天然氣智慧管網調度運行技術的探索與實踐*

盧建明 劉承松 韓士英

浙江浙能天然氣運行有限公司

隨著浙江省對天然氣需求的日益增長，省級天然氣管道的建設總長度也在急速上升。以杭湖線、杭甬線、杭嘉線、甬臺溫線、金麗溫線等主要天然氣管道組成的浙江省省級天然氣管網總長度已達到1 780 km[1]。浙江省經濟發達，地少人多，城市發展快速，管道建設存在向人口稠密、經濟發達地區延伸的趨勢，管道的安全管理難度加大[2]。天然氣管道安全管理和保護工作始終是安全生產的基礎，浙江省在省級天然氣管網逐步向超大規模化形成的過程中，以管道完整性管理理念為指導，積極開展數字化管道建設的探索和研究。

通過近年來智慧管網項目的實施，利用傳感器、測繪、網絡、通信、虛擬仿真、大數據等技術，將管道整個生命周期內產生的本體、環境、運行、經營等數據在綜合系統上進行整合、展示、分析，為管道的運營提供高效率的綜合管理和決策支持。同時通過采用大數據分析、智能調度等技術，逐步實現管道的智能化管理。

1 智慧管網調度模式研究背景

受到計算機信息技術高速發展的影響，歐美發達國家的天然氣企業率先在天然氣管道建設和運行的各個階段應用了移動存儲、大數據計算、物聯網數據精準采集、數據決策分析等高新科技[3]，在發展智慧管網的過程中，已經取得了一定的成果。

在國內最早提出數字化管道的是中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱“中國石油”），并于2004 年起逐步將數字化的技術應用于油氣管道行業的勘察設計和施工管理。利用衛星遙感技術、全球定位技術、GIS 成圖技術在勘察設計和施工階段幫助優化路由，利用實時數據采集和管網運行監控等技術實現集中監控和調度運行，在管道數字化方面縮小了與歐美發達國家的差距。

中國石油在管道數字化的基礎上進一步加深技術應用，對已建或擬建油氣管道工程中的互聯網技術、GIS、GPS 的應用進行統一規劃部署，并與SCADA 等自動化管理技術有機結合，開發完成了PIS 完整性管理系統、GIS 地理信息等系統，為所轄油氣田和管道的在線故障排查、運行優化、完整性管理提供了一個綜合性數據平臺。目前，建立了以SCADA、氣象與地質災害預警等平臺、天然氣與管道ERP、管道生產管理、管道工程建設管理（PCM）、管道完整性管理（PIS）、天然氣銷售等信息系統為支撐的多系統融合的智能信息化系統，全面支持資產和物流兩條主線的業務工作[5]。

2 浙江省天然氣智慧管網平臺分析

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

系統一期覆蓋管道完整性管理全部業務，包括完整性數據采集、高后果區識別、管道風險評估、管道完整性分析、巡線管理、第三方施工管理、樁牌管理、應急指揮系統等。

圖1 浙江省天然氣智慧管網系統構架Fig.1 Natural gas intelligent pipe network system architecture of Zhejiang Province

系統二期結合天然氣日常運營需求，強化對管道進行實時監控，包括陰極保護數據自動采集與分析系統、無人機輔助巡線監視、地質災害監測系統、管道分布式光纖泄漏與預警監控、管道應力監控、特高壓單極接地電流監控、站場巡檢機器人等，并將最終采集到的數據整合，運用當前發展新興的大數據模式進行綜合分析，從而提高天然氣調度人員對管網的預警性，實現管網無死角的實時監控，提高對管道安全狀況的掌控能力。

2018 年底，浙江省天然氣智慧管網系統已完成了主要工程的建設，并投入生產運行使用。在借助智慧管網平臺的信息高速處理、判斷能力后，讓調度人員從枯燥的數據采集、統計、重復勞動中解放出來，在提高工作效率的同時還可避免人為失誤，實現了天然氣調度信息的“零漏監”和“零誤判”。

3 智慧管網與調度運行模式研究

浙江省天然氣運行調度控制中心建立于2004年，成立以來一直承擔著全省所有省級天然氣管道的運行指揮。與國內外眾多調度控制機構一樣，中心以計算機和通信網絡為基礎，使用目前成熟的監視控制和數據采集（SCADA）系統作為核心進行日常管理和運行控制。調度控制中心通過SCADA系統可完成對各個輸氣站場、閥室的數據匯總、數據存儲、組態顯示、遠程控制、遠程視頻監控等工作。但單一使用SCADA 系統卻無法有效地完成天然氣管道狀態的監視、預警和控制。基于以上情況，在調度運行指揮過程中結合智慧管網系統中的相關功能，優化調度模式，彌補相關空白。

