天然氣智慧管網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)的探索與實(shí)踐*

盧建明 劉承松 韓士英

浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司

隨著浙江省對(duì)天然氣需求的日益增長(zhǎng)，省級(jí)天然氣管道的建設(shè)總長(zhǎng)度也在急速上升。以杭湖線、杭甬線、杭嘉線、甬臺(tái)溫線、金麗溫線等主要天然氣管道組成的浙江省省級(jí)天然氣管網(wǎng)總長(zhǎng)度已達(dá)到1 780 km[1]。浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，地少人多，城市發(fā)展快速，管道建設(shè)存在向人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)延伸的趨勢(shì)，管道的安全管理難度加大[2]。天然氣管道安全管理和保護(hù)工作始終是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，浙江省在省級(jí)天然氣管網(wǎng)逐步向超大規(guī)?；纬傻倪^程中，以管道完整性管理理念為指導(dǎo)，積極開展數(shù)字化管道建設(shè)的探索和研究。

通過近年來(lái)智慧管網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施，利用傳感器、測(cè)繪、網(wǎng)絡(luò)、通信、虛擬仿真、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將管道整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的本體、環(huán)境、運(yùn)行、經(jīng)營(yíng)等數(shù)據(jù)在綜合系統(tǒng)上進(jìn)行整合、展示、分析，為管道的運(yùn)營(yíng)提供高效率的綜合管理和決策支持。同時(shí)通過采用大數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度等技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)管道的智能化管理。

1 智慧管網(wǎng)調(diào)度模式研究背景

受到計(jì)算機(jī)信息技術(shù)高速發(fā)展的影響，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的天然氣企業(yè)率先在天然氣管道建設(shè)和運(yùn)行的各個(gè)階段應(yīng)用了移動(dòng)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集、數(shù)據(jù)決策分析等高新科技[3]，在發(fā)展智慧管網(wǎng)的過程中，已經(jīng)取得了一定的成果。

在國(guó)內(nèi)最早提出數(shù)字化管道的是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)石油”），并于2004 年起逐步將數(shù)字化的技術(shù)應(yīng)用于油氣管道行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)和施工管理。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、GIS 成圖技術(shù)在勘察設(shè)計(jì)和施工階段幫助優(yōu)化路由，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和調(diào)度運(yùn)行，在管道數(shù)字化方面縮小了與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

中國(guó)石油在管道數(shù)字化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深技術(shù)應(yīng)用，對(duì)已建或擬建油氣管道工程中的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS、GPS 的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃部署，并與SCADA 等自動(dòng)化管理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)完成了PIS 完整性管理系統(tǒng)、GIS 地理信息等系統(tǒng)，為所轄油氣田和管道的在線故障排查、運(yùn)行優(yōu)化、完整性管理提供了一個(gè)綜合性數(shù)據(jù)平臺(tái)。目前，建立了以SCADA、氣象與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等平臺(tái)、天然氣與管道ERP、管道生產(chǎn)管理、管道工程建設(shè)管理（PCM）、管道完整性管理（PIS）、天然氣銷售等信息系統(tǒng)為支撐的多系統(tǒng)融合的智能信息化系統(tǒng)，全面支持資產(chǎn)和物流兩條主線的業(yè)務(wù)工作[5]。

2 浙江省天然氣智慧管網(wǎng)平臺(tái)分析

浙江省天然氣智慧管網(wǎng)系統(tǒng)基于GIS系統(tǒng)，主要分為一期與二期兩大部分（圖1）。

系統(tǒng)一期覆蓋管道完整性管理全部業(yè)務(wù)，包括完整性數(shù)據(jù)采集、高后果區(qū)識(shí)別、管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管道完整性分析、巡線管理、第三方施工管理、樁牌管理、應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

圖1 浙江省天然氣智慧管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Natural gas intelligent pipe network system architecture of Zhejiang Province

系統(tǒng)二期結(jié)合天然氣日常運(yùn)營(yíng)需求，強(qiáng)化對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與分析系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)輔助巡線監(jiān)視、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管道分布式光纖泄漏與預(yù)警監(jiān)控、管道應(yīng)力監(jiān)控、特高壓?jiǎn)螛O接地電流監(jiān)控、站場(chǎng)巡檢機(jī)器人等，并將最終采集到的數(shù)據(jù)整合，運(yùn)用當(dāng)前發(fā)展新興的大數(shù)據(jù)模式進(jìn)行綜合分析，從而提高天然氣調(diào)度人員對(duì)管網(wǎng)的預(yù)警性，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)無(wú)死角的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高對(duì)管道安全狀況的掌控能力。

