李波

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 成都分公司，四川 成都 610091)

集中監(jiān)控智能化在元壩氣田的應(yīng)用

李波

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 成都分公司，四川 成都 610091)

針對(duì)元壩氣田提出的“地面集輸站場(chǎng)集中監(jiān)控智能化”概念，對(duì)“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”的新型管理模式進(jìn)行了探索與實(shí)踐。著重介紹了新型管理模式下氣田的基本設(shè)置和安全方面的措施，圍繞智能化展開(kāi)了討論?！暗孛婕斦緢?chǎng)集中監(jiān)控智能化”模式提高了氣田的自動(dòng)化管理水平，減少了操作人員數(shù)量并提高了勞動(dòng)效率，同時(shí)降低了氣田的運(yùn)行成本。

高含硫氣田 集中監(jiān)控 片區(qū)巡檢 智能化

元壩氣田是繼普光氣田之后中石化在中國(guó)開(kāi)發(fā)的另一個(gè)高含硫整裝氣田，目前共有開(kāi)發(fā)井37口、集氣站10座、單井站20座、采氣井場(chǎng)5座、遠(yuǎn)控閥室4座、集氣總站1座。采出氣經(jīng)節(jié)流、分離、加熱、計(jì)量后外輸，經(jīng)集氣支線進(jìn)入集氣干線輸送至集氣總站，再次分水后送至凈化廠進(jìn)行凈化外輸。

元壩氣田在國(guó)內(nèi)高含硫氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域提出了“地面集輸站場(chǎng)集中監(jiān)控智能化”的概念。集中監(jiān)控智能化定義是： 集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢，內(nèi)操人員在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控，外操人員負(fù)責(zé)巡檢及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置，站場(chǎng)本地不設(shè)值班人員。在該概念提出之前，普光氣田已試點(diǎn)高含硫氣田聯(lián)合集氣站模式，聯(lián)合集氣站模式選取的是普光邊遠(yuǎn)的2個(gè)集氣站，實(shí)現(xiàn)各站相互監(jiān)控、操作。聯(lián)合集氣站可選取其中1個(gè)集氣站作為主站，另1個(gè)站作為從站；人員集中到主站，從站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，定時(shí)巡檢。

相比普光氣田的聯(lián)合集氣站模式，元壩氣田集中監(jiān)控智能化的規(guī)模更大，這對(duì)工藝安全和智能化控制提出了更高的要求。

1 技術(shù)路線

元壩氣田采用“改良的全濕氣加熱保溫混輸”工藝，工藝流程模式為單井站—集氣站—集氣總站—凈化廠—外輸。高含硫天然氣集氣站的傳統(tǒng)監(jiān)控模式一般在本地設(shè)置站控室和控制系統(tǒng)，配置值班人員，實(shí)現(xiàn)本站的監(jiān)控及日常巡檢，即“單點(diǎn)分散”管理模式。集中監(jiān)控相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)控，即在集氣站本地設(shè)控制系統(tǒng)，但不配置值班人員，而是把這部分人員集中后再分為內(nèi)操人員和外操人員兩部分。內(nèi)操人員在集中監(jiān)控中心對(duì)所有站場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，外操人員根據(jù)氣田巡檢片區(qū)的劃分，負(fù)責(zé)各站場(chǎng)的定時(shí)巡檢及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置，即“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”管理模式。

根據(jù)元壩氣田各場(chǎng)站地理位置分布、各倒班公寓至各井站的交通路況及井站數(shù)量，結(jié)合集中監(jiān)控中心系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，將元壩氣田地面集輸站場(chǎng)劃分為5個(gè)中心站，8個(gè)巡檢片區(qū)，其中有3個(gè)中心站各含2個(gè)片區(qū)。

