自流式定量裝車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075)

某裝車末站是延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司在陜北重要的油品儲(chǔ)存及銷售終端，目前站場(chǎng)銷售油氣品種為柴油、汽油及航空煤油，外銷方式通過火車運(yùn)輸?，F(xiàn)場(chǎng)裝車作業(yè)采用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝車量不準(zhǔn)、操作流程易出錯(cuò)，還存在溢罐、跑油、靜電等安全隱患。為提高自動(dòng)化管理水平，保證安全生產(chǎn)和提高工作效率，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提出建立一套火車自動(dòng)化定量裝車控制系統(tǒng)。

1 項(xiàng)目背景

該公司某煉油廠下游的裝車末站火車棧橋于2000年建成，利用罐區(qū)與裝車區(qū)的地理高差，采用自流裝車方式發(fā)油?；疖嚄蛉L(zhǎng)312 m，寬2 m，各類油品使用鶴管共計(jì)108套，棧橋南北兩側(cè)各設(shè)52個(gè)鶴管，其中在棧橋南側(cè)設(shè)26個(gè)汽油鶴管，棧橋北側(cè)設(shè)16個(gè)汽油鶴管和10個(gè)航煤鶴管。目前，鐵路發(fā)油全部為人工手動(dòng)控制裝車，采用人工檢尺計(jì)量方式，且敞口裝車。該棧橋設(shè)備陳舊落后，存在以下問題：

1)鶴管完全是手工操作，非常不靈活，且裝車作業(yè)頻繁操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

2)裝車液位完全靠人工檢尺計(jì)量方式，由于經(jīng)常在槽車入口處觀察液面，會(huì)吸入大量的油氣，對(duì)作業(yè)人員健康造成很大傷害。而且裝車量非常不容易控制，易發(fā)生冒頂跑油事故。

3)裝車過程中，泄漏比較嚴(yán)重。特別是雨季由于落地后的柴油不易揮發(fā)，被雨水從土壤中浸泡出來，流入防洪溝又進(jìn)入河道，對(duì)環(huán)境存在重大污染隱患。

4)由于是開放式裝車，油品損耗大，特別是夏季溫度較高時(shí)，油罐車表面溫度經(jīng)常達(dá)到38.6 ℃，油氣揮發(fā)更加嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)單次損耗約為裝車量的1%左右。

因此，原油裝車系統(tǒng)易造成油品損耗引起較大經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)環(huán)境造成非常大的污染，且揮發(fā)的油氣易燃易爆，其排放對(duì)油庫(kù)生產(chǎn)作業(yè)造成了一定隱患，容易引發(fā)火災(zāi)。為此該公司在2018年對(duì)該火車棧橋進(jìn)行了現(xiàn)代化技術(shù)改造。

2 自動(dòng)化定量裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型

常規(guī)定量裝車控制系統(tǒng)通常需要采用裝車泵對(duì)管輸油品進(jìn)行加壓，以便使裝車控制閥達(dá)到合適的工作點(diǎn)，并加快裝車速度。該次技改項(xiàng)目由于受到原有設(shè)計(jì)及場(chǎng)地限制，綜合考慮技術(shù)難度和建造成本，主要利用罐區(qū)與裝車區(qū)地理高差產(chǎn)生的勢(shì)能作為動(dòng)力源，采用自流裝車方式發(fā)油。

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該廠裝車末站改造項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的自動(dòng)定量裝車工藝經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了自動(dòng)化定量裝車控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用分布式控制方案，由控制室操作站為集中監(jiān)控單元，現(xiàn)場(chǎng)批控儀[1]為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的二層結(jié)構(gòu)組成，該系統(tǒng)預(yù)留上位機(jī)通信接口，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風(fēng)險(xiǎn)分散的目的，保證安全、環(huán)保、可靠地運(yùn)行。

控制室內(nèi)有上位機(jī)管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程急停按鈕。上位機(jī)管理系統(tǒng)操作站及工程師站用于對(duì)火車裝車的控制及其他工藝流程的監(jiān)視及操作，具有動(dòng)態(tài)圖形化顯示、數(shù)據(jù)采集和處理、故障報(bào)警及生產(chǎn)報(bào)表的生成打印及通信功能。

