海洋石油安全风险监测预警体系构建与系统应用*

傅建斌,靳彦欣,任东方,逄铭玉,于学春,李 勇

(中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

2022年,应急管理部印发《“十四五”危险化学品安全生产规划方案》,要求推进“工业互联网+安全生产”,实施风险分级管控和隐患排查治理双重预防数智化建设。针对海洋油气开采行业,明确提出“十四五”末完成海洋石油安全风险监测预警系统建设,实现海洋有人值守平台安全风险远程监测、智能预警、分类防控。

海洋石油开采是我国重要的石油资源的获取渠道,与陆地开采不同,海洋石油开采没有固定的采掘基地,而是通过海上油气生产平台实现的,具有人员和设备高度集中、自然环境恶劣、地质条件复杂、监管困难等特点[1-2]。台风、巨浪、浮冰、有毒有害气体泄漏、火灾爆炸等对海洋平台生产过程造成严重威胁,一旦发生事故,救援很难在第一时间实施,极可能造成严重的人员伤亡和财产损失。

目前海洋石油生产平台均部署了SCADA、PLC、FGS、视频监控等系统,实时监测工艺参数、可燃气体和有毒有害气体浓度等数值的变化,但这些监测系统的主要功能是对当前数据的展示和历史数据的查询,能够基于数值变化实现阈值超限报警,但是无法对监控数据进行准确的分析以及对安全风险进行事前预警。针对此类问题,国内外学者对于海洋油气生产平台安全监测预警开展了多种研究,GOFF,等[3]基于实时监测到的海流和水温数据,开发了用于探测跨越温跃层的内波和强流现象的预警系统。BAN,等[4]采用ArcGIS、Silverlight 等地图服务及应用技术,在海洋平台、海底管线布置区域建立警示区,进行台风预警。葛群,等[5]采用边云协同架构研制了海上平台电气安全监测预警系统,将故障溯源排查平均时间从20 h下降至30 min。万军,等[6]以渤海某导管架平台为例,研发了一套对平台结构监控状态实时评估和监测预警系统。但这些研究多为专向性研究,未能充分挖掘利用海洋油气生产平台已有的工控系统、气象监测等实时数据,实现对海洋油气生产平台整体安全风险的监测预警。

本文针对目前海洋平台开采过程中风险难以有效管控的不足与问题,充分挖掘利用现有实时监测数据,预先识别风险、评估风险,进一步对这些风险进行管控,对海洋油气生产平台安全生产具有非常重要的意义。

1 海洋油气生产平台安全风险及信息化建设现状

1.1 安全风险现状

自20世纪60年代开始在渤海勘探开发石油以来,我国大多数海洋油气生产平台已达到或超过其设计寿命,正步入服役后期[7]。以渤海区域某公司为例,61%的采油平台达到设计年限,主要面临海床冲刷严重引发的结构物失稳、设备设施腐蚀老化导致的易燃易爆气体泄漏、海洋风暴潮等极端天气威胁等风险,安全生产风险与日俱增。

1.1.1海洋环境变化导致平台结构失效风险增加

随着海床整体冲刷和桩周局部冲刷的加剧,以及黄河来沙量减少,99.2%的平台实际水深已超过设计水深,86.7%的平台冲刷深度已超过设计值,最大的掏空深度达4.2 m,平均达2 m,导致环境荷载作用大于原设计值,加上附着海洋生物的影响,部分平台桩基承载力趋近临界值。

1.1.2海上设施超长服役期引发腐蚀老化问题

截至目前,80%的平台服役年限超过10年,其中:超过20年的占38.3%,16～20年的占比22.5%,11～15年的占比18.3%。平台面临着结构强度不足、平台水下牺牲阳极不足、平台工艺流程及甲板腐蚀老化严重等问题,陆续进入服役高风险期,发生事故的概率上升。

1.1.3极端天气威胁

油田海区地处我国渤海湾南部极浅海海域,渤海海峡以东,面临着强风、海浪、风暴潮、海冰等的威胁,据统计:平均每年出现8级以上大风的天气有26.8天次,8级以上大风最长持续5天,10级以上大风最长持续2天;有效波高2.5 m以上的22.4天次/年,极大波高可达7.89 m;每年冬季都有不同程度的结冰现象,冰情严重时,冰厚一般为40～60 cm,最大冰厚可达100 cm。频繁的恶劣天气给平台安全带来极大威胁,特别是近年来极端气候的不断变化,使得工程环境条件存在极大的不确定性,环境风险急剧增加。

