按照调度中心管道容积表编制，分管径分区段，将管段分为三段进行各自的油品跟踪与计量。

4)各站场泄放罐、污油罐、混油罐严格按照容积表检测报告进行计量。

5)根据某中间站越站与否的两种运行方式，对该段管道容积按照某中间站下载条件进行自动切换，保证油头准确。

6)对各站进站密度计数据波动进行校正，与下载质量流量计密度进行对比校正，满足精度要求。

7)校正各站进站温度满足精度要求。

2.3 管输静态自动计量子系统

管输静态自动计量子系统包括： 首站库单批次或连续批次注入的汽、柴油和总油品数量，各下载站单批次或连续批次下载的汽、柴油和总油品数量，管道库单批次或连续批次存量的损耗，富柴、富汽、泄压、污油罐单批次或连续批次存量的变化量以及人工拖入拖出油品变化量，从而自动计算管输静态损耗量。管输静态自动计量子系统界面如图4所示。

图4 管输静态自动计量子系统界面示意

管输静态损耗量计算如式(3)所示，其中富柴罐按车柴计量、富汽罐按92号汽油计量。

(3)

式中： 式(3)中所有的量均是以单批次或连续批次为单位的损耗量；小罐变化量——混油罐、泄放罐、污油罐油品数量变化量；其他变化量——人工拖入拖出油品变化量，可通过界面直接键入参加计算。

针对同时单批次或连续批次的停输时段的管存油品分段情况，定义管存静态损耗，反映了管存不同批次油品在密度、温度、压力等因素的修正下，针对相对静止状态进行管存静态损耗建模，管存静态损耗模型如式(4)所示：

(4)

Δmw1=Δm1(t1)

式中：A1——停输时输送方向的站场数；t1——油品批次数；m1——管存油品的质量，t；Δmw1——管存静态损耗量，t。

2.4 历史趋势画面

历史趋势画面可以选择任意时间段，分别查看管输动态损耗、首站库发油量趋势以及各下载站下载量趋势的各种历史数据，提供相应的历史曲线打印功能，时间记录分辨率为1 min。

2.5 报警功能

报警设计中顺序排列着系统的报警信息，包括： 日期、时间、说明、类型、级别、确认、数值、限值等内容，且最后产生的报警排在最上面。针对管输损耗过大及油库单罐之间窜油事件判断设计报警提示，具体设计内容如下：

1)当管输动态损耗在一定时间段内持续在允许误差范围以外，系统将产生报警。操作人员应及时确认报警，并判断是否存在计量设备故障或防范外管道打孔盗油事件。

2)设计首站库单罐在进出口阀判断为关闭时180 s内液位变化量超过3 mm，操作人员应及时确认报警，并判断是否存在计量设备故障或防范阀门内漏造成的单罐之间的窜油事件。

2.6 报表功能

系统根据生产实际需要设计数据报表，分别为单批次计量盘点报表和单日计量盘点报表。单批次计量盘点报表包括： 单一批次计划内各站的油品数量的发出(下载)量、管存损耗量以及管输的综合损耗量，主要适用于单一批次计划内各站油品的数量盘点、损耗分析；单日计量盘点报表主要实现油品每日一键盘点，包括： 每日9点至次日9点首站油库注入不同品种油品数量及各下载站下载不同品种的油品数量，系统自动生成LIMS系统每日盘点所需数据报表，实现数据的时间对齐、动态盘点，大幅降低工作量，减少人工误差，实现人工数据盘点与每日自动一键盘点误差率控制在±0.28%允许范围内[5]。

3 项目特点

该成品油管输自动计量系统具有以下五个优点：

1)实现了油库自动计量系统与管输系统之间的数据共享，消除了数据孤岛，为首站油库油品注入管道的数量比对工作提供数据支撑，较大程度上降低了首站库注入管道库的交接计量误差。

2)完善了首站库油罐的发出量实时数据的监测，检测和计算管道库存油的变化量以及下载站的下载量实时数据，设计管输损耗异常预警功能，有效地反映油品泄漏、计量仪器设备故障情况，对打孔盗油事件起到有效防范监督作用。

3)当单批次或月度出现损耗时，可通过查询油品动态损耗曲线发现具体的油品损耗时段，通过对该时段的油品计量参数的损耗位置查询，实现对损耗的追溯管理。

4)利用油品每日一键盘点功能，保证各站数据对齐，实现每日管道与受油单位交易率100%，大幅降低工作量，减少人工误差，将人工数据盘点与每日自动一键盘点交接计量误差率控制在±0.28%允许范围内。

5)通过对单罐未收发油时油品数量的实时监控，对同种、同一流程内的油品的窜罐进行预警，保障油品质量安全。

4 效 益

系统投用后，该成品油管道的交接计量数据更加准确，方便了质量管理人员实时核对计量数据和损耗分析，追溯损耗原因，提升了成品油管道油品计量交接的管理水平。通过数据的实时核对，交接计量误差得到有效控制和减小，截至2020年4月，成品油管道交接计量误差始终控制在允许的±0.28%以内。2020年该成品油管道预计输送量为4.4 Mt，交接计量误差为0.28%，每降低误差0.01%可获得计量效益440 t约人民币352万元。同时，为成品油管道远距离安全输送提供了有效保障，具有很好的社会效益。

5 结束语

该系统投用后，成品油管输交接计量误差控制在±0.28%以内，确保了交接计量数据更加准确。该系统设计科学合理、功能完善，提高了工作效率和管理水平，对该成品油管道的交接计量数据起到了监督作用，值得其他同类企业借鉴。