頁巖氣增壓管理數字化轉型實踐

江勝飛，馬科篤，楊 輝，易 浩，謝 凌

(1.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646000；2.中國石油西南油氣田分公司物資設備管理部，四川 成都 610051)

1 引言

川南頁巖氣開采具有多井位、分散、低壓、低產等特點，各類壓縮機組是構建頁巖氣平臺增壓、集中增壓和外輸增壓的關鍵設備，年平均增壓貢獻率已超過50%，對年產100億立方米貢獻巨大。在信息化、數字化、智能化氣田推進過程中，在線監測與故障診斷系統(以下簡稱“在線監測系統”)逐步成為壓縮機組的標準配置，目前僅川南頁巖氣區塊已應用了19套，預計“十四五”期間監測系統將增加至40套以上，必將對設備遠程實時監測、性能分析與故障診斷決策發揮重要作用。

狀態監測與故障診斷系統主要是監測設備的運行狀態，并對運行狀態進行分析處理，結合設備的歷史運行狀況來定量識別設備的技術狀態、性能、故障趨勢等，從而確定必要對策的技術；總體上可以把該技術分為狀態監測、分析診斷、治理預防三部分[1]。國內石油石化企業自20世紀80年代開始對大型壓縮機、泵等安裝應用在線監測系統，歷經30余年的發展已趨于成熟[2]。當前，伴隨人工智能、工業互聯網技術的發展，該技術的發展方向是設備故障智能預警、智能運維，并與工業互聯網深度融合等[3]。

2 在線監測系統的需求分析

2.1 生產保障需求

頁巖氣開采與常規氣有很大的不同，其特點主要表現在兩方面：一是氣井壓降快，維持產量的手段主要是增加新井數量，且往往是新井壓力較高、老井壓力較低，也就造成了各單井進入管網的壓力不同；二是由于各單井或平臺位置分布較分散，導致井口到集氣站距離不同，集輸管道壓降也不同，致使部分低壓氣井產氣不能進入管網而被迫停產，造成了資源浪費與經濟損失。因此，增壓工藝應用于低壓氣井或平臺，可以提高低壓氣井產量、提升氣田開發經濟效益[4，5]。通過對數十口頁巖氣生產井以平臺增壓、集中增壓方式實施開采，日產氣提高了10%以上。

各類壓縮機，特別以往復壓縮機為代表，在天然氣增壓領域有著廣泛的應用。根據美國GE公司統計資料，有在線監測系統的壓縮機組，維修費用可以減少40%～50%[6]。目前我國石化企業平均年檢修費用消耗為4000余萬元，若能減少事故的發生，從而延長設備檢修周期，例如由1年一修延長為3年兩修，則理論上可直接節省工作成本2667余萬元[7]。因此可見，應用在線監測與故障診斷技術對延長機組檢維修周期、降低檢維修費用、保障企業長期穩定生產有著重要作用。

2.2 安全管控需求

因頁巖氣開發成本高，更加注重投資控本促效益，已對所用壓縮機組進行了標準化設計，其中平臺增壓對應315 kW、500 kW往復壓縮機組，集中增壓對應800 kW、1800 kW往復壓縮機組，外輸增壓采用PCL系列大功率離心壓縮機組。當前所有平臺增壓、集中增壓、外輸增壓中均未考慮備用機組，均按照連續不停機運行考慮，且平臺增壓和部分集中增壓采用無人值守模式，對機組的可靠性保障、連續狀態監測、故障預警、安全保障等方面提出了較高要求。壓縮機組是頁巖氣開發的關鍵設備，其運行環境惡劣，容易產生各種故障，一旦發生嚴重故障，極易造成天然氣外泄，從而導致火災、爆炸等惡性事故發生[8]。設備在線監測與故障診斷系統是在機組上增加監控點位，實現對壓縮機組的實時狀態監測，管理人員可根據實時監控情況對機組運行情況和機組自身狀態分析，降低設備的突發故障，判斷設備整體狀況，預知機組故障，避免重大安全事故發生，提高機組安全性能[9]。

