原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)的開發(fā)

吳江濤， 陸雅紅， 高 輝， 肖禮軍， 楊春來

（1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；2.大連港油品碼頭公司，遼寧大連116601）

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)的開發(fā)

吳江濤1， 陸雅紅1， 高 輝1， 肖禮軍2， 楊春來2

（1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；2.大連港油品碼頭公司，遼寧大連116601）

基于不同種類油品物性實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬產(chǎn)生的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施進(jìn)行傳熱研究分析，并根據(jù)相關(guān)的研究成果開發(fā)了一個(gè)專家系統(tǒng)。該專家系統(tǒng)界面以MFC為基礎(chǔ)，核心算法采用C/C＋＋編寫，提供了不同油品不同溫度下物性查詢、最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算、儲(chǔ)罐與管道非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模擬及運(yùn)行預(yù)測(cè)等功能，可為油庫(kù)運(yùn)行提供決策，減少能耗，可有效解決油庫(kù)運(yùn)行成本高以及科學(xué)化管理程度低的問題。

專家系統(tǒng)； 儲(chǔ)罐； 管道； 溫度場(chǎng)； 運(yùn)行參數(shù)

隨著人類社會(huì)發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求量日益增加，其中突出表現(xiàn)在對(duì)原油的需求量不斷增大。20世紀(jì)70年代，大型油庫(kù)在世界各地興起，儲(chǔ)罐大型化也成為原油儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)大型油庫(kù)起步相對(duì)較晚，1985年從日本引進(jìn)第一臺(tái)原油罐［1］。近年來，我國(guó)儲(chǔ)運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)也具有一定水平，但是由于過于依賴以往經(jīng)驗(yàn)，從各年油庫(kù)運(yùn)行情況來看，普遍存在耗能大，運(yùn)行成本高的問題。因此對(duì)原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施和技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以減小能耗、達(dá)到節(jié)能目的是當(dāng)務(wù)之急。

目前，已有一些國(guó)家擁有針對(duì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施較完整的專用軟件，可對(duì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施（主要是儲(chǔ)罐）進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析；如今國(guó)內(nèi)也編制了此類專用程序，但功能并不完善，還未廣泛應(yīng)用到實(shí)際。在已有的油庫(kù)相關(guān)軟件程序中，幾乎沒有涉及到油庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行。本文通過對(duì)原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的實(shí)地檢測(cè)及深入的理論模擬計(jì)算，提出一系列優(yōu)化方案并編制儲(chǔ)罐及管道模擬程序，將相關(guān)成果制成一個(gè)專家系統(tǒng)，隨時(shí)為原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的整體運(yùn)行提供決策，實(shí)現(xiàn)管理科學(xué)化，從而達(dá)到節(jié)能目的。

1 總體框架設(shè)計(jì)

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)是當(dāng)前流行的windows XP操作系統(tǒng)，系統(tǒng)界面基于MFC類庫(kù)，核心算法采用C/C＋＋編寫，因此具有良好的可擴(kuò)展性，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式發(fā)布，以便在不重新編譯全部程序的情況下更新軟件。

本文以大連港原油碼頭為背景進(jìn)行介紹。原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)主界面為港區(qū)各個(gè)罐區(qū)的實(shí)際分布圖，點(diǎn)擊各個(gè)罐區(qū)即可進(jìn)入具體罐區(qū)示意圖，如圖1所示。在每個(gè)儲(chǔ)罐示意圖上右擊，可設(shè)置儲(chǔ)罐基本信息，包括儲(chǔ)油種類，液位高度，加熱狀態(tài)，初始溫度，環(huán)境參數(shù)等。

Fig.1 Skeleton map of a tank field圖1 罐區(qū)示意圖

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)主要包括兩大方面，參數(shù)計(jì)算及運(yùn)行計(jì)算。其中參數(shù)計(jì)算包括對(duì)這種不同油品物性的計(jì)算及相應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算；運(yùn)行計(jì)算包括非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的模擬及運(yùn)行時(shí)間或溫度的預(yù)測(cè)，這兩部分都分別針對(duì)儲(chǔ)罐及管道。

