李秉軍 劉玉芳 劉貴強(qiáng) 石利新 劉萬斗

（1.華北油田第五采油廠；2.華北油田工程技術(shù)研究院）

華北油田總部位于河北省任丘市，在著名的“華北明珠”白洋淀之濱，北依首都北京，南望河北省會(huì)石家莊，東接濱海都市天津，西至文化古城保定，毗鄰廊坊、滄州兩座新型城市?？碧絽^(qū)域集中在冀中、二連、山西，橫跨京津冀蒙晉五省市，礦權(quán)區(qū)域面積6.9×104km2；開發(fā)管理著56個(gè)油藏、27個(gè)天然氣藏、7個(gè)煤層氣區(qū)塊，有石油資源量37.3×108t、天然氣資源量3 982×108m3、煤層氣資源量1.08×1012m3。有五個(gè)采油廠、山西煤層氣、二連分公司、巴彥勘探分公司8個(gè)油氣生產(chǎn)單位。隨著華北油田自然減員人數(shù)的逐年增多，尤其是2021－2024年將是退休、離職人員高峰。新入職員工的人員又較少，使得人員需求結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重不平衡。伴隨油田開發(fā)技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開發(fā)的需要，油田站場(chǎng)快速向無人值守方向發(fā)展[1-3]。目前，華北油田各個(gè)采油廠已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化改造，通過數(shù)字化管理，優(yōu)化勞動(dòng)模式，可大幅提升油田的管理與運(yùn)行效率，華北油田目前正積極推進(jìn)減員增效，嚴(yán)格控制人工成本，努力提高公司的經(jīng)濟(jì)效益。2021年通過推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，油田戰(zhàn)場(chǎng)無人值守建設(shè)工作全面展開[4-6]。

1 現(xiàn)狀

JJ站是華北油田高家堡油田唯一一座轉(zhuǎn)油站，經(jīng)過多次改造，站內(nèi)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)較新，配套完整，生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)良好。JJ站站外共有59口油井，目前開井47口，采用單管集油進(jìn)JJ站。JJ站外輸油流程：JJ站輸往C25-1計(jì)閥組，與C15-8計(jì)來油匯合后，再輸往C南聯(lián)合站。目前JJ站每日外輸量290 m3。JJ站站內(nèi)包括集油系統(tǒng)、原油處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)以及注水系統(tǒng)。包含的設(shè)備有井口加熱器1臺(tái)，井口加熱爐1座，分離緩沖罐2座，高架儲(chǔ)油罐4座，外輸泵2臺(tái)，常壓熱水鍋爐2座，熱水泵2臺(tái)，外輸加熱爐2座，水源井（電潛泵）1臺(tái)，儲(chǔ)水罐1座，注水泵1臺(tái)，注水撬1座，水箱1座。JJ站工藝流程見圖1，站內(nèi)設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

圖1 JJ站工藝流程Fig.1 Process flow of JJ station

表1 JJ站站內(nèi)設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Main operation parameters in the station equipment of JJ station

原有的JJ站與無人值守狀態(tài)相比仍存在著許多不足之處，需要進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。人員不足問題逐漸突出；站內(nèi)設(shè)備可視化程度低，必須現(xiàn)場(chǎng)人工操作；電力消耗嚴(yán)重且意外斷電容易造成安全生產(chǎn)事故；儀表設(shè)備種類較多，維護(hù)復(fù)雜困難；同時(shí)缺乏智能安防系統(tǒng)，依靠人員辨別時(shí)間較長(zhǎng)，容易將較小事情釀成重大事故。為此，油田公司在2021年初將JJ站作為無人值守建設(shè)試點(diǎn)站場(chǎng)[7-8]。

2 無人值守設(shè)計(jì)

2.1 概念

無人值守是通過對(duì)站場(chǎng)運(yùn)行、崗位設(shè)置、操作頻次等的調(diào)查，對(duì)需人工頻繁操作的環(huán)節(jié)實(shí)施自動(dòng)控制改造，減少操作頻次，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)少人操作甚至無人操作的狀態(tài)[9-11]。無人值守站場(chǎng)系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、門禁、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)等[12-14]。這套系統(tǒng)不僅需要對(duì)站場(chǎng)主要儀器設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及防御外來入侵者的破壞，同時(shí)需要配合相關(guān)技術(shù)人員的定期巡檢，形成物防、技防、人防的完整安防監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人值守的效果[15-17]。

2.2 技術(shù)要求

無人值守站場(chǎng)應(yīng)配置數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集站場(chǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)控閥門、壓力、溫度、液位、流量、電參、加熱系統(tǒng)等儀器儀表的數(shù)據(jù)，各儀表設(shè)備應(yīng)具有就地顯示及信息遠(yuǎn)傳雙重功能。

無人值守站場(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。條件許可時(shí)可考慮視頻與報(bào)警的聯(lián)動(dòng)。

