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石油天然气场站的一体化监控平台的设计研究

2020-10-27 12:24:41 机械文库 机械文库 95人阅读 0人评论

内容摘要:1.山东省特种设备检验研究院有限公司,山东 济南,250101摘要:为落实能源、管道行业“转方式、调结构、促发展”的要求,改善石油天然气管道场站在自动化、智能化程度相对较低的局面,推动场站生产的“无人化值守”。本文从场站建设监控系统的实际情况出发,引入“全面质量管理理论”,提出了针对场站的“人、机、料、法、环”等多因素的流程化、数据化管理方法,
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石油天然气管道场站的一体化监控平台的设计研究

朱波1,张燕1,周凯1刘冬明1宋明大1

1.山东省特种设备检验研究院有限公司,山东 济南,250101

摘要:为落实能源、管道行业“转方式、调结构、促发展”的要求,改善石油天然气管道场站在自动化、智能化程度相对较低的局面,推动场站生产的“无人化值守”。本文从场站建设监控系统的实际情况出发,引入“全面质量管理理论”,提出了针对场站的“人、机、料、法、环”等多因素的流程化、数据化管理方法,

提出了切实可行的一体化监控平台方案。

关键词:石油天然气管道场站,无人化值守,全面质量管理理论,一体化监控平台

一、引言

管道作为现代五大运输方式之一,在安全、便捷、经济等方面比铁路、公路、航空、水运四类传统运输方式上有着不可比拟的优势。管道是输送液体和气体最为安全有效的方式,有着“能源动脉”的称号。

据统计,截至2019年底全国长输管道总里程已超过17.4万公里。国家发展改革委、国家能源局联合印发了《中长期油气管网规划》,提出在2025年全国油气管网规模将达到24万公里[1]。由于长输管道距离长、运输强度大等问题,所以,对长输管道实施监控工作就存在着很大的难度[2]。监控系统是长输管道运输安全与稳定运行的有力保障,随着现代科技的不断发展,对长输管道站场监控系统的要求也越来越高。

二、石油天然气场站数字化管理的现状

石油场站存在的安全隐患主要有集输站存在的安全隐患包括人工的失误操作和集输站超负荷运作和长输管道中存在的问题(包括偷油者的破坏和长输管道的腐蚀等)[4]。但是现今我国的长输管道站场监控系统的具体的建设状况表明,在我国的长输管道站场监控系统的硬件设备以及自动化程度都与国际上的先进设备以及技术间存在着巨大的差距[2],且对于现场数据基本处于人工采集状态,现场作业层各类自动化系统相对孤立,使得作业层与管理层之间没有信息交互,二者之间的信息与数据不能共享,管理层无法从场站作业层获得有价值的生产数据,从控制到管理不能形成统一的整体,无法发挥各系统最大作用。如何构建有效的平台,实现场站现代化、信息化管理,解决目前场站存在的问题,提高场站生产安全系数和管理手段,是需要迫切解决的问题。

三、场站一体化监控平台的构建

1.场站一体化监控平台建设目的

场站一体化监控平台的发展趋势与“全面质量管理理论”的五个影响产品质量的主要因素(即人、机、料、法、环)密切相关[3],如图 1所示。从我国长输管道系统来看,虽然目前不同场站点多、面广、环境偏远、人员结构复杂、工作任务重要,但是场站的工艺总体上相差较小[5],对于全面的、可靠的一体化监控平台基本上有以下三个方面的需求:

(1)通过充分利用场站已建各类自动化系统现状,结合场站生产、管理需求,解决各生产系统集成、协议与接口标准不统一的难题,实现对场站全局业务的数字化、集中管理;

(2)以集成应用为目标,以场站生产管理系统、辅助管理系统、安全管理系统为基础,依托场站网络信息构建,利用计算机集成技术,对场站生产、安全、辅助等系统进行高端整合,实现场站业务的数字化统一,达到集中管理、集中预警的目的;

(3)通过管理、数字化平台建设,打破信息孤岛的局面,打通作业层与管理层的数据交互联系,解决不同厂商、不同产品的兼容和多个系统相互集成问题,全面提高场站的生产作业、安全和综合管理水平。

石油天然气场站的一体化监控平台的设计研究

图 1场站一体化监控平台的全面质量管理内容

由此,场站一体化监控平台的设计目的是通过对地理信息的识别、关键设备/仪器的全寿命周期监控、工艺流程的过程监控以及动作的行为监控提供数据采集、数据分析、健康状态预测、制定预警计划与策略、联动报警,提高场站建设的自动化、现代化和信息化管理水平,推动场站的“无人化”值守。

2.场站一体化监控平台建设原则

场站一体化监控平台的设计与建设不仅需要考虑当前使用的可靠性、稳定性、安全性和可用性,还要考虑随着科技发展与其他平台之间的兼容性和对新功能模块的扩展性,以及监控平台生命周期的维护便利性。具体如下:

