王懷義，楊喜良

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油管道公司管道科技研究中心，河北廊坊065000

長輸油氣管道自動化技術(shù)發(fā)展趨勢探討

王懷義1，楊喜良2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油管道公司管道科技研究中心，河北廊坊065000

通過對我國管道建設(shè)及管理發(fā)展歷程的回顧，以及對國外油氣輸送管道運行管理的簡述，指出進一步提高管道自動化水平，實現(xiàn)無人值守是管道建設(shè)和管理的發(fā)展方向，并由此提出了管道自動化管理新模式，即利用自動化技術(shù)以及信息化和數(shù)字化手段，依靠SCADA系統(tǒng)、現(xiàn)場的自動化設(shè)備等，構(gòu)建由模擬仿真系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成的自動化管道計算機控制系統(tǒng)。在油氣輸送站場實現(xiàn)無人值守，在調(diào)度控制中心實現(xiàn)對所轄管道進行調(diào)度、運行和管理，最終完成用最小能耗將一定數(shù)量的油氣輸送到目的地。為今后自動化管道的設(shè)計、運行、管理提供借鑒。

長輸管道；油氣輸送管道；自動化技術(shù)；發(fā)展趨勢

油氣管道自動化控制技術(shù)是當(dāng)前以及未來油氣輸送必不可少的技術(shù)手段[1]。歐美發(fā)達國家的管道自動化技術(shù)日趨完善，已經(jīng)實現(xiàn)了在調(diào)度控制中心對所轄管道進行調(diào)度和管理。我國管道自動化技術(shù)經(jīng)過40年不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)了在控制中心控制全線的自動化水平。與國外管道自動化技術(shù)相比，我國油氣管道自動化技術(shù)仍然存在一些不足，進一步提高管道自動化水平是我國管道建設(shè)和管理的發(fā)展方向。

1　油氣管道自動化技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1國內(nèi)外油氣管道自動化技術(shù)發(fā)展歷程

1.1.1國內(nèi)油氣管道自動化發(fā)展歷程

我國管道建設(shè)始于上世紀(jì)七十年代，經(jīng)過40年不斷發(fā)展，截至2015年8月，我國陸上油氣管道總里程達到12萬km，包括原油管道、成品油管道和天然氣管道，其中原油管道約2.3萬km，成品油管道約2.1萬km，天然氣管道約7.6萬km。在自動化控制方面，已經(jīng)從簡單的單回路控制向遠程調(diào)度運行和區(qū)域化管理方向邁進。管道自動化標(biāo)志性發(fā)展歷程大致分3個階段。

（1）單回路自動控制階段。上世紀(jì)七十年代我國管道建設(shè)開始興起，主要有大慶-鐵嶺-大連及秦皇島-北京輸油管道。其管道工藝均為旁接流程，在系統(tǒng)中有少量的溫度、壓力變量就地檢測，站場實現(xiàn)了單回路自動控制，這標(biāo)志著我國管道自動化技術(shù)的開始。

（2）集中調(diào)控階段。1997年，中國石油建成的庫爾勒-鄯善輸油管道以自動化技術(shù)為依托，首次實現(xiàn)了在庫爾勒控制中心對全線的控制。該管道的建成標(biāo)志著我國管道自動化技術(shù)取得了突破性進展，為集中調(diào)控奠定基礎(chǔ)。庫鄯線總長474.595 km，沿線設(shè)首站、中間站、減壓站、末站和17個線路截斷閥室，通過對全線進行自動化監(jiān)控，實現(xiàn)了安全、平穩(wěn)、工況優(yōu)化、輸油的生產(chǎn)管理目標(biāo)，自動化在生產(chǎn)管理中起到了減員增效的作用[2-3]。2006年5月，中國石油成立了長輸油氣管道調(diào)度控制中心，簡稱北京油氣調(diào)控中心。其集長輸油氣管道的操作運行、調(diào)度管理、遠程數(shù)據(jù)采集、維搶修力量調(diào)度協(xié)調(diào)等多種功能為一體，進行遠程調(diào)控等操作，并提供設(shè)備管理、調(diào)度模擬培訓(xùn)等多方面的技術(shù)支持和保障。目前，北京油氣調(diào)控中心已經(jīng)能夠?qū)χ袊退鶎偃珖秶鷥?nèi)的29條、總長度約2.2萬km的在役長輸油氣管道進行集中調(diào)度運行和監(jiān)視控制。

