成套石化裝置風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)的GIS實(shí)現(xiàn)

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

隨著化石能源的日益減少及能源需求的不斷增長(zhǎng)，為了更加合理高效地配置和利用石油資源，提高石油資源的加工深度及石油資源綜合利用程度[1]，石化企業(yè)大型化已成為基本趨勢(shì)，且石化裝置通常是在高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)等條件下工作，為了確保裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，承壓設(shè)備的安全管理水平的提高至關(guān)重要。

近年來(lái)，許多企業(yè)和研究單位針對(duì)石化裝置的各類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管理及控制進(jìn)行了大量的研究以確保裝置長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)行，但缺少一套綜合完善的石化裝置預(yù)知維修管理系統(tǒng)。而地利信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的飛速發(fā)展為承壓設(shè)備的安全管理提供了一種新模式。最早在二十世紀(jì)60年代，由加拿大測(cè)量學(xué)家R.T.Tomlison提出并建立了世界上首個(gè)的GIS系統(tǒng)，主要用于自然資源的管理和規(guī)劃[2]。直到二十世紀(jì)70年代，隨計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是大容量存儲(chǔ)設(shè)備的問(wèn)世，使得GIS技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)際使用階段。Sylvestre Baufume′等人[3]開(kāi)發(fā)了基于GIS技術(shù)的管線建設(shè)系統(tǒng)，并將其運(yùn)于德國(guó)氫能源管線的建設(shè)。劉兵等人[4]將三維GIS技術(shù)用于設(shè)備的可視化管理，提高了設(shè)備的安全管理水平和企業(yè)生產(chǎn)效率。肖慶來(lái)等[5]運(yùn)用道化學(xué)公司評(píng)估火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合GIS技術(shù)，開(kāi)發(fā)了針對(duì)石化裝置的安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)。王金柱等[6]研究了管道失效模式及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理方法，進(jìn)行了管道事故嚴(yán)重度對(duì)環(huán)境影響的評(píng)估，并運(yùn)用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可視化。王耀彬?qū)τ吞锸鹿虱h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可視化進(jìn)行了研究，結(jié)合了油田事故風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別、環(huán)境污染評(píng)估模型及GIS技術(shù)，建立了一套基于GIS技術(shù)的油田事故風(fēng)險(xiǎn)可視化預(yù)警系統(tǒng)[7]。Yang等人[8]運(yùn)用3D-GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套用于城鄉(xiāng)電力配送線路設(shè)計(jì)的新方法。張書(shū)華介紹了一種基于GIS平臺(tái)的石油管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，闡述了GIS技術(shù)在小范圍內(nèi)用于評(píng)估管道安全管理的優(yōu)越性[9]。目前GIS技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用尚處在初始階段。

本文針對(duì)承壓設(shè)備的特點(diǎn)與要求，將GIS技術(shù)與設(shè)備的安全管理相結(jié)合，制定一套集成了各類腐蝕、風(fēng)險(xiǎn)管理和控制措施的實(shí)施及實(shí)施結(jié)果的管理和應(yīng)用工具，這對(duì)于提高設(shè)備管理的科學(xué)性，企業(yè)安全生產(chǎn)水平、減少和避免安全事故都具有重要意義。

1 GIS技術(shù)

GIS是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[10]。

三維GIS是利用三個(gè)空間坐標(biāo)軸（X、Y、Z）來(lái)定義空間目標(biāo)的，通過(guò)目標(biāo)之間的水平、垂直和空間相對(duì)位置之間的關(guān)系來(lái)展示目標(biāo)的三維空間信息。與二維GIS相比，其對(duì)空間的有限—互斥—完整劃分和拓?fù)潢P(guān)系更加復(fù)雜。此外，三維GIS不但具備了二維GIS對(duì)空間對(duì)象平面信息展示等各項(xiàng)功能，而且囊括了空間目標(biāo)之間的垂直關(guān)系，具有對(duì)空間目標(biāo)三維信息的分析和管理能力，為用戶提供了一個(gè)更加形象直觀的空間對(duì)象可視化平臺(tái)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，三維GIS技術(shù)已成功地運(yùn)用于采礦、地質(zhì)和石油等領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的三維GIS系統(tǒng)[11]。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

通過(guò)GIS構(gòu)造煉廠設(shè)備的地理信息模型，結(jié)合煉廠煉油裝置的工藝流程，在操作平臺(tái)上直觀展示成套裝置的工藝流程和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提高設(shè)備管理的可視化程度及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理的快速反應(yīng)能力。

1）裝置仿真二維三維一體化。煉廠實(shí)際管道數(shù)量眾多，排布復(fù)雜，使得對(duì)于設(shè)備和管線的管理較為困難，運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)煉廠裝置進(jìn)行了地理信息模型的構(gòu)建，并整合了煉廠工藝流程PFD圖，實(shí)現(xiàn)了整套工業(yè)流程的二維展示，同時(shí)展示了設(shè)備和管線三維模型，如圖1所示。通過(guò)GIS平臺(tái)，可以隨時(shí)提取不同流程的不同位置的設(shè)備和管線三維分布圖，使得設(shè)備和管線的空間分布及流程監(jiān)測(cè)更加清晰便捷，提高了設(shè)備和管線管理的便利程度。