2 計(jì)算基礎(chǔ)

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)主要以溫度場(chǎng)及物性計(jì)算為理論基礎(chǔ)，進(jìn)而進(jìn)行其他傳熱模型的計(jì)算，因此這兩部分的計(jì)算結(jié)果對(duì)后續(xù)計(jì)算有著直接影響。

2.1 原油物性計(jì)算

原油熱物性的研究主要分為兩個(gè)方面，一方面是粘度（μ）、密度（ρ）和溫度關(guān)系的曲線研究，主要目的在于確定多高溫度下粘度值比較合適管道中油品流動(dòng)；另一方面是導(dǎo)熱系數(shù)（λ）、比熱容（cp）與溫度的關(guān)系確定，為建立原油儲(chǔ)罐以及管道的傳熱模型提供了精確的熱物性數(shù)據(jù)，對(duì)模型的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。通過對(duì)8種不同油品的各物性實(shí)驗(yàn)獲得不同溫度下的數(shù)據(jù)［2－5］，并將數(shù)據(jù)擬合成方程，如式（1）所示。

其中x為物性參數(shù)，T為溫度（℃），a，b，c為各擬合參數(shù)。本文以阿曼油品為例，其物性各擬合參數(shù)及平均絕對(duì)偏差見表1。

表1 物性參數(shù)表Table 1 Coefficients of oil properties

2.2 溫度場(chǎng)模擬

溫度場(chǎng)的計(jì)算是原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)的核心部分，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)儲(chǔ)罐及管道進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的模擬。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，在利用C＋＋編程對(duì)溫度場(chǎng)模擬的同時(shí)提供Fluent軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程模擬［6－7］。由于儲(chǔ)罐為圓柱形立式儲(chǔ)罐，考慮到其對(duì)稱性，可把模型簡(jiǎn)化為二維，又因此二維平面軸對(duì)稱，故取二維平面的半部分作為模擬對(duì)象，以減少計(jì)算節(jié)點(diǎn)，加快計(jì)算速度［8－12］。對(duì)于管道，同時(shí)取二維及三維模型進(jìn)行模擬，其中三維管道模型取徑長(zhǎng)比1/5。

二維非穩(wěn)態(tài)能量方程及動(dòng)量方程如式（2）－（4），其中λ（T），ρ（T），cp（T）及η（T）的表達(dá)式見式（1）。

圖2為裝有阿曼油品的1.0×105m3儲(chǔ)罐在滿罐情況下加熱過程的模擬結(jié)果。假設(shè)加熱初始罐內(nèi)為均勻溫度場(chǎng)（320K）及在冬季工況下，4組蒸汽加熱盤管全開。在加熱1h后接近頂部由于散熱作用溫度降低，其他高度的油品溫度基本維持不變；加熱時(shí)間達(dá)到10h后，底部由于靠熱源近，溫度上升明顯，另外接近罐頂及以下2m處油品升溫明顯，而中間部分油品雖然有所升溫，但溫度升高并不明顯；隨著加熱時(shí)間的增加，除了接近頂部和底部溫度上升明顯外，中間部分升溫區(qū)域從接近罐頂處逐漸往下擴(kuò)散，加熱24h后，整個(gè)罐壁溫度均已升高。

Fig.2 Temperature profile along the height of 0.2 m away from the tank wall at different time圖2 距離罐壁0.2m處儲(chǔ)罐加熱軸向溫度分布

進(jìn)行模擬的同時(shí)，在油庫(kù)中選擇一個(gè)105m3油罐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加熱數(shù)據(jù)測(cè)量，此油罐在測(cè)量時(shí)處于滿罐狀態(tài)，內(nèi)裝阿曼油品。在第一天利用油罐專用測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)得離罐壁1m處不同高度的油品溫度值，在加熱24h后，同樣測(cè)得不同高度的溫度值，并將其升溫溫度與本文模擬的升溫溫度進(jìn)行比較，總體來說兩者升溫趨勢(shì)一致，平均偏差為6.77%。