定量裝車儀、現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制閥以撬裝形式放置于火車棧橋上。該系統(tǒng)采用“一機(jī)一位”的方式，即1套批控儀控制1個(gè)鶴位；批控儀與上位機(jī)通信通過RS-485和Modbus RTU來實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)總共108套批控儀，傳輸數(shù)據(jù)量大，且距離控制室比較遠(yuǎn)，為了保證火車裝車時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)能及時(shí)發(fā)送至上位機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)每7臺(tái)批控儀就近設(shè)置1臺(tái)防爆通信箱，采用光纖通信方式與上位機(jī)通信。控制室設(shè)置遠(yuǎn)程急停按鈕，以便現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，及時(shí)聯(lián)鎖急?，F(xiàn)場(chǎng)定量裝車儀。

定量裝車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定量裝車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

2.2 現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵儀表設(shè)備的配置

2.2.1批控儀

在棧橋每個(gè)鶴位設(shè)置1臺(tái)批控儀，火車定量裝車在現(xiàn)場(chǎng)批控儀上進(jìn)行操作。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，即使遠(yuǎn)程上位機(jī)出現(xiàn)故障，不影響現(xiàn)場(chǎng)裝車作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)就地控制除對(duì)鶴管的常規(guī)操作外，液位報(bào)警聯(lián)鎖、急停、鶴管鎖緊等功能均能在批控儀上實(shí)現(xiàn)，每臺(tái)批控儀只對(duì)本鶴位有效。

2.2.2質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)[2]選用進(jìn)口品牌科氏力質(zhì)量流量計(jì)，一體式安裝，精度達(dá)到貿(mào)易交接的級(jí)別，轉(zhuǎn)換器帶有傳遞數(shù)字信號(hào)的通信接口，輸出多種測(cè)量參數(shù)和信息至現(xiàn)場(chǎng)批控儀，如瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、密度等信號(hào)。以瞬時(shí)流量控制裝車速度實(shí)現(xiàn)程控裝車，并防止介質(zhì)超速產(chǎn)生靜電出現(xiàn)安全事故，以累計(jì)流量實(shí)現(xiàn)定量裝車。

2.2.3裝車控制閥

裝車控制閥[3-6]是定量裝車控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用有：確定油品貿(mào)易交接時(shí)的控制精度和穩(wěn)定性，在裝車鶴管浸沒前，以小流量裝車，防止流量太大產(chǎn)生靜電造成危險(xiǎn)；在裝車快結(jié)束時(shí)，實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閥，防止管道產(chǎn)生“水擊”。根據(jù)鶴管距離成品油罐區(qū)的遠(yuǎn)近，綜合技術(shù)、節(jié)能及項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)約束條件，采用以下不同的選型方案：

1)油品罐底部位置與火車棧橋高差約為30 m，同時(shí)考慮到管線沿程阻力，當(dāng)油品送至火車棧橋附近時(shí)，最低只有0.2 MPa(油品罐滿罐時(shí)，壓力會(huì)更高一些)，汽油和柴油鶴管靠近罐區(qū)，在油罐內(nèi)油量滿足裝車的情況下，操作壓力滿足數(shù)控電液閥的正常工作要求，由于該項(xiàng)目采用自流式裝車，對(duì)數(shù)控電液閥壓力驅(qū)動(dòng)下限要求較高，經(jīng)過產(chǎn)品比選，確定采用可無級(jí)調(diào)節(jié)的進(jìn)口數(shù)控電液閥。數(shù)控電液閥由先導(dǎo)電磁閥和主閥組成，發(fā)油時(shí)首先開鶴位球閥，然后再控制數(shù)控電液閥的常開、常閉電磁閥，兩者的時(shí)間差可以根據(jù)定量裝車控制曲線，在線通過批控儀的TIM定時(shí)器單元進(jìn)行設(shè)定、修改。