2018 年底，浙江省天然氣智慧管網(wǎng)系統(tǒng)已完成了主要工程的建設(shè)，并投入生產(chǎn)運(yùn)行使用。在借助智慧管網(wǎng)平臺(tái)的信息高速處理、判斷能力后，讓調(diào)度人員從枯燥的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái)，在提高工作效率的同時(shí)還可避免人為失誤，實(shí)現(xiàn)了天然氣調(diào)度信息的“零漏監(jiān)”和“零誤判”。

3 智慧管網(wǎng)與調(diào)度運(yùn)行模式研究

浙江省天然氣運(yùn)行調(diào)度控制中心建立于2004年，成立以來(lái)一直承擔(dān)著全省所有省級(jí)天然氣管道的運(yùn)行指揮。與國(guó)內(nèi)外眾多調(diào)度控制機(jī)構(gòu)一樣，中心以計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，使用目前成熟的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)作為核心進(jìn)行日常管理和運(yùn)行控制。調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對(duì)各個(gè)輸氣站場(chǎng)、閥室的數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組態(tài)顯示、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等工作。但單一使用SCADA 系統(tǒng)卻無(wú)法有效地完成天然氣管道狀態(tài)的監(jiān)視、預(yù)警和控制。基于以上情況，在調(diào)度運(yùn)行指揮過程中結(jié)合智慧管網(wǎng)系統(tǒng)中的相關(guān)功能，優(yōu)化調(diào)度模式，彌補(bǔ)相關(guān)空白。

3.1 智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

通過對(duì)天然氣管道應(yīng)用智能陰極保護(hù)測(cè)試樁，能夠做到高頻率、按需求地采集陰保點(diǎn)位數(shù)據(jù)，具備測(cè)量數(shù)據(jù)多樣、時(shí)效性高、節(jié)約人力資源等優(yōu)點(diǎn)，替代人工陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集。利用這種陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置還可以實(shí)現(xiàn)排流裝置的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散電流的管理。

采用智能化的陰極保護(hù)管理系統(tǒng)（圖2），調(diào)度人員不僅可以進(jìn)行傳統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)視預(yù)警以及調(diào)整陰極保護(hù)電流，從而充分保護(hù)管道，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的陰極保護(hù)管理。

第一個(gè)問題是：所有的冒險(xiǎn)活動(dòng)都可能會(huì)帶來(lái)不良后果嗎？注意這里用了“possible（可能的）”。既然是冒險(xiǎn)，就有險(xiǎn)情存在，因此答案應(yīng)該是“Yes”；第二個(gè)問題：所有的冒險(xiǎn)活動(dòng)都值得去做嗎？當(dāng)然不是，一些沒有意義的冒險(xiǎn)是不值得的，因此答案是“No”；第三個(gè)問題：一些冒險(xiǎn)活動(dòng)的危險(xiǎn)程度有可能測(cè)量嗎？按照常理，一些高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)項(xiàng)目，是要由科學(xué)家和專業(yè)人士對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)程度監(jiān)測(cè)和評(píng)估的，如一些游樂場(chǎng)里的高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，以及蹦極等戶外項(xiàng)目。因此，預(yù)測(cè)答案應(yīng)該是“Yes”。

圖2 智能陰極保護(hù)管理系統(tǒng)Fig.2 Intelligent cathode protection management system

3.2 高后果區(qū)智能分析系統(tǒng)的應(yīng)用

高后果區(qū)智能分析系統(tǒng)（圖3）是根據(jù)所搜集的管道及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，對(duì)管道沿線進(jìn)行管廊分析、潛在影響區(qū)分析、地區(qū)等級(jí)分析等，識(shí)別出哪些地段屬于高后果區(qū)，從而為管道安全提供決策支持。

圖3 智能高后果區(qū)分析系統(tǒng)Fig.3 Intelligent high consequence area analysis system

系統(tǒng)通過高清衛(wèi)星影像自動(dòng)識(shí)別管道附近的工程機(jī)械、建筑，并創(chuàng)建相關(guān)工程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同步提取管道屬性、水文、人口、地質(zhì)災(zāi)害、道路、邊坡等環(huán)境數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算。高后果區(qū)智能分析系統(tǒng)提供了直觀的評(píng)價(jià)結(jié)果展現(xiàn)方式（柱狀圖、折線圖、矩陣圖等）及報(bào)告，方便調(diào)度人員對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷、分析以及對(duì)管線區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)的跟蹤管理。

