基于多數(shù)據(jù)融合分析的航空煤油儲罐安全運(yùn)行監(jiān)測分析系統(tǒng)研究

李金鑄，陳東華

(中國航空油料有限責(zé)任公司吉林省分公司，吉林 長春 130504)

0　引　言

航空煤油儲罐屬于常壓罐，罐體變形是它最為常見的安全問題，多數(shù)原因是罐內(nèi)壓力異常導(dǎo)致的。對于罐體壓力安全運(yùn)行中較為關(guān)鍵的一個部件就是呼吸閥，目前國內(nèi)所有的航空煤油儲罐上面均安裝有一個或多個呼吸閥。這些呼吸閥出自不同的廠家，型號也各有不同，但是基本原理大致相同。通過調(diào)研不同地區(qū)和不同類型的儲罐運(yùn)行情況，目前存在較為普遍的問題就是呼吸閥本身的運(yùn)行情況得不到很好的監(jiān)控。

綜合對比國內(nèi)外針對呼吸閥阻火器改進(jìn)的相關(guān)文獻(xiàn)，除了“全天候呼吸閥”、“液壓防凍呼吸閥”，還有人利用熱管的工作原理,提出了采用“熱管呼吸閥”解決呼吸閥的凍結(jié)。這些改進(jìn)從不同的角度在一定程度上解決“凍死”問題，但由于儲罐所處的特殊的氣候條件和地理位置，各種呼吸閥在長期使用中,由于油污、雜質(zhì)和積灰堆積在閥口處,難免會出現(xiàn)漏氣、卡死、堵塞、通氣量不足等故障。另外，呼吸閥本身的機(jī)械特性決定了不可能完全避免呼吸閥不正常工作的情況，無論通過改進(jìn)呼吸閥或者更換呼吸閥的方法，均不可能徹底的解決呼吸閥“卡死”的問題，所做的幾乎都是“無用功”[1-2]。

呼吸閥的不正常呼吸，將導(dǎo)致罐體的呼吸不正常，長時(shí)間的積累或短時(shí)間罐內(nèi)氣壓的急劇變化均將導(dǎo)致罐體的迅速變形。研究一套航空煤油儲罐安全運(yùn)行監(jiān)測分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測儲罐的壓力和呼吸情況，對于保證儲罐自身的安全以及航空飛行的安全穩(wěn)定運(yùn)行就顯得尤為重要。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本研究依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體及氣體的基本理論，結(jié)合國內(nèi)外航煤燃油儲罐安全運(yùn)行的發(fā)展趨勢，以及現(xiàn)行航煤燃油儲罐運(yùn)行中存在的問題，通過理論分析、室內(nèi)模型測試和多數(shù)據(jù)融合分析的方法，對各個問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并提出航煤儲罐安全運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測分析的技術(shù)方案，對其性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)完成一套航煤儲罐安全運(yùn)行檢測分析系統(tǒng)，解決航煤儲罐運(yùn)行中存在的部分問題。研究工作主要分為兩部分：(1)針對生產(chǎn)運(yùn)行中存在的安全隱患，容易造成罐體變形、航煤揮發(fā)、環(huán)境污等問題，著手解決呼吸閥穩(wěn)定運(yùn)行的問題；(2)分析儲罐正常呼吸的影響因素和規(guī)律，分別通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)測試和多數(shù)據(jù)融合分析的方法對常壓儲罐進(jìn)行測試和分析，總結(jié)出影響儲罐正常呼吸的相關(guān)要素，并依據(jù)要素判斷航煤儲罐當(dāng)前的運(yùn)行情況，及當(dāng)前儲罐運(yùn)行的健康指數(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和上位機(jī)軟件以紫金橋工業(yè)組態(tài)軟件為基礎(chǔ)搭建。

2　系統(tǒng)分析模型的建立

(1)呼吸模型建立

依據(jù)航空煤油儲罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、呼吸閥阻火器選用標(biāo)準(zhǔn)及《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0511.1-2010》確定模型建立的理論基礎(chǔ)。

依據(jù)以下理論可計(jì)算出在一定壓力下呼吸閥可以提供的呼吸量。

由公式

(1)

可推出

(2)

則可進(jìn)一步推導(dǎo)出

Q=3600v·S

(3)

式中：Δp為壓降值，單位為帕斯卡(Pa)，為實(shí)際壓力p和開啟壓力ps的差值；v為通過呼吸閥通風(fēng)管時(shí)的流速，單位為米每秒(m/s);ζ為通過閥(或呼吸閥+阻火器)時(shí)的總局部阻力系數(shù)；g為重力加速度，取g=9.81 m/s；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，單位為千克每立方米(kg/m3)，取ρ=1.2 kg/m3;Q為通氣量，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)。