2.3 數字化轉型需求

現代油氣田企業所用設備正逐步向集成化、自動化、智能化、少人化發展，物聯網、大數據、遠程監測等信息化手段也順理成章的成為油氣田企業設備管理的重要組成部分。積極開展設備遠程狀態監測就是加快推進裝備自動化、操控集中化、管理信息化的重要措施。

按照數字化氣田建設要求，從提高氣田開采自動化程度、提高開采安全把控能力、節約人力資源的理念出發，頁巖氣田的開發建設全部要求數字化交付，井組建設全部按照無人值守的標準進行打造，已建場站也需按照無人值守的標準進行數字化改造。壓縮機組作為頁巖氣開發的關鍵設備和最大的動設備，其數字化程度不僅是數字化氣田建設的重要補充，也是場站能否實現無人值守的關鍵，在線狀態監測系統是提高壓縮機組數字化程度的必然選擇。通過對機組運行狀態的實時監測，在全面掌握其整體性能的基礎上，利用后臺智能分析和專家分析相結合，實現設備在線實時監測、性能狀態分析、故障診斷預警和健康綜合管理的數字化轉型發展。

3 在線監測系統選型

3.1 系統選型技術條件

川南頁巖氣壓縮機組均為電機驅動，根據其生產保障、安全管控和數字化轉型需求，選用的在線監測系統應滿足以下一般技術條件：

(1)系統由傳感器、數據采集器、上位機等硬件和后臺的軟件共同組成，經組態具備數據實時采集、數據管理、參數預警和圖譜分析等功能，實現對無人值守頁巖氣壓縮機組運行狀態的在線監測和人工輔助診斷分析；

(2)系統所有硬件應符合國家、行業相關標準，根據頁巖氣生產條件應滿足GB 3836《爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求》規定的防爆等級和防護等級；

(3)系統應具有高效的數據傳輸策略，傳輸過程自適應帶寬，滿足頁巖氣生產管理多人、多層級、多時段使用者訪問需求；

(4)系統功能應具有良好的擴展性和易維護性，滿足頁巖氣不同時期壓縮機組增減和安裝位置變化帶來的在線監測需求。

3.2 系統組成與功能

在線監測系統因廠商技術不同在測點布局與具體分析診斷功能方面有差異，但典型的在線監測系統均可分為硬件部分與軟件部分。

3.2.1 主要組成部分

按照上述一般技術條件，選用的頁巖氣壓縮機組在線監測系統硬件主要包括各型傳感器、信號電纜、接線箱、數據采集設備、數據存儲管理設備、網絡設備、工作站等，軟件則包括數據采集軟件、數據處理軟件、數據通訊軟件、數據管理軟件、數據庫、分析診斷軟件等。

內燃機驅動的往復壓縮機組在頁巖氣生產中應用較少，如需應用則在線監測系統應增加發動機瞬時轉速監測點、發動機氣缸振動和氣缸燃燒爆震等測點功能。頁巖氣干線外輸增壓主要采用PCL系列離心式壓縮機組，通常配置旋轉設備狀態監測所需的溫度、壓力、振動、位移、偏擺等測點。在線監測系統組成詳見圖1。

圖1 典型在線監測系統組成網絡示意圖

3.2.2 系統主要功能

不同類型壓縮機組在線監測系統的組成不同，相應的分析診斷功能差異較大。頁巖氣往復式壓縮機的分析診斷功能主要以角域分析功能為主，離心式壓縮機的測點類型較少，分析診斷功能以頻率分析功能為主。在線監測系統配置還應根據機組重要程度、價值、機型等因素綜合確定，針對頁巖氣平臺增壓、集中增壓、外輸增壓工藝電驅壓縮機組特點，分別制定了基礎版、提升版、高配版三類配置，具體詳見表1。

