油氣田智能站場建設研究

滕奇剛?馬維儒?熊立為

摘要：按照智能油氣田定義，智能站場具備智能監控、智能診斷、自動預警、自動控制、數據智能分析五項技術特征和以生產運行集中調控為標志的管理特征，在智能化站場建設過程中同步推進技術應用和管理變革，才能實現預期目標，從數字化、可視化、自動化、智能化、軟件化五個方面解決智能化關鍵技術問題，在管理上解決與智能化技術應用相匹配的管理變革問題，各油氣田企業需要在實踐探索中逐步形成智能化站場系統解決方案，達到智能化應用場景落地、智能化軟件成熟可靠、智能化管控模式匹配的發展目標[1]。

關鍵詞：油氣站場；大數據；智能化；智能油田

一、前言

油氣站場作為油氣生產的重要場所，具有安全風險高、工藝相對復雜、人員集中等特點。近年來，隨著各油氣田企業自然減員的加劇，造成操作經驗和基礎信息的自然流失，迫切需要通過智能站場的建設彌補人員在數量和技能上的缺失，同時通過智能站場建設逐步實現油氣站場無人或少人值守。油氣田智能站場建設還沒有明確的標準，處于摸索試驗階段，同時隨著智能技術的迅速發展，新型智能技術在不斷涌現，給智能站場建設帶來無止境的問題。確定相對合適的油氣站場智能化建設標準，在滿足今后一個時段的生產實際需要基礎上，適度追求技術先進性是比較切合當前技術發展實際的做法。

二、油氣田智能站場的主要特征

中國石油集團《關于數字化轉型智能化發展的指導意見》中明確指出：智能油氣田就是通過生產現場智能監控、智能診斷、自動預警、自動控制，開展生產數據智能分析，生產運行集中調控，項目、投資、物資、設備、銷售等一體化智能管控分析，實現現場作業智能操控、生產運行智能管控、勘探開發智能協同研究和經營管理智能決策分析等轉型；進而推進“油公司”組織運營模式變革，壓減管理層級，實現組織網絡化、平臺化、扁平化。上述表述明確指出了智能油氣田的主要技術特征和管理變革特征，結合油氣站場的需求實際，智能站場應該具備5個技術特征和1個管理特征。技術特征包括應用智能監控、智能診斷、自動預警、自動控制、數據智能分析五項技術，在技術層面滿足智能站場的功能需要。管理特征為生產運行集中調控，體現在與智能化站場相配套的勞動組織形式變革和管理方式變革（見圖1）。技術進步和管理變革是智能站場建設互相作用的兩個方面，任何一個方面的短板都會制約智能站場整體效能的發揮。智能站場建設實現技術措施與管理措施相融合、管控一體化成為一種必然。

三、智能站場建設關鍵問題

智能站場實現智能監控、智能診斷、自動預警、自動控制、智能分析這些功能需要綜合應用物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算、工控安全、先進控制等一系列新型信息化技術，重點解決數字化、可視化、自動化、智能化、軟件化五個方面的問題。

（一）全面的數字化，建設可被全面感知的油氣站場

站場數字化是實現智能化的基礎，數字化建設以滿足操作運行需要、生產管理需要、數據應用需要、數據共享需要為標準。通常在智能化建設中側重于物聯網系統可自動采集的生產運行動態數據，往往忽視用于數據應用和生產管理的數據建設。數據主要包括站場基礎信息、生產運行管理、能耗管理、設備運行管理、HSE管理、應急管理、系統運維管理等數據，這部分數據往往采用人工采集的方式錄入系統并需要及時維護，隨著二維碼等技術的應用，少部分數據也逐漸實現自動錄入（見圖2）。管理數據的融入體現了智能站場建設管控一體化的需要，實現了管理流程的數字化[2]。

隨著智能化水平的提高，采油廠或者作業區集中監管所轄站場已成必然，未來十年達到油氣田集中監控油氣生產過程已經成為可能。集中管控模式下管理數字化將顯著提高管理效率，減少用工量，同時大幅縮短運行數據應用鏈條，減少非必要的中間環節，生產運行的PDCA循環周期將顯著縮短，管理時效性顯著提高。

（二）必要的可視化，實現站場智能監控

建設站場視頻監控系統可以減少人工巡檢工作量，及時發現站場運行出現的泄漏、火災等事故，一般以視頻覆蓋站場內監控關注點為標準，為了彌補固定位置攝像頭視角的不足，采用巡檢機器人彌補視頻覆蓋不足之處。為了滿足視頻資源集中調用的需要，還需要對站場內已有視頻資源進行整合，同時解決站控系統軟件調用視頻資源的問題，例如，三維力控組態軟件中提供了調用硬盤錄像機和攝像頭視頻的后臺組件，為后續視頻資源在站控系統中智能調用提供技術手段[3]。

