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(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

在油氣田信息化建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)站場無人值守已成為大多數(shù)油氣田信息化建設(shè)的主要方向[1]。集氣站無人值守建設(shè)由于受諸多條件限制，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，實(shí)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(shè)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(shè)，目前一期產(chǎn)能建設(shè)的53座集氣站全部達(dá)到無人值守條件，45座集氣站實(shí)施了無人值守。

1 無人值守集氣站技術(shù)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(jì)量→集氣支線的標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程（圖1）。集氣站主要設(shè)備為水套加熱爐橇、集氣匯管橇、分離器橇以及燃?xì)庹{(diào)壓橇等。集氣站設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa，實(shí)際運(yùn)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(shù)路線。氣田地面工程的主導(dǎo)布站模式為采氣叢式井場→集氣站→脫水站兩級(jí)布站，集氣站與采氣平臺(tái)合建，頁巖氣進(jìn)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(yùn)行直接關(guān)系到氣田的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益，因此無人值守集氣站必須能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制[2]，可在壓力波動(dòng)超限、氣體泄漏、設(shè)備故障等任何異常狀況下進(jìn)行報(bào)警、關(guān)井、集氣站出口關(guān)斷、放空泄壓等操作，實(shí)現(xiàn)集氣站出口關(guān)斷、放空泄壓、井安系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)連鎖控制，保證氣井和集氣站設(shè)備及管網(wǎng)的安全，保障氣田安全平穩(wěn)運(yùn)行。為此每座集氣站均設(shè)置PLC和ESD控制系統(tǒng)，在市電及通信中斷情況下可獨(dú)立運(yùn)行，涉及安全控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和重要的部件如電磁閥等都必須達(dá)到SIL2標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)控中心搭建了應(yīng)急聯(lián)動(dòng)平臺(tái)和輔助操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)事故緊急關(guān)停、超壓自動(dòng)放空及氣田的一鍵關(guān)停。調(diào)控中心通過輔助操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域、支線的一鍵式緊急關(guān)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(guān)鍵的一道關(guān)口。在任何故障情況下，都必須保證能夠切斷氣源，關(guān)閉井口，杜絕災(zāi)害發(fā)生或蔓延。在每一口井都安裝有井口安全截?cái)嚅y及控制系統(tǒng)即井安系統(tǒng)，井安系統(tǒng)除接受上位機(jī)控制、人為遠(yuǎn)程控制外，其本身也設(shè)有上、下限關(guān)井壓力，達(dá)到閾值后也會(huì)自動(dòng)關(guān)井。為確保安全，關(guān)井后的恢復(fù)必須由人工現(xiàn)場檢查確認(rèn)后進(jìn)行，復(fù)位后方可打開井口開始供氣。另外，井口還設(shè)有可燃?xì)怏w檢測儀，當(dāng)頁巖氣泄漏達(dá)到一定濃度時(shí)進(jìn)行報(bào)警或關(guān)井；集氣站設(shè)置多個(gè)溫度壓力檢測及可燃?xì)怏w檢測點(diǎn)，出站部分設(shè)有ESDV緊急關(guān)斷閥和BDV緊急泄放閥（圖3）[1]，并與井口控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)；集氣站加熱爐設(shè)有火焰探測和多點(diǎn)溫度壓力檢測，在緊急情況下自動(dòng)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(dòng)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(yùn)行有可能會(huì)使疏水閥關(guān)閉不嚴(yán)造成天然氣泄漏，在疏水閥出口安裝超聲波檢漏設(shè)備，將信號(hào)接入站控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控；井場、集氣站的異常報(bào)警及關(guān)斷停車均與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，調(diào)控中心可直觀地監(jiān)視現(xiàn)場狀況。

為了確保人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境安全，防止事故危險(xiǎn)性擴(kuò)大，設(shè)計(jì)了氣田的關(guān)斷等級(jí)及關(guān)斷范圍。全氣田關(guān)斷等級(jí)按三級(jí)劃分：

