油氣田站場無人值守探索及展望

張玉恒，范振業，林長波

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

由于油氣田各區塊、油氣輸送增壓/集氣站場的位置相對較偏遠、交通不便利、自然環境惡劣、倒班輪換周期較長等條件的限制，對站內運行、值守人員產生較大的生理及心理壓力[1]。通過建設無人值守站，可以避免員工暴露在高風險環境之中，提高了人的安全性；采用計算機操作提高了運行的可靠性和效率，從而達到安全、可靠、高效的基本要求。同時，油氣田無人值守站建設也是落實中央關于“轉方式、調結構、促發展”要求的重要舉措。

1 無人值守管理模式

目前較為成熟的無人值守管理模式主要有如下幾種：中心站場模式、集中管理模式、高水平無人值守模式。

1.1 中心站場模式

以普光氣田和輸氣管道為代表，是依托中心站場，實現對周圍幾座站場的監控和巡檢，便于快速事故處理，多用于高危險站場或復雜站場。

1.2 集中管理模式

以勝利油田“四化”，勝利埕島油田和元壩氣田為代表，采用集中監控，集中或分區域管理，適用于流程相對簡單、依托條件較好的站場。

1.3 高水平無人值守模式

以海外部分無人值守平臺為代表，除了實現無人值守遠程控制外，不需要例行巡檢，每年只巡檢有限次數即可。

2 無人值守設計

2.1 無人值守站場的技術要求

通過對站場運行、崗位設置、操作頻次等的調查，對需人工頻繁操作的地方實施自動控制改造，達到現場無人操作或操作頻次少，實現無人值守[2]。

無人值守站場應配置數據采集控制系統，負責采集控制站場內的：遠控閥門、壓力、溫度、液位、流量、電參、加熱系統等儀器儀表的參數，各儀表設備應具有就地顯示及信息遠傳雙重功能[1]。

無人值守站場應配置相應的視頻系統和安防系統，實現運行情況監視、入侵探測、防盜報警、出入口控制、安全檢查等主要功能。視頻和安防系統信號應能夠傳至監控中心，并具備遠程控制、布防、撤防等功能。防區劃分應做到避免盲區和死角，有利于報警時準確定位，視頻監視和安防系統宜緊密集成[1]。條件許可時可考慮視頻與報警的聯動。

無人值守站場在保留必要的基本生活設施前提下，可適當簡化原常規站場內的為人服務設施。

2.2 設計理念

1）適時開展科學的評估分析

如HAZOP、QRA 和SIL 分析等，根據分析結果指導項目設計和實施，用數據代替經驗。

2）工藝流程優化

從提高站場可控性、可靠性、可操作性及保護功能方面考慮，做到盡量簡化流程，合理配置執行機構，適當增加監測點，簡化輔助系統設計。對于全新建設的無人值守站場可在設計之初進行綜合考慮。

3）簡化站場設計

如合并站控室、機柜間、陰保、UPS 間，簡化HVAC設計等。

表1 有人值守與無人值守站場的區別Table 1 Difference between unattended and unattended stations

4）提高綜合監測能力

增加電力設備監控、可燃氣體微小泄漏、監控備用通信、HVAC 監控、視頻全覆蓋、門禁等，提高有效的輔助遠程綜合監控手段。

5）提高SCADA 及站控水平

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。

通過無人值守站場建設，可有效促進管理模式的轉變，壓減管理層級，實現運維隊伍的專一化、專業化。由各站的分散管控變為集約化的集中管理/中心站管理模式。此外，無人值守站的建立，可以有效緩解人力資源不足的問題，同時也為實現智能化油氣田打下堅實的基礎。

2.3 無人值守站設計需要注意的問題

有人值守和無人值守最大的區別是是否有人常駐現場，無人值守模式對現有的控制系統及管理水平提出了更高的要求。

因此，為實現高水平的無人值守，需要滿足以下條件：實現無人操作，遠程控制；及時有效的故障處理措施；自動巡檢技術（智能巡檢）的應用。

1）實現無人操作，遠程控制

自動化程度高、儀表控制系統及通信網絡具備高可靠性，以及完善的遠程診斷手段，保障主要工藝系統自動、安全、平穩運行，是實現無人值守的前提條件。

2）及時有效的故障處理措施

工藝設計允許自動切換或考慮充分的設計余量，當故障發生時可自動進行事故處理，盡量不影響正常運行，為人員趕赴現場爭取充足的時間；自控、視頻、安防系統聯動，快速準備定位異常事件；對報警信息進行有效的優化管理，防止報警泛濫，實現有效報警。

自控判斷備用回路的在運狀態：自控回路狀態反饋；重要手動回路通過智能讀表系統判斷手動閥開關狀態等。

自動切換邏輯：順序控制-主要回路/設備具備一鍵啟停功能；沖擊負荷控制，保證工藝流程平穩切換；運行時間控制，可根據運行實際自動切換主備流程，保證備用回路的“熱備狀態”。

