長輸管道自動化技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王 敏 周長李 曹 威

（1. 煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041；2.國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國已建成覆蓋全域、復(fù)雜龐大的長輸管道網(wǎng)絡(luò)。截至2022年，國家管網(wǎng)集團管轄天然氣管道超過5.47×104m，管輸能力達(dá)到3070×108m3。隨著新建管道互聯(lián)互通，對管道自動化技術(shù)和管理模式革新提出新要求，體現(xiàn)在保障管網(wǎng)運行安全及可靠性，實現(xiàn)油氣資源快速、高效、精準(zhǔn)調(diào)配。管道智能化、遠(yuǎn)程控制以及建設(shè)無人值守站場是未來管道設(shè)計建設(shè)的發(fā)展趨勢[1]。自2007年我國建立油氣調(diào)控中心，整合管道數(shù)據(jù)采集、調(diào)度、操作、運行和維搶修，形成“集中調(diào)控、區(qū)域分級管控”管理模式。在管道自動化控制水平、天然氣管道無人值守和調(diào)峰能力方面，相比歐美發(fā)達(dá)國家存在差距。開展國內(nèi)外管道自動化技術(shù)對標(biāo)分析，提出管道遠(yuǎn)程控制和無人值守站場的技術(shù)需求，分別從SCADA系統(tǒng)安全可靠性、大數(shù)據(jù)技術(shù)、仿真優(yōu)化技術(shù)和決策分析系統(tǒng)等方面，探討管道調(diào)度控制中心建設(shè)新技術(shù)以及管道運行管理新模式，對于保障油氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、高效運行具有重要意義。

1 管道自動化技術(shù)對標(biāo)分析

管道自動化技術(shù)設(shè)計核心是操作控制原則，SCADA系統(tǒng)是操作控制原則的實現(xiàn)工具和手段，操作控制原則的廣度和有效性代表了管道自動化技術(shù)水平。管道操作控制原則涵蓋管道正常運行時安全、可靠、經(jīng)濟效益最大化，以及管道失效或緊急事故時應(yīng)急預(yù)案合理、有效。歐美長輸管道自動化技術(shù)趨于成熟，調(diào)度控制中心完成數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷和工況控制，實現(xiàn)站場無人值守。美國Alliance輸氣管道，全長3848km，設(shè)置壓氣站14座、計量站35座，管道控制中心在Calgary市，實現(xiàn)對管道干線、支線、站場、截斷閥室和液化處理站的監(jiān)視和控制，區(qū)域管理人員白天進(jìn)行管段巡檢維護(hù)，夜間無人值守。

從20世紀(jì)70年代我國開始長輸管道建設(shè)，管道自動化控制技術(shù)從單回路控制向集中調(diào)控轉(zhuǎn)變，在西氣東輸開展天然氣管道壓縮機遠(yuǎn)程控制研究，在西部管道進(jìn)行無人值守站場設(shè)計及支持技術(shù)研究。站場無人值守首要解決應(yīng)對緊急情況，例如輸氣站天然氣泄漏實時監(jiān)測技術(shù)；其次是完善設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)、火災(zāi)監(jiān)視和功能安全防護(hù)；借助局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)完成設(shè)備故障診斷等，需要研發(fā)配套自動化技術(shù)支持體系。此外，還應(yīng)制定針對管道火災(zāi)、爆炸以及泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)和維搶修預(yù)案，保證管道特殊工況下風(fēng)險可控。

對標(biāo)國外管道行業(yè)，我國管道行業(yè)差距表現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)控制范疇廣度和深度，國內(nèi)側(cè)重機械設(shè)備自動化控制和工藝流程。國外側(cè)重對管道系統(tǒng)的控制，包括運營理念、設(shè)計原則、輸送工藝、操作指令以及管道維護(hù)防護(hù)等，不僅局限于管道自動化控制范疇，為充分發(fā)揮SACDA系統(tǒng)在管道生產(chǎn)運行中作用，應(yīng)深入拓展管道操作控制原則內(nèi)涵應(yīng)用于管道設(shè)計建設(shè)。

