一、數(shù)字化與數(shù)字化油田

（一）數(shù)字化的簡介

進入二十一世紀(jì)，數(shù)字化愈來愈多的走進人們的生活，數(shù)字化開始深入的影響人們的衣、食、住、行。自1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC問世以來，人們向數(shù)字化生活逐步邁進。那么，什么是數(shù)字化，數(shù)字化就是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，引入計算機內(nèi)部，進行統(tǒng)一處理，這就是數(shù)字化的基本過程。

（二）數(shù)字化油田

數(shù)字化油田就是油田信息化和自動化的代名詞，是全面地應(yīng)用信息技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、石油勘探開發(fā)技術(shù)、現(xiàn)代管理思想方法和技術(shù)等，武裝、提升和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在決策管理層、執(zhí)行層和過程控制層，以及企業(yè)內(nèi)部和外部，全面提升生產(chǎn)技術(shù)能力、經(jīng)營管理能力和市場應(yīng)變力。數(shù)字油田是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)現(xiàn)代化的基本標(biāo)志，是提高企業(yè)核心競爭力的重要手段，是走新型工業(yè)化道路的必然選擇，是體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和加強企業(yè)管理的重要途徑，是科技進步的重要表現(xiàn)和組成部分，是帶動各項工作提高水平的突破口，是企業(yè)求生存、圖發(fā)展的必由之路。

二、自動化系統(tǒng)的國外現(xiàn)狀

輸配氣站自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀

由于天然氣計量的難度遠遠高于液體計量，計量結(jié)果的影響因素繁多，計算公式復(fù)雜，因此，采用高準(zhǔn)確度的自動計量是供需雙方的迫切要求，也是計量技術(shù)新發(fā)展的迫切需要。目前，我國天然氣計量執(zhí)行SY/T6143-1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》，過去，天然氣計量廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置配雙波紋差壓計模式。這種計算方法不但計量誤差大，人為因素多，而且故障頻繁，管理難度大。

隨著計量測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，天然氣自動計量成為了可能，采用差壓、壓力變送器代替了雙波紋管差壓計，熱電阻溫度變送器代替了玻璃棒溫度計，在線色譜儀代替了取樣分析，用計算機代替了手工計算流量，從而從整體上實現(xiàn)了天然氣流量計量的全過程自動計量。

通過資料了解，哈薩克斯坦配氣站采用了以下比較成熟的自動化系統(tǒng)。

其自動化系統(tǒng)包含現(xiàn)場井口氣分配計量撬站內(nèi)的傳感變送器、電動執(zhí)行結(jié)構(gòu)和控制內(nèi)的PLC計算機系統(tǒng)。自動化控制系統(tǒng)硬件由DELL計算機、施耐德quantum可編程控制器、史密斯流量計、電動球閥、電動調(diào)節(jié)閥門、溫度變送器、壓力變送器等組成。自動化控制系統(tǒng)軟件由Window操作系統(tǒng)、Office辦公軟件、工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件Citect7.0組成。

系統(tǒng)功能主要由配氣間和控制間組成。配氣間的主要功能是將單井注氣量、注氣壓力、匯管壓力、溫度以及各種報警信號傳輸?shù)街锌厥摇?室內(nèi)溫度高于一定時風(fēng)機自動開啟排風(fēng)，室內(nèi)溫度低于于一定時風(fēng)機自動停止工作；室內(nèi)溫度低時，電暖器自動加溫，高時電暖氣停止工作。失電時配氣間各電動閥、電動調(diào)節(jié)閥保持失電前的狀態(tài)?？刂崎g則采用GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠傳方式，實現(xiàn)中心控制室和本地控制室同步控制現(xiàn)場閥門。系統(tǒng)的開放性，能實現(xiàn)與其他廠家的計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)共享為MODBUS/TCP協(xié)議和OPC協(xié)議?？刂崎g的報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)報警查看和報警復(fù)位，并且有聲、光報警。對報警參數(shù)可以進行修改。天然氣濃度探頭控制風(fēng)機啟停，濃度可設(shè)置?？扇?xì)怏w濃度達爆炸極限時控制總來氣自動關(guān)斷閥和單井自動關(guān)斷閥，濃度可設(shè)置。室內(nèi)溫度探頭控制總來氣自動關(guān)斷閥和單井自動關(guān)斷閥的溫度可設(shè)置。室內(nèi)電暖氣的溫度控制可以設(shè)置。