集中監(jiān)控后應(yīng)首先滿足站場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制是內(nèi)操人員在集中監(jiān)控中心進(jìn)行的。監(jiān)視包括站場(chǎng)工藝參數(shù)的監(jiān)視和站場(chǎng)視角的監(jiān)視，監(jiān)視參數(shù)正常時(shí)站場(chǎng)應(yīng)處于安全生產(chǎn)狀態(tài)，無(wú)需人為的干預(yù)，同時(shí)輔以外操人員的片區(qū)定時(shí)巡檢，可保證站場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行處于正常狀態(tài)。遠(yuǎn)程控制就是站場(chǎng)工藝流程中各關(guān)鍵點(diǎn)的控制參數(shù)設(shè)定均可遠(yuǎn)程操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)定與閥門(mén)、泵等的控制，保證在出現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)超標(biāo)或者有其他需要關(guān)井的情況下可以迅速地關(guān)閉站場(chǎng)，確保安全。

2 基本設(shè)置

2.1 自動(dòng)化程度

元壩氣田控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)與緊急停車系統(tǒng)(ESD)相結(jié)合的模式，采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，公網(wǎng)專線作為備用。站場(chǎng)設(shè)置了站控系統(tǒng)，在站控系統(tǒng)設(shè)定好各種工藝生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)后自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人為的干預(yù)。

2.2 ESD劃分

為保證整個(gè)氣田的安全，氣田設(shè)置的安全儀表系統(tǒng)具有ESD關(guān)斷功能，ESD功能可在發(fā)生事故的情況下確保人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，盡量減少事故造成的影響。ESD通過(guò)對(duì)元壩氣田生產(chǎn)過(guò)程中的所有關(guān)鍵參數(shù)： 壓力、溫度、液位、火/氣探測(cè)設(shè)備等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，當(dāng)檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)超過(guò)限定值時(shí)，ESD邏輯立即自動(dòng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作，將生產(chǎn)過(guò)程控制到安全的狀態(tài)，把發(fā)生惡性事故的可能性降到最低，保護(hù)人員、生產(chǎn)設(shè)備及周邊環(huán)境的安全。

ESD緊急關(guān)斷層級(jí)由高到低分為4級(jí)： 全氣田關(guān)斷(ESD-1)，支線關(guān)斷(ESD-2)，集氣站全站關(guān)斷(ESD-3)，站場(chǎng)局部工藝流程和裝置關(guān)斷(ESD-4)。

2.3 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理

“單點(diǎn)分散”管理模式設(shè)置為三級(jí)，即中心控制級(jí)、站場(chǎng)控制級(jí)和就地控制級(jí)?！凹斜O(jiān)控、片區(qū)巡檢”管理模式在“單點(diǎn)分散”管理模式的基礎(chǔ)上增加了“站場(chǎng)集中控制級(jí)”，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的四級(jí)管理結(jié)構(gòu)，從上到下分別為中心控制級(jí)、站場(chǎng)集中控制級(jí)、站場(chǎng)控制級(jí)和就地控制級(jí)。兩種監(jiān)控管理模式結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

1) 中心控制級(jí)。位于調(diào)控中心，為元壩氣田集輸部分控制系統(tǒng)的中樞，完成氣田內(nèi)部的監(jiān)控、調(diào)度、管理、全線優(yōu)化運(yùn)行的任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣田的ESD-1和ESD-2控制，另外負(fù)責(zé)與凈化、外輸系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互傳。

2) 站場(chǎng)集中控制級(jí)。位于集中監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線各個(gè)站場(chǎng)及閥室的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各站場(chǎng)的ESD-3和ESD-4控制，關(guān)斷全部采用硬手操臺(tái)進(jìn)行。

3) 站場(chǎng)控制級(jí)。各站場(chǎng)站控系統(tǒng)可完成對(duì)所處站場(chǎng)、閥室的監(jiān)控任務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)將有關(guān)信息傳送給中心控制級(jí)和站場(chǎng)集中控制級(jí)并接受和執(zhí)行其下達(dá)的命令；站控系統(tǒng)可就地實(shí)現(xiàn)各站場(chǎng)的ESD-3和ESD-4控制。

