1 光學(xué)界面儀工作原理

        光學(xué)界面儀在不同傳播介質(zhì)的交界面上會(huì)同時(shí)發(fā)生光的反射和折射現(xiàn)象，而反射光及折射光的比率與構(gòu)成交界面的兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率有關(guān)。正是利用了臨界角雙反射原理檢測(cè)油品輸送過程中混油段介質(zhì)折射率的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油品界面檢測(cè)功能。

 

2 超聲波流量計(jì)工作原理

        超聲波流量計(jì)是利用聲學(xué)原理通過對(duì)管道中流體的聲速測(cè)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(jì)，以時(shí)差法為測(cè)量原理，主要由超聲波換能器、信號(hào)處理電路及流量顯示系統(tǒng)等 3 部分組成。通過速度差測(cè)量流體的流速，且時(shí)間差與介質(zhì)速度成正比，介質(zhì)流速越快，時(shí)差值就越大。流量計(jì)通過對(duì)管道內(nèi)輸送介質(zhì)不同方向的超聲波傳播速度進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出管道內(nèi)介質(zhì)的流速和流量。且不同的輸送介質(zhì)超聲波的傳播速度不一樣。

 

3 超聲波流量計(jì)聲速檢測(cè)油品界面功能實(shí)現(xiàn)

        西部某成品油輸油站場(chǎng)進(jìn)站超聲波流量計(jì)可顯示聲速信號(hào)，通過觀察汽油和柴油聲速值不一樣，采用超聲波流量計(jì)聲速作為油品界面監(jiān)測(cè)信號(hào)，由于現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)只有一個(gè)輸出端口（4～20）mA，傳輸協(xié)議為 HART（Highway Addressable Re－mote Transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議）。而上位機(jī)需要顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和超聲波聲速 3 個(gè)主變量，因此選用了 AB（Allen-Bradley）公司 MVI156-HART 第三方通信模塊，通過該模塊可以同時(shí)采集這 3 個(gè)信號(hào)。HART 模塊通信配置，Port 0 口做主設(shè)備，讀取 10 個(gè)控制字，#大讀取現(xiàn)場(chǎng) 6 臺(tái)設(shè)備，Port 0 口通信配置如圖 1 所示。Pork0 口配置 2 條命令字，讀取內(nèi)部地址從 400 開始，命令字如圖 2 所示。PLC 程序如圖 3 所示，其中，B：16：I.Data 數(shù)組類型為INT，通過 COP 指令將數(shù)據(jù)入 HART1.Auto_Poll 浮點(diǎn)型數(shù)組中。

        在 B：16：I.Data[2]-B：16：I.Data[11]中存放地衣條控制字讀取的主變量值，即 HART1.Auto_Poll[1].PV 中存放地衣條控制字讀取的主變量值。

 

        采用先金的 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisi－tion，監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)通過第三方模塊采入 PLC（Programmable Logic Controller，可編程式邏輯控制器），并上傳至人機(jī)圖形用戶界面。該 SCADA 系統(tǒng)由 AB 的PLC、通信服務(wù)器、操作員工作站、打印機(jī)、交換機(jī)、路由器和不間斷電源等設(shè)備組成，主要完成站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制等功能，并向調(diào)度中心傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接受調(diào)度中心下達(dá)的任務(wù)。站場(chǎng) MMI（Man Machine Interface，人機(jī)界面）軟件采用 Tel－vent 的 OASYS，Telvent 公司的 OASyS SCADA 是一個(gè)具有開放體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，PLC 采用 AB 的 ControlLogix 系列產(chǎn)品。PLC、通信服務(wù)器、操作員工作站、打印機(jī)、路由器、通過交換機(jī)連接成局域網(wǎng)。PLC 通過路由器將數(shù)據(jù)上報(bào)調(diào)度中心，通信服務(wù)器通過局域網(wǎng)從 PLC 獲得數(shù)據(jù)，工作站從通信服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)冗余機(jī)架中任一個(gè)機(jī)架上的任一模塊出現(xiàn)問題，都會(huì)自動(dòng)切到另一個(gè)機(jī)架上，CPU（Central Processing Unit，中央處理器）繼續(xù)工作，不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng) I/O 點(diǎn)的采集和控制。

 

4 2 種監(jiān)測(cè)方法的比較

        通過近 3 個(gè)月的趨勢(shì)圖對(duì)比，以 12 月 6 日和 12 月 8 日為例，經(jīng)過 2 個(gè)批次的油品切割聲速與密度的變化保持一致，相比于光學(xué)界面儀穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性更高，通過調(diào)校光學(xué)界面檢測(cè)信號(hào)與密度基本保持一致，但也存在同一種油品中界面也會(huì)發(fā)生變化，有時(shí)油頭已過界面才發(fā)生變化的情況。

 

        根據(jù)一段時(shí)間采集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)汽油密度在（755～756）kg/m3變化時(shí)，聲速在（1228～1238）m/s 變化；柴油密度在（832～835）kg/m3變化時(shí)，聲速在（1390～1420）m/s 變化。12 月 22 日，采集汽油推柴油數(shù)據(jù)（表 1），發(fā)現(xiàn)超聲波聲速與密度變化一致，靈敏性高，信號(hào)穩(wěn)定，對(duì)于密度的微小變化能夠迅速反應(yīng)出來，可以用于油品界面跟蹤。如果用超聲波流量計(jì)檢測(cè)油品界面，可以停用成品油密度撬座，可以徹底解決由于光學(xué)潔面儀失準(zhǔn)而無法有效跟蹤界面的問題。不受時(shí)間天氣設(shè)備檢修的影響，實(shí)現(xiàn) 24 h 不間斷檢測(cè)。

 

5 結(jié)論

        目前成品油輸油站場(chǎng)普遍采用的是光學(xué)界面儀監(jiān)測(cè)油品界面信號(hào)，由于其對(duì)介質(zhì)的潔凈程度要求較高，而國(guó)內(nèi)成品油管道無法滿足這一要求，需要頻率很高的定期維護(hù)保養(yǎng)和調(diào)校，且穩(wěn)定性和可靠性較差，這是所有國(guó)內(nèi)管道上該設(shè)備的通病。利用超聲波流量計(jì)聲速檢測(cè)方法，不需要與介質(zhì)直接接觸，超聲波波長(zhǎng)短、衍射性能差、定向性能優(yōu)良，在不同的介質(zhì)中速度穩(wěn)定，通過實(shí)際應(yīng)用，穩(wěn)定性和可靠性也較好，可以在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。對(duì)基層單位來講可以停用相應(yīng)設(shè)備，降低管理難度和維護(hù)的工作量，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。超聲波聲速監(jiān)測(cè)油品界面的準(zhǔn)確度、精度以及在不同環(huán)境溫度下的差異還需進(jìn)一步研究。