張玉恒，范振業(yè)，林長(zhǎng)波

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

由于油氣田各區(qū)塊、油氣輸送增壓/集氣站場(chǎng)的位置相對(duì)較偏遠(yuǎn)、交通不便利、自然環(huán)境惡劣、倒班輪換周期較長(zhǎng)等條件的限制，對(duì)站內(nèi)運(yùn)行、值守人員產(chǎn)生較大的生理及心理壓力[1]。通過(guò)建設(shè)無(wú)人值守站，可以避免員工暴露在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境之中，提高了人的安全性；采用計(jì)算機(jī)操作提高了運(yùn)行的可靠性和效率，從而達(dá)到安全、可靠、高效的基本要求。同時(shí)，油氣田無(wú)人值守站建設(shè)也是落實(shí)中央關(guān)于“轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、促發(fā)展”要求的重要舉措。

1 無(wú)人值守管理模式

目前較為成熟的無(wú)人值守管理模式主要有如下幾種：中心站場(chǎng)模式、集中管理模式、高水平無(wú)人值守模式。

1.1 中心站場(chǎng)模式

以普光氣田和輸氣管道為代表，是依托中心站場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)鷰鬃緢?chǎng)的監(jiān)控和巡檢，便于快速事故處理，多用于高危險(xiǎn)站場(chǎng)或復(fù)雜站場(chǎng)。

1.2 集中管理模式

以勝利油田“四化”，勝利埕島油田和元壩氣田為代表，采用集中監(jiān)控，集中或分區(qū)域管理，適用于流程相對(duì)簡(jiǎn)單、依托條件較好的站場(chǎng)。

1.3 高水平無(wú)人值守模式

以海外部分無(wú)人值守平臺(tái)為代表，除了實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程控制外，不需要例行巡檢，每年只巡檢有限次數(shù)即可。

2 無(wú)人值守設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人值守站場(chǎng)的技術(shù)要求

通過(guò)對(duì)站場(chǎng)運(yùn)行、崗位設(shè)置、操作頻次等的調(diào)查，對(duì)需人工頻繁操作的地方實(shí)施自動(dòng)控制改造，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作或操作頻次少，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守[2]。

無(wú)人值守站場(chǎng)應(yīng)配置數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集控制站場(chǎng)內(nèi)的：遠(yuǎn)控閥門(mén)、壓力、溫度、液位、流量、電參、加熱系統(tǒng)等儀器儀表的參數(shù)，各儀表設(shè)備應(yīng)具有就地顯示及信息遠(yuǎn)傳雙重功能[1]。

無(wú)人值守站場(chǎng)應(yīng)配置相應(yīng)的視頻系統(tǒng)和安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行情況監(jiān)視、入侵探測(cè)、防盜報(bào)警、出入口控制、安全檢查等主要功能。視頻和安防系統(tǒng)信號(hào)應(yīng)能夠傳至監(jiān)控中心，并具備遠(yuǎn)程控制、布防、撤防等功能。防區(qū)劃分應(yīng)做到避免盲區(qū)和死角，有利于報(bào)警時(shí)準(zhǔn)確定位，視頻監(jiān)視和安防系統(tǒng)宜緊密集成[1]。條件許可時(shí)可考慮視頻與報(bào)警的聯(lián)動(dòng)。

無(wú)人值守站場(chǎng)在保留必要的基本生活設(shè)施前提下，可適當(dāng)簡(jiǎn)化原常規(guī)站場(chǎng)內(nèi)的為人服務(wù)設(shè)施。

2.2 設(shè)計(jì)理念

1）適時(shí)開(kāi)展科學(xué)的評(píng)估分析

如HAZOP、QRA 和SIL 分析等，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施，用數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗(yàn)。

2）工藝流程優(yōu)化

從提高站場(chǎng)可控性、可靠性、可操作性及保護(hù)功能方面考慮，做到盡量簡(jiǎn)化流程，合理配置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，簡(jiǎn)化輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于全新建設(shè)的無(wú)人值守站場(chǎng)可在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行綜合考慮。

3）簡(jiǎn)化站場(chǎng)設(shè)計(jì)