2 管道SCADA系統(tǒng)可靠性和安全性分析

SCADA系統(tǒng)可靠性指系統(tǒng)運行不受局部故障影響，實現(xiàn)高可靠性和低失效率統(tǒng)一。提高SCADA系統(tǒng)可靠性主要通過兩個途徑，首先優(yōu)選性能穩(wěn)定、質(zhì)量高的元器件；其次故障狀態(tài)下系統(tǒng)仍執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行結(jié)果不會因系統(tǒng)故障而產(chǎn)生差錯。為防止突發(fā)事件影響，采用主備控制中心，緊急情況下監(jiān)控功能實時切換。主備控制中心軟硬件、通信鏈路獨立建設(shè)，自動信息交換和數(shù)據(jù)庫同步更新。建議完善管道控制權(quán)互鎖、主備控制中心實時同步技術(shù)。

SCADA系能安全包括功能安全和信息安全兩方面。SCADA系統(tǒng)功能安全指實現(xiàn)對控制對象的控制權(quán)，在控制功能失效情況下的風(fēng)險防護(hù)。功能安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本成熟，例如國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》。但功能安全理念在SCADA系統(tǒng)中尚未充分應(yīng)用，部分功能安全設(shè)計未達(dá)到預(yù)定的安全完整性等級。中石油管道SCADA系統(tǒng)控制中心應(yīng)達(dá)到國家保護(hù)等級四級要求，站控系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到國家保護(hù)等級三級要求。

SCADA系統(tǒng)安全指系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)及功能免遭攻擊和破壞，防止非法訪問和破壞，防止計算機病毒破壞等。SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與其他網(wǎng)絡(luò)物理隔離，例如應(yīng)用網(wǎng)閘單向隔離技術(shù)實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)有效邊界隔離。建議借鑒過程、化工、電力行業(yè)的安全防護(hù)方案，提出管道SCADA系統(tǒng)安全防護(hù)的策略和理念—橫向隔離、縱向認(rèn)證。安全防護(hù)系統(tǒng)中的身份鑒別、訪問控制、安全審計等措施覆蓋到網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。

3 管道自動化控制運行管理新模式

鑒于自動化技術(shù)發(fā)展和無人值守管理要求，需創(chuàng)新管道運行管理模式，從集中調(diào)控向以用戶自動分輸為核心的全面遠(yuǎn)程控制。智能化調(diào)控以SCADA系統(tǒng)軟件和自動化技術(shù)為基礎(chǔ)，借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息化手段，融合模擬仿真、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家決策系統(tǒng)，實現(xiàn)管道系統(tǒng)運行自動調(diào)整優(yōu)化；運用系統(tǒng)工程理論，解決區(qū)域資源調(diào)配和管網(wǎng)平衡配置等；整合信息管理系統(tǒng)，借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分發(fā)揮集群優(yōu)勢和控制能力。

3.1 構(gòu)建管道大數(shù)據(jù)和信息化網(wǎng)絡(luò)

建立管道系統(tǒng)設(shè)計、施工和運行階段的數(shù)據(jù)庫，包括SCADA系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)、管道地理信息系統(tǒng)GIS、站場工藝設(shè)備和維搶修設(shè)備信息，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新完善，形成大數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)價值，支撐管道主營業(yè)務(wù)信息化管理，包括管道線路管理（完整性管理）、資產(chǎn)管理（設(shè)備診斷、備品備件）、能耗管理和應(yīng)急管理等。

3.2 研發(fā)模擬仿真技術(shù)

仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道設(shè)計改造、工況分析、泄漏檢測，以及模擬管道輸送多種介質(zhì)運行特性、管道輔助設(shè)備選型、制定運行方案和應(yīng)急預(yù)案等。仿真技術(shù)基于機械設(shè)備控制邏輯，建立以壓力、溫度、流量和時間為變量的管道狀態(tài)方程，開展管道穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)運行分析。管道在線仿真技術(shù)是在瞬態(tài)模擬基礎(chǔ)上增加狀態(tài)評估方程，實時采集SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對比、校核、評估仿真計算結(jié)果和實際測量值的符合性。國際知名管道仿真軟件是SPS（Stoner Pipeline Simulator）、Pipeline Studio、Fluidflow。我國研發(fā)大型天然氣管網(wǎng)在線仿真系統(tǒng)，覆蓋天然氣管道長度12×104km，實現(xiàn)對管網(wǎng)能耗、輸量、關(guān)鍵點運行參數(shù)在線模擬和預(yù)測，對于保證天然氣管網(wǎng)應(yīng)急保障能力提供技術(shù)支持。我國管道仿真軟件在功能時效性和模型算法精度還存在差距，特別是油氣調(diào)配的系統(tǒng)控制問題還需進(jìn)一步研究。