2)航煤鶴管距離成品油罐區(qū)較遠(yuǎn)，當(dāng)航煤經(jīng)輸油管線送到航煤鶴管附近時(shí)，操作壓力已不足0.1 MPa，已經(jīng)超出數(shù)控電液閥正常工作范圍。同時(shí)，由于該項(xiàng)目為獨(dú)立的成品油罐區(qū)，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)無儀表氣源，根據(jù)對(duì)不同閥門的節(jié)流形式及工作特性曲線作比較，選擇V型電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥[7]調(diào)節(jié)航煤的定量裝車。V型球閥閥芯為V型結(jié)構(gòu)，具有等百分比流量特性，流通能力大，可調(diào)范圍大，具有剪切力，能關(guān)閉嚴(yán)密，適用于黏性流體的控制。

綜上分析，對(duì)于柴油和汽油定量裝車，選用數(shù)控電液閥；對(duì)于航煤定量裝車，選用電動(dòng)V型球閥。裝車控制閥選型見表1所列。

表1 裝車控制閥選型方案

2.2.4溢流液位開關(guān)

為了保障裝車安全，隨鶴管設(shè)備成套提供了溢流液位開關(guān)，在任何裝車狀態(tài)下，當(dāng)液位超限時(shí)，均會(huì)關(guān)閉裝車球閥。

為了避免裝車過程中物料與空氣摩擦產(chǎn)生靜電積累過高引起火災(zāi)事故，要求槽車有良好的接地系統(tǒng)，裝車儀啟動(dòng)后首先監(jiān)測(cè)接地報(bào)警信號(hào)，若大于100 Ω，則發(fā)出接地告警鈴聲，拒絕執(zhí)行裝車，同時(shí)發(fā)出聲訊報(bào)警。

2.3 定量裝車控制程序設(shè)計(jì)

在程控裝車過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)“一機(jī)一位”的原則，多個(gè)鶴位進(jìn)行裝車作業(yè)時(shí)，應(yīng)依次順序啟動(dòng)或停止裝車系統(tǒng)，防止同時(shí)啟動(dòng)或停止多個(gè)鶴位，產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象。并且在裝車鶴管浸沒前，以小流量裝車，防止流量太高產(chǎn)生靜電造成危險(xiǎn)。在裝車過程中，通過充裝量和實(shí)時(shí)裝車量差值與在線流量進(jìn)行計(jì)算，判斷剩余時(shí)間。裝車快結(jié)束時(shí)，實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閥，防止管道產(chǎn)生“水擊”。當(dāng)用鶴管給火車槽車裝車液位到達(dá)額定高度或額定流量(需要考慮溫度補(bǔ)償)時(shí)，裝車定量控制器關(guān)閉液相和氣相閥門，同時(shí)發(fā)出聲訊報(bào)警。閥門的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)同時(shí)在儀表控制間的LCD屏幕上顯示。典型的定量裝車流量曲線[5-6]如圖2所示。

圖2 定量裝車流量曲線示意

在進(jìn)行自動(dòng)裝車任務(wù)時(shí)，操作人員首先通過手動(dòng)完成鶴管對(duì)位。對(duì)位完成后，接上靜電接地夾后再向批控儀發(fā)出信號(hào)，批控儀接到信號(hào)后，在檢測(cè)到無報(bào)警的情況下，運(yùn)行自動(dòng)發(fā)油控制程序。當(dāng)控制系統(tǒng)完成操作人員給定的發(fā)油量時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門，記錄發(fā)油信息并上傳至控制室上位機(jī)PLC。批控儀主流程控制程序[8]如圖3所示。

圖3 批控儀主程序流程示意

3 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目于2020年成功投用，總體運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝對(duì)火車裝車棧橋的自動(dòng)化要求，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也使產(chǎn)品揮發(fā)損失降到最低限度，減少環(huán)境污染，確保裝車安全可靠，同時(shí)采用高精度質(zhì)量流量計(jì)，提高裝車自動(dòng)化程度，使油品計(jì)量更為準(zhǔn)確。