油气田智能站场建设研究

滕奇刚?马维儒?熊立为

摘要：按照智能油气田定义，智能站场具備智能监控、智能诊断、自动预警、自动控制、数据智能分析五项技术特征和以生产运行集中调控为标志的管理特征，在智能化站场建设过程中同步推进技术应用和管理变革，才能实现预期目标，从数字化、可视化、自动化、智能化、软件化五个方面解决智能化关键技术问题，在管理上解决与智能化技术应用相匹配的管理变革问题，各油气田企业需要在实践探索中逐步形成智能化站场系统解决方案，达到智能化应用场景落地、智能化软件成熟可靠、智能化管控模式匹配的发展目标[1]。

关键词：油气站场；大数据；智能化；智能油田

一、前言

油气站场作为油气生产的重要场所，具有安全风险高、工艺相对复杂、人员集中等特点。近年来，随着各油气田企业自然减员的加剧，造成操作经验和基础信息的自然流失，迫切需要通过智能站场的建设弥补人员在数量和技能上的缺失，同时通过智能站场建设逐步实现油气站场无人或少人值守。油气田智能站场建设还没有明确的标准，处于摸索试验阶段，同时随着智能技术的迅速发展，新型智能技术在不断涌现，给智能站场建设带来无止境的问题。确定相对合适的油气站场智能化建设标准，在满足今后一个时段的生产实际需要基础上，适度追求技术先进性是比较切合当前技术发展实际的做法。

二、油气田智能站场的主要特征

中国石油集团《关于数字化转型智能化发展的指导意见》中明确指出：智能油气田就是通过生产现场智能监控、智能诊断、自动预警、自动控制，开展生产数据智能分析，生产运行集中调控，项目、投资、物资、设备、销售等一体化智能管控分析，实现现场作业智能操控、生产运行智能管控、勘探开发智能协同研究和经营管理智能决策分析等转型；进而推进“油公司”组织运营模式变革，压减管理层级，实现组织网络化、平台化、扁平化。上述表述明确指出了智能油气田的主要技术特征和管理变革特征，结合油气站场的需求实际，智能站场应该具备5个技术特征和1个管理特征。技术特征包括应用智能监控、智能诊断、自动预警、自动控制、数据智能分析五项技术，在技术层面满足智能站场的功能需要。管理特征为生产运行集中调控，体现在与智能化站场相配套的劳动组织形式变革和管理方式变革（见图1）。技术进步和管理变革是智能站场建设互相作用的两个方面，任何一个方面的短板都会制约智能站场整体效能的发挥。智能站场建设实现技术措施与管理措施相融合、管控一体化成为一种必然。

三、智能站场建设关键问题

智能站场实现智能监控、智能诊断、自动预警、自动控制、智能分析这些功能需要综合应用物联网、大数据、人工智能、边缘计算、工控安全、先进控制等一系列新型信息化技术，重点解决数字化、可视化、自动化、智能化、软件化五个方面的问题。

（一）全面的数字化，建设可被全面感知的油气站场

站场数字化是实现智能化的基础，数字化建设以满足操作运行需要、生产管理需要、数据应用需要、数据共享需要为标准。通常在智能化建设中侧重于物联网系统可自动采集的生产运行动态数据，往往忽视用于数据应用和生产管理的数据建设。数据主要包括站场基础信息、生产运行管理、能耗管理、设备运行管理、HSE管理、应急管理、系统运维管理等数据，这部分数据往往采用人工采集的方式录入系统并需要及时维护，随着二维码等技术的应用，少部分数据也逐渐实现自动录入（见图2）。管理数据的融入体现了智能站场建设管控一体化的需要，实现了管理流程的数字化[2]。

随着智能化水平的提高，采油厂或者作业区集中监管所辖站场已成必然，未来十年达到油气田集中监控油气生产过程已经成为可能。集中管控模式下管理数字化将显著提高管理效率，减少用工量，同时大幅缩短运行数据应用链条，减少非必要的中间环节，生产运行的PDCA循环周期将显著缩短，管理时效性显著提高。

（二）必要的可视化，实现站场智能监控

建设站场视频监控系统可以减少人工巡检工作量，及时发现站场运行出现的泄漏、火灾等事故，一般以视频覆盖站场内监控关注点为标准，为了弥补固定位置摄像头视角的不足，采用巡检机器人弥补视频覆盖不足之处。为了满足视频资源集中调用的需要，还需要对站场内已有视频资源进行整合，同时解决站控系统软件调用视频资源的问题，例如，三维力控组态软件中提供了调用硬盘录像机和摄像头视频的后台组件，为后续视频资源在站控系统中智能调用提供技术手段[3]。