哈薩克斯坦配氣站的數(shù)據(jù)除了要向中控室發(fā)送外，同時具有向其他數(shù)據(jù)中心發(fā)送的功能

三、管道完整性與風(fēng)險評價

管道完整性管理（ Pipeline Integrity Management）定義為：管道公司面對不斷變化的因素，對油氣管道運行中面臨的風(fēng)險因素進行識別和評價，通過監(jiān)測、檢測、檢驗等各種方式，獲取與專業(yè)管理相結(jié)合的管道完整性的信息，制定相應(yīng)的風(fēng)險控制對策，不斷改善識別到的不利影響因素，從而將管道運行的風(fēng)險水平控制在合理的、可接受的范圍內(nèi)，最終達到持續(xù)改進、減少和預(yù)防管道事故發(fā)生、經(jīng)濟合理地保證管道安全運行的目的。

風(fēng)險，是由風(fēng)險因素、風(fēng)險事故和損失三者構(gòu)成的統(tǒng)一體，風(fēng)險因素引起或增加風(fēng)險事故；風(fēng)險事故發(fā)生可能造成損失。風(fēng)險因素是指引起或增加風(fēng)險事故發(fā)生的機會或擴大損失幅度的條件，是風(fēng)險事故發(fā)生的潛在原因；風(fēng)險事故是造成生命財產(chǎn)損失的偶發(fā)事件，是造成損失的直接的或外在的原因，是損失的媒介；損失是指非故意的、非預(yù)期的和非計劃的經(jīng)濟價值的減少。

（一）管道完整性管理內(nèi)涵

管道完整性管理（PIM），是對所有影響管道完整性的因素進行綜合的、一體化的管理，主要包括：

1.擬定工作計劃，工作流程和工作程序文件。

2.進行風(fēng)險分析和安全評價，了解事故發(fā)生的可能性和將導(dǎo)致的后果，指定預(yù)防和應(yīng)急措施。

3.定期進行管道完整性檢測與評價，了解管道可能發(fā)生的事故的原因和部位。

4.采取修復(fù)或減輕失效威脅的措施。

5.培訓(xùn)人員，不斷提高人員素質(zhì)。

（二）管道完整性管理的原則

1.在設(shè)計、建設(shè)和運行新管道系統(tǒng)時，應(yīng)融入管道完整性管理的理念和做法。

2.結(jié)合管道的特點，進行動態(tài)的完整性管理。

3.要建立負(fù)責(zé)進行管道完整性管理機構(gòu)、管理流程、配備必要的手段。

4.要對所有與管道完整性管理相關(guān)的信息進行分析、整合。

5.必須持續(xù)不斷的對管道進行完整性管理。

6.應(yīng)當(dāng)不斷在管道完整性管理過程中采用各種新技術(shù)。

管道完整性管理是一個與時俱進的連續(xù)過程，管道的失效模式是一種時間依賴的模式。腐蝕、老化、疲勞、自然災(zāi)害、機械損傷等能夠引起管道失效的多種過程，隨著歲月的流逝不斷地侵蝕著管道，必須持續(xù)不斷地對管道進行風(fēng)險分析、檢測、完整性評價、維修等。

