涪陵頁巖氣田無人值守集氣站建設

汪宏金 邢克 夏欽鋒

1中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司氣田開發(fā)部

2新疆油田公司風城油田作業(yè)區(qū)

在油氣田信息化建設中，實現(xiàn)站場無人值守已成為大多數(shù)油氣田信息化建設的主要方向[1]。集氣站無人值守建設由于受諸多條件限制，安全風險較大，實施難度較大。涪陵頁巖氣田所生產(chǎn)的頁巖氣純度極高，而且不含硫化氫等劇毒成分，為建設無人值守集氣站創(chuàng)造了條件。通過通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)及信息系統(tǒng)的建設，目前一期產(chǎn)能建設的53座集氣站全部達到無人值守條件，45座集氣站實施了無人值守。

1 無人值守集氣站技術保障

1.1 安全保障

集氣站是氣田重要的生產(chǎn)單元，采用井口來氣→除砂→加熱→集氣匯管→分離→計量→集氣支線的標準化工藝流程（圖1）。集氣站主要設備為水套加熱爐橇、集氣匯管橇、分離器橇以及燃氣調(diào)壓橇等。集氣站設計壓力為6.4 MPa，實際運行壓力為5.0～5.5 MPa，外輸溫度控制在30℃左右。

圖1 集氣站工藝流程Fig.1 Technological process of gas gathering station

圖2 集輸工藝流程Fig.2 Flow of gathering and transportation process

集氣站又是氣田地面流程的中間環(huán)節(jié)，氣田采用高壓采氣、中壓集氣、集中脫水的工藝技術路線。氣田地面工程的主導布站模式為采氣叢式井場→集氣站→脫水站兩級布站，集氣站與采氣平臺合建，頁巖氣進脫水站集中處理的集輸工藝流程見圖2[1]。

集氣站能否安全運行直接關系到氣田的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益，因此無人值守集氣站必須能夠實現(xiàn)生產(chǎn)的自動和遠程控制[2]，可在壓力波動超限、氣體泄漏、設備故障等任何異常狀況下進行報警、關井、集氣站出口關斷、放空泄壓等操作，實現(xiàn)集氣站出口關斷、放空泄壓、井安系統(tǒng)聯(lián)動連鎖控制，保證氣井和集氣站設備及管網(wǎng)的安全，保障氣田安全平穩(wěn)運行。為此每座集氣站均設置PLC和ESD控制系統(tǒng)，在市電及通信中斷情況下可獨立運行，涉及安全控制的執(zhí)行機構和重要的部件如電磁閥等都必須達到SIL2標準。在調(diào)控中心搭建了應急聯(lián)動平臺和輔助操作平臺，實現(xiàn)事故緊急關停、超壓自動放空及氣田的一鍵關停。調(diào)控中心通過輔助操作平臺實現(xiàn)各區(qū)域、支線的一鍵式緊急關斷。

氣井是高壓易燃易爆場所，也是氣田的生產(chǎn)源頭。井場至集氣站加熱爐間使用高壓管線輸氣，井口一般沒有節(jié)流。井口是頁巖氣的地面出口，是第一道也是最關鍵的一道關口。在任何故障情況下，都必須保證能夠切斷氣源，關閉井口，杜絕災害發(fā)生或蔓延。在每一口井都安裝有井口安全截斷閥及控制系統(tǒng)即井安系統(tǒng)，井安系統(tǒng)除接受上位機控制、人為遠程控制外，其本身也設有上、下限關井壓力，達到閾值后也會自動關井。為確保安全，關井后的恢復必須由人工現(xiàn)場檢查確認后進行，復位后方可打開井口開始供氣。另外，井口還設有可燃氣體檢測儀，當頁巖氣泄漏達到一定濃度時進行報警或關井；集氣站設置多個溫度壓力檢測及可燃氣體檢測點，出站部分設有ESDV緊急關斷閥和BDV緊急泄放閥（圖3）[1]，并與井口控制系統(tǒng)聯(lián)動；集氣站加熱爐設有火焰探測和多點溫度壓力檢測，在緊急情況下自動停爐，加熱爐除自身具有PLC控制單元外，還接受站內(nèi)ESD系統(tǒng)的控制。加熱爐自用氣也配備調(diào)壓及自動切斷裝置；分離器污水排放采用疏水閥控制，由于污水中含有較多的雜質(zhì)，長期運行有可能會使疏水閥關閉不嚴造成天然氣泄漏，在疏水閥出口安裝超聲波檢漏設備，將信號接入站控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控；井場、集氣站的異常報警及關斷停車均與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)動，調(diào)控中心可直觀地監(jiān)視現(xiàn)場狀況。

為了確保人員、財產(chǎn)、環(huán)境安全，防止事故危險性擴大，設計了氣田的關斷等級及關斷范圍。全氣田關斷等級按三級劃分：

一級關斷為全氣田關斷，即井口、集氣站出口、線路閥室、脫水站進出口關斷并緊急泄壓放空。適用于脫水站火災、外輸管線爆裂、自然災害如強烈地震等。

二級關斷為裝置關斷，適用于脫水裝置單列故障、集氣支干線重大故障、集氣站火災等。

三級關斷為單元關斷，適用于單臺設備故障、單井壓力異常等。

在緊急情況下，除系統(tǒng)自動關斷外，調(diào)控中心操作人員根據(jù)權限也可在輔助操作臺上進行相應的手動操作。

圖3 ESDV線路截斷閥和BDV泄放閥布置圖Fig.3 Layout of ESDV line lock valve and BDV discharge valve