3.3 開展能耗分析助力企業(yè)節(jié)能增效

能耗是衡量管道企業(yè)經(jīng)濟效益的基本指標(biāo)。20世紀(jì)90年代應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃算法，以電能最小為優(yōu)化研究目標(biāo)，發(fā)展形成輸油管道優(yōu)化分析技術(shù)。21世紀(jì)大型天然氣管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)優(yōu)化運行技術(shù)成為研究熱點，目前基于管道流量為目標(biāo)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行模型較成熟，基于管道溫度/壓力的瞬態(tài)優(yōu)化運行軟件還缺少更多工程案例驗證。天然氣管道瞬態(tài)優(yōu)化運行研究難點在于氣源流向多、分輸/聯(lián)絡(luò)點多、用戶類型多樣等，涉及管道仿真、最優(yōu)化理論、壓縮機運行等多項技術(shù)，重點解決氣源優(yōu)化、分輸優(yōu)化、壓縮機組運行工況優(yōu)化、管存量優(yōu)化和進(jìn)出站壓力優(yōu)化等。

3.4 推進(jìn)管道大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)作為智能化和信息化領(lǐng)域的前沿技術(shù)，將為管道行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供新的機遇和手段。國內(nèi)管道企業(yè)已積累多年海量級別的管道生產(chǎn)運行維護(hù)數(shù)據(jù)，已開展研究利用事故數(shù)據(jù)，模擬培訓(xùn)評估管道控制中心調(diào)度員技能水平。未來需整合各種類型、等級管道運行數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，用以表征管道運行狀況，用以規(guī)劃油氣資源調(diào)運和銷售，文獻(xiàn)[2]研究了天然氣管道數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，應(yīng)用于管道優(yōu)化運行、基于環(huán)境溫度預(yù)測用氣量以及應(yīng)急響應(yīng)等。

3.5 提高運營決策科學(xué)性

管道管理著應(yīng)根據(jù)管存狀況、環(huán)境溫度和用戶需求及時、適時調(diào)整管道運行方案。管道運行管理的難點是需要快速處理海量數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，如決策分析滯后、效率偏低、主觀經(jīng)驗影響決策科學(xué)性。為消除人為主管因素影響，在制定運行方案、評價設(shè)備運行狀態(tài)、評估泄漏可能性和計量輸差分析中，應(yīng)借助和采用先進(jìn)控制論算法提供輔助分析決策。決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS）技術(shù)遠(yuǎn)離是決策科學(xué)理論，主要解決非對稱、非結(jié)構(gòu)化優(yōu)化問題。典型DSS工作流程是通過收集數(shù)據(jù)材料、確認(rèn)目標(biāo)邊界條件、選定分析模型、比選決策方案及后果，結(jié)合專家?guī)熘R，為管道管理者做出決策提供人機交互式信息輔助。DSS優(yōu)點是適應(yīng)范圍廣、無成本、快速響應(yīng)、兼顧穩(wěn)定性和完整性等。目前管道操作控制中DSS應(yīng)用還處于初級階段，還需要解決相關(guān)問題，包括決策科學(xué)理論與管道輸送理論的相關(guān)性，事故數(shù)據(jù)模型庫與目標(biāo)管道的差異性，專家知識庫樣本數(shù)量有限等。

4 結(jié)語

目前管道自動化技術(shù)更新?lián)Q代加快，管道被“智能化”趨勢明顯。一般意義上，管道智能化指融合計算機科學(xué)技術(shù)、通信信息技術(shù)、地理信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)的集合體，即以SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，以仿真技術(shù)、專家決策技術(shù)手段，全部或部分替代管理者的思考、分析和判斷，實現(xiàn)管道系統(tǒng)運行和操作自動實時決策。

綜合比較國內(nèi)外在管道運行管理、自動化和信息技術(shù)方面的差距。為應(yīng)對油氣管道快速擴容和全面遠(yuǎn)程控制需求，管道運行管理理念、技術(shù)和模式應(yīng)不斷革新，研究重點是SCADA系統(tǒng)軟件國產(chǎn)化應(yīng)全面實現(xiàn)天然氣管道遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)管道自動啟停輸、分輸站自動調(diào)壓計量分輸以及壓縮機運行工況優(yōu)化，改進(jìn)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)機制降低故障失效率，精準(zhǔn)提升管道自動化和智能化水平。