加油站儲罐油品溫度及損益在線監測系統

王笑

(中石化第十建設有限公司，山東 淄博 255438)

1 系統概述

目前，國內各地加油站已經安裝部署了諸多信息系統，如零售管理系統、ERP系統、各類管理報表等，都是通過網絡進行實時監控及管理。但對于非常重要的油品儲罐僅安裝了液位計，數據無法采集到計算機中進行實時監控[1]。筆者設計了可跨地域管理的數據采集與監視控制系統(SCADA)，從而使得各地的加油站油品溫度及庫存數據得以實時采集并管理。該系統采用1塊專用的數據采集模塊實時采集液位計中的液位高度、溫度、體積等數據，利用現有網絡定時將數據主動上傳到省計量站專用數據庫服務器，從而以最小成本達到采集油品庫存液位、溫度、體積等數據的目的。系統結構如圖1所示。

以中石化河南石油分公司為例，按銷量大小和地域劃分的10個加油站作為試點，分別在開封(東部地區)、漯河(南部地區)、洛陽(西部地區)、新鄉(北部地區)、鄭州(中部地區)等5個地市各取2個加油站。通過采集不同地域的加油站溫度數據從而推測出該區域的溫度范圍，通過數據分析，指導制訂全省油品損溢的考核指標。同時，通過實時監控加油站庫存，使得庫存量更加透明化，在一定程度上避免了油品的非正常損失。

數據安全性通過權限管理、數據庫加密、服務器登錄IP地址限制等技術手段來充分保證數據安全。，只有擁有相應權限的用戶才可以登錄，并且只允許看到與自己崗位相關的數據信息。加油站數據采集控制器采用工控專用設備，功耗低、性能可靠，可以實時采集加油站溫度及庫存數據，實時上傳到遠程服務器。加油站當日零售數據和當日油庫輸入到加油站的油品數據從現有的管理系統數據庫中提取。

圖1 在線監測系統結構示意

2 系統網絡及架構

2.1 網絡基本結構及特點

該系統利用現有零售管理系統建立的網絡進行數據上傳。現有網絡是通過各地市當地聯通或者電信建立的，每個加油站有聯通或者電信寬帶網絡，可通過該網絡訪問總部內網。該網絡的特點：分站局域網絡計算機可以訪問總部內網，但是總部計算機不能直接訪問分站局域網的計算機。針對這一特點，該系統采集設備將采集到的液位計數據主動上傳給總部服務器。

2.2 前端數據采集處理

該系統采用的數據采集器是一款可編程開發的智能采集器，可針對不同儀表、不同協議進行客戶端開發。該采集器有2個接口，一端是RS-232接口，用于采集各類數字智能儀表或系統信號；另一端是以太網RJ-45接口，用于通過以太網上傳數據。

RS-232接口端在該系統中連接液位計，協議遵循液位計的通信協議。接口參數設置為波特率9600bit/s，8位數據位，1位停止位，無校驗。

數據采集器通過RS-232接口下發讀數據命令，采樣頻率設為5s。液位計在收到讀命令后響應并返回所有數據。數據采集器在收到全部數據并判斷無誤后暫存在緩存里以備后續上傳使用。

數據采集器可通過與計算機連接，利用專門的設置軟件[2](一款特定的設置軟件，文中不再詳述)設置數據采集器的通信參數及遠程采集的網絡參數。由于該系統利用現有的網絡系統，因而需要設置本地和遠程IP地址、網關及DHCP服務器等參數。本地和遠程地址均為靜態地址。

RJ-45接口采用UDP協議(User Data Protocol，用戶數據報協議，是與TCP相對應的協議。它是面向非連接的協議)[3]，將已經采集到的數據發送到設置好的IP地址的3000端口(可自定義，數據采集器和遠程計算機一致即可)。遠程計算機端有專門的數據接收軟件實時接收數據采集器上傳來的數據。接收軟件接收到數據后再將數據按Modbus TCP協議格式與組態軟件(人機界面)通信[4]。

3 應用實現

該系統安裝環境為WinXP，運行2個應用程序：接收各個加油站主動上傳數據的數據接收軟件；用于組態人機界面和實現各種管理功能的組態軟件。

3.1 加油站儲罐溫度、液位等數據收集

數據接收軟件DataAccess是用C++編寫的一款應用軟件，其主要功能是監聽并接收本地端口由各個加油站上傳的數據。每個加油站的數據采集器在安裝時設定了本地的路由及服務器端的IP地址和端口號，在整個網絡里有唯一的名稱，在上傳數據時一并上傳到服務器。數據采集器在通電后，自動實時采集液位計的液位、體積、溫度等數據并立即轉發到設定好的遠程服務器的端口。數據采集軟件將各個加油站的數據采集器的名稱及儲罐數量等參數預先配置好，并根據各名稱及上傳的數據在界面上展示出來。同時按照Modbus TCP的協議格式準備好以供組態軟件調用。