一級(jí)關(guān)斷為全氣田關(guān)斷，即井口、集氣站出口、線路閥室、脫水站進(jìn)出口關(guān)斷并緊急泄壓放空。適用于脫水站火災(zāi)、外輸管線爆裂、自然災(zāi)害如強(qiáng)烈地震等。

二級(jí)關(guān)斷為裝置關(guān)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(zāi)等。

三級(jí)關(guān)斷為單元關(guān)斷，適用于單臺(tái)設(shè)備故障、單井壓力異常等。

在緊急情況下，除系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)斷外，調(diào)控中心操作人員根據(jù)權(quán)限也可在輔助操作臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)操作。

圖3 ESDV線路截?cái)嚅y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(huì)進(jìn)行一系列的自動(dòng)操作，井口及集氣站出口將自動(dòng)關(guān)閉，全站自動(dòng)停產(chǎn)，但不會(huì)影響其他井站的正常生產(chǎn)。為此氣田架設(shè)了供電專線，集氣站PLC及ESD機(jī)柜、通信機(jī)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(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換[3]。每個(gè)集氣站采用2臺(tái)工頻UPS電源并機(jī)運(yùn)行，UPS工作狀態(tài)及市電工作狀態(tài)信號(hào)均接入站控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yùn)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(yuǎn)程控制通道和監(jiān)視通道。通信中斷會(huì)造成遠(yuǎn)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(dú)運(yùn)行，現(xiàn)場安全控制可以基本保障。為確保工控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)物理隔離，工控信號(hào)、安防信號(hào)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(shù)，工控系統(tǒng)均采用雙光纖環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，確保SCADA信號(hào)和ESD信號(hào)的可靠無縫傳輸。全氣田按照集氣站布局建設(shè)4個(gè)安防環(huán)網(wǎng)（圖4），保障視頻、門禁等安防信號(hào)的傳輸通暢和可靠性。

設(shè)備配置方面，工控網(wǎng)2臺(tái)核心交換機(jī)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(luò)提供唯一的網(wǎng)管地址。當(dāng)主用交換機(jī)失效，備用交換機(jī)迅速切換成主用交換機(jī)，保障核心層網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

有線網(wǎng)A采用二層交換機(jī)搭建，通過啟用二層環(huán)網(wǎng)協(xié)議DRP達(dá)到環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能，并通過DRP+由2條鏈路將控制信號(hào)上傳至核心交換機(jī)；有線網(wǎng)B采用三層交換機(jī)搭建，接入3G路由器。交換機(jī)與交換機(jī)之間采用高優(yōu)先級(jí)OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，交換機(jī)與3G路由器之間啟用低優(yōu)先級(jí)的靜態(tài)路由。當(dāng)有線網(wǎng)B的路由不能到達(dá)核心網(wǎng)絡(luò)，集氣站交換機(jī)至核心網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)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(luò)拓?fù)銯ig.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(jié)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(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)構(gòu)成[4]。調(diào)控中心建有綜合安防管理平臺(tái)，平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)層集成各子系統(tǒng)，通過一個(gè)統(tǒng)一的管理平臺(tái)界面，實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)所有報(bào)警/事件的集中監(jiān)視，對(duì)重要前端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及各安防子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)。在生產(chǎn)工藝參數(shù)波動(dòng)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(zhuǎn)，將報(bào)警現(xiàn)場展示出來，并且有相應(yīng)的文字提示，以方便操控人員及時(shí)判斷和處理。

周界防御系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在集氣站、RTU閥室的周界防區(qū)被入侵時(shí)，聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)到預(yù)設(shè)位置，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)況監(jiān)控、語音自動(dòng)告警驅(qū)離；SCADA系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在集氣站的SCADA系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警事件時(shí)，攝像機(jī)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)到預(yù)設(shè)位置，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)況監(jiān)控；門禁系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可實(shí)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(shí)未關(guān)門事件時(shí)，聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)到預(yù)設(shè)位置，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)況監(jiān)控、語音自動(dòng)告警驅(qū)離；語音對(duì)講系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在某集氣站與調(diào)控中心建立對(duì)講通話時(shí)，調(diào)控中心的視頻監(jiān)控窗格會(huì)自動(dòng)實(shí)況到對(duì)應(yīng)的集氣站（圖5）。