（三）風(fēng)險評價及風(fēng)險評價模型

風(fēng)險評價在風(fēng)險識別和風(fēng)險估測的基礎(chǔ)上，對風(fēng)險發(fā)生的概率，損失程度，結(jié)合其他因素進行全面考慮，評估發(fā)生風(fēng)險的可能性及危害程度，并與公認(rèn)的安全指標(biāo)相比較，以衡量風(fēng)險的程度，并決定是否需要采取相應(yīng)的措施的過程。

在管道運行的過程中，國內(nèi)外發(fā)生了不少事故。一次次事故的教訓(xùn)是慘痛的，血的教訓(xùn)使人們一次次的注意到，石油天然氣傳輸?shù)倪^程中，風(fēng)險的降低是非常重要的一項。因此，在這方面，越來越多的管道輸送方面的專家進行了各種各樣的研究。研究發(fā)現(xiàn)，管道受到壓力、疲勞度、鑿孔、集中應(yīng)力、洪水、地基下沉等原因發(fā)生事故的次數(shù)較多，同時人為原因也是其中的一個重要部分。對此，美國從二十世紀(jì)70年代開始進行油氣管道風(fēng)險分析方面的研究工作，并很快在許多管道公司進行了實際應(yīng)用，到90年代初期美國的許多油氣管道都采用了風(fēng)險管理技術(shù)來指導(dǎo)線路維護工作。他們通過采集大量的資料，建立起風(fēng)險評價模型，風(fēng)險評價模型仍是世界各國普遍采用的唯一模型。

通過分析各種事故的資料來看，第三方破壞往往在管道事故中占有絕對大的比例。也就是說，降低第三方破壞的比例，可以將管道的安全平穩(wěn)運行有一個很大的提高。

四、淺談管道數(shù)字化與風(fēng)險降低

目前國內(nèi)某些場站自動化只能屬于半自動化程度，在流程倒換、調(diào)壓、沿線壓力監(jiān)測等方面還是采用人工完成，在準(zhǔn)確度、安全性、及時性上不夠及時準(zhǔn)確，同時人工勞動強度大，同時易發(fā)生安全隱患。針對這些問題，我提出以下設(shè)想、建議，以提高場站自動化程度。

為了達到管道安全平穩(wěn)運行的目的，同時針對管道完整性的原則，我們可以對管道引入數(shù)字化系統(tǒng)，通過現(xiàn)代科技的介入，使管道的運行更加透明，使管道的運行方能時時刻刻掌握管道的情況。

（一）將沿途數(shù)據(jù)實施回傳

現(xiàn)有一條輸氣管線全長400余公里，共設(shè)有截斷閥室12座，清管站4座，計量間5座。沿途場站的壓力只有在巡線時才能觀測到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而我們不能時時掌握住沿線壓力的變化；若在截斷閥室中發(fā)生截斷事故，我們又不能在第一時間內(nèi)掌握是哪一臺截斷閥發(fā)生截斷。若在沿線閥室、站場、計量間采用變送器，通過變送器的遠傳模塊，就可以將數(shù)據(jù)時時發(fā)送到配氣站中央控制室，供相關(guān)人員監(jiān)測。

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備，緊急切斷閥我們采用的是美國埃莫森公司的SHAFER氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)；此執(zhí)行機構(gòu)能快速對發(fā)生的線路故障作出反應(yīng)，不需要外來氣源，依靠管線的天然氣驅(qū)動閥門，能實現(xiàn)遠程操作，維修方便。運用其遠傳功能模塊，可以將截斷閥室內(nèi)的壓力傳回。此緊急切斷閥的保護功能有高壓關(guān)斷、低壓關(guān)斷、壓降速率關(guān)斷三種，遠傳功能可以將這三項指標(biāo)回傳，在發(fā)生切斷事故時，可以在第一時間內(nèi)掌握情況，節(jié)省一定的時間。

對于沒有類似緊急切斷閥的場站、計量間，我們可以采用具有遠傳功能的變送器來達到數(shù)據(jù)回傳的效果。根據(jù)實際使用情況來看，美國埃莫森旗下的羅斯蒙特（ROSEMOUNT）公司生產(chǎn)的變送器可以實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)的遠傳，可以有網(wǎng)絡(luò)光纜傳輸和無線網(wǎng)橋傳輸兩種方式。

