高含硫天然气净化厂安全管理信息化应用与展望

吴基荣

[摘    要] 在过去15年中，中国石化先后在四川盆地开发了普光、元坝两大海相气田，建成了两座日处理酸性气1 000×104方以上的天然气净化处理厂。高含硫气田开发和天然气净化处理全流程涉硫、高温、高压，因含硫气体腐蚀造成泄漏导致人员中毒、火灾、爆炸等生产事故是运營管理的难题。在没有太多可借鉴的成功经验下，通过提取各类信息物理系统与安全相关的信息，按照集成化应用，一体化联动的思路构建安全生产信息化平台。通过前后十年两个平台的技术迭代，形成了报警响应小于500ms，联动执行平均不大于2s的优异技术指标及系统集成技术系列。文章围绕前后两代平台建设的技术改进与创新，总结集成平台建设的关键点和不足，展望高危生产企业在生产风险监测、监视、预警、预判和应急处置等安全生产信息化能力提升的应用方向。

[关键词] 高含硫气田;安全生产信息化;信息物理系统;集成;联动

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 17. 050

[中图分类号] F270.7    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）17- 0107- 06

0      引    言

四川盆地天然气资源十分丰富，是天然气勘探开发、增储上产的主战场。中国石化在过去15年里建设并投产的普光、元坝两大气田，都属于特大型、超深、整装、高含硫气田。随着国家加大油气勘探开发力度和对川渝地区油气生产增储上产要求，四川盆地天然气开发又将进入了一个新的发展时期。

在超深大型海相气田开采以及高含硫天然气高温、高压净化处理过程中，虽然我国已对高含硫天然气藏的勘探、开发技术的掌握较为成熟，但是含硫气田的钻探、开发，尤其是高含硫天然净化处理生产运营过程中的安全生产风险依然是天然气工业的一个世界性难题。石油化工行业“12·23”开县重大井喷事故至今记忆犹新，高含硫天然净化处理属高危生产，仅仅依靠安全培训、安全考核、安全检查等传统的管理模式，被动的、经验式的管理，不能满足企业生产管理的需求。同时，各类自动化系统越多，分散式的应用及管理，所暴露的弊端越发明显。完全通过人工“盯盘”发现预警、处理警情、判断异常的真实性及风险，越来越不能适应现代化生产、管理的需求，与人相比不知疲惫的计算系统力量显得微薄。随着信息技术的发展以及两化深度融合的创新驱动力，用信息化的方式提高工业生产安全管理水平逐渐形成共识，被大部分企业所重视[1]。为有效的“防风险、除隐患、揭事故”，提高生产风险的应急处置能力，防范安全隐患升级演变为事故，通过研究普光、元坝两个高含硫天然气净化厂的“生产风险管控一体化”集成平台，分析前后十年工程实践过程中两代集成平台技术迭代的特点，总结了第一代平台存在融合深度不够、工厂安全管理信息不全、信息提取技术单一、系统实时性不高、平台构架不合理、后期扩展困难等缺陷，提出了分类预报警信息处理、多端信息采集、分级信息提取、分类联动响应、五大层次的系统集成平台架构等创新应用技术系列。达到了工业生产安全管理预警、预报平台对于全面性、实时性、可靠性、可扩展性等性能的需求。第二代平台整体达到了预报警响应小于500ms，联动执行平均不大于2s的优异技术指标及系统集成技术系列，为高危生产企业在生产风险监测、监视、预警、预判和应急处置等安全生产信息化能力的提升提供了借鉴。在此基础上，新一轮天然气开发增储上产新会战，运用信息化技术为安全生产保驾护航，本文有着重要指导意义和借鉴价值。

1      生产安全相关信息

近年来，石油化工行业事故频发，工业领域安全生产面临的形势依然十分严峻。利用信息化手段，建立生产安全管理的信息系统或应用平台是企业、高校研究的一大热点。研究应用大致可分为两个方向，一类是基于岗位管理、实现基层监督、电子化痕迹管理的管理信息化系统，另一类是基于信息物理系统传感器预报警信息集成化应用及联动处置的安全生产信息化管控平台。二者均是利用信息技术手段来创新传统的安全管理模式。本文以“川气东送”两大气源地普光、元坝气田为例，着重介绍基于信息物理系统（CPS）的安全管理平台前后建设过程中技术迭代的应用情况。