1.2 供電保障

由于集氣站無人值守，必須考慮在市電缺失的情況下井站能夠正常生產(chǎn)。如果集氣站供電中斷，集氣站站控系統(tǒng)將會進行一系列的自動操作，井口及集氣站出口將自動關閉，全站自動停產(chǎn)，但不會影響其他井站的正常生產(chǎn)。為此氣田架設了供電專線，集氣站PLC及ESD機柜、通信機柜均采用UPS及市電供電雙電源供電接入，UPS供電及市電供電之間可實現(xiàn)無擾動切換[3]。每個集氣站采用2臺工頻UPS電源并機運行，UPS工作狀態(tài)及市電工作狀態(tài)信號均接入站控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，確保集氣站的不間斷供電，保障生產(chǎn)安全平穩(wěn)運行。

1.3 通信保障

集氣站通信系統(tǒng)既是數(shù)據(jù)采集通道，也是遠程控制通道和監(jiān)視通道。通信中斷會造成遠程控制失效，數(shù)據(jù)中斷乃至永久性丟失，操作人員與現(xiàn)場處于“失聯(lián)”狀態(tài)。由于集氣站PLC和ESD控制系統(tǒng)可以單獨運行，現(xiàn)場安全控制可以基本保障。為確保工控網(wǎng)網(wǎng)絡安全和傳輸?shù)目煽啃?，氣田采用自建光纖環(huán)網(wǎng)+3G無線通信備份的傳輸方式，做到氣田光纖全覆蓋，自建光纖網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡物理隔離，工控信號、安防信號采用不同的纖芯傳輸，以保障工控網(wǎng)傳輸帶寬和穩(wěn)定性。利用EPA工業(yè)以太網(wǎng)技術，工控系統(tǒng)均采用雙光纖環(huán)網(wǎng)設計，確保SCADA信號和ESD信號的可靠無縫傳輸。全氣田按照集氣站布局建設4個安防環(huán)網(wǎng)（圖4），保障視頻、門禁等安防信號的傳輸通暢和可靠性。

設備配置方面，工控網(wǎng)2臺核心交換機互為主備冗余，啟用VRRP（虛擬路由冗余協(xié)議），為匯聚層網(wǎng)絡提供唯一的網(wǎng)管地址。當主用交換機失效，備用交換機迅速切換成主用交換機，保障核心層網(wǎng)絡穩(wěn)定。

有線網(wǎng)A采用二層交換機搭建，通過啟用二層環(huán)網(wǎng)協(xié)議DRP達到環(huán)網(wǎng)保護功能，并通過DRP+由2條鏈路將控制信號上傳至核心交換機；有線網(wǎng)B采用三層交換機搭建，接入3G路由器。交換機與交換機之間采用高優(yōu)先級OSPF動態(tài)路由協(xié)議，交換機與3G路由器之間啟用低優(yōu)先級的靜態(tài)路由。當有線網(wǎng)B的路由不能到達核心網(wǎng)絡，集氣站交換機至核心網(wǎng)絡會自動切換到3G無線網(wǎng)傳輸。通過多種路由保障數(shù)據(jù)不丟失，傳輸不中斷。

圖4 SCADA與安防環(huán)形網(wǎng)絡拓撲Fig.4 Topology of SCADA and security ring network

1.4 安防保障

無人值守情況下集氣站的安防保衛(wèi)工作須依靠信息化手段結合人工巡檢來完成。集氣站安防系統(tǒng)由工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、周界防御系統(tǒng)、語音對講及應急廣播系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)構成[4]。調(diào)控中心建有綜合安防管理平臺，平臺通過網(wǎng)絡層集成各子系統(tǒng)，通過一個統(tǒng)一的管理平臺界面，實現(xiàn)安防系統(tǒng)所有報警/事件的集中監(jiān)視，對重要前端設備進行遠程控制及各安防子系統(tǒng)間的聯(lián)動。在生產(chǎn)工藝參數(shù)波動超限、非法闖入等異常情況下均有語音告警及視頻畫面跳轉，將報警現(xiàn)場展示出來，并且有相應的文字提示，以方便操控人員及時判斷和處理。

周界防御系統(tǒng)聯(lián)動可實現(xiàn)在集氣站、RTU閥室的周界防區(qū)被入侵時，聯(lián)動攝像機到預設位置，對該區(qū)域進行實況監(jiān)控、語音自動告警驅離；SCADA系統(tǒng)聯(lián)動可實現(xiàn)在集氣站的SCADA系統(tǒng)發(fā)生報警事件時，攝像機自動聯(lián)動到預設位置，對該區(qū)域進行實況監(jiān)控；門禁系統(tǒng)聯(lián)動可實現(xiàn)在集氣站、RTU閥室的門禁系統(tǒng)發(fā)生非法刷卡、門無故開啟、超時未關門事件時，聯(lián)動攝像機到預設位置，對該區(qū)域進行實況監(jiān)控、語音自動告警驅離；語音對講系統(tǒng)聯(lián)動可實現(xiàn)在某集氣站與調(diào)控中心建立對講通話時，調(diào)控中心的視頻監(jiān)控窗格會自動實況到對應的集氣站（圖5）。