2.3 JJ站改造方案

為實(shí)現(xiàn)JJ站無人值守，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，對(duì)突發(fā)事件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮，一鍵實(shí)現(xiàn)流程安全切換。從以下五個(gè)方面進(jìn)行整改與優(yōu)化。

2.3.1 DCS控制系統(tǒng)

無人值守對(duì)控制的安全性要求較高，擬采用DCS控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)具有很好的冗余功能，可以實(shí)現(xiàn)多通道熱備功能，可以熱插撥模塊實(shí)現(xiàn)不停機(jī)系統(tǒng)維護(hù)。DCS系統(tǒng)通常采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好，而PLC因?yàn)榛旧隙紴閱蝹€(gè)小系統(tǒng)工作，在與別的PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不符。DCS系統(tǒng)所有I/O模塊都帶有CPU，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集及輸出信號(hào)品質(zhì)判斷與標(biāo)量變換，故障帶電拔，隨機(jī)更換。依據(jù)JJ站月平均人工操作頻率，劃分遠(yuǎn)程自控范圍與現(xiàn)場(chǎng)操作工作界面，非自控范圍內(nèi)的工作內(nèi)容，仍然采用現(xiàn)場(chǎng)操作。

2.3.2 可視化操作系統(tǒng)

通過可視化視頻、AI機(jī)器視覺分析、數(shù)據(jù)視頻融合，以采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能分析、高度集成、統(tǒng)一展示的理念為核心，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、設(shè)備間、設(shè)備、路由、設(shè)備接口的逐級(jí)立體可視化，將數(shù)據(jù)和概念轉(zhuǎn)化為圖形，將復(fù)雜信息以立體、直觀的方式傳遞給運(yùn)維人員，使其快速消化和理解。運(yùn)用傳統(tǒng)軟件與硬件設(shè)備的集成，把規(guī)模龐大的信息化建設(shè)、智能化管理工具集中構(gòu)建為3D可視化操作系統(tǒng)。在控制室實(shí)現(xiàn)猶如身臨其境的遠(yuǎn)程操作（看著現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像上的虛擬按鈕，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停），它的操作方式是以視頻為導(dǎo)向，橋接貫通各個(gè)系統(tǒng)，在視頻圖像上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作，即遠(yuǎn)程“就地”操控。實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井遠(yuǎn)程啟停、電泵井遠(yuǎn)程控制、氣井遠(yuǎn)程關(guān)斷、注水自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、自動(dòng)倒井計(jì)量控制等，用戶可綜合考慮生產(chǎn)需求、管理需求和安全需求，選擇實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。極大降低現(xiàn)場(chǎng)用工人數(shù)，使得設(shè)備操作更加便捷、高效。

2.3.3 智能電源系統(tǒng)

現(xiàn)階段JJ站依舊采用傳統(tǒng)用電系統(tǒng)，還處于無網(wǎng)絡(luò)化、無智能化的用電設(shè)備分散獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，后臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)前端用電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)。實(shí)行JJ站用電智能化管理，提出以下要求：

1）智能管理，監(jiān)測(cè)JJ站用電負(fù)荷的變化以及預(yù)防和控制由于超負(fù)荷運(yùn)行引起的火災(zāi)隱患。

2）當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，0 s切換至UPS供電，確保事故狀態(tài)，流程切換電動(dòng)閥門動(dòng)作暢通，同時(shí)切換至發(fā)電機(jī)組供電，恢復(fù)生產(chǎn)。

3）確保有效的監(jiān)、管、控站內(nèi)用電不合理現(xiàn)象。

4）通過對(duì)各用電回路及設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化管理，建立高效的預(yù)防、報(bào)警、跳閘保護(hù)機(jī)制，減少人身傷亡，財(cái)產(chǎn)損失。

平臺(tái)軟件充分利用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)，為用電場(chǎng)所提供強(qiáng)弱電集中管理、分析決策、數(shù)據(jù)安全的有力支撐，真正實(shí)現(xiàn)了安全用電、規(guī)范用電、節(jié)能用電、智慧用電的目標(biāo)。

2.3.4 儀表、設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

MS儀表管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：多種儀表設(shè)備統(tǒng)一管理，操作簡(jiǎn)單方便；遠(yuǎn)程管理快速、便捷；在線監(jiān)測(cè)與診斷提高設(shè)備可靠性；預(yù)測(cè)性維護(hù)降低維護(hù)費(fèi)用、提高設(shè)備利用率；文檔管理全面提升管理水平；使用先進(jìn)技術(shù)保護(hù)原有投資；將維修時(shí)間降低到最短：MS可以準(zhǔn)確定位事故發(fā)生的原因，可以準(zhǔn)確確定設(shè)備是否需要維護(hù)及進(jìn)行時(shí)間。MS的診斷功能可以在故障發(fā)生之前監(jiān)測(cè)到問題的所在，提示工作人員在故障造成重大事故前，及時(shí)采取措施。無縫集成DCS系統(tǒng)，管理平臺(tái)為決策者提供依據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)處理問題的次數(shù)降到最少：MS提供必要的信息，使工作人員無需抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，從PC機(jī)上就可以檢查設(shè)備狀態(tài)、組態(tài)設(shè)備參數(shù)、調(diào)整量程以及執(zhí)行診斷等。MS提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而使維護(hù)人員可以進(jìn)行有目的的維護(hù)。