1.1   信息来源

信息物理系统的集成与融合主要为了解决不同系统的信息共享问题[2]。从工厂安全管理的角度，构建基于信息物理系统的安全管理、联动平台，需要结合风险或联动装置分析信息源，确定提取和联动的要素。具体可分为传感器感知报警信息、平台联动控制信息、基础静态信息三大类信息要素，普光、元坝安全相关信息来源对比详见表1。

通过对比普光、元坝两代平台建设过程中三类信息要素提取及应用，表明随着企业对安全生产信息化的认识深度在不断提高，采用的技术在不断进步，对集成化应用的需求呈增长趋势。本文的分析方法和提取信息的要素可作为同类高危生产企业安全生产信息化集成平台建设的重要参考依据，同时也折射出系统的构架应有较强的可扩展性，以满足企业长期需求。

1.2   信息处理

报警信息主要存在三种形式。

（1）开关量报警，系统直接接收下级信息物理系统0或1报警状态信号，该类信号提取后就可直接被平台应用，如：如电力异常报警、火灾报警等。

（2）模拟量报警，系统接收通过下级信息物理系统运算、判断后，输出0或1报警状态信号，如来自于DCS系统的可燃及有毒气体报警等。

（3）具有抖动特征的模拟量报警处理，平台按照一定的采样频率采集报警信号，丢弃一个频率内的信号抖动干扰，输出0或1作为报警状态信号，如周界报警、烟气指标报警等实时性要求不高的场景。

信息提取转换为预警的信息处理方式示意详见图1。

由于当时的技术应用水平，以及上级信息化系统与下级信息物理系统的主从优先级关系，普光、元坝两套平台仅采用处理0或1数字量报警状态信号作为预报警信息的方式。不同的是，元坝的平台在普光的基础之上进行了改进，建立了将具有抖动特性的信息，按照預警判断周期内信号的变化趋势作为是否触发报警的信息处理机制，对于报警信号进行了二次甄别处理，使信号具有抖动、越界过程不一定真实反映报警、实时性要求不高的信息可以进入平台监测、监视、预警，极大地提高了平台应用广度，扩大了工业生产风险的关注范围。

1.3   信息表达

预报警信息按照两种方式进行信息的表达。

（1）触发没有任何干预和中间环节的信息提示，如模拟大屏声光报警提示、电子地图报警点详细位置提示、联动短信平台等。

（2）增加一些人工判断的条件作为预案的方式启动相关的联动控制装置，如现场视频监控的调用和自动聚焦、逃生系统开启、应急疏散广播启动等。

信息表达的输出的方式有：逻辑输出、协议输出、也有协议输出后终端子系统转换为0或1状态信号后的逻辑输出。

在普光、元坝先后建立的两个安全管理集成平台，其核心思想即是通过对工厂配套的各种自控、电力、通讯、安防等信息物理系统中安全相关信息进行挖掘、提取，融合形成整体集成、多维度预报警、一体化联动的管控平台。实时性要求是衡量预报警调度指挥平台的一个重要指标，两个平台由于先后建设的关系，集成范围有所区别，应用效率也有较大的差别，主要体现在集成联动信息按优先级分类和优化，信息处理方式的技术升级，使得平台的报警信息处理及联动控制的实时性大幅度提高。相比普光，元坝的实时性提高了近10倍。

2      信息集成联动技术

报警信息的采集本身会形成大量的数据，数据处理的实时性要求高，不同信息物理系统响应的实时性存在差别。平台要满足实时性、多点（多客户端）操作一致的应用场景，信息的采集需要分类处理、信息的加工需要分级处理。

2.1   多端信息集成

针对不同来源的信息，采用不同数据采集接口分类处理，确保系统实时性，避免单点故障引起全局失效。这是在普光平台的基础上的又一技术改进。元坝形成了多端数据信息的处理技术，其应用效率对比详见图2。

来自不同系统的报警信息存在差异，若沿用以实时数据库作为中间桥梁，信息采集速度慢，存在报警信息丢失的情况。元坝平台采用了多端口服务处理技术，将有毒及可燃气体报警等危险性最高的信息采用工业通讯方式，接收实时性最高、通信最可靠的通信协议，相比普光报警相应速率提高了10倍以上。元坝与普光信息处理效率对比详见表2。

经过分类、分级的信息可以按照不同的采集频率进行采集，也可以按照不同的报警输出响应要求输出报警，有效地克服了不同信息物理系统本身信息传输过程中的频率不一致的实际情况，也大大降低了平台对于低频信息按高频信息要求统一处理带来的不必要的系统消耗。这样优化后的平台，既满足了实时性的要求，也满足了预警事件信息一致性的要求，同时给预警处置优先级应用端的开发提供底层数据支撑，简化了开发的难度。