光纖傳輸，即以光線為介質(zhì)進行傳輸。光纖，不僅可用來傳輸模擬信號和數(shù)字信號，而且可以滿足視頻傳輸?shù)男枨蟆Ｆ鋽?shù)據(jù)傳輸率能達幾千Mbps。如果在不使用中繼器的情況下，傳輸范圍能達到6-8km。

無線網(wǎng)橋顧名思義就是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接，它可在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁（無線網(wǎng)橋亦是無線AP的一種分支）。 無線網(wǎng)橋除了具備上述有線網(wǎng)橋的基本特點之外，無線網(wǎng)橋工作在2.4G或5.8G的免申請無線執(zhí)照的頻段，因而比其它有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

在擁有上述設(shè)備后，我們可以架設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)，以供管道運行過程監(jiān)控使用。變送器所采集到的信號為一個模擬信號，是一串電壓變化的值，如果將模擬信號直接通過光纜或者無線網(wǎng)橋傳輸出去，信號在傳輸過程中會出現(xiàn)差錯，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，我們在這里采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器這種設(shè)備，這種設(shè)備會將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，通過光纜或者無線網(wǎng)橋傳輸出去。電源的供給，可以采用太陽能電池板，配合蓄電池組使用，無線網(wǎng)橋工作電壓220V，蓄電池組無法供給何時電壓時，可以在其間加入轉(zhuǎn)220V的逆變器。在將若干閥室的信號采集后可以統(tǒng)一傳送到某一站場，在此站場內(nèi)鋪設(shè)光纜或者架設(shè)無線網(wǎng)橋，同時布設(shè)一套PLC系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)橋的傳輸原理，將數(shù)據(jù)傳回花土溝輸配氣站值班室，通過組態(tài)王軟件編寫的控制系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)時時反映出來。PRC系統(tǒng)的供電，可以采用電網(wǎng)所提供的電壓，在沒有電網(wǎng)覆蓋區(qū)域，我們依舊可以采用太陽能電池板，配合蓄電池組使用，同時采用逆變器，提供穩(wěn)定電壓。

但就某些實際情況來看，若管線沿線有電網(wǎng)覆蓋，又有光纜鋪設(shè)，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋沿線閥室、計量間。這為實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳提供了良好的基礎(chǔ)。

（二）站內(nèi)流程切換、調(diào)壓、放空自動操作

對于站內(nèi)流程倒換、調(diào)壓、放空等工作，人工操作的話較為繁瑣，不能達到數(shù)字化的要求，同時不能再安全性上有所提高。例如在放空時，某些場站還采用的人工操作點燃放空火炬的方法，人工操作時間長，操作危險性高，在夜間、大風(fēng)環(huán)境下操作不易進行，這對于管道設(shè)備、人員健康造成一定的影響。在高自動化的條件下，我們可以采用自動調(diào)節(jié)閥和自動控制閥、電子點火裝置。

自動調(diào)節(jié)閥在作業(yè)過程中采用自動控制，在管道中起可變阻力的作用，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力、流量、溫度等等參數(shù)，是工藝環(huán)路中最終的控制元件。它包括三個主要部分，第一部分是敏感元件，它通常是一個變送器。它是一個能夠用來測量被調(diào)工藝參數(shù)的裝置，這類參數(shù)如壓力、液位或溫度。變送器的輸出被送到調(diào)節(jié)儀表——調(diào)節(jié)器，它確定并測量給定值或期望值與工藝參數(shù)的實際值之間的偏差，一個接一個地把校正信號送出給最終控制元件——調(diào)節(jié)閥。閥門改變了流體的流量，使工藝參數(shù)達到了期望值。