视频系统智能监控主要应用有：第一，视频巡检管理机制，即电子巡检功能，按照生产运行管理的制度规定，要求操作人员定时对各摄像头视频画面进行检视，并将巡检结果进行记录，对故障视频自动生成保修记录，通过定时电子巡检机制保证巡检措施到位。第二，视频智能分析、典型场景主动报警，通过安装视频AI分析盒子或视频AI分析服务器实现对视频场景的人工智能分析，并将报警信息推送到站控系统，实时弹出问题视频画面并存储画面，一般按照AI算力资源的配置可以识别着装、吸烟、接打手机、火灾、泄露、烟雾等多种典型场景。第三，视频与工艺参数报警联动，在站控系统中建立工艺参数报警信号与相关联摄像头的对应关系，当工艺参数报警时，相关联的摄像头画面自动在站控系统中弹出，通常将可燃气体报警信号、液位报警信号等与对应位置的摄像头进行关联，用于实现泄露等场景的智能预警。

站场可视化除视频应用外，还包括站场虚拟现实技术的应用，通过三维建模技术实现基于虚拟现实的站场可视化，用于应急处理、巡检指导、故障处理等场景。通过虚拟现实技术的应用，可以让新员工通过系统熟悉现场情景，快速采取针对性措施进行巡检、故障处理、应急处置等操作[4]。

（三）可靠的自动化

以站场P&ID图为抓手，按照全流程自动化理念实施站场自动化建设，避免割裂上下游关联关系单独考虑某一单元的自动控制方案。主要自动控制类型包括远程遥控、PID控制、随动控制、逻辑控制、顺序控制等，实现液位、温度、流量、频率、压力等的PID自动控制，实现站场紧急停车、加热炉、压缩机、注水泵等自保连锁控制，实现污水系统反冲洗、自动装车、自动加药等顺序控制。在实现方式上主要使用PLC、DCS、SIS系统实现相应的自动控制功能，控制执行机构以变频器、控制阀为主。与炼化装置相比，油气生产物料成分复杂，在控制阀形式选择上要考虑介质特性对阀门动作的影响，如泥沙、压裂返排液、结垢等。同时，在使用上要加强定期检修，避免长期得不到有效维护而造成控制失效问题[5]。

工控安全问题是自动控制的软肋，得到有效安全保障的自动控制才是可靠的自动化。在工控安全上重点注意：第一，具备上位系统失效条件下可快速切换就地控制的应急处理机制。第二，PID控制回路关键信号冗余采集，确保PV源失效可以被及时发现，如关键液位控制回路。第三，合工艺生产的安全要求选择气动调节阀的风开、风关作用形式及电动调节阀失电后的开闭状态。第四，关注以工控网络安全为重点的系统安全，采用光环网、备份冗余链路等措施提高工控网络健壮性，做好工控网络的访问控制和隔离，加强操作站安全基线配置管理和使用管理。

在控制回路实现自动化控制的基础上应用先进控制技术将进一步提高油气站场自动化水平，减轻监控人员劳动强度，提高站场操作平稳率和运行效益。当前炼化行业已经普遍应用了先进控制技术。相比于炼化装置，油气站场具有机理简单、数学建模容易、操作变量和干扰变量少的先进控制开发应用优势。例如，掺输站场加热炉出口温度先进控制系统，通过采集计算地温、环境温度、各计量间回油温度、掺输水压力及温度等实现加热炉出口温度优化控制。通过先进控制系统的应用，计算机会替代操作工人自动协调各个自动控制回路的目标值，预见性进行操作调节，即鲁棒性多变量预估控制（英文简称RMPCT）。

（四）实用的智能化

除试验探索性建设的智能站场外，追求实用的智能化是比较客观的选择。智能化方面主要应用大数据挖掘技术、工艺建模技术、人工智能技术等，重点实现如下应用：第一，工况诊断智能化，在传统的偏差识别工况异常基础上应用大数据和人工智能结合技术，提取典型工况的数学特征，通过算法实现工况识别。在实际开发应用中，将具有丰富操作经验人员的定性诊断经验转化为定量化算法模型也是快速实现工况智能诊断的便捷方法。第二，报警主动化、人性化，在传统SCADA系统限值报警的基础上，应用报警优化技术和工况诊断技术，逐渐减少无效报警频次，同时，将报警方式由通用的报警提示音转变为主动语音报警，操作人员无需查看屏幕即可指导具体报警内容，实现人找报警向报警找人的转变，打造黑屏工厂模式成为报警主动化的工作目标。报警方式在单参数限制报警的基础上，应用关联分析实现多参数组合联动报警。应用大数据技术，通过对设备运行故障大数据的分析和当前运行参数趋势的变化，实现设备维修维护的预见性预警，从被动处理事故转变为主动预见性维护。第三，管理智能化，在实现报表自动生成的基础上，通过大数据手段实现数据自动统计分析，减少人工日常性分析统计工作量。通过软件化手段将管理流程智能化，实现管理事务智能提醒和管理事件的自动发起，管理行为闭环管控，例如，对灭火器的管理，当灭火器需要更换时，系统自动提醒。第四，站场运行最优化，通过优化算法，实现站场产量、能耗、物耗等目标指标最优化控制 [6]。