4) 就地控制級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)可對(duì)工藝單體或設(shè)備進(jìn)行手/自動(dòng)就地控制。

圖1 兩種監(jiān)控管理模式結(jié)構(gòu)對(duì)比示意

3 集中監(jiān)控安全措施

元壩氣田為高壓、高含硫的氣田，發(fā)生任何意外事故都將造成巨大的人員、環(huán)境危害。集中監(jiān)控后，安全保障是首要考慮的問(wèn)題，本地監(jiān)控在出現(xiàn)異常情況時(shí)，站場(chǎng)操作人員能迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和處置；集中監(jiān)控只能通過(guò)集中監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。所以在工藝基礎(chǔ)不變的前提下，對(duì)自動(dòng)控制、通信工程及供電工程等的可靠性及可操作性提出了較高要求，在安全措施方面進(jìn)行如下考慮。

3.1 自動(dòng)控制安全措施

集中監(jiān)控，從自動(dòng)控制的安全聯(lián)鎖保護(hù)角度分為三層考慮。

3.1.1 儀表和設(shè)備的本質(zhì)安全

1) 系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)整體具有SIL2的安全認(rèn)證，保證了系統(tǒng)的安全可靠性。同時(shí)作為聯(lián)鎖保護(hù)的ESD卡件均為“故障安全”型，ESD邏輯的設(shè)計(jì)遵循故障安全的原則，即使安全儀表系統(tǒng)出現(xiàn)故障，站場(chǎng)也能按照預(yù)設(shè)的模式進(jìn)入安全狀態(tài)。

2) 閥門(mén)。站場(chǎng)工藝流程中參與ESD聯(lián)鎖的閥門(mén)有兩種： 用于工藝流程的緊急切斷，包括井下安全閥(SCSSV)、地面安全閥(SSV)、站場(chǎng)出站緊急切斷閥、越站緊急切斷閥(ESDV)；緊急放空閥，包括井口和外輸管線的緊急放空閥(BDV)。

a) SCSSV和SSV由井口控制柜直接控制，其中SSV可根據(jù)井口壓力的超限自動(dòng)關(guān)閉，減小對(duì)下游的影響，同時(shí)ESD聯(lián)鎖也可以根據(jù)情況分別關(guān)SCSSV和SSV。

b) 參與聯(lián)鎖關(guān)斷的ESDV為彈簧復(fù)位的單作用閥門(mén)，BDV為自力液壓閥門(mén)，都為故障安全型，其中ESDV具備部分行程的測(cè)試，以保證閥門(mén)的可用性。

3) 儀表。參與ESD聯(lián)鎖的壓力變送器采取冗余配置，2塊壓力變送器同時(shí)越限報(bào)警觸發(fā)相應(yīng)關(guān)斷，減小誤關(guān)斷的可能性，同時(shí)為了防止壓力儀表被臟污介質(zhì)或單質(zhì)硫堵塞，考慮選用大通徑的儀表閥。設(shè)備的液位檢測(cè)采用差異化檢測(cè)方式，即設(shè)置兩種不同檢測(cè)原理的變送器，例如同時(shí)設(shè)置差壓液位變送器和磁翻板液位計(jì)。

3.1.2 安全儀表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)

安全儀表系統(tǒng)根據(jù)工藝流程中設(shè)置壓力、液位超限以及站場(chǎng)輔助檢測(cè)的火氣報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)的安全聯(lián)鎖保護(hù)，盡量利用本站的安全儀表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)的自控關(guān)斷，減少人為干預(yù)。