如合并站控室、機(jī)柜間、陰保、UPS 間，簡(jiǎn)化HVAC設(shè)計(jì)等。

表1 有人值守與無(wú)人值守站場(chǎng)的區(qū)別Table 1 Difference between unattended and unattended stations

4）提高綜合監(jiān)測(cè)能力

增加電力設(shè)備監(jiān)控、可燃?xì)怏w微小泄漏、監(jiān)控備用通信、HVAC 監(jiān)控、視頻全覆蓋、門(mén)禁等，提高有效的輔助遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控手段。

5）提高SCADA 及站控水平

站場(chǎng)運(yùn)行工藝控制、流程及設(shè)備操作采用SCADA 系統(tǒng)集中管控，通過(guò)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)自動(dòng)邏輯控制、報(bào)警管理、ESD關(guān)斷和事故處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備診斷，降低人為原因產(chǎn)生的操作不確定性或不安全因素，提高站場(chǎng)的管理水平。

通過(guò)無(wú)人值守站場(chǎng)建設(shè)，可有效促進(jìn)管理模式的轉(zhuǎn)變，壓減管理層級(jí)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維隊(duì)伍的專(zhuān)一化、專(zhuān)業(yè)化。由各站的分散管控變?yōu)榧s化的集中管理/中心站管理模式。此外，無(wú)人值守站的建立，可以有效緩解人力資源不足的問(wèn)題，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)智能化油氣田打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 無(wú)人值守站設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題

有人值守和無(wú)人值守最大的區(qū)別是是否有人常駐現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)人值守模式對(duì)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)及管理水平提出了更高的要求。

因此，為實(shí)現(xiàn)高水平的無(wú)人值守，需要滿(mǎn)足以下條件：實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，遠(yuǎn)程控制；及時(shí)有效的故障處理措施；自動(dòng)巡檢技術(shù)（智能巡檢）的應(yīng)用。

1）實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，遠(yuǎn)程控制

自動(dòng)化程度高、儀表控制系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)具備高可靠性，以及完善的遠(yuǎn)程診斷手段，保障主要工藝系統(tǒng)自動(dòng)、安全、平穩(wěn)運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的前提條件。

2）及時(shí)有效的故障處理措施

工藝設(shè)計(jì)允許自動(dòng)切換或考慮充分的設(shè)計(jì)余量，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行事故處理，盡量不影響正常運(yùn)行，為人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)取充足的時(shí)間；自控、視頻、安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，快速準(zhǔn)備定位異常事件；對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行有效的優(yōu)化管理，防止報(bào)警泛濫，實(shí)現(xiàn)有效報(bào)警。

自控判斷備用回路的在運(yùn)狀態(tài)：自控回路狀態(tài)反饋；重要手動(dòng)回路通過(guò)智能讀表系統(tǒng)判斷手動(dòng)閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。

自動(dòng)切換邏輯：順序控制-主要回路/設(shè)備具備一鍵啟停功能；沖擊負(fù)荷控制，保證工藝流程平穩(wěn)切換；運(yùn)行時(shí)間控制，可根據(jù)運(yùn)行實(shí)際自動(dòng)切換主備流程，保證備用回路的“熱備狀態(tài)”。

圖1 保護(hù)層設(shè)計(jì)Fig.1 Protective layer design

3）自動(dòng)巡檢技術(shù)（智能巡檢）的應(yīng)用

作為對(duì)無(wú)人值守站場(chǎng)的保障措施，利用現(xiàn)有技術(shù)手段，例如自動(dòng)抄表、視頻巡檢、隱患識(shí)別（跑冒滴漏）、視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng)等代替人工巡檢，實(shí)現(xiàn)高水平的無(wú)人值守。

2.4 可靠性保障

2.4.1 兩個(gè)保護(hù)層設(shè)計(jì)

無(wú)人值守站場(chǎng)的自控系統(tǒng)負(fù)責(zé)預(yù)防階段的兩個(gè)保護(hù)層控制。即通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)PCS 負(fù)責(zé)正常生產(chǎn)流程的控制和調(diào)節(jié)，以及報(bào)警功能；當(dāng)超出其調(diào)節(jié)能力或者發(fā)生緊急情況時(shí)，安全儀表系統(tǒng)SIS 及時(shí)介入，實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)。

