集中監(jiān)控智能化在元壩氣田的應用

李波

(中石化石油工程設計有限公司 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用

李波

(中石化石油工程設計有限公司 成都分公司，四川 成都 610091)

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

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開發(fā)的另一個高含硫整裝氣田，目前共有開發(fā)井37口、集氣站10座、單井站20座、采氣井場5座、遠控閥室4座、集氣總站1座。采出氣經(jīng)節(jié)流、分離、加熱、計量后外輸，經(jīng)集氣支線進入集氣干線輸送至集氣總站，再次分水后送至凈化廠進行凈化外輸。

元壩氣田在國內(nèi)高含硫氣田開發(fā)領域提出了“地面集輸站場集中監(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)控中心遠程監(jiān)控，外操人員負責巡檢及現(xiàn)場應急處置，站場本地不設值班人員。在該概念提出之前，普光氣田已試點高含硫氣田聯(lián)合集氣站模式，聯(lián)合集氣站模式選取的是普光邊遠的2個集氣站，實現(xiàn)各站相互監(jiān)控、操作。聯(lián)合集氣站可選取其中1個集氣站作為主站，另1個站作為從站；人員集中到主站，從站實現(xiàn)無人值守，定時巡檢。

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，這對工藝安全和智能化控制提出了更高的要求。

1 技術路線

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置站控室和控制系統(tǒng)，配置值班人員，實現(xiàn)本站的監(jiān)控及日常巡檢，即“單點分散”管理模式。集中監(jiān)控相對于傳統(tǒng)監(jiān)控，即在集氣站本地設控制系統(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)控中心對所有站場進行遠程監(jiān)控，外操人員根據(jù)氣田巡檢片區(qū)的劃分，負責各站場的定時巡檢及現(xiàn)場應急處置，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，結合集中監(jiān)控中心系統(tǒng)監(jiān)控畫面設計，將元壩氣田地面集輸站場劃分為5個中心站，8個巡檢片區(qū)，其中有3個中心站各含2個片區(qū)。

集中監(jiān)控后應首先滿足站場的遠程監(jiān)視與控制，遠程監(jiān)視與控制是內(nèi)操人員在集中監(jiān)控中心進行的。監(jiān)視包括站場工藝參數(shù)的監(jiān)視和站場視角的監(jiān)視，監(jiān)視參數(shù)正常時站場應處于安全生產(chǎn)狀態(tài)，無需人為的干預，同時輔以外操人員的片區(qū)定時巡檢，可保證站場的設備運行處于正常狀態(tài)。遠程控制就是站場工藝流程中各關鍵點的控制參數(shù)設定均可遠程操作，即可實現(xiàn)對工藝參數(shù)的設定與閥門、泵等的控制，保證在出現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)超標或者有其他需要關井的情況下可以迅速地關閉站場，確保安全。

2 基本設置

2.1 自動化程度

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。站場設置了站控系統(tǒng)，在站控系統(tǒng)設定好各種工藝生產(chǎn)運行參數(shù)后自動運行，無需人為的干預。

2.2 ESD劃分

為保證整個氣田的安全，氣田設置的安全儀表系統(tǒng)具有ESD關斷功能，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通過對元壩氣田生產(chǎn)過程中的所有關鍵參數(shù)： 壓力、溫度、液位、火/氣探測設備等進行連續(xù)監(jiān)視，當檢測的關鍵參數(shù)超過限定值時，ESD邏輯立即自動對生產(chǎn)設備進行操作，將生產(chǎn)過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，保護人員、生產(chǎn)設備及周邊環(huán)境的安全。

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

2.3 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理

“單點分散”管理模式設置為三級，即中心控制級、站場控制級和就地控制級?！凹斜O(jiān)控、片區(qū)巡檢”管理模式在“單點分散”管理模式的基礎上增加了“站場集中控制級”，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的四級管理結構，從上到下分別為中心控制級、站場集中控制級、站場控制級和就地控制級。兩種監(jiān)控管理模式結構對比如圖1所示。

1) 中心控制級。位于調控中心，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、調度、管理、全線優(yōu)化運行的任務，同時實現(xiàn)氣田的ESD-1和ESD-2控制，另外負責與凈化、外輸系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互傳。

2) 站場集中控制級。位于集中監(jiān)控中心，實現(xiàn)對全線各個站場及閥室的遠程監(jiān)控，同時實現(xiàn)各站場的ESD-3和ESD-4控制，關斷全部采用硬手操臺進行。

3) 站場控制級。各站場站控系統(tǒng)可完成對所處站場、閥室的監(jiān)控任務，同時負責將有關信息傳送給中心控制級和站場集中控制級并接受和執(zhí)行其下達的命令；站控系統(tǒng)可就地實現(xiàn)各站場的ESD-3和ESD-4控制。

4) 就地控制級。現(xiàn)場可對工藝單體或設備進行手/自動就地控制。

圖1 兩種監(jiān)控管理模式結構對比示意

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題，本地監(jiān)控在出現(xiàn)異常情況時，站場操作人員能迅速到達現(xiàn)場確認和處置；集中監(jiān)控只能通過集中監(jiān)控中心進行遠程操作。所以在工藝基礎不變的前提下，對自動控制、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，在安全措施方面進行如下考慮。

3.1 自動控制安全措施

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

3.1.1 儀表和設備的本質安全

1) 系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)整體具有SIL2的安全認證，保證了系統(tǒng)的安全可靠性。同時作為聯(lián)鎖保護的ESD卡件均為“故障安全”型，ESD邏輯的設計遵循故障安全的原則，即使安全儀表系統(tǒng)出現(xiàn)故障，站場也能按照預設的模式進入安全狀態(tài)。

