基于SCADA的成品油界面檢測方法探討

李朝偉

(中國石油集團西部管道有限責任公司，新疆鄯善838202)

目前，成品油輸油站場普遍采用光學界面儀檢測油品界面信號，由于對介質的潔凈程度要求較高，因此中國成品油管道尚無法滿足該要求，從而需要頻繁地定期維護、保養、調校，且穩定性和可靠性較差，這是國內成品油輸油管道上使用光學界面儀進行檢測的通病。

1 光學界面儀工作原理

光學界面儀在不同傳播介質的交界面上會同時發生光的反射和折射現象，而反射光及折射光的比率與構成交界面的兩種介質的相對折射率有關。本文正是利用臨界角雙反射原理，用于檢測油品輸送過程中混油段介質折射率的變化，進而實現油品界面檢測功能。

光學界面儀通過1臺直徑5 mm的藍寶石半球面鏡頭光學傳感器，將2根光纖精密地熔接在鏡頭的平面上，半球面鏡頭利用臨界角雙反射原理可檢測油品輸送過程中混油段介質折射率的變化，光學界面儀工作原理如圖1所示。

圖1 光學界面儀工作原理示意

2 超聲波流量計聲速工作原理

超聲波流量計是利用聲學原理通過對管道中流體的聲速測量從而獲得其流速值。目前原油及成品油管道多采用夾壁式超聲波流量計，以時差法為測量原理，主要由超聲波換能器、信號處理電路及流量顯示系統三部分組成。通過速度差測量流體的流速，且時間差與介質流速成正比，介質流速越快，時差值就越大。超聲波流量計測量原理如圖2所示。

圖2 超聲波流量計測量原理示意

流量計通過對管道內輸送介質不同方向的超聲波傳播速度進行測量，并經流量計算機進行數據處理，得出管道內介質的流速和流量。且不同的輸送介質超聲波的傳播速度不一樣。

3 超聲波流量計實現油品界面檢測功能

采用先進的SCADA技術，將現場儀表信號通過第三方模塊采入PLC，并上傳至人機圖形用戶界面，SCADA控制系統網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 SCADA控制系統網絡拓撲結構示意

該SCADA控制系統由PLC、通信服務器、操作員工作站、打印機、交換機、路由器和不間斷電源(UPS)等設備組成，主要完成站內工藝數據的采集、監視、控制等功能，并向調度中心傳送實時數據，同時接受調度中心下達的任務。PLC、通信服務器、操作員工作站、打印機、路由器等通過交換機連接成局域網，通過雙機雙網的冗余配置，提高了SCADA控制系統的整體可靠性。

西部某成品油輸油站場進站超聲波流量計采用聲速作為油品界面的檢測信號，在檢測汽油和柴油時聲速值會不一樣。由于現場超聲波流量計只有1個4～20 mA輸出端口，傳輸協議為HART，而上位機需要顯示瞬時流量、累計流量和聲速3個主變量，因此選用MVI156-HART第三方通信模塊同時采集這3個信號。

4 兩種檢測方法的比較

目前成品油管道在線油品界面檢測的主要設備包括光學界面檢測儀和密度計，通過光學界面信號和密度信號相互印證，判斷混油界面。通過近3個月的趨勢圖對比，以2017年12月6日和12月8日為例，經過兩個批次的油品切割，使聲速與密度的變化保持一致，相比于光學界面儀的檢測結果，聲速與密度的檢測結果更加穩定，準確性更高。光學界面、密度、聲速趨勢對比如圖4所示。

a) 2017年12月6日 b) 2017年12月8日圖4 光學界面、密度、聲速趨勢對比示意

以12月22日采集的輸油管道混油段數據為例，前一批次輸送的是柴油，正在輸送的是汽油，生成的密度、聲速、光學界面信號趨勢如圖5和圖6所示，光學界面儀將檢測的光學界面信號轉化為4～20 mA標準電信號，控制系統將4～20 mA 標準電信號再轉換成0～100的模擬信號。由圖5 可見聲速與密度變化一致，由圖6可見光學界面信號滯后于密度信號。

圖5 密度與聲速信號曲線對比

圖6 密度與光學界面信號曲線對比示意

綜上可以發現，超聲波流量計的聲速與密度信號在混油段變化一致，其靈敏性高、信號穩定，對于密度的微小變化能夠迅速地反應，因此可以用于油品界面跟蹤。如果用超聲波流量計檢測油品界面，可以停用成品油密度撬座，并可以徹底解決由于光學界面儀失準而無法有效跟蹤界面的問題，也不受時間、天氣、設備檢修的影響，可實現24 h不間斷檢測。

5 結束語

利用超聲波流量計聲速檢測方法，不需要與介質直接接觸，超聲波波長短、衍射性能差、定向性能優良，在不同的介質中速度穩定，通過實際應用，穩定性和可靠性也較好，可以在全國范圍內推廣。對基層單位來講可以停用相應設備，降低管理難度和維護的工作量，實現一機多能。超聲波聲速檢測油品界面的準確度、精度以及在不同環境溫度下的差異還需進一步研究。