物联网技术在天然气产业链中的作用与发展趋势

2013-09-07周进生

中国矿业 2013年4期

张伟，周进生，杨毅

（1.中国地质大学（北京），北京100083；2.中国石油北京油气调控中心，北京100007）

“物联网就是物物相连的互联网”。第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，通过射频识别、传感器、GPS等信息获取设备，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［1］。天然气由地层到最终用户的过程也可以看过是一个物物相连的网络或链条，既是一个“物联网”，也是一条产业链。天然气勘探、开发和净化统称为天然气产业链的上游；天然气运输、存储统称为产业链的中游；天然气利用统称为产业链的下游［2－4］，城市燃气是下游产业中最重要的一个组成部分。近年来，物联网技术正在逐渐推动着能源行业特别是天然气行业的发展和技术进步及生产效率的提升。

1 物联网技术的应用提高了上游生产效率

目前，天然气产业链上游勘探开发行业已经进入了信息化、网络和综合集成化时代。油气勘探开发所面临如裂缝油气藏、薄互层油气藏、复杂构造油气藏和岩性油气藏寻找和开采的难题，要求地质、测井、地震、油气藏工程等多学科协同工作，融合各种先进专业设备和软件的测试及计算结果，找气并产气，提高产业效益。随着物联网概念的出现，基于物联网技术的数字化气田和数字化采气集输系统等一系列新科技项目在“十一五”期间列入了我国石油公司的科技发展规划，并取得了一定成绩。天然气产业链上游勘探开发多学科、多工种的协作方式要求专业软件能够在同一网络上以“即插即用”方式集成起来，实现软件和信息资源的共享，提供天然气勘探开发应用系统一体化解决方案［5］。天然气上游集输和净化处理工艺引入物联网和数字化技术后实现了气田管理数字化、信息化和智能化［6－7］。数字化气田和数字化集输系统是针对天然气产业上游信息化管理而专门开发的，以满足天然气气田日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示的需求，是一套集天然气勘探开发集输净化生产信息的采集、传输、存储、处理、分析、发布、管理和应用于一体，规范、统一、安全、高效的全新现代化生产经营管理平台［8－10］。例如苏里格气田的“数字化生产管理系统”平台。在感知层中，把气井的流量、压力、温度、图像等重要数据采集并传输到集气站，再由集气站传输到生产指挥中心。在应用层中，生产指挥中心的数字化管理系统包括了生产运行管理子系统、采气工艺子系统、地质专家子系统、地面管网优化运行子系统、电子自动巡井和远程紧急关井六大子系统。这个平台以5万个气井实时生产数据、3000个管网运行数据、20多万个瞬时生产数据和其它数据为基础数据库，构成了一个既可提供天然气生产管理动态信息网上发布，又可提供静态信息资料查询等服务，具有系统性、适用性、兼容性的数字化管理平台［11］。物联网和数字化技术的成功应用，为苏里格气田创造出了惊人的效率。

2 物联网技术的应用提高了天然气管网的运营效率

上游不同净化厂生产的商品天然气经过计量和气体组分测量后进入中游的管输和存储行业，再通过中游管道将天然气输送给不同的下游用户。近年来，随着天然气管道的不断建设，管道已经相互连接，并与分输支线以及下游城市管道互联成网，成为了一个“物联网”。该管网系统基于物联网及数字化先进技术的应用，开展集中调控模式，大大地提高了天然气中游的运营水平和效率。

2.1 管道联网和集中调控管理模式的实施有效地提高了中游的效率

进入21世纪后，中国石油旗下的天然气管网规模逐渐扩大。2007年，中国石油对天然气管道实施了集中调控管理，在总部层面专门成立了管理全国范围内油气管道的油气调控中心，在5年多来油气管道飞速发展的过程当中发挥了统一规划、系统建设、集中调度、优化资源、远程操作、应急协调等重大作用。集中调控管理模式就是通过自有专用通信传输层，建立对各个现场核心生产数据进行采集、传输、处理、展示的计算机监控平台，并可从总控制室下发控制命令进行远程操作。这实际上已经搭建成了一个“工业物联网”，利用它监控各个天然气管网气源和分输口的压力、流量等参数及关键设备的运转情况，收拢了进、出管网和储气库所有天然气的调度和控制权，实现了天然气气量和流向的统一管理、分配和调节，充分地发挥出当前现有天然气管道成网后的最大输送量和最大优势，较好地完成了下游的调峰需求，在很大程度上缓解了供需矛盾。总之，管道联网和集中调控管理模式已经提高了天然气管网的运营水平和效率，而且有助于物联网和数字化等先进技术的应用。

2.2 物联网和数字化技术提高了天然气管输系统的效率

随着管道建设和后期运营管理复杂性的增加，数字化和物联网技术也逐渐应用到了我国天然气管网的建设和运营之中。20世纪90年代末期提出的“数字化天然气管道”是指在多维度空间地理信息系统支撑下，以管道建设和运营管理的业务流程为主线，将卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统、计算机网络、虚拟现实等技术应用于各个业务环节，在管道的整个生命周期内通过对管道设施、沿线环境、地质条件等各方面的信息在三维地理坐标上的有机整合，为管道可研、勘察设计、施工和后期管理提供一个高效率的管理平台和决策环境［12］。随着物联网技术的逐渐发展和成熟，数字化技术和物联网技术也进行相互融合，并在天然气管道行业中随之产生了天然气管道管理平台，它是天然气管道建设、运行和管理系统的核心技术。该平台在建设期就安排各类设计与施工资料的计算机录入，在运行期通过传感器连接资产和设备，进一步提高管道的实时数字化程度，并将所采数据传递至数据库；然后建立涵盖各种环境、材料、设计、施工、生产和管理等所有管道数据的整合体系，实现数据的综合分析与利用；最后，基于业务需求开发智能化应用系统，实现对管道运营各个环节的优化管理。

