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輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)研制

文檔作者：李亞平張華德高煒欣文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司 2．西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月27日
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石油儀器
PETROLEUM INSTRUMEN I’s 2010年12月
·計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)·
輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)研制
李亞平 張華德 高煒欣
(1．中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司 江蘇徐州) (2．西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院陜西西安)
摘 要：分析了管道輸油場(chǎng)站工藝流程的特點(diǎn)，提出利用連通圖來(lái)描述場(chǎng)站工藝流程。通過(guò)對(duì)連通圖節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，
使得具體調(diào)度任務(wù)的操作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算連通圖的輻射狀子圖問(wèn)題。針對(duì)輸油場(chǎng)站連通圖包括了有向圖和無(wú)向圖的特
點(diǎn)，改進(jìn)傳統(tǒng)的搜索算法，使之可以針對(duì)調(diào)度任務(wù)，自動(dòng)計(jì)算出操作步驟?；谠撍惴?，建立了場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：輸油場(chǎng)站；搜索算法；圖論；操作步驟
中圖法分類(lèi)號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004—9134(2010)06．0060—04
0 引 言
管道輸油在現(xiàn)代油品運(yùn)輸中起著及其重要的作
用，場(chǎng)站是整個(gè)管道輸油操作的核心。場(chǎng)站的轉(zhuǎn)運(yùn)效
率影響著整個(gè)輸油的效率，常常會(huì)成為油品運(yùn)輸操作
過(guò)程的瓶頸。因此，在調(diào)度任務(wù)下達(dá)后，根據(jù)當(dāng)前工
況，快速確定合理的輸油流程，保證輸油系統(tǒng)整體的效
率，是非常關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。
一般情況下，在調(diào)度任務(wù)下達(dá)后，確定各閥組和泵
組的開(kāi)關(guān)情況主要涉及以下幾個(gè)因素：
1)當(dāng)前工況，由于場(chǎng)站的進(jìn)油操作和出油操作可
能同時(shí)發(fā)生，因此閥門(mén)開(kāi)關(guān)選擇不當(dāng)容易引起“串油”
現(xiàn)象；
2)油品外輸管道的管徑，由于油品外輸時(shí)選擇管
道的管徑不同，導(dǎo)致需要采用不同揚(yáng)程的輸油泵，與之
相匹配的輸油泵也隨之發(fā)生變化。
對(duì)于工藝仿真系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了卓有
成效的研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用最優(yōu)化理論建立了成品油
管道優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，并用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，
但沒(méi)有涉及閥門(mén)如何動(dòng)作以保證流向正確。文獻(xiàn)[2]
對(duì)仿真系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了研究，但未涉及如何關(guān)聯(lián)場(chǎng)
站的各種設(shè)備。文獻(xiàn)[3]列舉了一些目前國(guó)際上比較
通用的商業(yè)軟件，給出了開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)輸油管道軟件的建
議。文獻(xiàn)[4]針對(duì)管道壓力、流量等參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了
研究。還有大量文獻(xiàn)對(duì)管道瞬變流動(dòng)的求解方法進(jìn)行
了研究，常見(jiàn)的有：特征線法[ 、顯式差分法[ 、隱式有
限差分法和迦遼金(Galerkin)法【 J等。
從大量文獻(xiàn)資料來(lái)看，已有的研究大都集中在對(duì)
管道和泵等設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行描述并展示。對(duì)管道
瞬變流動(dòng)的求解還不能完全真實(shí)的反映實(shí)際運(yùn)行情
況。而在針對(duì)調(diào)度任務(wù)，根據(jù)場(chǎng)站結(jié)構(gòu)確定具體操作
步驟方面的研究目前還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。特別是針對(duì)輸
油場(chǎng)站的幾何建模方面的研究顯得更加不足。
本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)某特大輸油場(chǎng)站的特點(diǎn)，給出
建立場(chǎng)站幾何模型的方法。在此基礎(chǔ)上，提出一種可
以針對(duì)調(diào)度任務(wù)，自動(dòng)計(jì)算出操作步驟的算法。論文
建立了場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)，某特大輸油場(chǎng)站對(duì)改系統(tǒng)
