長輸管道集中調控關鍵技術應用現狀分析

代玉杰

(中國石油天然氣股份有限公司規劃總院,北京 100083)

隨著中國經濟發展對石油天然氣需求的增長,“十四五”期間國內的長輸管道仍處于快速發展時期[1],已形成覆蓋全域、連通海外、復雜龐大的油氣管網,形成“集中調控、區域分級管控”的管理模式[2]。隨著新建油氣管道規模擴大和互通互聯,對管道集中調控的理念技術和管理模式提出新的要求和挑戰[3],體現在提高數據采集與監視控制系統(SCADA)的穩定性、安全性和可靠性,提高SCADA的兼容性和信息共享,優化集中調控和仿真模擬技術等。SCADA是以計算機為基礎,集成網絡、通信和傳感技術,實現管道輸送自動化控制和集中調度控制。SCADA是管道運行管理的核心技術,在降低人為操作失誤避免安全事故、提高工作效率和降低運營成本方面發揮了重要作用[4]。介紹了長輸管道SCADA設計的基本原則、要求以及管道集中調控應用的關鍵技術現狀,并針對管道調控技術發展趨勢、熱點和前景進行了展望。

1 SCADA的功能和控制模式

SCADA的組成包括站控系統、調度控制中心和通信系統。通過采集管道運行數據傳送至調度控制中心,實現對管道、閥室、設備的監控和控制,并進行設備參數測量、調節以及信號報警等。SCADA的基本功能包括[5]: 站場關閉和啟動,遠程控制調節計量分輸站壓力、流量,遠程控制調壓系統、計量回路優先級、管路切換,閥門啟停,遠程ESD命令觸發,遠程設定組分,時鐘同步,RTU閥室設備監控。

SCADA是集中管理、分散控制的模式,分為三級控制: 調度控制中心級、站場控制級和現場控制級。調度控制中心與站場的控制權相互聯鎖且具有唯一性,正常情況下采用調度控制中心集中控制模式,經調度控制中心授權或通信系統故障,采用站控系統控制;設備檢修或事故狀態下,采用就地控制。站控系統控制模式下,調度控制中心只能監視站場數據,調度控制中心發出的ESD命令仍然有效。調度控制中心與站控系統實行通信通斷監測,中斷時間超過60 s,站控系統自動獲得控制權。

2 SCADA的設計

2.1 操作控制原則

管道控制系統設計的核心是操作控制原則,管道控制系統水平取決于操作控制原則的廣度、有效性和時效性。SCADA是管道操作控制原則的實現工具和手段,管道操作控制原則范疇決定了SCADA對管道管理的廣度和深度,包括管道正常運行時安全、可靠、經濟效益最大化,以及管道失效或緊急事故時應急預案合理、有效。因此,廣義的SCADA不是單一的設備控制管理系統,而是多功能、綜合性的管道運行管理與監控系統,包括對管道運行過程監測、控制、模擬、分析、預測、計劃、調度和優化并對管道線路及設備狀態進行診斷并采取保護措施[6]。

對標國外管道企業,以加拿大Enbridge公司為例,國內與國外管道行業差距體現在SCADA遠程控制的廣度和深度[7]。國內SCADA操作控制原則側重工藝設備自動化控制和流程切換,Enbridge公司強調對整個管道系統的操作控制,包括管道運營理念、設計基礎、輸送工藝、操作控制指令以及管道保護維護等,遠超出管道自動化控制的范疇。Enbridge公司在工程設計標準規范中制定了《管道操作維護程序》《控制中心運行》等技術手冊。國內還未制定管道操作控制原則的相關標準,表現為管道企業SCADA實現功能的差異性。為進一步挖掘SACDA在管道生產運行中發揮作用的程度,應深入理解和擴展管道操作控制原則的涵義及內涵。