由于研究對象航空煤油的閃點(diǎn)為45℃左右，且儲罐對象體積為1 000 m3，故相應(yīng)的依據(jù)儲罐收發(fā)油流量可以計(jì)算出實(shí)際需要的呼吸量。相應(yīng)公式如下：

Qi=Vo+Qt

(4)

Qo=1.07Vi+0.6Qt

(5)

Qt=0.178V

(6)

式中，Qi為收油時(shí)總通氣量(呼吸量)，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)；Qo為發(fā)油時(shí)總通氣量(呼吸量)，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)；Qt為在吸氣或排氣的同時(shí)，由于氣溫變化(包括驟降大雨致使的油氣溫度下降)引起的通氣量，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)；Vi為收油流量，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)；Vo為發(fā)油流量，單位為立方米每小時(shí)(m3/h)；V為油罐容積，單位為立方米(m3)。

由此確定選取罐內(nèi)壓力、罐內(nèi)溫度、罐外溫度、實(shí)時(shí)流量作為儲罐運(yùn)行分析模型的輸入?yún)?shù)，模型輸入數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算分析，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況。通過高低溫不同環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)視分析，經(jīng)過對模型的修正和完善，數(shù)據(jù)模型已實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)確分析的功能。

(2)壓力模型建立

對于壓力模型的建立，主要涉及到合理閾值選取的問題。一般的選取方法就是根據(jù)儲罐設(shè)計(jì)資料，直接按照操作壓力限值選取，但是這么設(shè)置存在著一定的不安全因素。本文通過長時(shí)間的數(shù)據(jù)監(jiān)控，獲得了不同狀態(tài)下的測得值的閾值，將之設(shè)置為閾值的“高限值”和“低限值”，將儲罐設(shè)計(jì)的操作壓力設(shè)置為“高高限值”“低低限值”，這樣確保了更為準(zhǔn)確的系統(tǒng)狀態(tài)判定，同時(shí)也提高儲罐運(yùn)行的安全性。

3　系統(tǒng)運(yùn)行測試

系統(tǒng)運(yùn)行軟件界面如圖2～圖5所示。

通過現(xiàn)場大量實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)已達(dá)到研究目的預(yù)期效果，符合項(xiàng)目開題標(biāo)準(zhǔn)要求。系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間小于90 s；報(bào)警率100%；誤報(bào)率小于5%；實(shí)現(xiàn)了判斷儲罐實(shí)時(shí)運(yùn)行健康狀況的功能。

對應(yīng)項(xiàng)目最初的技術(shù)指標(biāo)要求完成的航空煤油儲罐安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)滿足了以下指標(biāo)，達(dá)到了開題的目標(biāo)要求：

(1)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間：系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)操作占用的時(shí)間最長，執(zhí)行的最長時(shí)間不超過60 s；

圖2　系統(tǒng)主界面

圖3　系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢分析圖

圖4　運(yùn)行狀況分析評價(jià)界面

圖5　歷史數(shù)據(jù)查詢界面

(2)報(bào)警率：100%；

(3)誤報(bào)率：小于5%。系統(tǒng)的模擬信號有時(shí)受到外界磁場或一些不確定因素的影響，通過長時(shí)間的監(jiān)測，壓力數(shù)據(jù)基本沒有出現(xiàn)誤報(bào)，溫度數(shù)據(jù)有部分誤報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波處理后，整體不超過5%。

(4)實(shí)現(xiàn)判斷儲罐實(shí)時(shí)運(yùn)行健康指標(biāo)的功能。系統(tǒng)運(yùn)行健康等級分為A、B、C、D四個等級，依據(jù)不同的指標(biāo)給出相應(yīng)的處理措施。

4　結(jié)　論

本研究通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開發(fā)和油庫現(xiàn)場試驗(yàn)的方式開展了大量的研究工作，完成了航空煤油儲罐安全運(yùn)行監(jiān)測分析系統(tǒng)搭建,并經(jīng)過長期優(yōu)化現(xiàn)已定型用于實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控儲罐的運(yùn)行情況，并對異常情況報(bào)警，并能對運(yùn)行健康狀況做出評估；依據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的不同問題，提示采取不同的措施應(yīng)對出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況；通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析可為進(jìn)一步規(guī)范操作規(guī)程提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張麗娜, 陳保東, 王立志. 呼吸閥的工作特性和新型呼吸閥的開發(fā)[J]. 油氣儲運(yùn), 2001, 20(11):46-48.

[2]向長軍, 孫永昌, 楊建國,等. 一種新型防結(jié)冰阻火一體化呼吸閥的應(yīng)用[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2014, 14(2):36-38.