石油化工管線安全運(yùn)行智能控制設(shè)計探討

劉婷

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710069）

1 石油化工廠管線信息化建設(shè)現(xiàn)狀

目前，我國大部分石油化工廠管線通過DCS 管理系統(tǒng)（中控系統(tǒng)）對工廠管線進(jìn)行檢測和管理，DCS 是計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)高度融合的技術(shù)產(chǎn)物。DCS 通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產(chǎn)過程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接且能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。過程操作采用計算機(jī)操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制臺相連，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并發(fā)出作業(yè)指令。

但是通過實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐可知，DCS 控制技術(shù)也存在以下幾點(diǎn)問題。

1）信息不全、不準(zhǔn)確，部分基礎(chǔ)設(shè)施落后導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不到，部分工藝設(shè)計數(shù)據(jù)、管線參數(shù)未納入系統(tǒng)管理，采用人工錄入數(shù)據(jù)，不能及時、準(zhǔn)確錄入系統(tǒng)。

2）關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，信息“孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重。以現(xiàn)場信息收集手段獲取的信息僅僅是當(dāng)時的單點(diǎn)狀態(tài)，缺乏邏輯聯(lián)系，未建立數(shù)學(xué)模型，不能對管線運(yùn)行工況進(jìn)行顯示和預(yù)測，只能通過技術(shù)人員的檢查和經(jīng)驗(yàn)判斷。

4）信息掌握不及時、分析不及時或沒有較好的分析手段，當(dāng)有了應(yīng)對措施以后，要么結(jié)果已經(jīng)變糟，要么已經(jīng)過了最佳調(diào)整期。

5）對設(shè)備裝置運(yùn)行的異常及隱患沒有做到事前預(yù)警，而是基本以事后分析為主，經(jīng)常發(fā)生被動運(yùn)維和扯皮現(xiàn)象。

6）信息系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2 石油化工管線安全運(yùn)行智能控制建設(shè)目標(biāo)

針對管線資料不完整、管線管理技術(shù)手段不足、管線隱患不能及時發(fā)現(xiàn)等問題，充分利用互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建智能化管線管理系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)化工管線安全運(yùn)行的智能化管理，滿足工廠對管線完整性管理、安全風(fēng)險隱患監(jiān)管與治理、管線優(yōu)化運(yùn)行、應(yīng)急快速響應(yīng)、信息資源共享服務(wù)的目標(biāo)，加強(qiáng)管線運(yùn)行監(jiān)控、增強(qiáng)應(yīng)急能力。

3 智能管線的特征

1）全面感知：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面感知設(shè)備、人員、介質(zhì)、環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)智能感知、互聯(lián)。

2）運(yùn)營自動化：完善管線的自控儀器儀表、檢測設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)行狀態(tài)的自動檢測。

3）預(yù)測預(yù)警：提前預(yù)知風(fēng)險，提早防范，保障安全。

4）應(yīng)急響應(yīng)：事故迅速定位、影響后果科學(xué)預(yù)判，應(yīng)急資源主動推送、可視化的統(tǒng)一指揮，搶險現(xiàn)場與指揮中心數(shù)據(jù)、視頻、語音的及時交互。

5）決策支持：智能決策基于企業(yè)統(tǒng)一業(yè)務(wù)視圖，利用商業(yè)智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，把管線完整性管理、生產(chǎn)運(yùn)行等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為決策提供依據(jù)。

4 石油化工管線安全運(yùn)行智能控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

4.1 管線數(shù)字化管理

管線位置信息，通過對管線建設(shè)資料的查閱整理以及現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，獲得管線具體位置信息，特別是地下管線信息，盡可能通過對施工覆土之前的管線進(jìn)行勘測，更準(zhǔn)確地采集地下管線數(shù)據(jù)。

管線技術(shù)數(shù)據(jù)信息，收集整理管線設(shè)計與施工文檔資料了解管線技術(shù)、工藝數(shù)據(jù)信息。

管線周邊環(huán)境信息，對管線周邊環(huán)境進(jìn)行踏勘、拍照。

通過對管線本體、附屬設(shè)施、周邊環(huán)境720 全景影像、設(shè)計施工資料、空間地理信息等信息采集、處理、入庫，規(guī)范化管理，建立三維模型，構(gòu)建工廠管線全信息模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管線的平面和空間展示和查詢、管線數(shù)據(jù)維護(hù)、文檔資料管理等功能[2]。

4.2 管線運(yùn)行管理

選擇關(guān)鍵位置對管線運(yùn)行的溫度、壓力、流速等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，基于水力學(xué)原理建立管網(wǎng)工藝流程仿真模型，真實(shí)再現(xiàn)管線運(yùn)行過程及控制過程，對管線運(yùn)行的溫度、壓力、流速等進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，或者對生產(chǎn)計劃等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。利用模型進(jìn)行水力/ 熱力核算、運(yùn)行方案制訂、培訓(xùn)考核等應(yīng)用，提高調(diào)度人員綜合操控水平。

同時結(jié)合安全儀表系統(tǒng)對管線運(yùn)行異常情況進(jìn)行報警和控制，實(shí)現(xiàn)工藝管線經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

表1 安全儀表功能的安全完整性等級

4.3 管線安全管理

4.3.1 隱患管理

通過設(shè)置的現(xiàn)場監(jiān)測裝置、人員巡檢登記，自動形成隱患管理臺賬，識別定位管線隱患位置，并在三維視圖中進(jìn)行標(biāo)注顯示，按照既定管理要求，通知相應(yīng)人員進(jìn)行整改或者調(diào)整工藝設(shè)備。