2.2 主備控制中心冗余設計

為防止突發事件影響,采用主備控制中心模式,實現緊急情況下監控功能實時備用切換。主備控制中心在軟硬件和通信鏈路完全獨立,自動實現信息交換和數據庫同步更新,通過安全閉鎖功能認證實現管道控制權切換,保證控制權唯一性。調度控制中心的服務器、局域網、通信接口以及站控系統的主板、局域網、通信接口采用冗余熱備方式以增強可靠性,如某個設備發生故障,冗余熱備自動實現無擾切換,設備內存儲數據自動進行保存。

2.3 網絡通信系統

調度控制中心和站控系統采用“一主一備”通信通道,主通信采用光纖,備用通信租用公網或衛星。新建長輸管道時同溝敷設光纜,用于實時傳輸管道運行數據和信號,可通過平滑升級和擴容,滿足未來業務需求。應考慮通信系統除給SCADA提供的鏈路通道,還應為工業監視電視、視頻會議、自動化辦公系統、程控電話提供鏈路通道。調度控制中心與站控系統的通信速率不低于64 Kibit/s,調度控制中心與RTU閥室、清管站的通信速率不低于19.2 Kibit/s,數據傳輸誤碼率低于10-6,管道全線數據采集時間小于10 s。

為保證數據傳輸的高效可靠,應統一調度控制中心與站控系統的通信協議。SCADA的軟硬件設備符合國際標準的協議,例如MODBUS,CIP,IEC104,ODBC,OPC,硬件設備基于開放的標準化和模塊化設計,具備良好的適應性和擴展性,實現管理信息系統和過程信息系統的信息交互,以及新建管道建設和功能擴展。

2.4 人機界面及報警

人機界面(HMI)是操作人員的窗口,應體現高效、簡潔和實用的功能。管道輸送工藝信息盡可能集成到SCADA的HMI畫面,包括管道系統配置圖(工藝流程)、壓力坡降圖(含管道高程)、邏輯控制過程、通信鏈路狀態、全線實時流量、站場進出站壓力/溫度參數和報警組態顯示等。

報警信息應有效準確,報警等級、分組層次清楚,包括識別通信中斷、工況轉換等復雜情形,并考慮特殊聲光報警等,實現報警過濾,避免“報警風暴”。報警信息應在流程圖上單點顯示,包括名稱標簽(位號)、地理位置、數值、時間、事件描述。

3 管道集中調控應用的關鍵技術

管道集中調控是一個動態過程,應根據管存工況、環境條件和用戶需求變化適時調整管道運行參數,了解和掌握管道潛在隱患情況。管道集中調控除采集運行參數、監視工藝流程和遠程控制設備以外,還應借助先進控制算法提供輔助分析決策,例如管網在線模擬仿真、設備優化運行、制定輸送方案、泄漏檢測及定位、計量輸差管理和調度員培訓等。

3.1 地理信息系統

地理信息系統(GIS)是對空間數據進行采集、存儲、管理、分析、顯示與應用為一體的可視化計算機系統,是分析處理海量地理數據的通用技術。GIS技術具有強大的空間數據采集、處理、分析和可視化功能,彌補SCADA在空間數據處理方面的缺陷。通過整合管道設施空間、圖形、維護、監控及地理信息,將管道系統狀況通過視聽手段實時提供給管理者。SCADA和GIS集成應用實現在地理信息和實時數據方面的優勢互補,通過整合空間位置信息和管道靜態/動態信息,增強數據表達功能,提高管道系統監視和決策的準確性,形成基于GIS和SCADA技術的管道調控運行管理系統。

3.2 決策支持系統

決策支持系統(DSS)是管理信息系統向高級階段發展衍生的形式,DSS基于決策科學相關理論,以信息技術為手段,用于解決非結構化決策問題。DSS通過收集背景材料、確認問題邊界、調整完善模型、分析比較可能方案及后果,結合專家知識,為管理者做出決策提供人機交互式信息幫助。DSS的特點是適應性強、成本低、持久性以及響應快速、穩定、完整等。