（3）無人值守階段。2012年，中國石油西部管道分公司提出了無人站建設(shè)方案，也是區(qū)域化管理，標(biāo)志著管道自動化技術(shù)進入深入發(fā)展階段。西部管道分公司建立了烏魯木齊調(diào)控中心和數(shù)據(jù)中心，已進行了所轄管道的無人化站場建設(shè)[4]，同時也開展了無人化站場支持技術(shù)試驗，如輸氣站場的天然氣泄漏實時監(jiān)測。中國石油所轄的其他三大管道公司也正在開展區(qū)域化管理和無人值守等實踐探索。

1.1.2國外油氣管道自動化發(fā)展歷程

國外管道自動化建設(shè)同樣經(jīng)歷了由簡單的自動化控制發(fā)展到功能完善的自動化管道系統(tǒng)的過程，尤其是歐美發(fā)達國家的原油、成品油、天然氣等管道自動化技術(shù)已趨向成熟。這些管道能夠?qū)崿F(xiàn)在一個中心城市建一座調(diào)度控制中心，采用計算機系統(tǒng)和先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將管道沿線的首末站、泵（壓氣）站、分輸站、閥室和油（氣）庫等連接起來，將其數(shù)據(jù)傳至控制中心的主計算機中進行邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，控制管道的正常運行，實現(xiàn)集中調(diào)度和管理，在站場實現(xiàn)無人值守[5]。

例如，ALLIANCE輸氣管道，全長3 848 km，起于加拿大British Columbia，終于美國芝加哥，全線共設(shè)壓氣站14座、計量站35座[6]。其控制中心設(shè)在卡爾加里市，可以實現(xiàn)對干線壓氣站、干線計量站、遠控線路截斷閥室、液化處理場、支線壓氣站進行監(jiān)視和控制。區(qū)域管理人員負責(zé)所轄管道和壓氣站的日常維護和管理，白天進行定期巡查，夜間則無人值守。

1.2輸油氣管道自動化技術(shù)發(fā)展方向

從國外油氣管道自動化技術(shù)發(fā)展趨勢看，站場無人值守?zé)o疑是今后長輸管道建設(shè)的一個方向，為實現(xiàn)站場無人化管理，需相應(yīng)的自動化技術(shù)體系支持。因此，今后管道自動化技術(shù)發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：

1.2.1進一步提升自動化水平，形成成熟的無人站技術(shù)及管理模式

目前國內(nèi)外無人站的自動化技術(shù)還不能做到全天候無人，自動化技術(shù)有待進一步提高，形成成熟的無人站技術(shù)及管理模式。

1.2.2形成大數(shù)據(jù)，構(gòu)建管道信息化網(wǎng)絡(luò)

利用智能化設(shè)備，建立管道線路和站場設(shè)備在設(shè)計、施工及運行各個階段的數(shù)據(jù)庫，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息更新和數(shù)據(jù)完善，形成大數(shù)據(jù)。

1.2.3進一步加強數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

油氣管道正在逐步形成網(wǎng)絡(luò)，單條獨立的管道越來越少，管道輸量調(diào)配將愈發(fā)重要。另外管道隨著輸量的變化需要在輸送過程之前進行輸送過程模擬，實現(xiàn)在要求的時間范圍內(nèi)以最小的能耗輸送到目的地。因此模擬仿真、能耗分析等一系列的數(shù)據(jù)應(yīng)用功能的加強也是未來的發(fā)展方向。

1.2.4管道和站場的全生命周期管理

管道正常運行的前提是管道和站場的設(shè)備完好，因此下一步發(fā)展應(yīng)從建設(shè)初期的設(shè)計做起，利用現(xiàn)代的信息化手段，從線路的完整性管理，逐步實現(xiàn)管道和站場全生命周期管理。

1.2.5完善安全措施

站場無人化管理后，最重要的環(huán)節(jié)是如何應(yīng)對緊急情況。因此需對管道運行過程中的安全保護進行嚴(yán)格地分級設(shè)計和實施，制訂完善的應(yīng)急預(yù)案，以確保管道在任何情況下風(fēng)險可控。