圖1 保護層設計Fig.1 Protective layer design

3）自動巡檢技術（智能巡檢）的應用

作為對無人值守站場的保障措施，利用現有技術手段，例如自動抄表、視頻巡檢、隱患識別（跑冒滴漏）、視頻報警聯動等代替人工巡檢，實現高水平的無人值守。

2.4 可靠性保障

2.4.1 兩個保護層設計

無人值守站場的自控系統負責預防階段的兩個保護層控制。即通過過程控制系統PCS 負責正常生產流程的控制和調節，以及報警功能；當超出其調節能力或者發生緊急情況時，安全儀表系統SIS 及時介入，實現安全停車。

以儲罐液位為例（見圖1），PCS 系統負責正常運行時的液位檢測及聯鎖調節，當液位超出一定限值時進行報警，并提醒操作人員進行處理；當液位仍然無法控制并繼續變化超越一定限值后，SIS 系統接入動作（緊急開關閥門或啟停泵），并給出更高一級別的報警。

此外，還需要考慮儀表和控制閥的分別設置——以天然氣脫硫部分的原料氣聚結過濾器為例，PCS 和SIS 分別設置2 臺獨立的液位檢測儀表，調節閥和緊急切斷閥也獨立設置。

2.4.2 儀表可靠性設計

對于站內重要的控制回路，按照兼顧可靠性又兼顧可用性的原則，采用2oo3 的結構。

多塊儀表的偏差報警：在同一監測點設置多臺變送器時，設多值比較畫面，出現偏差時進行報警。多臺變送器可以是在同一檢測點處設置的分別進SIS 和PCS 的儀表，或者是同一安全儀表回路2oo3 的儀表。偏差值報警限可設5%（可根據具體應用調整），在同一檢測點上任意兩塊變送器間偏差超過偏差限設定值時，應進行偏差報警，提醒操作員及時對儀表進行維護，從軟件上提供儀表可用性，避免因儀表故障引發更大事故。

圖2 控制系統保障Fig.2 Control system guarantee

圖3 大中型油氣田站場智能化建設架構Fig.3 Intelligent construction of large and medium-sized oil and gas field stations

2.4.3 控制系統的可靠性設計

見圖2。

2.4.4 遠程診斷及設備管理

采用設備管理系統，通過HART 協議采集現場遠程儀表、控制閥門的診斷信息。通過振動監測系統或設備自帶控制器，實現外輸泵、壓縮機等轉動設備的振動、軸位移、溫度等信號的采集和狀態監測。實時、準確掌握儀表、關鍵設備的運行狀態，從而實現所有儀表及關鍵設備的全生命周期管理。

2.5 無人值守關鍵技術

基于SCADA 平臺設置相關高級應用服務器及軟件，并打通視頻和安防系統，為高水平無人值守提供技術支撐。使用虛擬化技術，利用多臺服務器搭建高級應用平臺，在平臺之上根據需要，動態分配資源給不同的高級應用使用。由虛擬化平臺統一管理各物理服務器的CPU、內存、存儲設備及外部接入設備，然后進行資源再分配。

2.5.1 高級報警管理系統

報警的主要功能是在過程異常或設備故障時，提醒操作員和其他人員進行處理或響應。無人值守站場正常運行均自動完成，操作員只需響應報警處理必要的問題即可。因此，保證有效報警，避免報警泛濫是報警管理的首要目標，也是保證無人值守的重要一環。

圖4 智能抄表Fig.4 Smart meter reading

報警管理系統具有報警優先級設定、過濾無效及虛假報警、保證有效報警輸出，提升報警響應速度以及具備歷史記錄及趨勢預測等功能。可以進行有效的管理和評估，進行環比分析，對導致長期和大量報警的工藝和設備瓶頸進行改造消缺，形成管理閉環，報警統計結果還可應用于班組考評統計中，為管理者提供分析、管理、考核依據。此外發生報警時，控制系統還可依據操作規程判斷報警原因，給出建議的處理方案。

2.5.2 自控、視頻、安防系統聯動與數據融合

實現全站的，自控、視頻、安防系統聯動與數據融合，達到智能視頻的目標。可以根據攝像頭的現場部署，按節點分層管理攝像頭，并對攝像頭進行預置位的組態；對視頻畫面進行布局及顯示內容進行組態、關聯組態，添加并關聯巡檢路線，配置并關聯異常事件組態等。以及常規的云臺控制、抓拍、錄像等，提供圖像識別一覽和歷史信息一覽等操作記錄查看。