2）獲取設(shè)備信息便捷。該SuperMap GIS平臺(tái)集成了煉油設(shè)備，如塔器、換熱器、儲(chǔ)罐等設(shè)備的編號(hào)、尺寸及操作條件等信息，通過(guò)操作平臺(tái)輸入需要查詢?cè)O(shè)備或管線的編號(hào)，系統(tǒng)將所查詢的設(shè)備或管線在流程圖中以紅色顯示，并以列表的形式自動(dòng)彈出所點(diǎn)擊設(shè)備的相關(guān)信息，使得煉廠相關(guān)設(shè)備的屬性信息的獲取變得更加方便快捷，如圖2所示。

圖2 設(shè)備信息獲取

3）直觀的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。本系統(tǒng)基于SuperMap GIS平臺(tái)的專題圖功能，集成了煉廠設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)數(shù)據(jù)、測(cè)厚數(shù)據(jù)快速生成風(fēng)險(xiǎn)專題圖、減薄超標(biāo)預(yù)警專題圖、壽命不足預(yù)警專題圖，以直觀的方式展示預(yù)警信息，將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，在裝置工藝流程圖上顯示屬性數(shù)據(jù)和預(yù)警信息，使得設(shè)備的各級(jí)管理者能夠及時(shí)有效地了解裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、減薄和腐蝕狀況。

3 系統(tǒng)功能

1）裝置風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)測(cè)。利用RBI技術(shù)對(duì)裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)，將裝置風(fēng)險(xiǎn)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)，并分別以紅色、橙色、黃色和綠色進(jìn)行標(biāo)識(shí)。各個(gè)裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)通過(guò)GIS平臺(tái)在裝置流程圖中進(jìn)行顯示，如圖3所示，同時(shí)該平臺(tái)可以對(duì)裝置的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更新計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了裝置風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3 裝置風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

2）減薄超標(biāo)與壽命不足預(yù)警。當(dāng)管道同一點(diǎn)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)誤差10%，則系統(tǒng)以黃色形式預(yù)警，需要設(shè)備人員對(duì)管道進(jìn)行重新確認(rèn)，確認(rèn)后由領(lǐng)導(dǎo)審核確認(rèn)。若管道減薄超過(guò)25%，則系統(tǒng)以紅色形式預(yù)警，這時(shí)需要對(duì)預(yù)警的管道進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)，確認(rèn)管道剩余壽命是否滿足繼續(xù)使用要求。將相關(guān)管線的數(shù)據(jù)集成到SuperMap GIS平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)管道壁厚減薄及壽管線壽命不足預(yù)警等信息的展示，如圖4所示。

圖4 減薄超標(biāo)與壽命不足預(yù)警

3）管道沖蝕狀況顯示。管道沖蝕減薄是影響管道壽命的一個(gè)重要因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管道的實(shí)測(cè)結(jié)果，并對(duì)比FLUENT模擬結(jié)果，分析管道中流體的流動(dòng)狀態(tài)，將管道的沖蝕分析結(jié)果整合進(jìn)入GIS平臺(tái)，設(shè)備管理人員可以通過(guò)操作平臺(tái)，點(diǎn)擊所監(jiān)測(cè)的管道，系統(tǒng)即彈出相應(yīng)管道的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，用戶可以從不同視角觀察管道內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)，如圖5所示。

4）測(cè)厚計(jì)劃與測(cè)厚點(diǎn)分布顯示。管道壁厚是管道壽命預(yù)測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)，合理有效地布置管道壁厚測(cè)點(diǎn)是監(jiān)控管道運(yùn)行狀況的前提。本系統(tǒng)集成管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)、沖蝕腐蝕狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)管道不同位置進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的選擇。將各管線的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及分布狀況輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)管道測(cè)厚點(diǎn)在管道三維仿真模型的展示，如圖6所示。

圖5 管道沖蝕狀況展示圖

圖6 管道測(cè)厚點(diǎn)分布圖

4 結(jié)論

1）本系統(tǒng)利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了成套石化裝置流程圖的平面展示，并集成設(shè)備及管線的三維信息，實(shí)現(xiàn)了成套裝置設(shè)備和管線的二維三維一體化展示。

2）將GIS技術(shù)與RBI技術(shù)相結(jié)合，完成了裝置風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分及實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)了裝置風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)測(cè)。

3）本系統(tǒng)結(jié)合了SuperMap GIS的專題圖功能，整合了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)數(shù)據(jù)、測(cè)厚數(shù)據(jù)快速生成風(fēng)險(xiǎn)專題圖、減薄超標(biāo)預(yù)警專題圖、壽命不足預(yù)警專題圖，實(shí)現(xiàn)了裝置風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的可視化。

4）通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了整套裝置中管道內(nèi)的流動(dòng)分析，得到了管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及沖蝕分布，本GIS平臺(tái)可以隨時(shí)提取整個(gè)流程中各條管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，并以云圖的方式進(jìn)行直觀展示，便于及時(shí)迅速地掌握管道流體的流動(dòng)狀態(tài)。

5）本系統(tǒng)通過(guò)大量的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管道沖蝕腐蝕研究，確定管道測(cè)厚計(jì)劃的制定及測(cè)點(diǎn)分布，可以在管道三維圖上直觀地顯示不同部位測(cè)點(diǎn)的分布情況，使得管線的安全檢測(cè)更加快速便捷。