2　油氣管道管理的新模式

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展及無人化管理要求的提高，需融合仿真、信息、自動化等多種技術(shù)，以實現(xiàn)油氣站場的無人值守，調(diào)度控制中心對管道進行遠程調(diào)度、運行和管理。此模式將是一種全新的管理模式，且與之相對應(yīng)的管道運行將更加自動化，因此本文將此模式管道稱作自動化管道。

2.1自動化管道的功能

自動化管道的主要功能是根據(jù)管道沿線用戶的需求，實現(xiàn)用最小能耗將一定數(shù)量的油氣輸送到目的地。在實際管道運行管理中，通過油氣管道調(diào)度、運行和管理等3個環(huán)節(jié)以實現(xiàn)上述功能。

2.1.1油氣管道調(diào)度

在調(diào)度控制中心通過模擬仿真系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求量，以最小的能量及合適的時間為目標(biāo)編制批量計劃，確定管道和設(shè)備的運行方式，即確定輸油泵和壓縮機等工藝動力設(shè)備，以及沿線壓力、流量控制和保護設(shè)備的運行參數(shù)設(shè)定值等；同時基于輸油泵和壓縮機工作狀態(tài)，沿線站場和閥室的壓力、溫度和流量等參數(shù)，通過建立管道數(shù)學(xué)方程運算，對運行過程進行自動實時跟蹤，隨時了解管道的運行狀態(tài)。

2.1.2輸油氣管道運行管理

按照輸油氣管道經(jīng)過模擬仿真編制的計劃和管道的運行方式，通過SCADA系統(tǒng)在調(diào)度控制中心遠程操作管道運行，實施其運行計劃。即通過調(diào)度控制中心的計算機系統(tǒng)、站場控制系統(tǒng)和閥室的遠程控制單元實現(xiàn)對站場和閥室的泵、壓縮機、工藝閥門以及控制閥門等設(shè)備的遠程自動化控制。

2.1.3油氣管道的信息管理

對站場、閥室的設(shè)備和工藝管道以及線路管道進行信息化管理，以保障設(shè)備和管道的正常運行。在管道的控制中心建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)，通過對沿線站場設(shè)備狀態(tài)和管道溫度、壓力、流量和液位的數(shù)據(jù)采集和線路沿線地理信息的檢測，實現(xiàn)對站場設(shè)備及時維護和維修，在線路發(fā)生災(zāi)害時及時搶修。

2.2自動化管道控制系統(tǒng)構(gòu)成

自動化管道控制系統(tǒng)一般包括模擬仿真系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，其組成及連接關(guān)系如圖1所示。

圖1　自動化管道控制系統(tǒng)組成及連接關(guān)系示意

2.2.1模擬仿真系統(tǒng)

模擬仿真系統(tǒng)是在計算機上用數(shù)學(xué)的方法，以溫度、壓力、流量和時間為變量建立狀態(tài)方程來描述油氣管道。模擬仿真系統(tǒng)有離線仿真、在線仿真以及模擬培訓(xùn)[7]，代表性的軟件有：SPS（Stoner Pipeline Simulator）、Pipeline Studio、FluidFlow等。

離線仿真：根據(jù)確定的輸量、時間和目的地通過離線仿真系統(tǒng)編制批量計劃，確定管道和設(shè)備的運行方式，實現(xiàn)以最小的能量將確定輸量輸?shù)侥康牡亍?/p>

在線仿真：在線仿真系統(tǒng)是利用SCADA系統(tǒng)的溫度、壓力、流量和能耗等實時數(shù)據(jù)，以跟蹤批量計劃的實時運行情況，并預(yù)測未來。

模擬培訓(xùn)：利用現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過模擬仿真系統(tǒng)，在線模擬管道的運行狀況，以培訓(xùn)調(diào)度和操作人員。

2.2.2SCADA系統(tǒng)

油氣管道輸送系統(tǒng)的自動化主要依靠SCADA系統(tǒng)來實現(xiàn)，主要由調(diào)度控制中心計算機系統(tǒng)、站控制系統(tǒng)、閥室RTU等組成[8]。在調(diào)度控制中心，操作員可通過工作站操作運行管道的泵、壓縮機和閥等設(shè)備，并且可以了解到現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，在設(shè)備和管道出現(xiàn)故障時可以實施安全保護，緊急狀態(tài)下可以停止油氣輸送。