3.3 管道智能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用

管道智能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)（圖4）通過識(shí)別對(duì)管道安全運(yùn)行有不利影響的風(fēng)險(xiǎn)因素，評(píng)價(jià)事故發(fā)生的可能性和后果，綜合得到管道風(fēng)險(xiǎn)大小，并提出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)減緩措施的分析過程。這種分析過程涉及管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、測(cè)試、檢測(cè)和其他信息的整合。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是完整性管理程序的基礎(chǔ)，應(yīng)用對(duì)象、評(píng)價(jià)范圍、復(fù)雜程度及采用的方法都會(huì)不同，最終目的是要識(shí)別出對(duì)管道系統(tǒng)完整性影響最大的風(fēng)險(xiǎn)因素。

圖4 管道智能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.4 Pipeline intelligent risk assessment system

調(diào)度運(yùn)行決策者可以通過對(duì)管道高風(fēng)險(xiǎn)削減因素分析措施，提出管道維護(hù)決策、管道風(fēng)險(xiǎn)減緩措施比選、管道優(yōu)化維護(hù)方案以及管網(wǎng)輸氣模式優(yōu)化等。

3.4 智能巡線管理系統(tǒng)的應(yīng)用

管道智能巡線管理系統(tǒng)（圖5）針對(duì)管道巡護(hù)相關(guān)工作進(jìn)行數(shù)字化管理，并基于GIS系統(tǒng)對(duì)巡線人員進(jìn)行定位和管理。該系統(tǒng)極大簡(jiǎn)化了天然氣運(yùn)營(yíng)過程中的人力管理成本，優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行管理過程中的資源配置。該系統(tǒng)主要包含以下功能：

（1）巡檢事件管理。該模塊是基礎(chǔ)功能模塊，巡檢事件的記錄。根據(jù)時(shí)間軸進(jìn)行管道巡檢事件的管理，實(shí)現(xiàn)不同日期巡線計(jì)劃的查詢，并進(jìn)行地圖定位、數(shù)據(jù)展示。

（2）巡線任務(wù)下發(fā)。系統(tǒng)按制定的巡線計(jì)劃自動(dòng)分解生成各巡線員的個(gè)人巡線任務(wù)，并將個(gè)人巡線任務(wù)下發(fā)至各巡線人員的終端設(shè)備。

圖5 管道智能巡線管理系統(tǒng)Fig.5 Pipeline intelligent line patrol management system

（3）巡線軌跡記錄。通過巡線人員持有的終端設(shè)備實(shí)時(shí)定位傳送的數(shù)據(jù)，勾畫出巡線人員的巡檢軌跡，實(shí)現(xiàn)人員巡線的監(jiān)督，保證巡線工作按時(shí)、按量地執(zhí)行。

（4）巡線人員管理。通過實(shí)時(shí)比較巡線任務(wù)和巡線人員的巡檢軌跡，系統(tǒng)將對(duì)巡檢人員完成工作情況作出評(píng)價(jià)，并生成綜合報(bào)告。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧管網(wǎng)已經(jīng)成為管道信息技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)，是集合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及其他行業(yè)相關(guān)技術(shù)的先進(jìn)的綜合性系統(tǒng)。隨著智能管網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的逐漸成熟，在對(duì)天然氣運(yùn)行管理帶來(lái)新的挑戰(zhàn)的同時(shí)，也是對(duì)天然氣運(yùn)行安全性、科學(xué)性、高效性的重大提升。

國(guó)內(nèi)天然氣調(diào)度控制機(jī)構(gòu)一般以監(jiān)控輸氣站、閥室及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備為主，對(duì)監(jiān)控管道本身的狀態(tài)屬性的手段較少，且大部分技術(shù)處于試驗(yàn)階段。浙江省天然氣智慧管網(wǎng)技術(shù)與調(diào)度運(yùn)行管理的相互融合，不僅是技術(shù)和管理上的一次創(chuàng)新，也是對(duì)天然氣行業(yè)發(fā)展方向的一次探索。

當(dāng)前浙江省天然氣在智慧管網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、分析領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成果，未來(lái)還將基于已取得的研究成果，繼續(xù)將其應(yīng)用于天然氣調(diào)度應(yīng)急指揮、全自動(dòng)化調(diào)度輸氣等方面。智慧管網(wǎng)技術(shù)勢(shì)必會(huì)在天然氣的調(diào)度指揮中發(fā)揮更大的作用，為天然氣管道的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。