（五）管控一体化软件

智能化软件是智能站场建设的核心载体。智能化軟件除具有传统SCADA系统软件的基础功能外，还要具有相应的大数据、人工智能、人机交互等功能，并且要满足站场控制对安全性、可靠性、稳定性、实时性的使用要求。智能站场管控一体化的需求，对传统SCADA系统软件提出了新的升级需求，主要表现在：第一，建立关系型数据库存储管理数据，与站控系统软件相融合，实现关系型数据与实时数据的交互调用，要求SCADA软件具备与关系型数据库的数据交互能力，具备强大的集成能力。第二，与大数据、人工智能技术相融合，界面BI功能更加丰富，助力使用人员高效感知数据和趋势。第三，人机交互功能更丰富，包括语音交互、手势控制、触屏应用等。第四，提供相应的算法开发功能，提供一定的计算能力。第五，支持移动终端便携式应用。

目前通用的主流组态软件均提供了数据库调用组件和VBA脚本开发工具，支持用户进行数学计算功能的二次开发，为通过对组态软件的二次开发实现智能化奠定了基础。在数据处理上，可以充分利用数据库的内嵌存储过程实现数据的实时统计分析和批量计算，组态软件可以直接调用数据库的结果集数据。作为开发者，可以选择离线的环境完成数据挖掘和智能算法的开发，然后通过组态软件的脚本编辑功能完成智能算法的软件化。这种实施方法的优点在于：第一，前后台分离，开发效率高，开发周期短，界面开发简便。第二，源代码开放，便于后续升级维护。第三，与采集监控系统无缝衔接，实时性好。存在现有组态软件提供的BI组件不能满足大数据可视化需要的问题，需要用户进行二次开发才能实现相应的BI展示功能。

四、智能站场建设的管理变革

智能站场建设带来的是数据的集中利用和过程的系统分析，站场运行的集中管控成为提高数据利用效率的最佳选择。传统站场改造为智能站场需要进行运行模式和管理模式的变革，主要包括：第一，运行方式从按单元驻岗值守转变为集中监控、按需巡检，操作行为从单元操作转变为系统管控。第二，人员技能需要从只掌握原来本岗位的操作转变为全能操作员，具备系统掌握全站场操作的能力。第三，管理行为下沉，提高管理活动的时效性，操作与管理逐渐融合，从关注少数关键运行参数转变为关注系统整体优化运行。第四，建立保障智能系统稳定运行的维护机制。第五，建立相应配套的运行管理制度和考核制度。

在智能站场建设过程管理上还需要注意如下问题：第一，实施设备、设施完整性治理与工艺流程简化、优化是建设前应完成的必要准备工作，故障频发的系统和不合理的流程难以实现智能化运行目标。第二，人员数字化技能的提升是保障，对员工进行必要的自动化、智能化培训十分必要。第三，注重实用性，提高性价比，从用户的视角，分析需求，与管理实际相结合，避免过度增加无显著作用的智能化内容。第四，智能站场建设与绿色站场建设相结合，绿色、低碳、智能成为未来站场发展的主流[7]。

五、结语

智能站场建设是当前油气站场升级改造的趋势。不同的技术背景下，智能站场建设内容难免有所差异，智能化应用的侧重点也会不同。随着数字化理念的不断深入和智能化实践的探索，石油生产从业者对智能化的理解也逐渐加深，智能化技术服务油气生产的主题不会变。智能化站场建设的根本目标不是为了智能化而智能化，无论智能化如何发展，实现站场的安全、平稳、优化运行都是根本出发点和落脚点。油气站场智能化建设还处在探索试验阶段，需要各油气田企业在实践中积累建设应用经验，形成较为成熟的油气站场智能化系统解决方案，确定智能化系统架构，形成可推广复制的典型智能化应用场景，开发满足采集监控、大数据应用、人工智能开发应用需要的新一代管控一体化软件，形成智能化站场技术标准。同时，开展配套智能化管理变革研究和实践，形成与智能化应用相适应的智能化管控模式。

参考文献

[1]董红军，马云宾.输油气站场智能巡检系统设计与实现[J].油气储运，2020，39（05）：570-575.

[2]姚卜文，董立超，赵坤，等.智能巡检机器人在长庆油田场站中的应用实践探讨[C]//2019年中国石油石化企业信息技术交流大会.中国石油学会，2019.

[3]张凤丽，于昊天，叶伦宽，等.基于3Ds Max和ArcGIS的油气站场三维可视化信息系统开发[J].油气储运，2019，38（10）：1170-1175.

[4]张平，穆中华，白岩，等.油田双层系智能化橇装集中处理站研究及应用[J].油气田地面工程，2022，41（03）：87-92.

[5]朱勇，王子瑞.天然气场站智能化转型的探究[J].炼油与化工，2022，33（06）：53-57.

[6]张玉恒，范振业，林长波.油气田站场无人值守探索及展望[J].仪器仪表用户，2020，27（02）：105-109.

[7]于翔，李哲，刘璟.基于物联网下的场站控制系统探讨[J].当代化工研究，2018（06）：33-34.

责任编辑：张津平