的實(shí)際運(yùn)行表明，所研制的系統(tǒng)可行，能夠較明顯地減
輕現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。
1 場(chǎng)站分析
輸油場(chǎng)站的任務(wù)，主要可以分為“存儲(chǔ)”和“外輸”
兩個(gè)部分。存儲(chǔ)是處于商業(yè)或國(guó)家戰(zhàn)略的需求，將油
品存于儲(chǔ)油罐內(nèi)。調(diào)度任務(wù)下達(dá)的方式一般是給出來(lái)
油位置和具體的儲(chǔ)油罐，需要操作人員確定中間閥的
開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖1所示為一大型場(chǎng)站的商儲(chǔ)區(qū)，調(diào)度任
務(wù)下達(dá)后，工作人員通過(guò)確定閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)油
品輸入或輸出正確的油罐。
分析圖1可知，場(chǎng)站所涉及的裝置主要有：(1)電
動(dòng)閥；(2)泵組；(3)集油管；(4)油罐。各裝置之間通過(guò)
管道相連。部分管道可以雙向輸油，部分管道(如圖l
中和輸油泵相連的管道)只能單向輸油。
基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目，基金編號(hào)：08jk411
第一作者簡(jiǎn)介：李亞平，男，1973年生，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士(研究生在讀)，1996年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息
化規(guī)劃與發(fā)展，現(xiàn)在中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司工作。郵編：221008
2010年第24卷第6期 李亞平等：輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)研制
圖1 某場(chǎng)站工藝流程圖
2幾何模型的建立 蒿答 胭2耥
如果將場(chǎng)站的裝置視為節(jié)點(diǎn)，裝置之間的連接管 為了清楚的用圖2所示的連通圖來(lái)表示工藝流
圖2 幾何模型圖
程，本文中節(jié)點(diǎn)主要分為三類(lèi)：(1)閥門(mén)，用符號(hào)v表 示；(2)泵，用符號(hào)P表示；(3)空節(jié)點(diǎn)用符號(hào)N表示；
● 釜
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石油儀器
PETR0LEUM INSTRUMEN I1S 2010年l2月
(4)特殊裝置(如計(jì)量站)，在圖中直接標(biāo)出。四種類(lèi)型
的節(jié)點(diǎn)中，空節(jié)點(diǎn)表明該節(jié)點(diǎn)在工藝流程中只起中轉(zhuǎn)
的作用，集油管就是一種典型的空節(jié)點(diǎn)。
從圖論的角度來(lái)看，場(chǎng)站從整體上是一個(gè)無(wú)向圖，
但局部是有向圖，例如計(jì)量站有明確的進(jìn)口和出口，油
品只能單向流動(dòng)。
一般而言，下達(dá)到場(chǎng)站的調(diào)度任務(wù)僅僅指明來(lái)油
位置和存儲(chǔ)位置。例如：“1號(hào)人口來(lái)油經(jīng)計(jì)量間至G
一103”就是一典型的調(diào)度任務(wù)。從圖1利用計(jì)算機(jī)直
接確定執(zhí)行該調(diào)度任務(wù)需要開(kāi)那些閥門(mén)相對(duì)較難實(shí)
現(xiàn)，但從圖2可以清楚的發(fā)現(xiàn)，確定操作過(guò)程實(shí)際是一
個(gè)明確了“始點(diǎn)”和“終點(diǎn)”的輻射狀連通圖的搜索過(guò)
程。我們可以利用深度或廣度的搜索方法計(jì)算出可行
的輻射狀連通圖，搜索出圖中所涉及的節(jié)點(diǎn)即是我們
需要打開(kāi)的閥和泵。
3 場(chǎng)站結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)
輸油場(chǎng)站所涉及的SCADA系統(tǒng)具有很強(qiáng)的獨(dú)立
性，一般而言現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)不允許和外部網(wǎng)絡(luò)直接相連。
很多場(chǎng)站甚至也不允許計(jì)算機(jī)外接存儲(chǔ)設(shè)備，因此場(chǎng)
站的數(shù)據(jù)只能取自后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的
數(shù)據(jù)僅僅描述了場(chǎng)站各裝置的性能和狀態(tài)，但對(duì)各個(gè)
裝置鏈接的幾何結(jié)構(gòu)并沒(méi)有涉及。因此，本文建立節(jié)
點(diǎn)表和管道表來(lái)存儲(chǔ)圖2所示連通圖，以便保存整個(gè)
場(chǎng)站的連接結(jié)構(gòu)。
表1 節(jié)點(diǎn)表
通過(guò)表1所示的數(shù)據(jù)表，可以將所有節(jié)點(diǎn)信息保
存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于圖2所示的連通圖是一個(gè)有向圖
和無(wú)向圖的組合，因此本文用數(shù)據(jù)庫(kù)中ValveType字
段來(lái)定義閥的輸入輸出屬性，以此對(duì)管道的有向和無(wú)
向進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)ValveType為Input時(shí)表示該閥門(mén)只
能向與其相連的裝置進(jìn)油，當(dāng)ValveType為Output時(shí)
表示該閥門(mén)只能通過(guò)與其相連的裝置出油，當(dāng)
ValveType為Null時(shí)表示該閥門(mén)所連管道沒(méi)有固定的
流向。在表1基礎(chǔ)上，本文建立表2所示的管道表，通
過(guò)表1和表2可以完整的表示整個(gè)場(chǎng)站的裝置結(jié)構(gòu)。
表2 管道表
表2中的W1和W2對(duì)應(yīng)著表1中的Serial字段值。
4 算法確定