以?xún)?chǔ)罐液位為例（見(jiàn)圖1），PCS 系統(tǒng)負(fù)責(zé)正常運(yùn)行時(shí)的液位檢測(cè)及聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，當(dāng)液位超出一定限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并提醒操作人員進(jìn)行處理；當(dāng)液位仍然無(wú)法控制并繼續(xù)變化超越一定限值后，SIS 系統(tǒng)接入動(dòng)作（緊急開(kāi)關(guān)閥門(mén)或啟停泵），并給出更高一級(jí)別的報(bào)警。

此外，還需要考慮儀表和控制閥的分別設(shè)置——以天然氣脫硫部分的原料氣聚結(jié)過(guò)濾器為例，PCS 和SIS 分別設(shè)置2 臺(tái)獨(dú)立的液位檢測(cè)儀表，調(diào)節(jié)閥和緊急切斷閥也獨(dú)立設(shè)置。

2.4.2 儀表可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)于站內(nèi)重要的控制回路，按照兼顧可靠性又兼顧可用性的原則，采用2oo3 的結(jié)構(gòu)。

多塊儀表的偏差報(bào)警：在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置多臺(tái)變送器時(shí)，設(shè)多值比較畫(huà)面，出現(xiàn)偏差時(shí)進(jìn)行報(bào)警。多臺(tái)變送器可以是在同一檢測(cè)點(diǎn)處設(shè)置的分別進(jìn)SIS 和PCS 的儀表，或者是同一安全儀表回路2oo3 的儀表。偏差值報(bào)警限可設(shè)5%（可根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整），在同一檢測(cè)點(diǎn)上任意兩塊變送器間偏差超過(guò)偏差限設(shè)定值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行偏差報(bào)警，提醒操作員及時(shí)對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù)，從軟件上提供儀表可用性，避免因儀表故障引發(fā)更大事故。

圖2 控制系統(tǒng)保障Fig.2 Control system guarantee

圖3 大中型油氣田站場(chǎng)智能化建設(shè)架構(gòu)Fig.3 Intelligent construction of large and medium-sized oil and gas field stations

2.4.3 控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

見(jiàn)圖2。

2.4.4 遠(yuǎn)程診斷及設(shè)備管理

采用設(shè)備管理系統(tǒng)，通過(guò)HART 協(xié)議采集現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程儀表、控制閥門(mén)的診斷信息。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備自帶控制器，實(shí)現(xiàn)外輸泵、壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)、軸位移、溫度等信號(hào)的采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握儀表、關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)所有儀表及關(guān)鍵設(shè)備的全生命周期管理。

2.5 無(wú)人值守關(guān)鍵技術(shù)

基于SCADA 平臺(tái)設(shè)置相關(guān)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器及軟件，并打通視頻和安防系統(tǒng)，為高水平無(wú)人值守提供技術(shù)支撐。使用虛擬化技術(shù)，利用多臺(tái)服務(wù)器搭建高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)，在平臺(tái)之上根據(jù)需要，動(dòng)態(tài)分配資源給不同的高級(jí)應(yīng)用使用。由虛擬化平臺(tái)統(tǒng)一管理各物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備及外部接入設(shè)備，然后進(jìn)行資源再分配。

2.5.1 高級(jí)報(bào)警管理系統(tǒng)

報(bào)警的主要功能是在過(guò)程異常或設(shè)備故障時(shí)，提醒操作員和其他人員進(jìn)行處理或響應(yīng)。無(wú)人值守站場(chǎng)正常運(yùn)行均自動(dòng)完成，操作員只需響應(yīng)報(bào)警處理必要的問(wèn)題即可。因此，保證有效報(bào)警，避免報(bào)警泛濫是報(bào)警管理的首要目標(biāo)，也是保證無(wú)人值守的重要一環(huán)。