目前，整個石油管道行業(yè)在用的SCADA系統(tǒng)主要有OASYS、CITECT、RSview32、E PIPE view、VIEWSTARICS、PKS、HoneywellHS、AB SCADAVantage、IFIX4.0中文版等。這些系統(tǒng)代表當(dāng)今自動化的最高水平，但是部分設(shè)備的控制和遠程操作功能還不盡完善，如不能遠程啟停、沒有狀態(tài)反饋信號等。若對其完善，使得調(diào)控中心能夠控制和操作所有運行設(shè)備，并掌握所有設(shè)備運行狀態(tài)，則最終可實現(xiàn)自動化控制。

2.2.3數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要是利用SCADA系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采集站場、閥室及線路的設(shè)備和管道狀態(tài)信息，并在調(diào)度控制中心實時顯示管道當(dāng)前狀態(tài)，以支撐線路管理、資產(chǎn)管理、運營管理、應(yīng)急管理，實現(xiàn)管道的信息化管理。在中國石油管道板塊，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包含管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、管道實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、管道完整性系統(tǒng)等，共同實現(xiàn)中國石油管道業(yè)務(wù)的科學(xué)化和信息化管理。

2.2.3.1線路管理

管道線路管理主要是保證輸送管道的完整性，管道完整性管理主要包括數(shù)據(jù)收集、高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價、完整性評價、維修維護和效能評價，其中收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最為重要。線路管理以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)對線路進行管理，包含管道所有信息，如管材、焊口、路由地形和坐標(biāo)等信息。管道路由設(shè)計是在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上完成的，但由于線路施工現(xiàn)場征地和其他條件的變化，導(dǎo)致設(shè)計的路由信息與施工后的信息有一定的偏差，因此需根據(jù)施工狀況進行修訂，確保數(shù)據(jù)的真實性。根據(jù)近年管道管理情況分析，數(shù)據(jù)收集是管道線路管理的最大障礙，因此要從源頭上開始，施工過程中將有關(guān)的信息錄入該平臺，并與設(shè)計階段錄入的數(shù)據(jù)校核，竣工驗收時交予管道運營管理公司。

2.2.3.2資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理主要是對站場設(shè)備和備品備件等材料的管理。資產(chǎn)管理需站場設(shè)備和材料的相關(guān)技術(shù)信息以及設(shè)備在線監(jiān)測與診斷信息。站場設(shè)備和材料的相關(guān)技術(shù)信息是管理的基礎(chǔ)，也是管道全生命周期所需要的信息[9]。信息內(nèi)容及來源主要有以下三個方面：

（1）設(shè)備和材料的技術(shù)信息，包括設(shè)備種類、型號、規(guī)格、安裝臺位等。

（2）設(shè)備的維護、維修、更換時間等信息以及材料的保有量、使用周期等。

（3）設(shè)備的監(jiān)測與診斷信息，包括監(jiān)測壓縮機組、泵機組、電動執(zhí)行機構(gòu)、智能流量計、變送器、PLC和交換機等設(shè)備的振動、聲音、傳熱、溫度、壓力、電壓和排油等狀態(tài)信息，并以此為基礎(chǔ)對設(shè)備進行診斷，評價其可靠性、安全性及預(yù)測壽命。

將以上信息傳輸?shù)秸究刂葡到y(tǒng)和調(diào)控中心，使操作人員掌握設(shè)備當(dāng)前及將來的狀態(tài)，保障操作運行的過程安全平穩(wěn)。目前調(diào)度控制中心雖然可以通過SCADA系統(tǒng)操作進行調(diào)度，但需專人看護。因此，將來要做到站場無人值守就要完善各種聯(lián)鎖保護、火災(zāi)監(jiān)視等，同時對運行的設(shè)備進行故障診斷，對計算機的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)進行管理和故障診斷，才能可靠地保證自動化管道的安全和高效運行。

2.2.3.3運營管理

輸量和能耗是衡量管道效益最基本指標(biāo)。通過對管道進出口的計量、能耗計量以及銷售情況的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)管道運營管理。需要計量的數(shù)據(jù)有：