管道集中調控的難點是數據量大、數據類型為動態實時型、決策分析滯后、人工效率低、調控方案憑人工經驗,決策缺乏系統性等。DSS的數據庫可快速完成決策分析所需的數學抽取,數據處理效率顯著提高;DSS的模型庫對復雜管網進行合理簡化,建立典型工況模型,為管理者推理、分析提供科學性決策;DSS的知識庫可整合專家經驗并依據調度技術原則,提高決策的系統性;DSS的方法庫中接口仿真技術可對計算結果驗證其準確性,因此DSS可以較好地解決管道集中調控中的難題。目前,管道集中調控中DSS應用還處于初步階段,例如決策科學理論與管道運行技術的相關性,模型庫與實際管道的差異性,知識庫樣本數量等還有待進一步完善。

3.3 管道仿真技術

仿真技術隨計算機技術發展被應用于解決復雜多變的油氣調運問題,應用于管道設計、改建、運行分析、泄漏監測和調度管理。管道仿真技術可為研究管道水力熱力特性、模擬多種介質輸送過程、制定運行方案和應急預案、管道輔助設備選型提供指導,是提高管網調控科學性和經濟性的有效手段。

管道仿真技術以油氣儲運理論為指導,建立油氣儲運問題的模型及算法,技術路線是對管道系統壓縮機、泵、閥門、管道、儀表等設備進行數字化,按照設備之間控制邏輯建立數學模型,實現管道穩態或瞬態運行輔助分析。

國際知名管道仿真軟件有英國ESI公司的TGNET軟件和Advantica公司的SPS軟件,均基于系統動力學的建模方法,建立描述管道運行狀態的水力、熱力系統數學模型,調整初始輸入條件,研究系統響應情況。模型涵蓋閥門、泄壓/減壓設備、首站/分輸站、泄漏檢測與定位、水擊控制和保護等。利用數值計算方法求解管道運行參數,模擬管網運行情況。中國也研發了大型天然氣管網在線仿真系統,涵蓋天然氣管道長度約1×105km,基本實現對管網能耗、輸量、關鍵點運行參數的在線模擬和預測,對保證天然氣管網應急保供能力提供技術支持。但國內的管道仿真軟件在功能、性能、設計思路和模型算法上還存在差距,還未制定統一、公認的標準規范,特別是油氣調配的過程控制問題從技術層面還需進一步研究。

3.4 管道優化運行技術

評價管道運行管理水平的一項重要指標是在安全基礎上優化運行。20世紀90年代發展的輸油管道穩態優化運行技術,以能耗最小為研究目標,采用動態規劃算法求解;輸氣管道優化技術采用遺傳算法等。21世紀大型天然氣管網穩態和瞬態優化運行技術成為研究熱點,以站場壓力和管道流量為變量的穩態優化運行模型較成熟,管網瞬態優化運行軟件還缺少工程應用案例。

天然氣管道優化運行研究難點在于氣源多,用戶類型多,聯絡點、通道復雜,應綜合管道仿真、最優化理論、壓縮機性能分析技術,重點解決氣源優化、銷售優化、流向優化、壓縮機組優化、管存優化和運行壓力優化等問題,探討應用月/周/日預測控制三級優化管理模式。成品油管道優化運行研究目標是增輸、減少混油,應進一步研究油品界面跟蹤監測及減阻劑技術,掌握成品油管道混油分布規律和切割方法,提高管道輸量和輸送效率。

4 管道集中調控技術發展趨勢

為應對新建管道入網擴充和集中調控的風險挑戰,應進一步革新現有理念、技術和管理模式,以SCADA系統軟件國產化研發為基礎,融合模糊邏輯控制技術、人工神經網絡預測技術,推進專家輔助系統建設,提升智能化調控水平;運用系統工程學理論解決氣源調配、管存平衡和管網配置;整合信息管理系統,借助數據挖掘技術和大數據技術,充分發揮集群優勢和控制能力。

