天然气场站智能化转型的探究

2023-01-10王子瑞

炼油与化工 2022年6期

朱勇，王子瑞

（1.中机国际工程设计研究院有限责任公司华东区域中心，江苏南京 210023；2.大庆贝世康人力资源外包服务有限公司昆明分公司，云南昆明 650214）

随着国家能源局印发《2022年能源工作指导意见》［1］。2022年成为落实“十四五”规划和碳达峰目标的关键年［2，3］，《意见》指出要深入落实碳达峰行动方案，要加快能源产业数字化和智能化升级［4］，各大燃气公司推进数字化技术创新，开拓智慧燃气的发展道路。

1 背景

燃气是高危行业，燃气管网、场站及设施是城市或者工业园区的基础设施，任何泄漏都将造成巨大损失。当下，燃气场站在信息化方面，存在管网定位不准确、资料不全等问题；而在设计和工程方面，同样存在依赖人工、方式传统和管理信息化手段不足等问题［5，6］。企业由于缺乏先进的技术手段采集和更新数据，导致在抢修决策时不能迅速判断故障点和故障影响范围。国家对能源行业提出高要求，建议其同其它领域高新技术结合，实现在可视化状态下进行沟通、讨论、决策，提高场站的安全与运行效率。

连云港中新燃气有限公司是徐圩新区石化基地天然气管道燃气特许经营项目的投资运营主体。公司立足连云港石化基地产业，通过建设徐圩新区LNG储配站和天然气管道等基础设施，多方面组织气源，加快石化基地天然气供应，保障基地内部产业项目用气需求，且为全市天然气保供提供重要支撑［7］。

当前中新燃气已形成由管网SCADA、GIS、视频监控系统、呼叫中心、营收系统等子系统组成的信息技术应用体系，随着信息化系统越来越多，管理水平提升遇到了瓶颈，甚至因各种系统孤立分散导致管理成本越来越高的新问题［8，9］。

中机国际工程设计研究院与中新燃气协商为降低安全隐患、降低运营维护支出、增强生产稳定性；通过建立全面的场站、管网管理系统，计划将设计数据准确直观地以3D模型的形式交付，且统一平台，实现各子系统的智能关联。

2 方案介绍

设计研究院建议采用AVEVA系列的数字化工厂解决方案，先制定总体方案，根据建设期和运营期分阶段实施，方案分2步实施。

（1）工厂建设期—数字化交付。先实施工程建设阶段的数字化交付（集成工程设计阶段、采购阶段、施工阶段所产生的所有工程建设数据）。

（2）工厂运维期—智能化运维。在后期工厂运维阶段，建设统一的集成平台和数字化管理系统（集成DCS、PLC、SIS、视频监控、人员定位、安全信息化平台、智能设备管理、预测性维护等等）。

2.1 技术路线概述

智慧化转型贯穿了项目的全生命周期，技术路线通过软件、平台将各类数据、系统以云服务的方式集成展示。

2.2 数字化交付方案

项目应用AVEVA公司的设计软件完成建模，以三维模型形式，提供大量的数据支撑，覆盖从设计—采购—施工—调试整个全生命周期的基础数据，并以系统平台的格式统一移交给运营团队，服务于生产运行管理。数字化交付平台概览见图1。

图1 数字化交付平台概览

2.2.1 方案架构数字化交付解决方案，能够满足业主方数字化移交、工程信息管理、运维信息集成及内容管理和建立数字化管理系统的需要。数字化移交架构见图2。

图2 数字化移交架构

2.2.2 平台主要功能接收来自不同系统的信息，实现脱离专业应用系统的信息和数据的实时浏览及导出；提供多种信息查询方式，快速查询所需的工程信息，实现基于二维、三维模型的信息导航。

在项目实施过程中，获得来自不同专业的成果信息，为项目实施决策提供准确的基础数据，形成包含工程项目全部设计成果信息的数字化工程信息资产数据库，实现向业主可控的数字化工程设计信息移交管理。

2.2.3 平台集成内容（1）三维模型。包括各承包商的PDMS、E3D模型；（2）智能P&ID图纸。智能P&ID图纸通常包括图纸本身和关联的数据，包括AVEVA Diagrams；（3）智能仪表设计软件。包括AVEVA Instrumentation等；（4）普通文档类型。常见的包括Office类型，如doc/docx、xlsx/xls、pptx/ppt、PDF、TXT、RTF等；（5）识别、抽取。在发布进入平台后，会自动和文档建立关联。文档能够直接在Web页面显示，位号在文档中能够高亮显示、自动定位等；（6）普通图纸类型。常见的如AutoCAD的DWG，DXF格式，Bentley的DGN格式，都可以发布进入平台系统。和普通的文字检索引擎不同，GCT支持图形文件中的全文检索，能够将所有的位号（Tag）信息进行检索、识别、抽取，在发布进入平台后，会自动和图纸建立关联。图纸能够直接在Web页面显示，位号在图纸中能够高亮显示、自动定位等；（7）其它格式类型。常见的视频格式Avi、wma、rmvb、rm、flash、mp4、mid、3gp等，图片格式JPEG、TIFF、BMP、GIF、PNG等均可进入系统。