圖4 智能抄表Fig.4 Smart meter reading

報(bào)警管理系統(tǒng)具有報(bào)警優(yōu)先級(jí)設(shè)定、過(guò)濾無(wú)效及虛假報(bào)警、保證有效報(bào)警輸出，提升報(bào)警響應(yīng)速度以及具備歷史記錄及趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能?？梢赃M(jìn)行有效的管理和評(píng)估，進(jìn)行環(huán)比分析，對(duì)導(dǎo)致長(zhǎng)期和大量報(bào)警的工藝和設(shè)備瓶頸進(jìn)行改造消缺，形成管理閉環(huán)，報(bào)警統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可應(yīng)用于班組考評(píng)統(tǒng)計(jì)中，為管理者提供分析、管理、考核依據(jù)。此外發(fā)生報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)還可依據(jù)操作規(guī)程判斷報(bào)警原因，給出建議的處理方案。

2.5.2 自控、視頻、安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)與數(shù)據(jù)融合

實(shí)現(xiàn)全站的，自控、視頻、安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)與數(shù)據(jù)融合，達(dá)到智能視頻的目標(biāo)?？梢愿鶕?jù)攝像頭的現(xiàn)場(chǎng)部署，按節(jié)點(diǎn)分層管理攝像頭，并對(duì)攝像頭進(jìn)行預(yù)置位的組態(tài)；對(duì)視頻畫(huà)面進(jìn)行布局及顯示內(nèi)容進(jìn)行組態(tài)、關(guān)聯(lián)組態(tài)，添加并關(guān)聯(lián)巡檢路線，配置并關(guān)聯(lián)異常事件組態(tài)等。以及常規(guī)的云臺(tái)控制、抓拍、錄像等，提供圖像識(shí)別一覽和歷史信息一覽等操作記錄查看。

2.5.3 智能抄表

自動(dòng)讀取關(guān)鍵參數(shù)的就地表指示、閥門(mén)開(kāi)關(guān)、手自動(dòng)狀態(tài)等，自動(dòng)記錄抄表狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，生成抄表報(bào)表，并與SCADA 中相應(yīng)采集值進(jìn)行比較，偏差超過(guò)閾值時(shí)報(bào)警。對(duì)于涉及主備用流程切換的手動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)視頻識(shí)別其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以確認(rèn)備用流程/設(shè)備是否具備自動(dòng)投切條件。

2.5.4 隱患識(shí)別技術(shù)

通過(guò)視頻、紅外熱成像以及激光掃描式可燃?xì)怏w檢測(cè)技術(shù)，識(shí)別火焰、跑冒滴漏、設(shè)備超溫、閥門(mén)卡堵、法蘭腐蝕、保溫層脫落和微小泄漏等。

1）智能紅外熱成像與視頻復(fù)合

圖5 紅外熱成像技術(shù)用于隱患識(shí)別Fig.5 Infrared thermal imaging technology for hidden danger identification

圖6 激光掃描式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Laser scanning combustible gas detection system

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工藝區(qū)的溫度變化往往意味著事故隱患的產(chǎn)生，例如跑冒滴漏、火氣等異常情況均會(huì)在事故源周?chē)a(chǎn)生不同情況的溫度變化。通過(guò)紅外熱成像圖像識(shí)別，可以比目測(cè)更有效地判定。可以有效彌補(bǔ)可見(jiàn)光視頻監(jiān)控的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患和事故。

2）激光掃描式可燃?xì)怏w檢測(cè)——站場(chǎng)微泄漏檢測(cè)

站場(chǎng)無(wú)人值守后，日常巡檢中難以早期發(fā)現(xiàn)的微小泄漏，如引壓管、螺紋接口、密封盤(pán)根等的刺漏，存在釀成大事故的可能。而站場(chǎng)開(kāi)放區(qū)域安裝的點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器只能探測(cè)較大泄漏或恰巧在探測(cè)器旁的小泄漏。因此，建議增加可燃?xì)怏w微泄漏監(jiān)測(cè)手段。如激光掃描式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)PPM 級(jí)的泄漏報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)提醒操作人員處理。