腐蝕是化工管線失效、損傷的主要原因。智能管線需要設(shè)置腐蝕檢測，確定設(shè)備的腐蝕程度，查找腐蝕位置，發(fā)現(xiàn)并消除缺陷，防止泄漏、降低損失、減少危害和環(huán)境污染。根據(jù)損傷機(jī)理設(shè)置腐蝕模型進(jìn)行預(yù)知性維修。通過安裝硫分析儀，實(shí)現(xiàn)對硫化物在線實(shí)時監(jiān)測和腐蝕分析及預(yù)測。

管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)以SCADA 系統(tǒng)或負(fù)壓波、次生波、光纖等監(jiān)測傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時系統(tǒng)將詳細(xì)檢查這些異常數(shù)據(jù)，并分析是否為泄漏。管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)后，將立刻發(fā)出警報并顯示泄漏地點(diǎn)、泄漏時間、泄漏速度和泄漏總量等數(shù)據(jù)。

4.3.2 預(yù)警管理

可以通過管網(wǎng)工藝流程仿真模型參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對比分析、智能儀表在線診斷、大數(shù)據(jù)挖掘分析等，建立專家模型，進(jìn)行在線分析和預(yù)警提示[3]。

4.4 管線應(yīng)急管理

4.4.1 應(yīng)急響應(yīng)

如發(fā)生管線泄漏、災(zāi)、爆炸事故等事故時，可以迅速對突發(fā)事件進(jìn)行定位，通過工藝流程關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)自動切斷相關(guān)設(shè)備，掌握周邊環(huán)境和管線基本信息，及時通知應(yīng)急搶險人員進(jìn)行處置，告知周邊人員及時撤離，及時消除和控制事故形勢?；诘乩硇畔⑵脚_，將重要應(yīng)急物資、應(yīng)急機(jī)構(gòu)、重大危險源等重要單位在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，為事故的搶修提供支撐。對事故地點(diǎn)周邊可利用的應(yīng)急資源進(jìn)行自動搜索，并根據(jù)事件類型和級別給出資源調(diào)度指揮方案，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急資源的聯(lián)動。發(fā)揮智能管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急指揮和應(yīng)急決策支持的作用，滿足應(yīng)急指揮決策的需求，主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下對管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管線周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的及時調(diào)取，并自動計算疏散范圍、安全半徑，自動輸出應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置方案等，通過搶修物資與搶修隊伍的路由優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一鍵式應(yīng)急處置方案文檔輸出，保證科學(xué)、有效地采取應(yīng)急處理措施。

4.4.2 應(yīng)急演練

采用三維仿真模擬技術(shù)，通過收集管線周圍的實(shí)際外界風(fēng)向、風(fēng)速等重要影響數(shù)據(jù)，利用模型對泄漏、爆炸、環(huán)境危害事故等進(jìn)行模擬計算，實(shí)現(xiàn)對可能發(fā)生的事故進(jìn)行三維模擬，或者再現(xiàn)已發(fā)生事故，為管線風(fēng)險管理提供支持。利用三維模型模擬，開展管線泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故應(yīng)急演練和應(yīng)急處置培訓(xùn),提高人員應(yīng)急處置能力[4]。

4.5 管線決策管理

基于大數(shù)據(jù)的相關(guān)性、非因果性分析理論，管線系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的來源包括實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等，類別包括管線腐蝕數(shù)據(jù)、管線建設(shè)數(shù)據(jù)、管線地理數(shù)據(jù)、資產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)等。未來管網(wǎng)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)集成，將各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合，通過建立大數(shù)據(jù)分析模型，解決管線當(dāng)前的泄漏、腐蝕、自然與地質(zhì)災(zāi)害影響、第三方破壞等數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用問題，獲得腐蝕控制、能耗控制、效能管理、災(zāi)害管理、市場發(fā)展、運(yùn)營控制等綜合性、全局性的分析結(jié)論，指導(dǎo)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。

5 結(jié)語

石油化工產(chǎn)業(yè)涉及國民生活的方方面面，也是我國綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)與關(guān)鍵基礎(chǔ)。石化公司必須清醒認(rèn)識到，創(chuàng)建智能管線不僅僅是國家提倡的一項(xiàng)工作，同時也是使工廠提高工廠安全運(yùn)行管理水平，煥發(fā)新的生機(jī)的重要方式。

石化公司在進(jìn)行管線安全運(yùn)行智能控制設(shè)計前，應(yīng)綜合考慮安全運(yùn)行實(shí)際、經(jīng)濟(jì)成本等因素，重點(diǎn)從以下3 方面入手：

1）摸清工廠在管線安全運(yùn)行管理方面現(xiàn)有難點(diǎn)痛點(diǎn)，明確需求和目標(biāo)。

2）管線安全運(yùn)行智能控制設(shè)計，管線數(shù)字化、管線完整性管理的水平是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)和分析模型的精準(zhǔn)性是決定性因素，自動化、智能化裝備是實(shí)現(xiàn)途徑。

3）管線安全運(yùn)行智能控制設(shè)計，最重要的是解決從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題。應(yīng)充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，建立數(shù)據(jù)和分析模型，精準(zhǔn)分析管道運(yùn)行狀態(tài)。