淺談油氣管道運輸中的工藝設備與自動化控制

劉振宇

（大慶石化公司，黑龍江 大慶 163711）

油氣管道的運輸距離較長，運行環(huán)境更為惡劣。在油氣管道上部需要安裝脫水站、油水井、油庫工藝設備。因這些設備種類復雜，功能多樣，還應當在原有基礎上配備自動化控制裝置，發(fā)現(xiàn)與解決存在于油氣管道運輸設備中的故障問題，并對此設備進行自動化管控，確保油氣運輸工作能夠始終處于安全高效的開展范圍內(nèi)。

1 油氣管道運輸特征

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷加快，石油及天然氣領域迎來了嶄新發(fā)展機遇，在現(xiàn)有能源總體系中占據(jù)的地位進一步強化。石油及天然氣能源具備顯著的高壓、高溫特征，在實際運輸期間還具備易燃、易爆、有害及有毒等風險因素，對油氣管道運輸工作提出了更高要求。由于相關工作人員沒有嚴格遵照既定規(guī)范開展作業(yè)，故障隱患排查任務沒有得到充分落實，導致油氣管道運輸期間的安全風險發(fā)生概率進一步提升，嚴重影響企業(yè)及社會綜合效益，阻礙了油氣行業(yè)的發(fā)展進程。

因此，為保障油氣管道運輸工作始終處于安全高效范圍內(nèi)開展，還需要加強運輸期間的管控力度，最大限度消除各設備運行過程中的安全隱患，保障各設備平穩(wěn)運行。油氣運輸實則就是天然氣與石油的運輸環(huán)節(jié)，天然氣與石油性質(zhì)特殊，管道運輸較長，現(xiàn)有我國油氣運輸管道約10萬公里，與多個海外國家相連，成為第五大運輸形式。相較其他油氣運輸手段而言，利用管道運輸油氣的能源消耗量較低，能夠適應各類復雜的地形地貌。但由于管道以及其他設備長時間處于惡劣環(huán)境下運行，極容易出現(xiàn)腐蝕問題，實際安全隱患較多，需要著重開展關于油氣管道運輸自動化系統(tǒng)的研發(fā)及推廣工作，從根本上保障油氣管道運輸環(huán)節(jié)的安全性。

2 自動化控制技術在油氣管道運輸中的應用重要作用

2.1 提升各資源利用率

通過細致分析現(xiàn)階段油氣管道運輸行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營建設流程，發(fā)現(xiàn)因生產(chǎn)環(huán)境環(huán)節(jié)過于復雜，管道及其他附屬設備管理仍需要做好定期巡檢工作，對人力資源與物力資源的需求度更高。通過將重點開發(fā)自動化控制系統(tǒng)，能夠有效控制工作人員強度，輔助工作人員對油氣管道運輸工藝及設備進行全面監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)與解決生產(chǎn)現(xiàn)場設備問題，確保生產(chǎn)設施能夠始終處于高效安全的運行環(huán)境。當前信息技術更加完善，為自動化控制系統(tǒng)的運行提供了更加安全可靠的平臺，進一步提升了人力與物力資源成本利用率，使油氣管道運輸期間的經(jīng)濟效益能夠盡早實現(xiàn)最大化目標。

2.2 加快生產(chǎn)效率

通過將自動化控制技術應用在油氣管道運輸環(huán)節(jié)，還可以從根本上提高石油運輸生產(chǎn)效率，確保設備運行故障問題能夠得到及時發(fā)現(xiàn)與解決。同時，運用自動化管控技術，還可以將各類設備運行技術參數(shù)輸送到計算機系統(tǒng)內(nèi)部，運用自動化管控設備，對石油管道運輸全過程進行結果。由于工作人員可以直接利用計算機設備輸送指令，節(jié)省了較多不必要工作銜接，使石油管道運輸工作效率能夠得到根本提升。

2.3 增強系統(tǒng)可操作性能

在石油管道運輸配合使用先進的自動化控制技術，還能夠從根本上提高石油管道運輸設備的可操作性能。具體而言，自動化控制技術的邏輯性較強，操作較為便捷。配合使用自動化控制系統(tǒng)中的診斷功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)存在于設備運行期間的異常問題，分析導致設備異常問題出現(xiàn)原因，并及時向運維人員匯報，降低了石油管道運輸期間到安全事故發(fā)生概率。通過設立生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)作為石油管道運輸工程重大事項決策制定依據(jù)，綜合評估生產(chǎn)工程階段性成本效益，保障生產(chǎn)環(huán)節(jié)科學高效開展。