站場(chǎng)分區(qū)域布置可燃?xì)怏w探測(cè)器、有毒氣體探測(cè)器和火焰探測(cè)器。每個(gè)區(qū)域須布置2臺(tái)火焰探測(cè)器，在不同的方向?qū)ο嚓P(guān)區(qū)域進(jìn)行火焰檢測(cè)，避免因設(shè)備遮擋造成監(jiān)控死角，火焰探測(cè)器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)，火焰報(bào)警時(shí)聯(lián)動(dòng)相應(yīng)攝像頭轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位置，并彈出畫(huà)面。氣體泄漏檢測(cè)采用“多取二”的方式進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)斷，即1組探頭中同時(shí)有2個(gè)或2個(gè)以上的報(bào)警時(shí)啟動(dòng)聯(lián)鎖；同時(shí)設(shè)置了邊界防護(hù)檢測(cè)。

3.1.3 遠(yuǎn)程關(guān)斷保護(hù)及應(yīng)急聯(lián)鎖

中心控制級(jí)和站場(chǎng)集中控制級(jí)可接收站場(chǎng)的各種報(bào)警信號(hào)，也可以通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各站進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)視。當(dāng)收到報(bào)警信號(hào)，工作人員可以人工確認(rèn)報(bào)警，然后根據(jù)情況觸發(fā)各種關(guān)斷，同時(shí)通知就近的巡檢人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理。

3.2 通信工程安全措施

通信系統(tǒng)正常運(yùn)行是集中監(jiān)控的保障，同時(shí)要充分滿足氣田內(nèi)各項(xiàng)功能的需要，提高氣田信息化程度，增強(qiáng)氣田管理措施，通信專業(yè)采取了如下措施：

1) 網(wǎng)絡(luò)。采用埋地光纜與全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)環(huán)網(wǎng)，為氣田數(shù)據(jù)傳輸提供2條不同的傳輸通道，在此基礎(chǔ)上設(shè)置冗余工業(yè)以太網(wǎng)，為控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸提供專用傳輸通道；設(shè)置光傳輸系統(tǒng)為視頻監(jiān)控等系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸提供專用傳輸通道，其中控制系統(tǒng)還采用了公網(wǎng)作為備用通道。

2) 監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)。視頻監(jiān)控?zé)o死角設(shè)置，視頻監(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)控制、門(mén)禁系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)，該系統(tǒng)具有圖像跟蹤、越界報(bào)警等智能化功能。站場(chǎng)設(shè)置周界報(bào)警系統(tǒng)，異常情況時(shí)報(bào)警提示，并聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與應(yīng)急廣播(PA/GA)系統(tǒng)。

3) 風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)。各站設(shè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)，操作人員可以及時(shí)了解風(fēng)向風(fēng)速，在發(fā)生緊急情況時(shí)，可為逃生、救援提供風(fēng)向風(fēng)速信息。

4) GPS巡檢定位軟件模塊。巡檢車輛配備GPS巡檢模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)控巡檢車輛沿途位置。

5) 應(yīng)急廣播系統(tǒng)。緊急情況下，該系統(tǒng)通過(guò)分戶報(bào)警通知方式和分址調(diào)頻控制防空警報(bào)方式對(duì)需要疏散的居民進(jìn)行通知，最大限度地保障附近居民的安全。在站場(chǎng)、管線周邊1.3 km范圍內(nèi)安裝分戶報(bào)警終端，在各站場(chǎng)安裝防空警報(bào)器。

6) 數(shù)字集群系統(tǒng)。元壩氣田的生產(chǎn)應(yīng)急通信配備了800 MHz TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)氣田的日常生產(chǎn)、集輸管道巡視搶修、無(wú)線生產(chǎn)指揮調(diào)度等，尤其是在發(fā)生重特大危險(xiǎn)事故時(shí)，用于緊急無(wú)線指揮調(diào)度以及作為氣田通信系統(tǒng)的無(wú)線備用通道等。

3.3 供電工程安全措施

各站場(chǎng)整體采用雙電源供電方式： 1路市電和1臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，同時(shí)設(shè)1套冗余式UPS為控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等重要負(fù)荷供電，以保障供電的可靠性和安全性。