3      迭代应用技术分析

近年以来，国内引进了大量的国外先进生产信息化系统，出现了不同程度的“水土不服”[3]，同时国内企业围绕升级改造面临着众多国外厂商的技术壁垒，国内企业开始借鉴先进理念自主研究开发具有国内自主知识产权的信息化系统[4]。在没有先例的情况下，通过普光、元坝两个不同时期平台的开发与应用，形成了可满足高危石化生产企业信息物理系统集成的预警—报警—管控—通信“一体化”集成技术系列，为信息技术的工业化融合，满足可靠性应用奠定了基础。为高危石化行业安全管理预警，实现第一时间直观了解警情、第一时间准确判断事件、第一时间科学应急处置，提供了强力技术支撑，在工业自动化控制系统基础之上为安全生产增加了又一道更加直观、高效的安全保障和重大事故防范屏障。元坝在普光基础上进行技术迭代开发应用的重要改进主要体现在模块化开发、拓展应用深度、管理与应用相融合等三个方面。

随着信息化技术的发展，信息物理系统的融合的理念在石油化工行业将更加深入，更为开放的通讯协议、更为廉价的平台建设成本，必将得到更进一步的工业化应用。在普光、元坝两套平台的基础上，要想取得更深层次的应用、更广阔的推广价值、更高的适用性，满足不同场景下高危生产企业使用，还应从认识、技术、运维、使用、管理多方面共同提升，以实现信息系统与人的有机结合，信息化手段与工厂管理的有机统一，为生产安全管理服务。

3.1   模块开发及应用

受限于不同时期技术运用和信息化平台建设的认知水平，但普光、元坝两套基于信息物理系统的安全管理信息化平台一直在实践中寻求技术提升。从元坝开始平台建设的规划和实际建设过程已经开始由定制化开发向模块化开发转变。元坝的整个系统平台的搭建，总体可以划分为5层架构：分别为感知层、网络层、数据层、中间层、应用层[5]。元坝平台架构详见图4。

感知层以生产风险预警信息的信息物理系统为载体，通信接口为基础。通过模块化的网络接口定义构建了可复用、可扩展的信息处理机制，确保信息互联互通的传输，构建起以高效通信协议为载体，独立的、物理隔离的、具有较高安全保障的专用网络形成网络层。中间层为数据与应用（人机交互界面）信息传输提供服务。应用层可由下至上按应用数据表→应用功能→应用模块→应用系统→应用平台的层次划分，按功能匹配应用权限，按模块迭代平台应用功能。平台灵活的持续集成模式与可分类分级授权应用的权限分配方式，可以满足不同工厂后期根据需要分配具体功能的应用需求。

3.2   应用深度的拓展

高危生产企业安全管理信息化建设已经不仅仅是生产报表数据的采集、图表化展示等单一应用需求。多元数据分析以技术迭代的方式向更高的智能化应用发展是未来发展的方向。元坝在普光的基础上进行了报警复合信息聚合分析技术与工厂安全管理要素结合，形成了工厂区域性安全事件立体分析、应急预案升级分析技术。建立报警信息排序处理规则：

（1）同级报警信息，时间上先发生的，排在处理序列的前面;

（2）不同级别报警信息，首先按时间排序，若同时发生，优先等级较高的排在处理序列的前面;

（3）相关联的多个报警信息升级确认为警情事件，首先按时间排序，若有相关联的多个报警信息发生，经人机界面人工确认后的事件优先等级最高，排在处理序列的最前面。

形成了报警信息、事件确认、预案升级自动分析响应及处置技术，集成平台实现可自动科学处置高等级事件。元坝通过技术迭代，对预警的机制做出了新的尝试。

经过普光、元坝的应用实践结合生产安全管理需求，分析平台还可向如下方向深度集成应用：

（1）建立典型装置的投入产出相关性模型、建立设备能耗与工艺操作相关性模型、建立工艺运行参数与热交换设备效率相关性模型，用数据分析与模型分析共同的优化生产操作。使得企业生产安全管理的范畴延伸至生产运行分析与工艺异常管理。