視頻系統智能監控主要應用有：第一，視頻巡檢管理機制，即電子巡檢功能，按照生產運行管理的制度規定，要求操作人員定時對各攝像頭視頻畫面進行檢視，并將巡檢結果進行記錄，對故障視頻自動生成保修記錄，通過定時電子巡檢機制保證巡檢措施到位。第二，視頻智能分析、典型場景主動報警，通過安裝視頻AI分析盒子或視頻AI分析服務器實現對視頻場景的人工智能分析，并將報警信息推送到站控系統，實時彈出問題視頻畫面并存儲畫面，一般按照AI算力資源的配置可以識別著裝、吸煙、接打手機、火災、泄露、煙霧等多種典型場景。第三，視頻與工藝參數報警聯動，在站控系統中建立工藝參數報警信號與相關聯攝像頭的對應關系，當工藝參數報警時，相關聯的攝像頭畫面自動在站控系統中彈出，通常將可燃氣體報警信號、液位報警信號等與對應位置的攝像頭進行關聯，用于實現泄露等場景的智能預警。

站場可視化除視頻應用外，還包括站場虛擬現實技術的應用，通過三維建模技術實現基于虛擬現實的站場可視化，用于應急處理、巡檢指導、故障處理等場景。通過虛擬現實技術的應用，可以讓新員工通過系統熟悉現場情景，快速采取針對性措施進行巡檢、故障處理、應急處置等操作[4]。

（三）可靠的自動化

以站場P&ID圖為抓手，按照全流程自動化理念實施站場自動化建設，避免割裂上下游關聯關系單獨考慮某一單元的自動控制方案。主要自動控制類型包括遠程遙控、PID控制、隨動控制、邏輯控制、順序控制等，實現液位、溫度、流量、頻率、壓力等的PID自動控制，實現站場緊急停車、加熱爐、壓縮機、注水泵等自保連鎖控制，實現污水系統反沖洗、自動裝車、自動加藥等順序控制。在實現方式上主要使用PLC、DCS、SIS系統實現相應的自動控制功能，控制執行機構以變頻器、控制閥為主。與煉化裝置相比，油氣生產物料成分復雜，在控制閥形式選擇上要考慮介質特性對閥門動作的影響，如泥沙、壓裂返排液、結垢等。同時，在使用上要加強定期檢修，避免長期得不到有效維護而造成控制失效問題[5]。

工控安全問題是自動控制的軟肋，得到有效安全保障的自動控制才是可靠的自動化。在工控安全上重點注意：第一，具備上位系統失效條件下可快速切換就地控制的應急處理機制。第二，PID控制回路關鍵信號冗余采集，確保PV源失效可以被及時發現，如關鍵液位控制回路。第三，合工藝生產的安全要求選擇氣動調節閥的風開、風關作用形式及電動調節閥失電后的開閉狀態。第四，關注以工控網絡安全為重點的系統安全，采用光環網、備份冗余鏈路等措施提高工控網絡健壯性，做好工控網絡的訪問控制和隔離，加強操作站安全基線配置管理和使用管理。

在控制回路實現自動化控制的基礎上應用先進控制技術將進一步提高油氣站場自動化水平，減輕監控人員勞動強度，提高站場操作平穩率和運行效益。當前煉化行業已經普遍應用了先進控制技術。相比于煉化裝置，油氣站場具有機理簡單、數學建模容易、操作變量和干擾變量少的先進控制開發應用優勢。例如，摻輸站場加熱爐出口溫度先進控制系統，通過采集計算地溫、環境溫度、各計量間回油溫度、摻輸水壓力及溫度等實現加熱爐出口溫度優化控制。通過先進控制系統的應用，計算機會替代操作工人自動協調各個自動控制回路的目標值，預見性進行操作調節，即魯棒性多變量預估控制（英文簡稱RMPCT）。

（四）實用的智能化

除試驗探索性建設的智能站場外，追求實用的智能化是比較客觀的選擇。智能化方面主要應用大數據挖掘技術、工藝建模技術、人工智能技術等，重點實現如下應用：第一，工況診斷智能化，在傳統的偏差識別工況異?；A上應用大數據和人工智能結合技術，提取典型工況的數學特征，通過算法實現工況識別。在實際開發應用中，將具有豐富操作經驗人員的定性診斷經驗轉化為定量化算法模型也是快速實現工況智能診斷的便捷方法。第二，報警主動化、人性化，在傳統SCADA系統限值報警的基礎上，應用報警優化技術和工況診斷技術，逐漸減少無效報警頻次，同時，將報警方式由通用的報警提示音轉變為主動語音報警，操作人員無需查看屏幕即可指導具體報警內容，實現人找報警向報警找人的轉變，打造黑屏工廠模式成為報警主動化的工作目標。報警方式在單參數限制報警的基礎上，應用關聯分析實現多參數組合聯動報警。應用大數據技術，通過對設備運行故障大數據的分析和當前運行參數趨勢的變化，實現設備維修維護的預見性預警，從被動處理事故轉變為主動預見性維護。第三，管理智能化，在實現報表自動生成的基礎上，通過大數據手段實現數據自動統計分析，減少人工日常性分析統計工作量。通過軟件化手段將管理流程智能化，實現管理事務智能提醒和管理事件的自動發起，管理行為閉環管控，例如，對滅火器的管理，當滅火器需要更換時，系統自動提醒。第四，站場運行最優化，通過優化算法，實現站場產量、能耗、物耗等目標指標最優化控制 [6]。