(1)场站一体化监控平台可靠性。平台需确保数据获取、应用、传输等过程的可靠性。其中,设备运行监视数据是场站各项应用的基础和应用依据,可靠的数据获取、应用、传输是保证一体化平台正常运行的基础。

(2)场站一体化监控平台可扩展性。平台为不同的生产系统提供可扩展性,提供标准化的接口方式;为后期可能接入的系统提供接口。

(3)场站一体化监控平台兼容性和开放性。系统的软、硬件采用模块化、组态化设计,可方便地进行容量的扩充和功能的维护升级。同时,系统建设基于Web结构,可实现将平台数据提供给各级单位。

(4)场站一体化监控平台安全性。系统在网络安全、软件安全等方面具有可靠的保障措施,确保系统数据的安全性和系统运行的安全性。

(5)场站一体化监控平台可用性和易维护性。确保平台长时间不间断连续运行,保证各层级平台服务器宕机修复机制运行正常。

四、场站一体化监控平台的设计

1)一体化平台站控系统的整体功能设计

一体化平台站控系统是使用WEB服务的B/S结构系统,如图 2所示,主要功能是从实际生产以及运输过程中收集相关数据,并且通过上传的方式将数据输送到监控中心,系统包括展示层、系统层、传输层、采集层等层级,具体功能如下:

(1)展示层,主要通过数据集成的方式,向平台提供数据,由一体化平台统一集中展示,包括数据、图表、动态工艺流程等业务展示。

(2)系统层,建立场站统一的数据中心,形成统一标准的数据接收和分发机制,为各应用系统统一提供数据。确保数据源的唯一性,实时性,准确性和完整性。从而真正为上层应用提供数据保障。

(3)传输层,建立数据传输机制,传输过程中通过软硬件结合保证数据传输过程中的安全性。

(4)采集层:通过与场站数据库服务器交互,采集包括像输出电流电压、参比电压、振动、液位、压力、温度等相关数据。

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图 2一体化平台站控系统示意图

2)阴保系统数据分布式采集与数据集成设计

阴极保护系统作为场站储罐防腐、管道保护重要的组成部分,是实现数据集中监控功能的基本沟槽。考虑到阴极保护控制柜安装位置比较分散,重新敷设光缆组网工程量大,优先考虑采用4G/5G路由器实现与一体化平台服务器的网络连接[7]

数据收集系统由管理平台服务器和现场阴极保护机柜间远程测控终端(RTU)组成,管理平台服务器接入场站内部网络,负责监控和管理,现场阴极保护机柜采用RTU实现数据采集、存储、控制及上传。阴极保护控制柜的通电电位、断电电位、交流电位、自然电位、直流电流以及交流电流等相关信号由传感器通过信号线到RTU,RTU通过2台4G/5G路由器构成VPN无线通道远程传输到场站内部网络,监控数据经过协议封装后送至管理平台,实现管理平台服务器和RTU的数据通讯,如图 3所示。

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图 3阴极保护系统的数据采集系统的框架

3)机泵在线监测数据集成设计

基于输油泵设备的特殊性,只有获得准确的监测数据,才能保证后续分析结果的正确性。输油泵实施振动无线监测是通过安装在设备表面的RH505无线监测器监测设备的整体运行振动状态包括速度、位移、加速度以及设备的壳体温度,通过无线方式将采集的数据传输到安装在现场的RH560监测站中,通过RH560输到安装在现场中控室中的服务器中,实时掌握设备的运行现状,传回的数据可通过MOS2000设备状态监测系统进行智能报警分析。通过开放的VPN远程访问端口,实现数据远程访问,了解现场设备状态,辅助现场提升设备管理水平。

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图 4机泵在线监测数据系统拓扑图

4)SCADA数据集成设计

SCADA数据集成采用OPC方式,基于OPC技术的能够与以太网连接的企业级SCADA系统确定了以实时数据库关系数据库组成的数据仓库为数据平台的数据集成基本构架根据流程工业的特点,为场站管理提供了一个良好的结构框架。通过在SCADA系统上架设OPC服务端获取SCADA实时监测数据,一体化平台部署OPC客户端服务,用于读取实时监测数据,并将数据写入关系型数据库中。整个数据获取过程采用单项读取方式,不对中心控制SCADA系统操作,保证生产系统安全的同时获取监视数据。

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图 5 SCADA系统的数据集成拓扑图

五、场站一体化监控平台的显示模块

场站一体化监控平台采用B/S结构[6]和集中数据存储,基于Web构建,对于客户端要求很低,同时不受办公地点限制;并采用完全独立于软硬件平台的功能完备、稳定可靠、安全快速的J2EE企业级计算平台完成服务器的搭建工作;以及采用多层结构的系统体系结构(视图、业务、数据等),确保用户个性化需求的可满足性和保持系统核心架构的稳定性。