3.2 組態軟件實現實時數據監控

流程圖監控畫面主要是指該項目涉及的5個地區的10個加油站的儲罐液位、溫度及庫存數據，主要顯示儲罐的液位及溫度。利用組態軟件繪制溫度、體積和液位的趨勢曲線，通過歷史曲線可以查到2年前的歷史數據。趨勢圖展示的是加油站的儲罐體積變化趨勢。加油站每天收油時體積快速升高，平時都是緩慢下降，如果有異常變動，會在曲線中體現出來。例如曲線突然下降或者曲線歸零都是不正常現象。從趨勢圖中可以看到加油站液位歸零的記錄，每次歸零恢復后保持原來的值，通過趨勢很容易分析出導致該種現象的原因是上傳數據中斷所致，該種情況的出現對于整體油品庫存沒有影響。如果在很短時間內體積驟然下降，則需要調查分析，可能存在盜油或者其他異常情況。因此，通過該系統可以監控加油站庫存，避免加油站油品非正常損失。

4 油品損益分析

加油站油罐溫度是該系統監測的重要參數之一，國內成品油出售都是按照體積計算，因而在加油站收油時也用體積結算。由于熱脹冷縮的原因，體積受溫度影響比較大。例如在油庫中提油時用槽車裝，結算用體積結算，油庫中油品溫度與加到槽車后的溫度會有少許差別，槽車將油品運到加油站的過程中油品溫度也會發生變化，在油品卸到加油站儲罐中溫度還會有變化。因此，關注油品流通每個環節的溫度變化對分析油品的正常損耗非常重要。

4.1 溫度對油品體積損耗影響的環節

4.1.1付油環節

油庫對陸上罐車付油大多采用質量流量計進行計量，流量表的計量精度決定了付油體積的準確度。下面討論工藝溫度對質量流量計準確度的影響。

科氏力質量流量計的質量流量測量原理基于如下公式：

qm=KΔt/(8r2)

(1)

式中：qm——質量流量；K——傳感器管的扭轉彈性模量；Δt——左右傳感器管的時間差；r——左右傳感器管的半徑。

當K，r為常數時，qm只與時間差成正比。然而與金屬彈性變化有關的楊氏彈性模量是溫度的函數。當溫度發生變化時，傳感器的剛性也隨之變化，此時K不再是一個常數，從而影響質量流量計的準確度；當溫度發生變化時，還會引起傳感器幾何結構的不均衡，從而影響到質量流量計的零點穩定度。當流量較大時工藝溫度變化對流量準確度的影響不是很大。就羅斯蒙特VMF200的質量流量計來說，在額定流量時，溫度每變化1℃影響準確度±0.0001%。因此，通常情況下較大流量裝車時，準確度受溫度影響有限，幾乎可以忽略不計。但流量較小時工藝溫度對準確度的影響就不可忽視了。

4.1.2運輸環節

油品在運輸過程中，溫度會不斷地發生變化，而溫度變化又直接影響油品體積，導致油品體積損耗增大或減小。在運輸環節，溫度對油品體積損耗的影響主要表現在兩個方面：溫度的變化引發罐車內油品發生小呼吸損耗，而且溫度變化幅度越大，其小呼吸損耗越明顯，且該種損耗是實實在在的；溫度變化導致罐內油品體積熱脹冷縮，使油品在運輸過程中的體積損耗增加或減少，當然該種油品體積損耗并不是絕對的，它也會隨著溫度的變化而變化，而當溫度還原時，該種損耗又會趨近于“0”。后一種影響程度大于前一種，綜合考慮這兩方面的影響因素，可以認定：當溫度升高時，罐車內油品體積損耗會降低；當溫度降低時，罐車內油品體積損耗會上升。

4.1.3收油環節

在加油站收油環節，溫度對油品體積損耗的影響，主要通過卸油前罐車內油溫對卸油后地罐油溫的影響來實現。當油品卸進地罐后，會與地罐內原有油品相混合，兩者之間發生熱傳遞，使地罐油溫發生變化，根據能量守恒定律：Q吸=Q放，對同一類油品，即：

V吸×(t2-t1)=V放×(t3-t2)

(2)

則：t2=(V放t3+V吸t1)/(V放+V吸)

式中：V吸——低溫油品體積;V放——高溫油品體積；t1——低溫油品溫度；t3——高溫油品溫度；t2——油品混合后的平衡溫度。

假設罐車內油品體積為17800L，油溫為25℃，地罐內油品體積為25400L，油溫為18℃，則根據式(2)可得t2=20.88℃。

卸油前油品總體積為43200L，油品混合后，罐車內油品體積變為17800+17800×(20.88-25)×0.0012=17711.99(L)，地罐內油品體積變為25400+25400×(20.88-18)×0.0012=25487.78(L)，則混合后油品總體積為17711.99+25487.78=43199.77(L)，與卸油前油品總體積相差0.23L。