3.1 智能陰極保護數據的應用

通過對天然氣管道應用智能陰極保護測試樁，能夠做到高頻率、按需求地采集陰保點位數據，具備測量數據多樣、時效性高、節約人力資源等優點，替代人工陰極保護數據采集。利用這種陰極保護遠程監測裝置還可以實現排流裝置的數據自動化采集，實現對雜散電流的管理。

采用智能化的陰極保護管理系統（圖2），調度人員不僅可以進行傳統的運行數據統計，還可以實時監視預警以及調整陰極保護電流，從而充分保護管道，及時發現缺陷，實現精細化的陰極保護管理。

第一個問題是：所有的冒險活動都可能會帶來不良后果嗎？注意這里用了“possible（可能的）”。既然是冒險，就有險情存在，因此答案應該是“Yes”；第二個問題：所有的冒險活動都值得去做嗎？當然不是，一些沒有意義的冒險是不值得的，因此答案是“No”；第三個問題：一些冒險活動的危險程度有可能測量嗎？按照常理，一些高風險的活動項目，是要由科學家和專業人士對其進行危險程度監測和評估的，如一些游樂場里的高風險項目，以及蹦極等戶外項目。因此，預測答案應該是“Yes”。

圖2 智能陰極保護管理系統Fig.2 Intelligent cathode protection management system

3.2 高后果區智能分析系統的應用

高后果區智能分析系統（圖3）是根據所搜集的管道及基礎地理數據，對管道沿線進行管廊分析、潛在影響區分析、地區等級分析等，識別出哪些地段屬于高后果區，從而為管道安全提供決策支持。

圖3 智能高后果區分析系統Fig.3 Intelligent high consequence area analysis system

系統通過高清衛星影像自動識別管道附近的工程機械、建筑，并創建相關工程數據。系統同步提取管道屬性、水文、人口、地質災害、道路、邊坡等環境數據，從而自動完成風險評價計算。高后果區智能分析系統提供了直觀的評價結果展現方式（柱狀圖、折線圖、矩陣圖等）及報告，方便調度人員對結果進行判斷、分析以及對管線區域風險的跟蹤管理。

3.3 管道智能風險評價系統的應用

管道智能風險評價系統（圖4）通過識別對管道安全運行有不利影響的風險因素，評價事故發生的可能性和后果，綜合得到管道風險大小，并提出相應風險減緩措施的分析過程。這種分析過程涉及管道系統設計、施工、運行、維護、測試、檢測和其他信息的整合。風險評價是完整性管理程序的基礎，應用對象、評價范圍、復雜程度及采用的方法都會不同，最終目的是要識別出對管道系統完整性影響最大的風險因素。

圖4 管道智能風險評價系統Fig.4 Pipeline intelligent risk assessment system

調度運行決策者可以通過對管道高風險削減因素分析措施，提出管道維護決策、管道風險減緩措施比選、管道優化維護方案以及管網輸氣模式優化等。

3.4 智能巡線管理系統的應用

管道智能巡線管理系統（圖5）針對管道巡護相關工作進行數字化管理，并基于GIS系統對巡線人員進行定位和管理。該系統極大簡化了天然氣運營過程中的人力管理成本，優化調度運行管理過程中的資源配置。該系統主要包含以下功能：

（1）巡檢事件管理。該模塊是基礎功能模塊，巡檢事件的記錄。根據時間軸進行管道巡檢事件的管理，實現不同日期巡線計劃的查詢，并進行地圖定位、數據展示。

（2）巡線任務下發。系統按制定的巡線計劃自動分解生成各巡線員的個人巡線任務，并將個人巡線任務下發至各巡線人員的終端設備。

圖5 管道智能巡線管理系統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備實時定位傳送的數據，勾畫出巡線人員的巡檢軌跡，實現人員巡線的監督，保證巡線工作按時、按量地執行。

（4）巡線人員管理。通過實時比較巡線任務和巡線人員的巡檢軌跡，系統將對巡檢人員完成工作情況作出評價，并生成綜合報告。

4 結束語

智慧管網已經成為管道信息技術領域的主要發展趨勢，是集合計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術及其他行業相關技術的先進的綜合性系統。隨著智能管網技術應用的逐漸成熟，在對天然氣運行管理帶來新的挑戰的同時，也是對天然氣運行安全性、科學性、高效性的重大提升。

國內天然氣調度控制機構一般以監控輸氣站、閥室及相關生產設備為主，對監控管道本身的狀態屬性的手段較少，且大部分技術處于試驗階段。浙江省天然氣智慧管網技術與調度運行管理的相互融合，不僅是技術和管理上的一次創新，也是對天然氣行業發展方向的一次探索。

當前浙江省天然氣在智慧管網的數據采集、分析領域已經取得了一定成果，未來還將基于已取得的研究成果，繼續將其應用于天然氣調度應急指揮、全自動化調度輸氣等方面。智慧管網技術勢必會在天然氣的調度指揮中發揮更大的作用，為天然氣管道的安全運行保駕護航。