控制閥被認(rèn)為有兩個主要的組合件：即閥體組合件和執(zhí)行機構(gòu)組合件（或執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)）?？刂崎y分為四個類型：截止閥、蝶閥、球閥和偏心旋塞閥。這四種類型閥門的變種可導(dǎo)致許許多多不同的可應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，大部分最常用的結(jié)構(gòu)將納入本章。每種結(jié)構(gòu)有其特殊的應(yīng)用、特點、優(yōu)點和缺點。雖然某些控制閥較其他閥門有較廣的應(yīng)用工況，但控制閥并不能使用所有的工況，并且每個結(jié)構(gòu)都應(yīng)檢驗以發(fā)現(xiàn)降低造價的最佳解決方法。按定義，控制閥（即通常所說的自動控制閥）是個調(diào)節(jié)閥，但它幾乎擁有各種類型的執(zhí)行機構(gòu)或執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，此系統(tǒng)被設(shè)計成在控制環(huán)絡(luò)中工作?？刂崎y是工藝環(huán)路中最重的控制元件，工藝環(huán)路由傳感機構(gòu)、控制器及最終控制元件組成?？刂骗h(huán)路中所包括的食物就是控制閥和其他節(jié)流閥區(qū)分的特征。手動操作閥和壓力調(diào)節(jié)器能獨立用于節(jié)流操作，而控制閥則不能，它們的區(qū)別是：控制閥是個節(jié)流閥，但不是所有的節(jié)流閥都是控制閥。在某些情況下，手動操作閥在增設(shè)了執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)后可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂崎y，并可安裝在控制環(huán)路中。在工作人員向某一閥門發(fā)出某種指令后，閥門的執(zhí)行機構(gòu)會根據(jù)指令完成閥門的各種動作。

站內(nèi)閥門、調(diào)壓閥更換成電動閥后，可以將中控室系統(tǒng)軟件用組態(tài)王重新編寫，在界面中加入閥門控制單元，同時用信號線將閥門與配電室PLC系統(tǒng)中安全柵連接，將信息解碼后放入控制單元。在得到上級指令后，值班人員可以通過系統(tǒng)界面上的控制按鈕來進行流程倒換、調(diào)壓等工作，同時在交接班時完成一二次標(biāo)的比對，確保系統(tǒng)正常運行。

電子點火裝置是石油鉆井，煉油廠及天然氣集輸場站的尾氣和放空天然氣的處理裝置，用電子點火裝置可將放空的可燃有害電子點火裝置氣體點燃焚燒以消除其對環(huán)境和安全的危害，是一種安全環(huán)保設(shè)備。電子點火裝置的優(yōu)越性：電子點火裝置使“人工點火”到“自動操作”，折射出的是人本理念和環(huán)保訴求。所以有必要用電子點火裝置，鉆井、試油施工過程中，放噴是常有的事。過去幾十年里，放噴點火均為人工操作，人員接近放噴點，易被燒傷、灼傷，風(fēng)險性較高；同時，人工操作持續(xù)時間較長，準(zhǔn)確率不高，易使有毒氣體大量排放于大氣中，造成不同程度的環(huán)境污染。

管道中數(shù)字化系統(tǒng)地引進，為管道運行人員對管道的檢測、監(jiān)測、檢查提供了一個新型媒介，它可以為減輕管道巡護人員的勞動強度，提高人身安全性。時時刻刻掌握沿線的數(shù)據(jù)，對于保證管道安全平穩(wěn)的運行，減低管道運行風(fēng)險，也是一個有力的提高，同時也符合了管道完整性的相關(guān)內(nèi)涵。同時，數(shù)字化的引進，對于油田的進一步的建設(shè)也是一個機遇。油井、注水井上采用數(shù)字化系統(tǒng)后，巡井人員可以減輕勞動強度，也可以減少巡井人數(shù)，其余的人手可以進行油田設(shè)備維護等工作，繼續(xù)為油田的發(fā)展添磚加瓦。