（五）管控一體化軟件

智能化軟件是智能站場建設的核心載體。智能化軟件除具有傳統SCADA系統軟件的基礎功能外，還要具有相應的大數據、人工智能、人機交互等功能，并且要滿足站場控制對安全性、可靠性、穩定性、實時性的使用要求。智能站場管控一體化的需求，對傳統SCADA系統軟件提出了新的升級需求，主要表現在：第一，建立關系型數據庫存儲管理數據，與站控系統軟件相融合，實現關系型數據與實時數據的交互調用，要求SCADA軟件具備與關系型數據庫的數據交互能力，具備強大的集成能力。第二，與大數據、人工智能技術相融合，界面BI功能更加豐富，助力使用人員高效感知數據和趨勢。第三，人機交互功能更豐富，包括語音交互、手勢控制、觸屏應用等。第四，提供相應的算法開發功能，提供一定的計算能力。第五，支持移動終端便攜式應用。

目前通用的主流組態軟件均提供了數據庫調用組件和VBA腳本開發工具，支持用戶進行數學計算功能的二次開發，為通過對組態軟件的二次開發實現智能化奠定了基礎。在數據處理上，可以充分利用數據庫的內嵌存儲過程實現數據的實時統計分析和批量計算，組態軟件可以直接調用數據庫的結果集數據。作為開發者，可以選擇離線的環境完成數據挖掘和智能算法的開發，然后通過組態軟件的腳本編輯功能完成智能算法的軟件化。這種實施方法的優點在于：第一，前后臺分離，開發效率高，開發周期短，界面開發簡便。第二，源代碼開放，便于后續升級維護。第三，與采集監控系統無縫銜接，實時性好。存在現有組態軟件提供的BI組件不能滿足大數據可視化需要的問題，需要用戶進行二次開發才能實現相應的BI展示功能。

四、智能站場建設的管理變革

智能站場建設帶來的是數據的集中利用和過程的系統分析，站場運行的集中管控成為提高數據利用效率的最佳選擇。傳統站場改造為智能站場需要進行運行模式和管理模式的變革，主要包括：第一，運行方式從按單元駐崗值守轉變為集中監控、按需巡檢，操作行為從單元操作轉變為系統管控。第二，人員技能需要從只掌握原來本崗位的操作轉變為全能操作員，具備系統掌握全站場操作的能力。第三，管理行為下沉，提高管理活動的時效性，操作與管理逐漸融合，從關注少數關鍵運行參數轉變為關注系統整體優化運行。第四，建立保障智能系統穩定運行的維護機制。第五，建立相應配套的運行管理制度和考核制度。

在智能站場建設過程管理上還需要注意如下問題：第一，實施設備、設施完整性治理與工藝流程簡化、優化是建設前應完成的必要準備工作，故障頻發的系統和不合理的流程難以實現智能化運行目標。第二，人員數字化技能的提升是保障，對員工進行必要的自動化、智能化培訓十分必要。第三，注重實用性，提高性價比，從用戶的視角，分析需求，與管理實際相結合，避免過度增加無顯著作用的智能化內容。第四，智能站場建設與綠色站場建設相結合，綠色、低碳、智能成為未來站場發展的主流[7]。

五、結語

智能站場建設是當前油氣站場升級改造的趨勢。不同的技術背景下，智能站場建設內容難免有所差異，智能化應用的側重點也會不同。隨著數字化理念的不斷深入和智能化實踐的探索，石油生產從業者對智能化的理解也逐漸加深，智能化技術服務油氣生產的主題不會變。智能化站場建設的根本目標不是為了智能化而智能化，無論智能化如何發展，實現站場的安全、平穩、優化運行都是根本出發點和落腳點。油氣站場智能化建設還處在探索試驗階段，需要各油氣田企業在實踐中積累建設應用經驗，形成較為成熟的油氣站場智能化系統解決方案，確定智能化系統架構，形成可推廣復制的典型智能化應用場景，開發滿足采集監控、大數據應用、人工智能開發應用需要的新一代管控一體化軟件，形成智能化站場技術標準。同時，開展配套智能化管理變革研究和實踐，形成與智能化應用相適應的智能化管控模式。

參考文獻

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責任編輯：張津平