由于管道內(nèi)原油處于層流流動(dòng)狀態(tài)，傳熱傳質(zhì)效果相對(duì)較好，由模擬結(jié)果來看，罐內(nèi)油品溫度分布基本均勻；而在巖棉保溫層中出現(xiàn)明顯的溫度梯度，這是由于外界的純導(dǎo)熱引起的；在蒸汽伴熱管附近屬于局部高溫區(qū)域，也是管道傳熱和散熱的主要部位。

3 功能介紹

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)旨在根據(jù)實(shí)際行庫(kù)對(duì)油庫(kù)的運(yùn)行確定高效的運(yùn)行參數(shù)，使整體運(yùn)行在最優(yōu)化狀態(tài)下進(jìn)行，以達(dá)到節(jié)能目的。另外，專家系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及相應(yīng)傳熱計(jì)算，為油庫(kù)運(yùn)行提供一些決策性意見，以便更精確地知道運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。對(duì)專家系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)采用遠(yuǎn)程計(jì)算方式，以利用高性能計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速預(yù)算，提高效率。圖3介紹了本專家系統(tǒng)的計(jì)算框架。

Fig.3 Framework work of calculation圖3 計(jì)算框架圖

3.1 物性計(jì)算模塊

在溫度場(chǎng)的計(jì)算中，物性數(shù)據(jù)是精確計(jì)算的保障，尤其是對(duì)儲(chǔ)罐中的自然對(duì)流及管道中油品的流動(dòng)至關(guān)重要。另外，油品物性計(jì)算及溫度場(chǎng)模擬結(jié)果也是進(jìn)行儲(chǔ)罐傳熱模型計(jì)算及管道傳熱模型計(jì)算的基礎(chǔ)。專家系統(tǒng)中，選擇相應(yīng)油品種類，輸入目標(biāo)溫度后，點(diǎn)擊查詢物性按鈕，即可得油品在此溫度下4個(gè)物性參數(shù)，物性查詢界面見圖4。

Fig.4 Interface of thermal properties data圖4 油品物性查詢界面

3.2 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模塊

最佳運(yùn)行參數(shù)指油庫(kù)運(yùn)行時(shí)能耗最小狀況下的各運(yùn)行參數(shù)，包括最佳儲(chǔ)存溫度、最佳裝船溫度、輸油泵高效流量區(qū)等。原油儲(chǔ)存溫度越高，儲(chǔ)油過程中維溫消耗的能量越多，而裝船升溫時(shí)所需的能量卻越小［13］，所以選擇一個(gè)合理的儲(chǔ)存溫度對(duì)減少能耗有重要意義；另外，對(duì)于一般油品黏度、密度是隨著溫度的增大而減小的，黏度的增大使得泵消耗功率減小，耗電費(fèi)用減小，然而裝船溫度的升高勢(shì)必導(dǎo)致儲(chǔ)罐加熱溫度的升高，耗能增大，費(fèi)用增大，裝船溫度的優(yōu)化對(duì)節(jié)能也具有重要意義；所謂離心泵的高效流量區(qū)是指在泵最高效率點(diǎn)7%左右的工作區(qū)流量范圍。離心泵輸送粘性液體時(shí)與輸送清水有很大區(qū)別，在輸送粘稠性介質(zhì)時(shí)，泵流量減少，揚(yáng)程下降，效率降低，軸功率增加。因此有必要利用清水與粘稠物質(zhì)性能換算方法進(jìn)行輸油泵功率的計(jì)算，本文使用時(shí)是美國(guó)水力學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能轉(zhuǎn)化［14］。

原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)考慮了實(shí)際的環(huán)境因素對(duì)各參數(shù)的影響，例如當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、濕度、日照強(qiáng)度等，使計(jì)算結(jié)果更為精確。在運(yùn)行參數(shù)界面選擇了油品種類、輸油泵類型及設(shè)置了環(huán)境參數(shù)后，即可得最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，見圖5。