（2）通过视频、数据自动化采集、分析代替人工，将企业未遂安全、环保事件提前预警，由生产企业安全管理延伸至生产重大危险源、污染源的安全环保管理。

（3）通过多维度的感知层，实现多维度的预警分析，多指标的联动分析，更为丰富的消息传送手段，为生产调度指挥自动化、智能化提供全方位保障。

（4）加强平台的可迁移性研究，构建适用的异地指挥辅助决策功能;既满足分布式应用的场景，满足集中化应用的场景的平台架构体系，又为不同应用场景提供通用平台。

3.3   预警管理与监督管理融合

管理信息化是企业实施信息化建设思路的重要方向之一。就目前而言，以基于信息物理系统传感器预报警及联动处置的自动化平台与基于岗位管理、监督执行的安全管理信息化系统融合的成功案例几乎还没有。但是作为生产、运行、调度、通信、指挥的一体化平台建设，如果没有实现二者的互联、互通、互动对于预警信息化平台是一种功能缺失，对于监督管理信息化系统，缺乏实时的安全预警信息源，很难实现聚焦异常管理。二者既是互补关系，也是共存关系。元坝在调度指挥中心通过作业管理信息化系统的建立，使得原有的预警信息与现场作业在管理上进一步的融合，为安全生产信息化两类系统建设思路的融合探索了可行性和可操作性。

总之，随着企业信息化需求扩展和应用的拓展，多系统、多平台是必然现象，互补、共存是信息化发展的需要不断去解决和完善的一项难题，选择合理的、可扩展的应用架构，通过迭代不断地完善为企业两化融合的提供长足动力是企业信息化建设重要思路。

4      应用展望

随着安全管理信息化思路的不断进步和信息技术的发展，立足石化企业生产、安全、环保管理提升的迫切需求，结合中国制造2025，对新一代信息技术与石油化工行业融合的集成创新和工程应用展望如下。

4.1   信息物理系统融合方向

信息物理系统的融合，改变了传统的各系统分而自治的局面，实现安全生产风险预警信息传递的对等性，形成了生产调度指挥中心管生产、管现场生产安全风险的管理模式，维护了生产调度生产管理第一责任主体的权威性，提升了装备的集成化应用水平，实现了企业精简了专职系统维护人员及安全监管人员的目标，未来有较大的可能推广应用和持续提升的空间。

4.2   管理信息化方向

石化行业具有流程复杂、工艺技术指标多、装置设备密集、专业化协同、交叉作业明显等特点。通过信息化技术的应用，围绕创新管理模式，标准化工作任务，执行过程追踪、监督异常预警管理，实现作业标准化、流程可视化、管理规范化、考核指标化、运营精细化等管理目标的信息化系统，在未来将得到极大的推崇与应用。

4.3   新一代通信技术应用方向

5G技术高带宽、低延时、连接稳定、传输速率快，单个基站（或信号接收机）的建设成本可控、单基站的覆盖范围较4G基站小很多的技术特点，可以预见5G技术将最先应用在空间范围相对小的工业领域。对于石油化工行业尤其是油田、天然气井站5G信号的覆盖，可解决终端到内部网絡高带宽接入、传输稳定的高清视频及生产数据传输应用场景，解决端到云的稳定传输问题，可集成化配套应用的前景值得期待。

5      结    语

（1）普光、元坝前后两套以信息物理系统（CPS）集成化应用为基础的安全生产信息化平台的建设思路，近些年来已经成为企业、政府解决生产企业预警、联动安全监督管理难题的共识。同时，信息化手段也是解决安全管理隐患和生产运行风险的有效的手段之一，深度应用必将是未来发展趋势。

（2）普光、元坝两套系统具有较高的实用价值。经过近10年的不懈努力及技术迭代，已经形成了报警响应小于0.5秒，联动执行平均不大于2秒，以元坝为代表的满足实时需求的技术系列，可为同类高危企业提供技术参考。

（3）平台的建设、应用为高危生产企业在工业过程控制系统上建立起又一道保护屏障，普光、元坝的成功工业化应用，在企业各级管理人员均得到了认可，两套平台至今仍保持全天候运行，强有力地证明了基于信息物理系统集成化应用的思路对提升高危工厂生产安全管理是十分必要的，理念已经深入到了基层。

主要参考文献

[1]李德芳.企业信息化组织与管理[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]刘永立，王海涛，孙维民，等.基于基础数据库的煤矿应急救援指挥信息系统[J].黑龙江科技学院学报，2010，20（1）：44-47.

[3]朱天涛，刘玮，周玉英，等.苏里格气田数字化集气站建设管理模式[J].天然气工业，2011，31（2）：9-11.

[4]王铃丁，张瑞新，赵志刚，等.煤矿应急救援指挥与管理信息系统[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25（5）：655-657.

[5]谭文胜，魏志鹏，徐瑞明，等.五凌公司大坝安全管理信息系统开发与应用[J].水电自动化与大坝监测，2009，33（4）：44-47.