成品油管道工程自控系统设计探讨

徐庆松

（中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026）

相较于天然气、原油管道工程，成品油管道工程在设计过程中，除了各站场、阀室数据采集和控制外，需考虑诸多问题，如：在各站场（泵站）、阀室串联运行的长输管道中，整条管线形成一个密闭水力系统，某一处流量或压力变化都将引起全线操作的变化，水击波沿管道传播，极易造成管道某些管段超压而导致管道破裂，严重威胁管道运行安全。因此，如何设计水击保护、泄漏检测系统是管道安全运行的关键；成品油管道的主要功能是顺序输送不同油品，正确的检测和跟踪混油界面并及时进行油品分输和混油界面切割，是保证输送油品质量的关键。

国内成品油管道在实际应用与控制水平上，与欧美管输企业有较大差距［1］，本文针对某成品油输油管道工程，参照国家及行业工程设计规范［2-3］，结合厂商的先进技术，按照安全、可靠、经济的原则进行设计，为国内成品油管道工程自控系统设计积累宝贵经验。

1 SCADA控制系统结构

为使成品油管道系统能够可靠、安全及高效地运行，采用SCADA控制系统监视和跟踪混油界面，实现各站场的顺序逻辑控制、泵的超压保护及防止“水击”对管道的破坏作用等［4］。SCADA控制系统由调度控制中心、各站控系统和阀室RTU系统构成，调度控制中心接收各站控系统和RTU上传的数据，对全线进行自动化控制和调度管理，SCADA控制系统结构如图1所示。

2 水击保护

成品油长输管道工艺系统是一个统一的、连续的水力系统，若首站和某中间站突然出现非正常阀门启闭和泵机组非正常停运，就会导致水击现象发生。同时，在同一条管道内顺序输送不同油品时，油品交替界面的混油段的速度会发生变化，混油段进入泵时，泵的特性将发生突变，也会引起水击现象［5］。

在进站与出站主干线设置压力调节阀，调节和控制进出站压力。调节阀一般选用电液执行机构，UPS供电，响应速度快，安全可靠，起到一定的水击保护作用。水击保护系统如图2所示。

图1 SCADA控制系统结构示意

对于管道运行中出现的计划外停泵、关阀及设备故障等可能产生水击事故，调节阀无法正常调节时，主要采用水击超前保护、泄压保护等措施［6］。如图2所示，水击超前保护是在SCADA控制系统中设置逻辑控制，保护程序的目标是全线无超压点，泄压阀尽量不动作，当外输泵出口压力高高报警时联锁停泵，保证外输压力不会超限；当进站压力超限时，压力报警信号会联锁泄放阀对水击进行泄放，响应时间小于0.1 s。

图2 水击保护系统示意

目前，应用较广的泄压阀有两种形式，先导式泄压阀和氮气式泄压阀，其压力泄放效果都能满足成品油管道的要求。先导式泄压阀是依靠阀体内部的导阀来开启的，其结构简单，安装方便，不需要额外的辅助设施，但由于先导式泄压阀的导管较细，黏性较大的油品易在导管内粘结，影响泄放效果，不适用于高黏油品，因此成品油泄放选用先导式泄压阀，原油采用氮气式泄压阀［7］。

3 混油界面检测及处理

在成品油顺序输送过程中，正确地检测和跟踪混油界面并能及时进行油品分输和混油界面切割，是保证输送油品质量的关键。该工程管道输送的成品油品种为汽油和柴油，其中汽油为92号、95号，柴油为0号、-10号。汽油主要以辛烷值来确定其标号，划分柴油标号的主要依据是它的凝固点温度，均与密度无直接关系，密度并不是辨别柴油、汽油标号的物理参数。同一个炼油厂在同一段时期内生产的不同标号的汽油、柴油，因基础油相同，所以其密度也大致相同。

该工程中，混油的界面检测采用密度计检测加光学界面仪的方法［8］，光学界面仪是利用不同油品对光的折射率不同的原理进行检测。在成品油输送过程中，对于两种密度差较大的油品介质，如柴油推送汽油情况时，通过密度检测即可以确定油品界面，如图3所示；对于密度大致相同的油品介质，如两种相邻牌号汽油推送情况时，需要通过光学界面仪确定油品界面，如图4所示。

图3 柴油推送汽油情况下曲线变化示意

图4 两种相邻牌号汽油推送情况下曲线变化示意

该工程在站内设置1套密度计撬用于密度测量，在站内及站外1 km处分别设置1套光学界面仪传感器，用于混油界面检测及混油界面切割。混油界面检测及处理流程如图5所示，当混油界面通过传感器B时，光学界面仪控制器会发送信号至SCADA控制系统，提示操作人员混油界面距离站内切换流程有5～10 min，当混油界面通过传感器A时，SCADA控制系统会发送指令控制开关阀进行切油操作。

图5 混油界面检测及处理流程示意

4 管道在线模拟仿真与泄漏检测

管道在线模拟仿真是提高调度管理水平的一种有力手段，为批次管理、调度决策提供科学的依据，利用其泄漏检测功能，可及时发现泄漏和定位，减少经济损失和及时发现安全隐患，同时其订单模型、前景预算等对生产调配起到优化作用［9］。管道在线模拟仿真系统结构如图6所示。

图6 管道在线模拟仿真系统结构示意

由图6可知，根据管道的物理数据建立一个精确的管道流体实时瞬态模型，通过SCADA控制系统实时采集管道系统的流量、压力、温度、油品介质等参数并驱动模型运行，实现对管道流体的准确模拟，同时考虑管道的流体运行状态，模拟混油段的性质，跟踪管道内批次的运行，提示批次预计到达时间，协助切油操作。

利用管道在线模拟仿真，可以实现管道泄漏检测与定位，该种通过软件模型方式的泄漏检测技术是依据实时瞬态模型法，即在管道稳定运行的情况下，管道内产品的净流量应守恒的原理。

目前，管道泄漏检测一般采用负压波方法，该方法在负压波的基础上结合软件模型法的方式，当负压波发生报警时，通过软件方式对管道泄漏情况进行确认，从而避免因正常压力波动而触发的不必要的联锁关断。负压波和软件模型法在泄漏检测方式上区别见表1所列。

表1 负压波和软件模型法泄漏检测方式比较

5 结束语

本文主要介绍了成品油管道中自控系统相关的设计内容，采用SCADA系统监视和跟踪混油界面，并防止水击对管道的破坏作用等；“密度计检测+光学界面仪”的方法可以及时准确地确定成品油混油界面；管道在线模拟仿真为批次管理、调度决策、泄漏检测提供了科学的依据。