（1）進入管道的油氣輸量、分輸量。對于管道首站、分輸站和末站均需安裝流量計，且精度應(yīng)達到貿(mào)易交接的水平。

（2）對于輸氣管道，主要有壓氣站的總耗油量和耗氣量、單臺壓縮機耗氣量和耗電量、分輸站調(diào)壓系統(tǒng)的加熱設(shè)備耗氣量和耗電量。對于輸油管道泵站，則是單臺泵的耗電量、總耗電量，加熱站耗油和耗氣量、分輸站總耗電量等。

2.2.3.4應(yīng)急管理

應(yīng)急管理主要是制訂管道維搶修應(yīng)急預(yù)案，即針對管道易發(fā)生的火災(zāi)、爆炸及線路的泥石流、滑坡等事故采取相應(yīng)的救護措施。維修搶修過程中可通過SCADA系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)提供的信息，結(jié)合突發(fā)事件狀況，準(zhǔn)確地對事故現(xiàn)場進行搶修和維修。

3　結(jié)束語

從與國外油氣管道運行管理、自動化和信息技術(shù)的比較，以及國內(nèi)40年來管道建設(shè)和運行的經(jīng)驗來看，自動化管道能夠保證管道安全和高效運行，因此自動化管道是管道建設(shè)的必然趨勢。目前，管道自動化技術(shù)日趨蓬勃發(fā)展，新興的自動化配套技術(shù)也日新月異，不久將迎來油氣管道自動化技術(shù)開創(chuàng)新時代的重要時期。

[1]呂喆明.輸油氣管道自動化控制技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（13）：56-58.

[2]王小平.庫-鄯輸油管道自動化實踐[J].信息與自動化，1998（3）：24-25.

[3]范華軍，王中紅.亞洲油氣管道建設(shè)的特點及發(fā)展趨勢[J].石油工程建設(shè)，2010，36（5）：6-9.

[4]趙廉斌，田家興，王海峰，等.輸氣站場自控系統(tǒng)夜間無人值守功能的實現(xiàn)[J].油氣儲運，2012，31（4）：314-317.

[5]LUO Fuxu.Technology Advances Key Worldwide Gas Pipeline Developments[J].Oil&Gas Journal，2001，99（48）：60-67.

[6]ZHO Shuhui.The Alliance Pipeline—A Useful Long Distance GAS Transmission for Reference[J].Pipeline Technique and Equipment，2001（5）：1-4.

[7]鄭云萍，肖杰，孫嘯，等.輸氣管道仿真軟件SPS的應(yīng)用與認識[J].天然氣工業(yè)，2013（11）：104-108.

[8]王存?zhèn)?，廖德云，史玉林，?天然氣SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].石油與天然氣化工，2012，41（1）：92-95，98，123.

[9]王鵬，張效銘，劉洋，等.以設(shè)計為源頭的管道全生命周期管理模式探索[J].石油工程建設(shè)，2014，40（6）：91-92.

Discussion on Development Trend of Automation Technology for Oil and Gas Pipelines

WANG Huaiyi1，YANG Xiliang2
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.PetroChina Pipeline R&D Center，Langfang 065000，China

Firstly，the development of pipeline construction and management in China is looked back in this paper.Then，the operation management of foreign oil and gas transportation pipelines is briefly introduced.It is pointed out that further improving pipeline automation level to realize unattended operation is the development trend of pipeline construction and management.Thus，the new management mode of automation pipeline is put forward，i.e.utilizing automation technology and methods of informationization and digitization，relying on SCADA system and in-situ automatic equipment to construct the computer controlsystem of automation pipeline which consists of simulation and imitation system，SCADA system and data management system.Unattended operation is realized in the oil/gas station，and dispatch，operation and management of the pipeline are realized in the dispatch and control center.The minimum energy consumption is used to transport a certain amount of oil/gas to the destination finally.This paper will provide reference for the design，operation and management of automatic pipeline in the future.

long-distance pipeline；oiland gas transportation pipelines；automation technology；development trend

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.001

王懷義（1958-），男，山西夏縣人，高級工程師，1982年畢業(yè)于東北大學(xué)儀表自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事儀表自動化專業(yè)方向的設(shè)計工作。Email：cppe_wanghy@cnpc.com.cn

2016-05-20；

2016-08-08