所有数据进入系统后，都以位号为核心关联在一起，示例数据模型见图3。

图3 示例数据模型

2.2.4 信息管理方案平台采用流文件技术实现异地分布式流畅浏览三维模型及二维图纸，可通过互联网完全在桌面实现对三维模型的旋转、缩放、剖切、隔离、测量、标注、协同等操作，支持可视化设计评审［10～12］，实现可控的数字化工程设计信息的移交管理。

2.2.5 数字化交付涉及的软件清单各软件的名称及其主要功能见表1。

表1 数字化交付软件清单

续表1

2.3 智能化运维技术方案

在工厂建成投产转入运营期后，可将数字化交付平台数据及工厂运维中使用的实时数据库进行统一集成，真正实现数字工厂与物理工厂的孪生［13～15］。包含但不限于以下9个运维系统。

2.3.1 基于GIS地图的综合安防系统基于GIS地图的安防指挥中心实现对集团厂区各品牌车闸、人闸、监控视频的统一管控、并做到可视化展现，实时监控报警分析，及时处理生产运营过程中遇到的安防问题，降低企业的生产运营风险。

2.3.2 安全信息化管理平台安全企业信息化管理平台主要是围绕风险分级管控和隐患排查治理，主要包括重大危险源监测预警系统、企业安全风险分区管理系统和安全生产全流程管理系统［16，17］。（1）重大危险源监测预警系统。利用视频和预测预警模型对构成重大危险源的生产装置和储存设施进行监测，同时获取运行参数并预警，实现对其动态安全监管，遏制事故的发生；（2）安全风险分区管理系统。辨识生产过程危险和有害因素，确定其风险程度，并用“4色图”来标绘厂平图，形成“2单3卡”，包括危险因素排查辨识清单、风险等级管控清单、安全生产责任承诺卡和物品危险危害特性应知卡、应急处置卡等；（3）安全生产流程管理系统。融合了企业过程安全管理和安全生产标准化要素，包括安全制度和生产目标责任管理、作业变更管理、安全风险分级管控及隐患排查治理、事故应急管理等［17］。

2.3.3 人员实时定位系统确保人员人身安全，并按要求在厂区内活动与作业。（1）通过蓝牙或UWB技术，对厂区内人员实时定位，并通过光纤或网络上传至企业本地服务器，对位置数据进行计算、存储、显示、分析；（2）门禁系统增加人脸识别，避免人卡不符；（3）统计厂区内的人员数量与分布，实时汇报至安全部门；（4）结合电子围栏，限制未授权人员进入；（5）结合智能视频监控，确保人员在厂区内按要求穿戴PPE；（6）结合智能视频监控分析人员行为；（7）结合智能巡检系统，确保巡检人员完成正确完整的巡检步骤；（8）记录承包商员工的轨迹与停留时间，供承包商管理使用。

2.3.4 综合设备管理系统综合设备管理系统涵盖设备的全生命周期管理，确保设备的可靠性和完整性，主要包括设备的管理变更、设备的保养报废、仓库管理、数据采集、作业票管理第3方相关单位管理等模块。

2.3.5 设备点巡检系统（1）设备状态实时监测。结合设备三维模型，对设备运行状态、运行参数等内容进行实时刷新显示；对超出标准范围的设备异常状态实时报警，弹出报警弹窗；对设备台账管理；对所有设备信息进行汇总统计，生成台账面板，显示设备相关信息；对所有设备的检修情况进行记录查询等。（2）1键智能巡检。以第3人称视角按照原先制定的巡检路线进行相关设备数据监控，实现1键开启智能巡检。

2.3.6 设备预测性维护系统能够提早预测到关键设备在正常操作周期内的故障，提前采取措施，从而将设备故障对生产的影响降至最低。其在设备表面或内部设置传感器和数据采集系统，通过搭建物联网将数据上传至服务器，利用系统软件进行处理分析，当结果偏离正常值时自动报警，提醒工作人员对设备数据追踪回溯，判断设备是否异常并确定原因及损伤程度，为运营提供数据支撑。

2.3.7 智能监控AI行为分析系统智能AI行为识别分析监控系统是人脸识别、行为识别和物体识别技术的整合，其能实现全方位全天候无死角式监控。一旦捕捉到事先预设的违规信号就立即实现同步预警功能，防止事态恶化。

2.3.8 操作员培训系统及仿真培训系统主要是利用仿真模拟技术在计算机上仿真出各工段的真实生产过程，包含运行方式和控制逻辑［18，19］。在此基础上进行相对应的模拟、调整和培训。此外，对受训学员的成绩进行评价，保证经验与知识的积累。

临境式仿真培训系统是采用工业领先的专利3D宣染技术创建真实的工作场景，集成真实物体的交互性和动态性。同时利用高真实感的立体VR环境让培训者如同在真实工厂中一样在工厂和单个设备之间漫游，观察细节并进行交互操作，给培训者亲手实践的机会，让其不仅了解工作的环境，还能掌握相关操作技能。

2.3.9 先进控制和实时优化先进过程控制是趋向于复杂控制的可操作性较强的控制方式［20］，主要利用最优化模块通过最优化技术（带约束的线性规划或者是非线性规划）将装置稳定在最优点运行，使企业经济利益最大化；实时优化是基于稳态机理模型或反馈信息结合工艺大数据、机理知识把最优化技术应用于过程控制，将企业运营的各个环节整体贯通，彻底完成从上到下的优化目标。