1)关键设备图形化展示模块

采用GIS地理信息技术的关键设备的图形化显示平台应用新一代组件式GIS开发技术采用ActiveX控件技术实现。并通过与后台编码实现场站业务,能够配置展示场站所辖的关键设备等相关信息。可有效地把地面工程各类图形、图幅和图件以及相应的动静态资料存储和管理起来,在需要时能进行图形编辑、修改、查询和输出,并在图库的基础上,将地面各系统的信息资料数据与图形联系起来,实现图数同步操作,为场站的生产、管理、应用提供一个良好的信息化应用系统。

2)场站工艺动态流程图展示模块

以Web浏览器流程图形式动态显示场站原油/天然气配输的真实流程,直观了解介质在场站内路径、走向,以图形化形式展示设备运行状态。同时依据分层管理要求,并结合场站工艺流程特点,衍生出新的流程图效果用于实现流程动态配置,并能显示设备运行状态。

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图 6场站工艺动态流程图示意图

3)监视数据集成与展示模块

集成场站储罐关键数据、SCADA数据、泵机组监视数据、阴保数据等监视数据。一体化数据库服务器用于场站实时数据采集、业务数据存储,场站应用的数据保存在本地,数据库服务器通过办公网进行数据传输与通信。实现了场站各系统集中监视,用户可在有办公网络的终端机上,实时查看关键设备监视数据。场站机关各职能部门、场站领导、技术员都可通过平台查看生产系统关键设备的实时状态数据,实现场站实时数据资源共享。图 7机泵运行参数的运行案例。

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图 7机泵运行参数

4)监视数据预警提醒

集中预警信息是一体化平台的重要环节,只有通过平台的集成才能发挥出它的作用,综合预警是从场站生产的实际业务出发,梳理场站生产中最关注的业务数据,结合生产预警系统基本特点,综合考虑各个生产关键节点指标相互关联及相互影响模式,建立综合预警模型,进行数值预测、趋势预测、状态诊断,并根据预测诊断的结果分别对各个指标进行预警。预警的信息将通过设置的策略,推送给相关人员。

5)数据分析

数据分析是从场站生产的业务模式出发,梳理场站中最关注的业务数据,结合生产业务的基本特点,综合考虑各个生产关键节点指标相互关联及相互影响模式。该功能主要通过集成SCADA监视数据实现分析。通过分析一段时间内的设备运行状态参数,对历史运行参数进行直观的业务分析,以达到对关键设备是否存在问题进行预判。图 8储罐液位及管线进出口压力的数据分析图。

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图 8储罐液位及管线进出口压力的数据分析图

6)统计报表

统计报表功能生成场站日常生产监控报表。场站报表中设备运行状态的监控数据,平台可自动获取并保存至数据库中,可提供给场站报表所需要的日常关键设备运行监视数据,用户只需要确认数据的正确性,减少基层员工工作量。

六、结论

本文设计的场站的一体化监控平台的设计借鉴了“全面质量管理理论”,通过对“人、机、料、法、环”主要因素的分析,进而将平台划分为展示层、系统层、传输层、采集层等层级,提供的关键设备图形化显示、工艺动态流程图显示、平台开发方案、数据采集方案、数据远程传输方案、预警提醒与紧急报警方案、统计报表方案等提供了可行性较高的天然气场站自动化控制系统开发路径,提高场站建设的自动化、现代化和信息化管理水平,为推动了场站生产过程“无人值守”。

 


参考文献


[1].《中长期油气管网规划》,国家发展改革委、国家能源局,2017年5月

[2].乔小丽,田敦.长输管道站场监控系统的研究[J].中国化工贸易,2019,011(008):20

[3].刘玲,王玲.浅议石油天然气场站安全管理工作[J].石化技术,2018,025(004):230

[4].惠宝平,柳耀春,陈志斌.油田场站可能存在的安全隐患及措施[J].中国化工贸易,2012,004(008):223

[5].闫旭.长输管道站场监控系统的研究[J].化工管理,2016,000(027):10

[6].李坚.天然气加气站监控管理系统的设计及应用[J]黑龙江科技信息,2014,3 (21):112

[7].初金星.燃气场站安全监控管理系统的设计[J]现代经济信息,2013,7 (14):346

收稿日期:2020-09-27

基金项目:国家重点研发计划项目“陆上终端设施检测、检验评价技术研究与仪器装备研制”(2016YFC0802303)

作者简介:朱波(1993-),男,山东济南人,工程师,硕士研究生,主要从事特种设备检验检测、无损检测工艺与装备研发。


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