3 石油管道運輸自動化管控方式

3.1 工藝設備特征分析

通過分析油氣運輸環(huán)節(jié)，對工藝設備運行特征進行細致判別，不斷優(yōu)化自動化管控系統(tǒng)功能。具體而言，油氣運輸管道系統(tǒng)內(nèi)部包括輸油干線、中間分輸站、穿越站、油田集輸管道。在油氣運輸管道系統(tǒng)內(nèi)，各設備均肩負起重要的運行職責，并直接影響油氣運輸?shù)陌踩耘c可靠性。油氣運輸管道種類較多，不同管道適用的運行環(huán)境及運行要求不同。如油田集輸管道主要用于輸送石油，屬于原油管道類型；長距離輸送油氣管道主要用于輸送天然氣，屬于成品管道類型。

通常情況下，石油運輸管道的運輸距離較長、運輸量巨大、管徑多樣且存儲時間較長。天然氣運輸管道則為連續(xù)密封系統(tǒng)，要求在天然氣運輸期間必須始終處于帶壓狀態(tài)。天然氣運輸管道故障發(fā)生時能夠釋放出的能量巨大，并伴有爆炸或明火現(xiàn)象，造成的經(jīng)濟損失巨大，因此，需要著重加強天然氣管道安全管控力度。

3.2 油氣管道運輸事故成因

結合油氣管道運輸設備的運行特征以及油氣管道運輸安全事故案例，理清油氣管道運輸事故成因，并構建事故成因關系鏈，為后續(xù)設計自動化控制系統(tǒng)功能指明方向。導致油氣管道運輸事故的原因主要為管體缺陷與焊縫缺陷兩大方面。其中，管體缺陷可表現(xiàn)為腐蝕缺陷、環(huán)境缺陷、制造缺陷以及施工缺陷。由于油氣管道設備安裝及后期運維過程中沒有嚴格落實相關職責，導致管道結構極易出現(xiàn)腐蝕或開裂情況。焊縫缺陷可表現(xiàn)為氣孔、裂縫、錯邊等情況。因在焊接期間，焊接工藝及焊接參數(shù)管控不當，導致油氣運輸管道運營壽命縮短，后期運維難度進一步增長。

3.3 選擇自動化監(jiān)測硬件

結合油氣管道運輸工程實施特征與實施過程中的安全管控要求，需要在設計自動化控制系統(tǒng)期間選擇適宜的自動化監(jiān)測硬件設備，并對自動化監(jiān)測硬件設備進行科學部署。現(xiàn)有自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、微處理器等裝置，結合油氣管道運輸特征，通過各類傳感器獲取油氣管道運輸期間的參數(shù)數(shù)值，為后續(xù)自動化控制程序以及控制參數(shù)的設定提供重要依據(jù)。不同種類傳感器間肩負的運行職能不同，運行要求存在較大差異。如溫度傳感器需要保障其應用期間的適用性及靈活性，壓力傳感器需要具備溫度補償功能。流量傳感器的計算精準度需保持在較高水平，并可實現(xiàn)集中控制目標。視頻傳感器需要在復雜環(huán)境下也能夠保持光感細膩，獲取更細致的影像資料。借助Tiny OS操作系統(tǒng)將自動化控制系統(tǒng)中的傳感器與組件設備連接在一起。自動化控制程序設計初始階段，還需要加入申請網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀，并依照一定周期利用傳感器采集油氣運輸數(shù)據(jù)。如果采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化，還需將變化后的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到射頻模塊。因傳感器數(shù)據(jù)采集期間會受到環(huán)境及溫度等因素影響，導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，使后續(xù)自動化控制效果與預期目標存在一定差距，因此，還應當選擇合理方式對傳感器信號進行科學處理。由于油氣管道運輸期間對數(shù)據(jù)的實質(zhì)性要求較為嚴格，應當合理設計數(shù)據(jù)采集時間間隔，結合具體運輸情況，對傳感器的采集參數(shù)進行調(diào)試。

微處理器在自動化控制系統(tǒng)中是硬件構架的匯聚節(jié)點，肩負起數(shù)據(jù)存儲與處理任務。在微處理器初始化時會進入發(fā)送模式，并向其他節(jié)點發(fā)送信號，接收來自不同傳感器的數(shù)據(jù)幀。

在接收數(shù)據(jù)幀后，還需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理節(jié)點。微處理器需要在油氣運輸管道自動化控制系統(tǒng)中循環(huán)運行，直到數(shù)據(jù)采集任務終止。為有效控制自動化控制系統(tǒng)建設與運行成本，設計人員還可使用三邊測量方式選擇適宜的傳感器位置，對傳感器布置結構進行科學優(yōu)化及部署。

3.4 油氣運輸自動化控制實現(xiàn)

通過選擇出更合理的自動化監(jiān)測硬件設備，配合使用PID控制原理設計油氣管道運輸自動化控制程序，從根本上保障油氣管道運輸工作的安全性與有序性。PID控制原理主要就是一種線型控制形式，需要由實際輸出值與給定差值計算獲得，配合使用比例、積分及微分運算計算出最終控制輸出量。