Fig.5 Interface of the optimal loading temperature圖5 最佳裝船溫度界面

3.3 溫度場(chǎng)計(jì)算模塊

對(duì)儲(chǔ)罐非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的模擬有利于隨時(shí)獲得罐內(nèi)溫度分布，對(duì)儲(chǔ)罐何時(shí)需開始升溫或冷卻操作，何時(shí)達(dá)到所需溫度等都具有指導(dǎo)性意義，另一方面，溫度場(chǎng)分布是精確地進(jìn)行其他傳熱計(jì)算的重要基礎(chǔ)。同樣，通過對(duì)輸油管道溫度場(chǎng)的模擬可知輸油過程中油溫降幅及最終是否達(dá)到裝船或裝罐溫度要求。

其中儲(chǔ)罐及管道溫度場(chǎng)都分為加熱過程及冷卻過程。在相應(yīng)界面輸入儲(chǔ)罐或管道參數(shù)及實(shí)際環(huán)境參數(shù)后，可得一定時(shí)間后的溫度場(chǎng)分布圖，溫度場(chǎng)界面見圖6。

Fig.6 Interface of simulating temperature fields in heating process圖6 加熱溫度場(chǎng)模擬界面

3.4 運(yùn)行預(yù)測(cè)計(jì)算模塊

由于數(shù)值計(jì)算速度相對(duì)較慢，若用戶需模擬10 d以上的溫度場(chǎng)且需短時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果，則原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)提供儲(chǔ)罐及管道運(yùn)行預(yù)測(cè)模塊以進(jìn)行快速預(yù)測(cè)計(jì)算。儲(chǔ)罐運(yùn)行預(yù)測(cè)計(jì)算包括加熱過程的時(shí)間、溫度預(yù)測(cè)及冷卻過程的時(shí)間溫度預(yù)測(cè)，管道運(yùn)行預(yù)測(cè)計(jì)算包括伴熱溫度預(yù)測(cè)與無(wú)伴熱溫度預(yù)測(cè)。對(duì)于儲(chǔ)罐加熱或冷卻時(shí)間及溫度的預(yù)測(cè)計(jì)算可使油庫(kù)合理安排進(jìn)度，以更有效地達(dá)到用戶需求；同樣對(duì)管線伴熱或無(wú)伴熱情況下最終溫度的預(yù)測(cè)計(jì)算是使油品溫度達(dá)到用戶要求的重要保障。圖7中分別為無(wú)伴熱管線溫度預(yù)測(cè)及儲(chǔ)罐加熱溫度預(yù)測(cè)界面及界面。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段原油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施專家系統(tǒng)已有油庫(kù)投入使用，反應(yīng)良好。為了更好的應(yīng)用于儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)，在進(jìn)一步研究工作中對(duì)該系統(tǒng)提出以下幾個(gè)方面的改進(jìn)建議：系統(tǒng)中考慮了環(huán)境參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，其中的環(huán)境參數(shù)是日平均環(huán)境狀況，下一步的工作中可考慮實(shí)時(shí)環(huán)境因素對(duì)溫度場(chǎng)及傳熱模型的影響；現(xiàn)階段儲(chǔ)罐各信息參數(shù)還需手動(dòng)輸入，后續(xù)工作中可將此專家系統(tǒng)與油庫(kù)已有的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)相連接，方便操作；另外，對(duì)于管道模型的計(jì)算，已考慮不同管徑下的各種情況，進(jìn)一步工作中還將增加對(duì)不同容積儲(chǔ)罐模型的計(jì)算，以滿足不同油庫(kù)需求。

Fig.7 Interface of operational temperature estimation圖7 運(yùn)行溫度預(yù)測(cè)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－h(huán)ong1，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＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn

TB61

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.017

2010－06－10

吳江濤（1973－），男，浙江東陽(yáng)市，教授，博士。

全國(guó)優(yōu)秀博士論文作者專項(xiàng)基金（200540）。

1006－396X（2011）01－0073－05

Received10June2010；revised20December2010；accepted29December2010