表1 不同類型機組在線監測系統功能對比表

目前，在已配備在線監測系統的頁巖氣往復式壓縮機和離心式壓縮機中，其分析診斷過程主要依賴人工完成，自動化水平較低，對分析人員設備掌握故障監測診斷技能要求也較高。

4 工業應用分析

自2019年以來，川南頁巖氣壓縮機組先后配備了19臺套在線監測系統，其中離心式壓縮機組配備4套，往復壓縮機組配備基礎版2套、提升版6套、高配版7套。通過系統應用逐步實現了對機組運行狀態的有效監測，以及溫度、振動、壓力、位移等多參數綜合分析，并由監測系統廠家提供診斷報告，彌補了原有壓縮機PLC系統的監測不足。

4.1 主要成效

(1)通過機組故障預判實現由事后維修逐步向預知維修轉變。在線監測系統運行穩定，參數報警及時，完成了離心式、往復式機組診斷模型，專家分析與自診斷結合效果好。系統累計診斷發現頁巖氣壓縮機組故障24次，故障診斷準確率85%以上，避免故障停機7次，最長無故障運行時間提高到4000 h以上。一批典型故障被預判確診，如：離心式機組電機驅動端振動超標，往復式機組氣閥損壞、活塞桿沉降、十字頭磨損等。

(2)定期保養制度得到一定程度優化。近兩年監測系統在壓縮機組運行狀態監測中發揮了重要作用，積累了豐富的機組運行歷史數據，為后續壓縮機性能分析、健康管理等工作奠定了堅實基礎。對已安裝高配版監測系統的3臺1800 kW機組定期維保制度進行了優化，在相關參數無異常且綜合評判后，取消了4000 h維保，經15000 h長周期運轉正常。8000 h維保時對機組零部件磨損情況驗證情況良好，證實監測系統的正確使用可在一定程度上優化現行機組維保制度，避免過度維保。離心壓縮機組以狀態監測結果為依據，優化離心機4000 h保養內容，節約了保養費用同時縮短8天保養時間，達到了機組運行時間與維護成本的最大平衡。

(3)實行無人值守有效減少人力資源成本。隨著監測系統現場應用的逐步成熟，現有12座頁巖氣增壓站實現無人值守，將機組PLC控制系統數據融合進入在線監測系統，對機組運行情況進行實時監控。無人值守制度化以來累計節約人力資源超20人，降本增效超過400萬元/年。

(4)形成在線監測系統“三級”管理模式。公司集中管理：設備管理部門整體協調推進在線監測診斷工作，管理人員通過軟件客戶端實現設備狀態監控，及時掌握設備運行狀態，作出正確決策。專業團隊診斷：由專業團隊市場化服務方式提供專業技術支撐，常態化開展診斷分析。現場運維及跟蹤驗證：使用單位負責在線監測診斷系統運行維護管理，根據診斷意見和檢維修建議，現場分析驗證并采取合理措施避免故障發生。

4.2 主要問題

對19臺機組在線監測系統2019～2020年運行情況分析，反映出的主要問題是：

(1)系統功能不完善：參數報警分級過，細報警信息較多；部分報警屬于設備正常啟停產生，并非真實故障預警；數據分析依賴人工完成；診斷報告還需加強對不同周期測點趨勢對比分析；性能分析與健康管理功能較弱，對生產預防性檢維修決策支撐不足。

(2)網絡通訊時有不暢：系統網絡不穩定，斷網情況時有發生，影響系統使用。

(3)運行管理執行不力：技術支撐單位與使用單位對機組異常狀態溝通不足，由于無人值守，未及時開展異常排查、驗證；使用單位管理職責及工作流程、標準還不明確，未建立異常報警的分級處理機制；狀態監測記錄檔案不全，未規范異常報警臺賬。