由此可見，2種溫度不同的同類油品混合后，理論上體積不變。對于同一車油，由于卸油前罐車內較高油溫相對于較低油溫體積較大，因而卸入油罐后，地罐內油品總體積也相對較大，這樣可以有效降低因溫差而產生的油品體積損耗，此效果在銷量大、銷售節奏快的加油站更為明顯。因此，很多加油站，在不影響經營和安全管理的前提下，往往選擇在較高油溫時卸油，其目的就是為了降低油品體積損耗。

4.1.4儲存環節

加油站地罐內油品在儲存過程中會發生體積損耗，發生體積損耗的原因主要有兩點：

1)油罐的小呼吸損耗，而小呼吸損耗是因罐內氣體空間溫度變化而產生的。白天外界溫度上升，罐內氣體空間的溫度也隨之上升，罐內油溫升高，引起罐內上部空間氣體膨脹和油面蒸發加劇，罐內壓力隨之升高，導致油蒸氣大量蒸發，蒸發出來的油蒸氣和上升的溫度使罐內氣體空間壓力增大，當壓力達到呼吸閥允許壓力值時，油蒸氣就逸出罐外造成損耗;夜晚外界溫度下降，罐內溫度也隨之下降，溫度下降使罐內氣體收縮，油氣凝結，罐內壓力隨之下降，當壓力降到呼吸閥允許真空值時，空氣進入罐內，使氣體空間的油氣濃度降低，又促使油品不斷蒸發，產生損耗，這樣反復循環，就形成了油罐的小呼吸損耗，且這種損耗是絕對的，是實實在在的損失量。

2)罐內油品在儲存過程中的溫度變化，使油品“熱脹冷縮”，導致單位質量油品銷售體積和儲存體積發生變化，從而使油品體積損耗隨之發生變化，即常說的溫差體積損耗，該種損耗是相對、動態的，一旦溫度急劇升高時，甚至會使油品體積從虧損轉為盈余。

4.2 收油時卸油量與油庫的發出量比對

槽車從油庫中提取油品后經過各方的鉛封并確認后運輸到各個加油站，油庫通過檢尺數據和裝車的流量計進行比對，無異常后確定油庫的發出量，加油站在槽車卸油之前記錄加油站油罐庫存量(油高、體積)，卸油后記錄庫存量，二者相減得到該次卸油量。

由于加油站正常加油過程都是液位逐漸降低，只有在開始卸油時，液位才會升高。因而卸油開始的條件是檢測到液位計的液位開始升高為卸油啟動條件。由于采集滯后無法避免，因而檢測到液位升高時記錄的庫存已經是變化的了，油品已經進入了油罐。為解決采集滯后問題，在組態軟件策略腳本中記下當前時間，再將當前時間提前3～5min作為開始收油時間，從歷史數據庫中以開始收油時間到當前時間段中最低的庫存值作為該次收油前的量。但是取最低值有一種情況必須避免，即：有可能在記錄卸油開始時間的當前時間之前的3～5min內，恰好網絡中斷從而導致當前庫存數據歸零。解決辦法是增加判斷，因為正常油庫庫存不可能為0，所以提取數據庫中的非0數據。待到卸油液位持續10min內不再升高作為該次收油結束的條件。記錄當前的庫存量作為該次收油的結束量，收油結束量減去收油開始量，得到該次收油量。在收油結束后保存該次收油量到數據庫中。

該系統自動提取油庫的發出量和加油站卸油量進行比對，設定好誤差范圍，如果超出誤差范圍，系統自動提示收油異常，提醒操作人員確認。系統自動產生收油報表，隨時可以查詢。

4.3 加油站油品損益曲線

該系統每天自動生成當天收付油的損益曲線，如圖2所示。

圖2 正常的加油站油品損溢曲線

從每月的統計曲線進行分析，如圖3所示，如出現異常，則從系統中調出當天的溫度曲線和收付油曲線進行比對分析，具體找出由于何種原因導致的較大盈虧偏差。

圖3 加油站收付油出現異常的損溢曲線

5 總結與展望

針對加油站現有條件，筆者提出了一套完整的數據采集管理的解決方案，采用專用的液位計的數據采集器，實時采集各個加油站液位計的數據并通過網絡實時上傳到省計量站數據庫服務器，通過管

理軟件，實時記錄并顯示各種數據，同時從現有的其他管理系統中提取相關的數據用于完善該系統的各種管理功能。加油站儲罐油品溫度、液位在線監控系統結構簡單、靈活性強、實施容易。系統運行后，各項指標均符合當初設計目標，達到了預期效果。據不完全統計，目前中石化所屬的加油站在河南境內沒有類似系統，但有加油站700余座，因而推廣空間非常巨大。

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