2) 閥門。站場工藝流程中參與ESD聯(lián)鎖的閥門有兩種： 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關閉，減小對下游的影響，同時ESD聯(lián)鎖也可以根據(jù)情況分別關SCSSV和SSV。

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

3) 儀表。參與ESD聯(lián)鎖的壓力變送器采取冗余配置，2塊壓力變送器同時越限報警觸發(fā)相應關斷，減小誤關斷的可能性，同時為了防止壓力儀表被臟污介質或單質硫堵塞，考慮選用大通徑的儀表閥。設備的液位檢測采用差異化檢測方式，即設置兩種不同檢測原理的變送器，例如同時設置差壓液位變送器和磁翻板液位計。

3.1.2 安全儀表系統(tǒng)實現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護

安全儀表系統(tǒng)根據(jù)工藝流程中設置壓力、液位超限以及站場輔助檢測的火氣報警信號實現(xiàn)站場的安全聯(lián)鎖保護，盡量利用本站的安全儀表系統(tǒng)實現(xiàn)站場的自控關斷，減少人為干預。

站場分區(qū)域布置可燃氣體探測器、有毒氣體探測器和火焰探測器。每個區(qū)域須布置2臺火焰探測器，在不同的方向對相關區(qū)域進行火焰檢測，避免因設備遮擋造成監(jiān)控死角，火焰探測器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)報警聯(lián)動，火焰報警時聯(lián)動相應攝像頭轉到預設位置，并彈出畫面。氣體泄漏檢測采用“多取二”的方式進行聯(lián)鎖關斷，即1組探頭中同時有2個或2個以上的報警時啟動聯(lián)鎖；同時設置了邊界防護檢測。

3.1.3 遠程關斷保護及應急聯(lián)鎖

中心控制級和站場集中控制級可接收站場的各種報警信號，也可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對各站進行遠程的監(jiān)視。當收到報警信號，工作人員可以人工確認報警，然后根據(jù)情況觸發(fā)各種關斷，同時通知就近的巡檢人員抵達現(xiàn)場處理。

3.2 通信工程安全措施

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

1) 網(wǎng)絡。采用埋地光纜與全介質自承式光纜(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，在此基礎上設置冗余工業(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)控與報警系統(tǒng)。視頻監(jiān)控無死角設置，視頻監(jiān)控系統(tǒng)與自動控制、門禁系統(tǒng)等聯(lián)動，該系統(tǒng)具有圖像跟蹤、越界報警等智能化功能。站場設置周界報警系統(tǒng)，異常情況時報警提示，并聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)與應急廣播(PA/GA)系統(tǒng)。

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

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

5) 應急廣播系統(tǒng)。緊急情況下，該系統(tǒng)通過分戶報警通知方式和分址調頻控制防空警報方式對需要疏散的居民進行通知，最大限度地保障附近居民的安全。在站場、管線周邊1.3 km范圍內(nèi)安裝分戶報警終端，在各站場安裝防空警報器。

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

3.3 供電工程安全措施

各站場整體采用雙電源供電方式： 1路市電和1臺燃氣發(fā)電機，同時設1套冗余式UPS為控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等重要負荷供電，以保障供電的可靠性和安全性。

4 應急處理

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

1) “生產(chǎn)應急事件”。按事件的可延遲性分為“立即處理類生產(chǎn)應急事件”和“可延遲處理類生產(chǎn)應急事件”兩類，均按“先確認、再匯報、后處理”原則處理。涉及與生產(chǎn)參數(shù)直接相關的事件是必須立即處理的，如變送器遠傳無數(shù)據(jù)等，對于“立即處理類生產(chǎn)應急事件”，出現(xiàn)突發(fā)情況時，巡檢人員應立即趕赴現(xiàn)場，與集中監(jiān)控中心配合完成現(xiàn)場處理工作。對于“可延遲處理類生產(chǎn)應急事件”，則由集中監(jiān)控中心加強對事件的監(jiān)控，巡檢人員按原計劃進行巡檢，同時根據(jù)事件的類別與對應專業(yè)人員共同到事發(fā)場站做相關處理。

2) “安全應急事件”。包括危及或潛在危及人身安全、生產(chǎn)運行的重大事件，如火災、爆炸、硫化氫氣體泄漏、井口壓力、出站壓力嚴重異常。對于安全類應急事件，巡檢人員或集中監(jiān)控中心操作人員應按“先處置、后匯報”原則立即進行處理。特別對于硫化氫泄漏的安全類應急事件，則跟蹤確認硫化氫氣體泄漏程度并及時上報，然后根據(jù)情況決定是否啟動應急廣播系統(tǒng)，對一定范圍內(nèi)的居民進行疏散；同時巡檢人員應立即趕赴事發(fā)現(xiàn)場，與集中監(jiān)控中心配合開展相關處置工作。

5 結束語

隨著自動化程度的提高，現(xiàn)場關鍵工藝風險判斷識別由數(shù)字化系統(tǒng)完成，在設備維護到位的情況下，“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)境的潛在風險，操作更加簡便、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)控智能化對國內(nèi)高含硫氣田新型管理模式進行了探索與實踐，“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”的管理模式下氣田運行平穩(wěn)，同時提高了自動化管理水平，深化了勞動用工管理改革，減少了操作人員數(shù)量并提高了勞動效率，同時降低了氣田的運行成本，為建設數(shù)字化氣田提供平臺支撐，為其他類似氣田的開發(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)于西南石油大學精密儀器及機械專業(yè)，獲工學碩士學位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設計有限公司成都分公司，從事油氣田及管道工程儀表及自動化系統(tǒng)的設計及研究工作，任工程師。

TP277.2

B

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。