3 物联网技术的应用提高了下游燃气行业运营效益

城市燃气行业是天然气产业链的下游的重要组成部分。燃气管道网络化后的燃气行业涉及生产（调压）、配送、存储、计量、利用和营销等多个环节，并且其输送里程长、网络大、用户范围广，造成在管理、监控及对客户的使用服务方面做到高质量、统一化、高效率会有很大难度。随着物联网和数字化及信息化应用技术的提出，智慧化燃气输配管网成为了可能，采用物联网技术改造原有燃气管道网络，使其智慧化、信息化、数字化，帮助燃气公司提高各方面能力，能够有效地促进燃气行业的技术进步。

目前，采用物联网技术开发而成的燃气无线自动抄表系统和销售系统充分发挥了物联网技术的先进性和高效性。在感知层，在居民小区家中安装无线远传仪表及其控制器；在网络层，采用GPRS、Wi－Fi等建立通讯网络；在应用层，建立中心数据库和用户远程监控管理信息平台［13］。同时，在数据中心通过通信前置机的方式与银行系统建立连接，从而实现银行的代收费以及网上购气乃至手机购气等功能。此外，物联网技术也改善了燃气管网的监控和管理系统，使其更加安全可靠。通过在各主要监控点如门站、调压计量站等，设置GPRS数据采集模块，配合重点区域视频监控和燃气泄露监测，实现对管网的远程无线监控。并在燃气公司建立企业级的管理信息系统，包括OA、邮件、车辆监控，提升燃气公司的整体信息化和数字化技术水平，提高燃气管网的运行效率（图1）。

图1 基于物联网技术的城市燃气管网综合管理平台基本框架

4 利用物联网技术促进天然气产业链的升级

根据产业经济学中的产业升级概念，产业升级是指产业结构的改善和产业素质与效率的提高，产业升级必须依靠技术进步，又要实现该产业上中下游整体协调的提升。基于物联网的信息化管控平台是快速整合天然气产业链上中下游的现有各自独立的平台，促进天然气产业链上中下游各个产业链之间的衔接，进而促进天然气产业的整体升级和进步。

物联网技术的应用不但能够提升天然气产业链的生产技术水平，还会带来天然气产业管理模式的变革。天然气生产行业由专人单井作业管理逐步演进到多井的作业区管理，减少人工，降低成产成本；天然气输送行业实现了管道调控和维护分离，并进而实现了全国管网的集中调控，不但提升了人工效率，更重要的是可以从全局的角度合理调配资源；城市燃气行业基于城市的智能小区可逐步实现以小区作为基本用户的简捷与整合管理颗粒的优化模式。

随着物联网技术在天然气产业链各个层次应用的广度和深度上的拓展，从微观上将会大大提升天然气生产、运输、使用的效率，从宏观上可以促进天然气能源对传统能源替代的广度和深度，进一步提高天然气这一清洁能源在国家总体能源结构中所占的比例。物联网技术在天然气产业应用，客观上实现了对传统能源的深层次替代，提高了能源结构调整的深度。

5 物联网技术在天然气产业的应用发展趋势

未来，物联网在天然气行业的应用应以天然气的全产业链为对象，通过传感、射频、通讯、先进计算等技术组合，搭建全产业链的管理平台，对气井生产、管道输送、市场销售、居民生活利用和工业应用的全产业链对象进行感知，搭建生产运行管理、安全监控、燃气销售和应急抢险等各种功能模块，实现生产数据、设备状态、市场销售、应急指挥等信息在指挥中心的集中管理和控制，利用规范、统一的数据管理平台，支持天然气生产到销售的全过程管理，实现气田生产根据市场需求及时调整，管道输送根据生产和市场需求预先计划，市场销售满足用户近期和长期的需求变化，应急抢险统筹安排，使天然气业务的全产业链达到智能调度管理的运营水平，实现对这一清洁能源的高效调配和利用。图2规划了物联网技术在天然气产业链中的发展趋势。

图2 基于物联网技术的天然气产业链管理平台基本架构示意图

6 总结

随着物联网和数字化及信息化技术的逐渐成熟和应用，能源行业特别是天然气产业的上中下游都在努力引入该项技术，以期提高自身的生产效率。然而，信息化的基础不仅仅是计算机与通信等技术问题，更重要的是管理的流程优化与固化，物联网技术还在不断地发展和进步，建议继续关注和分析物联网技术在天然气行业中的应用范围和深度，以天然气产业全局作为物联网技术的应用对象，研究配套的管理机制与机构，在此基础上开展涵盖产业链各段的关键数据库研究，在应用层中建立能够管理天然气产业全局的智能平台，真正实现天然气生产、储存、运输、销售、贸易一体化管理。

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