2.5.3 智能抄表

自動讀取關鍵參數的就地表指示、閥門開關、手自動狀態等，自動記錄抄表狀態和相關數據，生成抄表報表，并與SCADA 中相應采集值進行比較，偏差超過閾值時報警。對于涉及主備用流程切換的手動閥門，通過視頻識別其開關狀態，以確認備用流程/設備是否具備自動投切條件。

2.5.4 隱患識別技術

通過視頻、紅外熱成像以及激光掃描式可燃氣體檢測技術，識別火焰、跑冒滴漏、設備超溫、閥門卡堵、法蘭腐蝕、保溫層脫落和微小泄漏等。

1）智能紅外熱成像與視頻復合

圖5 紅外熱成像技術用于隱患識別Fig.5 Infrared thermal imaging technology for hidden danger identification

圖6 激光掃描式可燃氣體檢測系統Fig.6 Laser scanning combustible gas detection system

工業現場工藝區的溫度變化往往意味著事故隱患的產生，例如跑冒滴漏、火氣等異常情況均會在事故源周圍產生不同情況的溫度變化。通過紅外熱成像圖像識別，可以比目測更有效地判定。可以有效彌補可見光視頻監控的不足，及時發現隱患和事故。

2）激光掃描式可燃氣體檢測——站場微泄漏檢測

站場無人值守后，日常巡檢中難以早期發現的微小泄漏，如引壓管、螺紋接口、密封盤根等的刺漏，存在釀成大事故的可能。而站場開放區域安裝的點式可燃氣體探測器只能探測較大泄漏或恰巧在探測器旁的小泄漏。因此，建議增加可燃氣體微泄漏監測手段。如激光掃描式可燃氣體檢測系統可實現PPM 級的泄漏報警，可實現大范圍的實時監控，及時提醒操作人員處理。

3 油氣田智能化建設展望

智能化既是國家大戰略，又是集團公司的發展方向。以九江石化為代表的智能工廠建設已在中石化下游蓬勃開展。油氣田及管道領域的智能化也在不斷推進，正在設計的順北油氣田、新氣管道和鄂安滄管道按照智能管道工程進行建設，力爭實現部分站場無人值守。

圖7 全面感知信息網Fig.7 Comprehensive perception information network

通過智能化油氣田建設，全面感知油田動態，自動操控油田活動，預測油田變化趨勢，持續優化油田管理，虛擬專家輔助油田決策，用計算機系統智能地管理油田。實現油田生產過程自動化、業務管理協同化和全面信息共享，力爭達到“看地圖調度，聽數字指揮，讓數據說話”[3]，實現降本增效，提高勞動生產率，提高安全運行水平，提升應急響應能力，提高科學決策和管控能力。同時，圍繞油氣田核心資產全生命周期管理，打造全面感知、集成協同、預警預測及分析優化4 項能力，助力“高效勘探，效益開發”，實現企業資產價值最大化。

3.1 智能高級應用平臺建設

常規的智能化方案，重點強調的還是數字化和信息化的建設，從層次結構上基本分為兩層：第一層是基礎系統層，主要是數字化管道的建設，包括自控、網絡通信、安防等，實現生產信息的全面感知、自動控制及可視化，實現站場的遠程監控和操作。第二層是智能管理平臺層，以工程建設平臺形成的虛擬輸氣管道模型為驅動，讀取基礎系統信息，進行數據挖掘和利用；提供第三方接口，與ERP 等系統連接，實現數據在多系統的互聯互通。智能管理平臺一般由網絡/通用軟件開發商開發，缺少與實際工藝過程緊密結合的智能屬性，主要是完成互聯互通及信息處理和發布，因此從功能上看應該叫信息化平臺更貼切。

為解決智能化應用的痛點，讓智能化真正落地，建議在基礎系統和智能管理平臺之間再增加一層“智能高級應用系統”。該系統應基于SCADA 平臺，打通視頻和安防系統，通過專用軟件、設備的應用和研究，實現智能控制、智能巡檢。同時，隨著生產運行數據的積累，不斷進行數據挖掘和應用研究，進一步實現智能預測和智能分析，從而為高水平無人值守以及智能化提供技術支撐。

3.2 建議

在智能油田規劃指導下，油氣田智能化建設建議分3步實施：初期達到無人值守、定時巡檢的控制水平；中期實現無人值守、智能巡檢；最終目標是實現無人值守、智能巡檢、智能優化和智能管理。

4 結論

在油氣田站場無人值守建設探索的過程中，需要解放思想、轉變觀念、在實踐中創新，充分發揮采油管理區的主觀主管能動性。同時需要認識到，無人值守不能僅僅局限于信息化等技術手段，還涉及勞動組織結構的變革、操作規程的調整以及應急預案等配套管理制度的制定，這些因素的共同努力和作用才是實現油氣田站場無人值守乃至智能化油氣田的關鍵。