4.1 邏輯控制統一

管道集中調控下現場設備操作主要是根據邏輯自動實施,人為操作少。目前國內的長輸管道輸送控制邏輯涉及多家設計院和集成廠家,邏輯控制缺少統一標準,設計水平、編程方式、控制理念等存在差異,對于管道運行操作造成不便。建議分析必選在役管道控制邏輯,結合大口徑、高鋼級、高壓力天然氣管道運行控制特點,制定標準化的管道控制邏輯,指導新建管道設計及建設,滿足集中調控需求。

4.2 數據挖掘和大數據技術

當前,石油天然氣工業智能化和信息化系統快速推進、融合,大數據技術作為科技產業競爭的前沿技術,將為管道技術發展產生新的機遇和革新。國內管道已積累多年管道海量生產運行數據,已嘗試利用部分數據分析管道調度員技能水平,仍有海量數據有待挖掘和利用。有必要收集整合分類各類型管道運行數據,結合管道調度輔助分析技術和數據挖掘技術,分析數據表征的管道運行狀況,更好地規劃油氣生產、調運和銷售,其中天然氣管道數據挖掘技術廣泛應用于管道優化運行、根據氣候溫度變化預測用氣量和完善高效事故應急技術。

4.3 智能化管道

隨著信息、網絡和自動化技術發展,管道被逐漸“智能化”。管道智能化較為公認的定義是綜合利用通信與信息技術、計算機網絡技術、GIS技術、智能控制技術等匯集而成的針對油氣管道的智能集合。智能化以SCADA為基礎,以仿真優化技術、專家決策系統和模糊邏輯控制為手段,全部或部分替代調度員的思維行為,實現管道系統和重要設備運行和操作自動決策,實現管道線路和站場管理有機結合。國內的長輸管道智能化研究重點是改進設備維護保養機制降低失效率,進一步完善站場設備遠程控制技術;SCADA系統國產化軟件實現管道智能化調控,實現油氣管道自動啟停輸,實現輸氣管道分輸站自動調壓分輸,實現管道自動優化運行;推動管道調控技術實現理念的根本轉變。

5 中國管道集中調控存在問題及發展建議

國內長輸管道的SCADA在控制水平,特別是遠程控制的深度和廣度方面,與歐美管道行業存在較大差距。國內長輸管道設計按照“有人值守、無人操作”指導思想,即在調度控制中心指揮下,管道沿線站場站控系統和RTU閥室完成監控和操作;但受到諸多客觀因素,管道生產運行不能全部通過遠程控制操作[8]。從SCADA維護方面,長輸管道SCADA系統軟件平臺是國外廠家研發;國內管道SCADA系統由專業公司設計建設,管道企業技術人員參與程度低,后期運維多委托專業公司,對管道生產運行造成不便,且增加運行成本[9]。從SCADA設備接口方面,站場部分調壓撬、壓縮機系統屬于不同廠家或軟件平臺,其運行參數接入SCADA進行控制操作,在時效性和穩定性上存在不足。SCADA網絡安全風險表現在[10]: 缺乏完善系統的網絡策略和安全管理程序,缺乏綜合性物理防護措施和訪問控制策略;廣泛使用TCP/IP,對工控網絡安全性、可靠性造成風險;中控機、站控機采用Windows平臺未安裝補丁,病毒易入侵、擴散等;網絡系統內部相互干擾、攻擊事件難追溯。

未來管道調控技術重點發展領域是SCADA系統設計建設、遠程自動控制和自動化水平、應急指揮協調系統和人員資質培訓等;未來研究應用重點是以SCADA系統研發為基礎,融合模糊邏輯控制、遺傳神經網絡及專家系統,推進管道智能化調控。在油氣資源配置方面,應用系統工程理論解決區域間資源優化調配、供需平衡和管網系統配置優化;在信息化方面,充分挖掘和積累運行數據,形成集群優勢,推進大數據技術提高管道精細化控制水平。