圖5 周界系統(tǒng)防御系統(tǒng)聯(lián)動Fig.5 Linkage of boundary system and defensive system

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻監(jiān)控平臺集中管理，該平臺具有PTSQ高效可伸縮編碼、分布式信源編碼的多路視頻差錯控制和聯(lián)合差錯恢復、多標簽近鄰傳播的檢索、實時視頻流組播承載等特點，融合了生產(chǎn)監(jiān)控和安防監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)監(jiān)控和安防監(jiān)控的業(yè)務獨立與資源共享。對生產(chǎn)及安防預警和報警通過遠程查看現(xiàn)場情況，對異常情況的程度進行確認。選用具有光通信功能的高清攝像機，避免光電轉換帶來的信號衰減及電子元件損壞；周界防御采用光纜監(jiān)測系統(tǒng)即網(wǎng)絡型光纜振動探測報警系統(tǒng)，符合GB/T 10408.8《振動入侵探測器》國家標準，系統(tǒng)采用光纜作為無源探測器，誤報率小于2%，加速度感應精度為1 m/s2，實時響應光纜中斷報警。光纜具有較高的靈敏度，可有效避免雷電干擾，適用于集氣站及井場易燃易爆場所及山區(qū)各種復雜地形等不規(guī)則周界防區(qū)的探測，安裝時將光纜直接鋪設在井場和集氣站圍欄鐵網(wǎng)上。各集氣站的光纜振動探測報警系統(tǒng)將報警信號傳輸至調(diào)控中心；門禁系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程控制進站大門及站內(nèi)儀表控制室、配電室門的開啟，并可記錄持卡人基本信息和進出時間信息。

2 自動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頂層設計

氣田采用“SCADA＋ESD”自動化系統(tǒng)進行頂層設計，按照中石化氣田智能化發(fā)展方向部署自動控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)是智能化油氣田的基礎與關鍵，系統(tǒng)可按秒、分、時獲取高頻實時數(shù)據(jù)，應用MODBUS或TCP/IP將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理系統(tǒng)[5]，實現(xiàn)氣田一體化實時管理，即實現(xiàn)實時遠程控制、實時數(shù)據(jù)共享、實時動態(tài)監(jiān)測、實時調(diào)整運行與實時決策修正，最大限度地滿足氣田生產(chǎn)、環(huán)境安全及采輸工藝要求，完成集氣站無人值守情況下氣田的自動化控制[6]。ESD系統(tǒng)設計充分考慮非正常生產(chǎn)情況下的自動響應與應急處理，保障現(xiàn)場生產(chǎn)裝置、設備及管網(wǎng)的安全運行；控制系統(tǒng)采用冗余設置，集氣站PLC及ESD機柜均安裝2套控制器和電源，現(xiàn)場溫度、壓力、液位、流量等儀表及執(zhí)行機構均智能化，以保證運行平穩(wěn)可靠。系統(tǒng)可進行預警及報警，井站及氣田報表自動生成[7]，并可根據(jù)不同需求個人定制報表及生成所需的趨勢曲線。

建設AMS智能儀表管理系統(tǒng)，監(jiān)視儀表本身運行狀況，確保所測量的數(shù)據(jù)可靠。對具備HART協(xié)議智能儀表和控制機構進行自動遠程診斷，并在管理系統(tǒng)中進行預警。

建立了氣田真實三維場景，還原氣田全貌，多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一關聯(lián)三維模型，實現(xiàn)氣田的集中、直觀監(jiān)控[8]。打造油田站場三維地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)于一體，最大限度地實現(xiàn)信息資源共享[9]（圖6）。

圖6 集氣站三維系統(tǒng)掛接實時數(shù)據(jù)展示Fig.6 Display of real-time data in three dimensional system of gas gathering station

3 結束語

憑借可靠的安全、通信、供電及安防系統(tǒng)保障，科學全面的氣田自動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，涪陵頁巖氣田實現(xiàn)了集氣站無人值守。通過完成數(shù)據(jù)的采集、動態(tài)分析、過程控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享[10]。正在踐行的“井站一體、電子巡護、遠程監(jiān)控、智能管理”的新型高效集約式生產(chǎn)管理模式徹底改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)勞動密集型管理模式，推動了生產(chǎn)和管理向網(wǎng)絡化、數(shù)字化、自動化、智能化轉變，井站管理從定點、定時管理變?yōu)?4 h不間斷集中管理[11]。涪陵氣田實現(xiàn)集氣站無人值守后，節(jié)約用工約80余人，每年節(jié)約人力成本超760萬元，減少集氣站操作人員生產(chǎn)生活配套設施的直接投資1 300余萬元。