2.3.5 智能虛擬布防監(jiān)控平臺(tái)

智能虛擬布防監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)機(jī)器視覺監(jiān)控闖入、火災(zāi)、泄漏等情況，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI人工智能分析技術(shù)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單元來模擬生物神經(jīng)元，進(jìn)一步構(gòu)造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，能夠?qū)τ诮o定的圖像輸入，實(shí)時(shí)分析圖像中的目標(biāo)對(duì)象類型及其狀態(tài)，確認(rèn)預(yù)警結(jié)果，進(jìn)行分級(jí)報(bào)警管理。在聯(lián)合站、庫(kù)房等場(chǎng)站的圍墻、大門和站內(nèi)區(qū)域進(jìn)行布防預(yù)警；在泵房、庫(kù)房、罐區(qū)、油區(qū)、加熱爐等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)、油氣泄露報(bào)警；同時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、管網(wǎng)泄露、高溫爐壁擊穿前，發(fā)出預(yù)警以及對(duì)場(chǎng)站內(nèi)吸煙、勞保穿戴不全、外來人員闖入等發(fā)出報(bào)警，真正做到24 h全天候監(jiān)控。

2.3.6 站控流程改進(jìn)

基于HAZOP分析方法，系統(tǒng)分析了站內(nèi)流程的安全現(xiàn)狀與潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)JJ站可能面臨的不同場(chǎng)景進(jìn)行流程改進(jìn)，增加了越站流程、越站加熱流程、高架罐事故流程，并針對(duì)不同流程進(jìn)行連鎖控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)JJ站在正常狀況、事故過程以及緊急狀態(tài)下的流程切換，提高了JJ站工藝流程的穩(wěn)定性、安全性和可操作性。JJ站站內(nèi)流程改進(jìn)見圖2。

圖2 JJ站站內(nèi)流程改進(jìn)Fig.2 Process improvement in the station of JJ station

3 推廣后效果

2021年中期，JJ站經(jīng)過無人值守設(shè)計(jì)改造，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化崗位用工人數(shù)，由四班三倒實(shí)現(xiàn)無人值守。JJ站原有員工37人，優(yōu)化后減到20人，減少了用工人數(shù)，大大降低用工成本，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)JJ站實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人值守，能夠滿足環(huán)境敏感區(qū)與綜治復(fù)雜區(qū)安全環(huán)保要求，為同類型無人值守站建設(shè)提供借鑒，帶來了可觀的社會(huì)效益。

根據(jù)JJ站無人值守推廣成功經(jīng)驗(yàn)，2022年初華北油田又先后在南部油田多個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行了推廣，南部油田戰(zhàn)場(chǎng)先后有17個(gè)計(jì)量站、22個(gè)拉油點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了無人值守，效果明顯，成效顯著。

4 結(jié)論

通過對(duì)JJ站DCS控制系統(tǒng)、可視化操作系統(tǒng)、智能電源系統(tǒng)、儀表設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)、智能虛擬布防監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場(chǎng)無人值守，可以得出如下結(jié)論：

1）有效提高生產(chǎn)運(yùn)行效率。轉(zhuǎn)變了原有生產(chǎn)組織方式，工作直接由中心站協(xié)調(diào)，減少了中間環(huán)節(jié)，組織機(jī)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，資源配置更加合理，生產(chǎn)組織效率大大提升。

2）降低勞動(dòng)強(qiáng)度。規(guī)模配套自動(dòng)化設(shè)備，大大縮減員工每天現(xiàn)場(chǎng)工作量并將員工從資料填報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)巡檢等日常繁瑣的工作中解放出來。

3）降低安全隱患。將頻繁人工操作改為自動(dòng)控制，降低員工進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的頻次，物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為使?jié)撛诎踩[患得到控制，有效降低了員工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4）盤活了勞動(dòng)用工。面對(duì)今后油田生產(chǎn)一線人員運(yùn)行壓力，通過積極推行無人值守站運(yùn)行，盤活站內(nèi)操作員工，大大降低了人工成本支出。

5）重要參考價(jià)值。對(duì)其他場(chǎng)站的無人值守改造工作以及將來實(shí)現(xiàn)智慧油田中無人值守具有重要的指導(dǎo)意義。