(4)技術支撐能力不足：使用單位開展頻譜、趨勢等故障診斷分析技術欠缺，對系統廠家的依賴性較強；系統廠家作為技術支撐單位后臺專家技術力量比較薄弱。

5 系統優化改進措施

針對頁巖氣壓縮機組在線監測系統存在的問題，結合國內相關行業及油氣田單位設備監測診斷工作開展的成果與經驗，對系統的改進與優化提出以下建議：

(1)加快故障自動預警、自動診斷功能的完善與應用。隨著人工智能技術的快速發展，設備故障自動預警、自動診斷已成為必然發展趨勢。提升監測系統故障預警、診斷自動化、智能化水平將有效彌補頁巖氣生產相關人員對故障監測診斷知識掌握不足的問題，對提高監測系統實用性具有重要意義。

(2)加強與機組控制系統的數據互通與綜合分析。機組PLC控制系統包含有大量工藝參數信息，對分析關鍵部件運行狀態具有重要作用，如不同排氣壓力狀態下機組振動特征差異性，需結合機組工藝參數變化完成。因此，在監測系統的應用過程中，應進一步完善監測系統與PLC控制系統的數據信息交互，充分發揮監測系統強大的時域、頻域、角域分析診斷功能，實現機組性能全面分析。

(3)加強設備管理人員監測診斷技術培訓。相關人員在監測系統應用過程中缺乏設備故障機理、診斷方法、系統操作等知識，長期不解決會造成監測系統無用的錯誤認識，阻礙系統的良性發展。因此，監測系統廠商應在提升售后服務水平的基礎上，加強對相關人員的技術培訓，特別是強化基礎知識與診斷方法的掌握，以保證監測系統的應用成效。

在上述優化改進措施落實的基礎上，隨著監測系統的深化應用，可促進設備檢維修管理流程，形成基于狀態監測的設備檢維修流程，詳見圖2，其主要特點是：

(1)加強了在線監測系統監測參數與機組PLC控制系統中機組運行狀態的融合應用，解決目前兩種系統在設備管理流程中相互隔離的問題，將設備運行狀態與故障預警的分析診斷充分結合，見圖2區域1。

(2)進一步完善、促進監測系統自動預警診斷功能在設備檢維修管理中的應用，通過不斷的預警、驗證等過程，逐步對預警診斷模型進行強化和完善，提高預警準確率，見圖2區域2。

(3)促進故障診斷數據庫的積累完善，為系統自動診斷提供強大的資源儲備，診斷正確率大大提高，驅動設備檢維修工作由定期與事后維修相結合的模式向預知維修轉變，見圖2區域3。

圖2 基于狀態監測的設備檢維修管理流程

(4)打通設備檢維修管理與故障機理、監測診斷方法研究之間的關聯性，一方面通過檢維修結果驗證自動預警診斷準確性；另一方面瞄準設備管理中的難點，構建頁巖氣壓縮機組典型故障庫，提升相關方法的實用性，見圖2區域4。

6 結論

(1)在線監測系統對頁巖氣壓縮機組維保周期的優化作用明顯，優化了4000 h保養內容，減少了機組停機時間；通過監測系統的使用，頁巖氣增壓站逐步實現無人值守，人力資源節約效果明顯。

(2)在線監測系統可實現對壓縮機組異常情況的實時監測、預警，通過監測結果可實現遠程故障診斷和預判，對機組的預防性維修起到了關鍵作用。

(3)在線監測系統在使用過程中暴露出功能欠缺、網絡不穩定、數據互通不足、運行管理執行不力、技術支撐不足等問題，是下一步系統改進的方向，也是系統能否真正促進頁巖氣壓縮機數字化轉型的關鍵。

(4)通過對在線監測系統的進一步總結、改進，可實現將現有的定期維護與事后維修相結合的設備檢維修模式優化為基于狀態監測的設備檢維修模式，進一步促進頁巖氣壓縮機組管理提升和頁巖氣的效益開發。