調(diào)度任務(wù)下達(dá)后，確定操作步驟實(shí)際上是一個(gè)明
確了起點(diǎn)和終點(diǎn)，在圖2中搜尋一個(gè)輻射狀連通圖的
過(guò)程。搜索出的輻射狀連通圖所涉及的節(jié)點(diǎn)既是為完
成調(diào)度任務(wù)需要打開(kāi)的相關(guān)閥組和泵組。
和一般圖論中對(duì)圖的搜索不同，圖2所示的幾何
模型圖是一個(gè)有向圖和無(wú)向圖的結(jié)合。搜索出的工藝
流程圖由于涉及到泵和計(jì)量站，因此也是一個(gè)包含了
有向圖和無(wú)向圖的輻射網(wǎng)。本文通過(guò)如圖3所示算
法，利用傳統(tǒng)深度搜索算法確定操作步驟。
廠
～ ～ 型
I是
搜索從罐至泵入口或計(jì)量站出口之間
的無(wú)向輻射圖，將其保存為T(mén)1
在幾何模型圖中直接利用
深度搜索搜索起點(diǎn)任務(wù)和
終點(diǎn)任務(wù)之間的無(wú)向圖
確定從泵入口或計(jì)量站出口至泵出口或計(jì)量
站入口之間的無(wú)向輻射圖，將其保存為T(mén)2
搜索從泵入口或計(jì)量站出口至油品出口或入
口之間的無(wú)向輻射圖，將其保存為T(mén)3
調(diào)度任務(wù)圖T=TI+T2+T3
圖3 搜索算法
利用圖3所示算法確定操作步驟時(shí)需特別注意：
(1)在利用傳統(tǒng)深度搜索算法進(jìn)行搜索時(shí)，如有某一節(jié)
點(diǎn)的工況為投運(yùn)狀態(tài)，為避免串油，算法在搜索到該節(jié)
點(diǎn)時(shí)及應(yīng)立即回溯；(2)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為閥門(mén)、泵和特殊裝
置時(shí)，如該節(jié)點(diǎn)為投運(yùn)狀態(tài)，則與之直接相連的空節(jié)點(diǎn)
也應(yīng)為投運(yùn)狀態(tài)，否則在搜索出的操作流程可能導(dǎo)致
串油。
5 系統(tǒng)研發(fā)
輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)，分為界面研發(fā)和
算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分。現(xiàn)場(chǎng)操作人員習(xí)慣于工控的界
2010年第24卷第6期 李亞平等：輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)研制
面，工控開(kāi)發(fā)系統(tǒng)雖然在監(jiān)視和界面開(kāi)發(fā)上有獨(dú)特的
優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的搜索算法，也很難實(shí)現(xiàn)真正的
面向?qū)ο缶幊獭?
因此，本文利用delphi開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，通
過(guò)建立一個(gè)后臺(tái)計(jì)算類(lèi)實(shí)現(xiàn)圖3所示的搜索算法。在
界面研發(fā)方面，為了逼真的顯示工藝流程，我們開(kāi)發(fā)了
泵、閥門(mén)和管道等可用于其它編程環(huán)境的工控組件，利
用這些工控組件方便的實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)站工藝流程圖。在對(duì)
管道控件進(jìn)行研發(fā)時(shí)，為了克服SCADA系統(tǒng)自帶工
控?zé)o法顯示管道中油品流動(dòng)及其方向，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作
人員難以判斷具體流程的問(wèn)題，我們?cè)诠艿揽丶屑?
入定時(shí)器，可以通過(guò)控制定時(shí)器的時(shí)間控制屏幕上所
顯示的管道中油品流動(dòng)速度，更加逼真的展示現(xiàn)場(chǎng)工
況，指導(dǎo)操作。
輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算程序
和基于工況組態(tài)的系統(tǒng)界面三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖如圖4所示。
圖4 輸油場(chǎng)站操作指導(dǎo)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
本系統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢(xún)
語(yǔ)言進(jìn)行管理和維護(hù)。
整個(gè)系統(tǒng)的界面如圖5所示，利用圖5所示的系
統(tǒng)，我們對(duì)一真實(shí)的調(diào)度任務(wù)：“1號(hào)人口來(lái)油經(jīng)計(jì)量
間至G一103”進(jìn)行操作指導(dǎo)，計(jì)算出的結(jié)果如圖5所
示，和現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員做出的處理完全一致。
我們對(duì)某大型場(chǎng)站全天調(diào)度任務(wù)進(jìn)行了操作指導(dǎo)計(jì)
算，正確率為100％，證明本文所提算法和所研發(fā)的系
統(tǒng)可靠、有效。
6 結(jié)論
1)工藝流程圖可以用一個(gè)連通圖來(lái)進(jìn)行描述，針
圖5 系統(tǒng)界面
對(duì)調(diào)度任務(wù)，通過(guò)搜索連通圖可以確定操作流程。
2)所研發(fā)的操作指導(dǎo)系統(tǒng)可以投入使用。該系統(tǒng)
屬于專(zhuān)用的軟件系統(tǒng)。與通用的軟件相比，它在指導(dǎo)
運(yùn)行人員操作方面效果更好。
3)通過(guò)在管道控件中集成定時(shí)器，管道可以顯示
油品的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度，仿真效果在這一方面較
很多專(zhuān)業(yè)仿真系統(tǒng)更好。
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(收稿日期：2009—12—25 編輯：劉雅銘)
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