在油氣石油運輸自動化控制程序設計期間，應當首先做好PID參數(shù)取值工作，結合油氣運輸自動化控制目標，對PID參數(shù)進行實時調(diào)整，最大限度滿足油氣運輸安全管控要求。配合使用實驗測試方式，對設計出的自動化控制系統(tǒng)進行閉環(huán)模擬運行，獲取控制器響應數(shù)據(jù)，以曲線方式將數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)出來，評估PID控制器性能影響，使PID自動化控制程序中的油氣運輸管道溫度、壓力、流量以及管壁應力等參數(shù)數(shù)值均符合油氣運輸實際要求。

4 自動化控制技術在油氣管道運輸工程中的應用

4.1 數(shù)據(jù)傳輸與采集

在油氣管道運輸工程實施過程中，管道運輸期間的各項參數(shù)數(shù)值也可作為管道設備管控重要依據(jù)，因此，為從根本上提升油氣管道運輸監(jiān)管力度，還是要做好數(shù)據(jù)采集與傳輸工作，相較傳統(tǒng)油氣管道運輸工程電纜而言，自動化技術下的光纖信號傳輸穩(wěn)定性更為顯著，傳輸效率高，將光纖作為傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)的代替已經(jīng)成為油氣管道運輸工程自動化的重要發(fā)展趨勢。光纖可從根本上提高油氣管道運輸工程電氣自動化設備的智能化水平，使油氣管道運輸工程生產(chǎn)期間的數(shù)據(jù)利用率進一步增長。

為保障數(shù)據(jù)傳輸效果，加強自動化設備運營水平還需要借助高級智能終端及間隔層開展數(shù)據(jù)采集工作，著重關注程序接口標準化及軟硬件產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)交換，確保油氣管道運輸工程自動化生產(chǎn)期間的數(shù)據(jù)傳輸水平穩(wěn)定提升。

4.2 在設備狀態(tài)管控中的應用

通過在油氣管道運輸工程生產(chǎn)各設備中安裝自動化系統(tǒng)，可以對設備運行狀態(tài)進行全程化管控。如發(fā)現(xiàn)設備內(nèi)存在異常狀態(tài)，管控系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)分析結果直接反饋給監(jiān)控系統(tǒng)中，確保油氣管道運輸工程生產(chǎn)內(nèi)部運行正常區(qū)域能夠與故障設備快速分割，保障油氣管道運輸工程生產(chǎn)能夠始終處于正常高效的運行狀態(tài)。

具體來說，應用自動化控制技術可加強管道泄漏預防力度，促進油氣管道工程運輸工作安全開展。研發(fā)并應用管道模擬仿真軟件、GPS技術、可編程邏輯控制系統(tǒng)，對管道實際運行情況展開全面監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在于管道運行過程中的泄漏風險問題，并由此對油氣運輸管道展開專項運維，從根本上提升運維質(zhì)量效率，控制管道運維成本。

4.3 在設備參數(shù)調(diào)整中的應用

配合使用功能完善的自動化化管控計算機設備，能夠?qū)τ蜌夤艿肋\輸工程生產(chǎn)內(nèi)部及外部運行數(shù)據(jù)進行全面收集，以便能夠切實反饋出油氣管道運輸工程生產(chǎn)內(nèi)部各機組運行狀態(tài)，對機組內(nèi)部數(shù)據(jù)參數(shù)進行進一步控制。結合油氣管道運輸工程生產(chǎn)實際要求，設置自動化設備的開啟關閉環(huán)節(jié)。確保油氣管道運輸工程生產(chǎn)設施能夠依據(jù)設計好的技術參數(shù)，及時調(diào)節(jié)頻率與電壓，從根本上提升實際生產(chǎn)水平。

自動化技術進一步增強了油氣管道運輸工程電氣自動化中的程序化水平，借助自動化化系統(tǒng)，將油氣管道運輸工程生產(chǎn)流程、實際操作方式及自動化技術等內(nèi)容輸入電氣自動化計算機系統(tǒng)內(nèi)，切實增強系統(tǒng)及設備流程管控水平，使油氣管道運輸工程設備始終處于長效平穩(wěn)的運行狀態(tài)。

5 結語

總而言之，通過將自動化控制技術應用在油氣運輸管道工程中，能夠及時發(fā)現(xiàn)存在于油氣運輸設備期間的各類安全隱患問題，對設備運行參數(shù)進行自動化管控，切實保障油氣運輸設備高質(zhì)高效運行。為充分發(fā)揮出自動化控制技術的應用重要性，還需要結合現(xiàn)有油氣運輸要求，不斷優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)功能，最大限度縮短參數(shù)調(diào)節(jié)時間，為促進我國油氣生產(chǎn)行業(yè)自動化、現(xiàn)代化發(fā)展奠定堅實技術基礎。