頁巖氣開采和集輸場站智能化監控管理探究

劉禹豆 王道奇 賈濤 龍廷浩

中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心 四川 成都 610051

1 研究背景和意義

當前，國內的頁巖氣開采技術一直在不斷完善，已經建成了四大國家級頁巖氣示范區，但是目前很多頁巖氣的開展和集輸場站的管理方式大部分還依然處于傳統方式，如何提高頁巖氣場站的智能化管理程度成為多數油氣田企業面臨的一大難題。再者，頁巖氣田的發展及生產規模逐漸擴大，傳統的管理模式受到來自生產工藝、發展規模以及人員配置不足等多方面的壓力，已經很難適應當前頁巖氣的開采與管理要求[1]，主要存在有以下問題：

一是我囯氣田的井口分布范圍廣，頁巖氣開采集輸場站生產信息共享性不高。

二是有站控管理平臺系統的頁巖氣集輸站，由于場站的前期建設與后期完善采用不同的監控方案，應用不同的上位機開發程序、數據傳輸模式以及開發系統，使得不同系統之間可能存在不兼容等問題，進而大大提升了日常運維的難度和成本。

三是當前大多數頁巖氣的開采和集輸場站沒有與智能化生產管理應用充分結合，無法實現一體化管理，同時缺乏統籌的智能指揮系統。多數場站出現緊急情況時，審批部門繁雜，審批效率低，缺乏橫向溝通與交流，相互配合的程序低，導致組織與協調任務繁重，決策、管理及執行的效率低下。場站的關鍵數據掌握在少數值班操作員手中，場站管理智能化不足。

基于PLC為控制核心的智能化站庫監控系統和智能化數字視頻監控系統能夠構建頁巖氣場站的智能化管理平臺，提高頁巖氣生產和集輸效率，優化生產和集輸業務管理運行，具有性能穩定、智能化程度高、抗干擾能力強、擴展性及可移植性好等特點，能夠很好的應用于油氣田分布范圍廣、環境惡劣等情況，實現對頁巖氣開采集輸場站相關設備工藝參數的數據采集和實時監控。智能化監控對保障生產安全、提升決策管理效率、優化人力資源配置、降低生產成本等方面的顯著作用，為新時代油氣探索和發展提供了借鑒[2]。

2 頁巖氣場站智能化數據監控方案

實現頁巖氣場站的智能化監控的一種可行手段是以PLC系統為核心，通過分析頁巖氣開采或集輸場站的工藝流程和場站的站控系統，實現頁巖氣開采集輸場站的智能化監控系統架構，其構建原則的總體結構大致分為三個部分：

上位機：位于調控中心和巡檢站，側重監控、管理和數據存儲功能。

下位機：位于采氣現場，側重數據采集以及直接控制功能。

通信網絡：網絡傳輸通道，用于連接上、下位機，實現數據傳輸交換。

上位機主要包括SCADA系統的服務器、OPC服務器和操作員站等。主要負責為OPC服務器和操作員站的HMI畫面等提供實時數據，并完成歷史各類數據的保存和管理。同時該系統服務器采用冗余配置，使用兩臺服務器，一主一備，當主用服務器出現故障時，備用服務器自動接替主用服務器提供SCADA服務。OPC服務器可考慮安裝用于與生產信息系統數據庫連接的軟件，如ABB OPC Server等，此類軟件能夠為系統提供實時數據服務。操作員站安裝能夠實現對人機交換界面進行繪制并監控生產信息的軟件，如Visual Studio 2013等[3]。

而下位機系統包括ESD（緊急停車系統）和PCS（過程控制系統）。PCS主要用于采集頁巖氣開采和集輸現場的閥門的開關狀態以及變送器壓力、流量、溫度等實時數據，而ESD系統主要用于根據因果圖編制的邏輯程序來進行緊急切斷閥和放空閥關斷的緊急停車系統，PLC控制器作為下位機的核心器件，為防止在監控過程中設備的損壞而造成的數據丟失，故PLC控制器考慮采用冗余結構。

通信網絡：調度控制中心與下位機通訊通過氣田專用光纜通信系統采用點對點方式進行數據通信以及采用公網作為備用通信信道。支持 IEC-6870-5-104、OPC 和Modbus TCP/IP等多種通訊協議。調度控制中心（MCC）SCADA主服務器通過特有的數據復制方式對巡檢站的本地SCADA服務器進行通訊和通過基TCP/IP的OPC通訊方式對各個頁巖氣開采集輸場站PLC控制器進行通訊。在巡檢站與調控中心服務器進行數據交換同時，現場控制器的生產數據也被上傳到SCADA 控制中心的主服務器和巡檢站SCADA服務器。因此調控中心的主服務器整合了所有頁巖氣開采集輸場站的信息，可以概覽和監控全部站場的生產數據。由于在巡檢站直接與控制單元交換數據，它具有數據采集及處理、實時及歷史數據的管理、動態工藝流程及其他圖形的顯示、報警事件管理、報表生成及打印等功能，故在調度控制中心也可以實時、真實和有效地進行監控[4]。

3 頁巖氣場站智能化站庫系統

構建智能化站庫系統是提升頁巖氣開采集輸場站智能化水平的重要手段，該系統能提高頁巖氣集輸業務效率，優化集輸業務管理運行。

較初級的智能化站庫系統通過作業區或中心站級調控中心至站庫可靠、安全的網絡通信系統及SCADA系統建設，實現作業區或中心站級調控中心生產信息全面感知、統一調度操作；頁巖氣站庫實現“有人值守巡視、無人操作、通信故障干預操作”的管理模式。初級站庫系統主要包含調控中心SCADA系統建設、視頻聯動控制改造和安全的網絡通信系統保障三部分。

其中調控中心SCADA系統建設指的是站場運行工藝控制、流程及設備操作采用SCADA系統集中管控，通過實現站場自動邏輯控制、報警管理、ESD關斷和事故處理，實現遠程設備診斷，降低人為原因產生的操作不確定性或不安全因素，提高站場的管理水平；視頻聯動控制改造是通過對視頻監控系統進行闖入報警、視頻追蹤、報警事件聯動控制功能擴展，在發生闖入等異常情況時能自動顯示相應視頻畫面；能通過人臉識別等技術實時圖像跟蹤人員位置；現場發生工藝報警事件時，能及時聯動相應攝像頭進行圖像顯示；安全的網絡通信系統保障指的是各頁巖氣站庫至作業區或中心站級調控中心需建設冗余通信信道及網絡安全設備。

較高級的智能化站庫系統是在實現作業區或中心站級調控中心對各頁巖氣站庫實現遠程監視、統一調度操控基礎上，通過對各頁巖氣站庫系統進行自動控制系統可靠性改造、智能化巡檢建設，實行區域化管理，頁巖氣站庫實現“無人值守、定期巡視、區域維保管理”模式，使頁巖氣站庫生產運行崗位人員達到零固定人員目標，同時以云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能等新一代信息技術為手段，建立頁巖氣集輸業務智能化管控平臺，對頁巖氣集輸業務實施全面智能感知、智能預判、先進控制、智能管控，實現管理協同化、分析模型化、決策科學化，全面實現頁巖氣開采和集輸業務的智慧化、智能化管理[5]。

4 結束語

頁巖氣開采和集輸場站的智能化是今后頁巖氣發展的必然趨勢，以PLC系統為核心的頁巖氣場站智能化數據監控方案以及頁巖氣場站智能化站庫系統為頁巖氣開采集輸場站實現全面智能化提供了有益的思考，同時也是為油氣田頁巖氣開采和集輸業務提高勞動生產率、優化管理運行的一種積極嘗試。