4 應(yīng)急處理

生產(chǎn)中應(yīng)急事件分為“生產(chǎn)應(yīng)急事件”和“安全應(yīng)急事件”，不同事件處置原則不同。

1) “生產(chǎn)應(yīng)急事件”。按事件的可延遲性分為“立即處理類生產(chǎn)應(yīng)急事件”和“可延遲處理類生產(chǎn)應(yīng)急事件”兩類，均按“先確認(rèn)、再匯報(bào)、后處理”原則處理。涉及與生產(chǎn)參數(shù)直接相關(guān)的事件是必須立即處理的，如變送器遠(yuǎn)傳無(wú)數(shù)據(jù)等，對(duì)于“立即處理類生產(chǎn)應(yīng)急事件”，出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，巡檢人員應(yīng)立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)，與集中監(jiān)控中心配合完成現(xiàn)場(chǎng)處理工作。對(duì)于“可延遲處理類生產(chǎn)應(yīng)急事件”，則由集中監(jiān)控中心加強(qiáng)對(duì)事件的監(jiān)控，巡檢人員按原計(jì)劃進(jìn)行巡檢，同時(shí)根據(jù)事件的類別與對(duì)應(yīng)專業(yè)人員共同到事發(fā)場(chǎng)站做相關(guān)處理。

2) “安全應(yīng)急事件”。包括危及或潛在危及人身安全、生產(chǎn)運(yùn)行的重大事件，如火災(zāi)、爆炸、硫化氫氣體泄漏、井口壓力、出站壓力嚴(yán)重異常。對(duì)于安全類應(yīng)急事件，巡檢人員或集中監(jiān)控中心操作人員應(yīng)按“先處置、后匯報(bào)”原則立即進(jìn)行處理。特別對(duì)于硫化氫泄漏的安全類應(yīng)急事件，則跟蹤確認(rèn)硫化氫氣體泄漏程度并及時(shí)上報(bào)，然后根據(jù)情況決定是否啟動(dòng)應(yīng)急廣播系統(tǒng)，對(duì)一定范圍內(nèi)的居民進(jìn)行疏散；同時(shí)巡檢人員應(yīng)立即趕赴事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，與集中監(jiān)控中心配合開(kāi)展相關(guān)處置工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵工藝風(fēng)險(xiǎn)判斷識(shí)別由數(shù)字化系統(tǒng)完成，在設(shè)備維護(hù)到位的情況下，“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”模式減少了人員暴露在硫化氫氣體環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)，操作更加簡(jiǎn)便、控制更加精確，有效降低了人為失誤造成的安全隱患及事故的發(fā)生率。

元壩氣田集中監(jiān)控智能化對(duì)國(guó)內(nèi)高含硫氣田新型管理模式進(jìn)行了探索與實(shí)踐，“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”的管理模式下氣田運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)提高了自動(dòng)化管理水平，深化了勞動(dòng)用工管理改革，減少了操作人員數(shù)量并提高了勞動(dòng)效率，同時(shí)降低了氣田的運(yùn)行成本，為建設(shè)數(shù)字化氣田提供平臺(tái)支撐，為其他類似氣田的開(kāi)發(fā)提供參考。

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Application of Antelligent Centralized Monitoring System in Yuanba Gas Field

Li Bo

(Chengdu Branch, Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Chengdu, 610091, China)

Aiming at the concept of “Intelligent centralized monitoring system at ground gathering station”, new management mode of “centralized monitoring and sub area patrol inspection” is explored and practiced. The basic setting and security measures of gas field under new management mode are introduced with emphasis. Discussion on intelligence is expounded. The automatic management of gas field is improved with application of mode of “centralized intelligent monitoring system application at ground station”. Numbers of operators are reduced with labor efficiency improved. Meanwhile, operating cost of gas field is reduced.

high sulfur content gas field; centralized monitoring; sub area patrol inspection; Intelligence

李波(1982—)，男，四川都江堰人，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司成都分公司，從事油氣田及管道工程儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究工作，任工程師。

TP277.2

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1007-7324(2017)03-0050-04

稿件收到日期： 2017-02-03，修改稿收到日期： 2017-03-10。