圖5 周界系統(tǒng)防御系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(tái)集中管理，該平臺(tái)具有PTSQ高效可伸縮編碼、分布式信源編碼的多路視頻差錯(cuò)控制和聯(lián)合差錯(cuò)恢復(fù)、多標(biāo)簽近鄰傳播的檢索、實(shí)時(shí)視頻流組播承載等特點(diǎn)，融合了生產(chǎn)監(jiān)控和安防監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)監(jiān)控和安防監(jiān)控的業(yè)務(wù)獨(dú)立與資源共享。對(duì)生產(chǎn)及安防預(yù)警和報(bào)警通過遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場情況，對(duì)異常情況的程度進(jìn)行確認(rèn)。選用具有光通信功能的高清攝像機(jī)，避免光電轉(zhuǎn)換帶來的信號(hào)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(luò)型光纜振動(dòng)探測報(bào)警系統(tǒng)，符合GB/T 10408.8《振動(dòng)入侵探測器》國家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)采用光纜作為無源探測器，誤報(bào)率小于2%，加速度感應(yīng)精度為1 m/s2，實(shí)時(shí)響應(yīng)光纜中斷報(bào)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(fù)雜地形等不規(guī)則周界防區(qū)的探測，安裝時(shí)將光纜直接鋪設(shè)在井場和集氣站圍欄鐵網(wǎng)上。各集氣站的光纜振動(dòng)探測報(bào)警系統(tǒng)將報(bào)警信號(hào)傳輸至調(diào)控中心；門禁系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制進(jìn)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(jìn)出時(shí)間信息。

2 自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

氣田采用“SCADA＋ESD”自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，按照中石化氣田智能化發(fā)展方向部署自動(dòng)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(chǔ)與關(guān)鍵，系統(tǒng)可按秒、分、時(shí)獲取高頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用MODBUS或TCP/IP將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理系統(tǒng)[5]，實(shí)現(xiàn)氣田一體化實(shí)時(shí)管理，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行與實(shí)時(shí)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(dòng)化控制[6]。ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮非正常生產(chǎn)情況下的自動(dòng)響應(yīng)與應(yīng)急處理，保障現(xiàn)場生產(chǎn)裝置、設(shè)備及管網(wǎng)的安全運(yùn)行；控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)置，集氣站PLC及ESD機(jī)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(jī)構(gòu)均智能化，以保證運(yùn)行平穩(wěn)可靠。系統(tǒng)可進(jìn)行預(yù)警及報(bào)警，井站及氣田報(bào)表自動(dòng)生成[7]，并可根據(jù)不同需求個(gè)人定制報(bào)表及生成所需的趨勢曲線。

建設(shè)AMS智能儀表管理系統(tǒng)，監(jiān)視儀表本身運(yùn)行狀況，確保所測量的數(shù)據(jù)可靠。對(duì)具備HART協(xié)議智能儀表和控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程診斷，并在管理系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)警。

建立了氣田真實(shí)三維場景，還原氣田全貌，多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)三維模型，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)信息資源共享[9]（圖6）。

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

3 結(jié)束語

憑借可靠的安全、通信、供電及安防系統(tǒng)保障，科學(xué)全面的氣田自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涪陵頁巖氣田實(shí)現(xiàn)了集氣站無人值守。通過完成數(shù)據(jù)的采集、動(dòng)態(tài)分析、過程控制實(shí)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(hù)、遠(yuǎn)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(dòng)密集型管理模式，推動(dòng)了生產(chǎn)和管理向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)變，井站管理從定點(diǎn)、定時(shí)管理變?yōu)?4 h不間斷集中管理[11]。涪陵氣田實(shí)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(shè)施的直接投資1 300余萬元。