3 油氣田智能化建設(shè)展望

智能化既是國(guó)家大戰(zhàn)略，又是集團(tuán)公司的發(fā)展方向。以九江石化為代表的智能工廠建設(shè)已在中石化下游蓬勃開(kāi)展。油氣田及管道領(lǐng)域的智能化也在不斷推進(jìn)，正在設(shè)計(jì)的順北油氣田、新氣管道和鄂安滄管道按照智能管道工程進(jìn)行建設(shè)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)部分站場(chǎng)無(wú)人值守。

圖7 全面感知信息網(wǎng)Fig.7 Comprehensive perception information network

通過(guò)智能化油氣田建設(shè)，全面感知油田動(dòng)態(tài)，自動(dòng)操控油田活動(dòng)，預(yù)測(cè)油田變化趨勢(shì)，持續(xù)優(yōu)化油田管理，虛擬專(zhuān)家輔助油田決策，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能地管理油田。實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、業(yè)務(wù)管理協(xié)同化和全面信息共享，力爭(zhēng)達(dá)到“看地圖調(diào)度，聽(tīng)數(shù)字指揮，讓數(shù)據(jù)說(shuō)話”[3]，實(shí)現(xiàn)降本增效，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高安全運(yùn)行水平，提升應(yīng)急響應(yīng)能力，提高科學(xué)決策和管控能力。同時(shí)，圍繞油氣田核心資產(chǎn)全生命周期管理，打造全面感知、集成協(xié)同、預(yù)警預(yù)測(cè)及分析優(yōu)化4 項(xiàng)能力，助力“高效勘探，效益開(kāi)發(fā)”，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)價(jià)值最大化。

3.1 智能高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)

常規(guī)的智能化方案，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的還是數(shù)字化和信息化的建設(shè)，從層次結(jié)構(gòu)上基本分為兩層：第一層是基礎(chǔ)系統(tǒng)層，主要是數(shù)字化管道的建設(shè)，包括自控、網(wǎng)絡(luò)通信、安防等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的全面感知、自動(dòng)控制及可視化，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。第二層是智能管理平臺(tái)層，以工程建設(shè)平臺(tái)形成的虛擬輸氣管道模型為驅(qū)動(dòng)，讀取基礎(chǔ)系統(tǒng)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和利用；提供第三方接口，與ERP 等系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多系統(tǒng)的互聯(lián)互通。智能管理平臺(tái)一般由網(wǎng)絡(luò)/通用軟件開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)，缺少與實(shí)際工藝過(guò)程緊密結(jié)合的智能屬性，主要是完成互聯(lián)互通及信息處理和發(fā)布，因此從功能上看應(yīng)該叫信息化平臺(tái)更貼切。

為解決智能化應(yīng)用的痛點(diǎn)，讓智能化真正落地，建議在基礎(chǔ)系統(tǒng)和智能管理平臺(tái)之間再增加一層“智能高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)”。該系統(tǒng)應(yīng)基于SCADA 平臺(tái)，打通視頻和安防系統(tǒng)，通過(guò)專(zhuān)用軟件、設(shè)備的應(yīng)用和研究，實(shí)現(xiàn)智能控制、智能巡檢。同時(shí)，隨著生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)和智能分析，從而為高水平無(wú)人值守以及智能化提供技術(shù)支撐。

3.2 建議

在智能油田規(guī)劃指導(dǎo)下，油氣田智能化建設(shè)建議分3步實(shí)施：初期達(dá)到無(wú)人值守、定時(shí)巡檢的控制水平；中期實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、智能巡檢；最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、智能巡檢、智能優(yōu)化和智能管理。

4 結(jié)論

在油氣田站場(chǎng)無(wú)人值守建設(shè)探索的過(guò)程中，需要解放思想、轉(zhuǎn)變觀念、在實(shí)踐中創(chuàng)新，充分發(fā)揮采油管理區(qū)的主觀主管能動(dòng)性。同時(shí)需要認(rèn)識(shí)到，無(wú)人值守不能僅僅局限于信息化等技術(shù)手段，還涉及勞動(dòng)組織結(jié)構(gòu)的變革、操作規(guī)程的調(diào)整以及應(yīng)急預(yù)案等配套管理制度的制定，這些因素的共同努力和作用才是實(shí)現(xiàn)油氣田站場(chǎng)無(wú)人值守乃至智能化油氣田的關(guān)鍵。