1.2 信息化建设存在的问题

在信息化建设方面,海洋油气生产企业大多已完成了工艺自动化、电力自动化、视频监控、船舶轨迹位置监控等,基本实现了平台、管线、油井、设备等参数采集、紧急关断与远程启停,以及对海上船舶、报警信息、视频信息的动态监控。但是仍存在以下问题:

a) 部分数据未实现“一线平台-作业公司-分(子)公司-总部”四级贯通,无法满足安全风险远程监控的要求。工控系统数据未传输至总部,总部无法掌握现场实时生产状况;无法实现人员位置轨迹跟踪,不能为事故研判及采取措施提供信息支撑;缺少视频智能违章识别功能,无法达到自动智能视频安全巡查的目的。

b) 缺少风险监测预警分析功能,无法自动推送风险信息。SCADA、火气监测等系统数据未深入挖掘,以阈值超限报警为主;存在信息孤岛,各系统信息尚未有效融合;缺少风险研判模型,无法满足从事故管理向风险管理转变的要求。

c) 风险分级预警防控机制有待完善。各类报警信息仅在SCADA等工况系统中提示,不能根据风险大小分级推送信息。对于海上采油生产管理都是统一模式采取逐级汇报。由于各组织出于自我业绩保护的意识,向上汇报时可能会弱化潜在问题,影响到最终安全管理的决策结果。

2 海洋油气生产平台安全风险监测预警体系

危险源是客观存在的,危险只能被降低或管控,而不能被消除。有了危险源才有了释放的可能性,才用风险来度量是否安全。隐患是风险控制过程中保护措施可能出现的缺失、漏洞及风险的控制失效环节,是事故发展必备条件。作为内因的危险源和作为外因的隐患共同作用,事故才会发生。事故的内在发展规律无法决定,但能改变外在条件,通过排查保护措施的有效性来减少事故的发生,确保风险受控[8-12]。

针对海洋油气生产平台安全风险特点,结合已有信息化系统建设现状,通过排查海洋油气生产平台各种管控措施的有效性,从不同环节来管控“风险→隐患→事故”链条,构建海洋石油安全风险监测预警体系,如图1所示。

图1 海洋油气生产平台安全风险监测预警体系

事故是由初始事件引发,穿透层层保护措施后导致的后果。通过各种管控手段阻断链条发展,利用日常安全巡查、专项排查、实时监测管控,中断、阻断初始事件的发生,确保保护措施有效,即阻断“风险→隐患”链条,利用风险分级管控中断“隐患→事故”链条。

2.1 “风险→隐患”链条阻断

2.1.1初始事件监控

初始事件指事故场景中的初始原因,一般包括人员行为失效、设备故障和外部环境条件变化,具体监控措施如下。

a) 人员行为失效包括人员定位及人为作业。人员定位包括海洋油气生产平台人员定位的各项参数,包含平台超员信息、超期服役信息、非法进入人员及重点区域人员聚集,并通过视频监控、语音通讯、在线轨迹来管控人员活动安全。人为作业包括各种形式的海洋油气生产平台人员作业,如动火、吊装、舷边作业等,可通过两个方面进行管控:一是加强岗位操作规程学习,强化操作人员安全意识,提高人员操作能力;二是通过系统办理作业许可,实现作业预约报备、开工前检查确认、作业票填报会签、过程监督和统计归档等功能,有机关联人员资质审核、作业防控措施检查、人员违章防控等人员作业风险防控的各个环节,及时发现风险防控中的薄弱点,防止人员行为失效事件的发生。

b) 设备设施包括生产过程中的分离器、洗涤器、换热器、储罐、泵等生产设备设施及平台自身结构,通过对设备运行监测、结构检验、故障维修实现设备的安全生产,排除物的不安全状态。

c) 生产环境由外部自然环境及生产系统危险区域两个方面组成,外部自然环境主要指的是平台所处区域的风、浪、冰等环境条件;生产系统危险区域主要指工艺、动力、储罐区域存在的有毒有害气体泄漏、火灾爆炸等风险的区域。可通过传感器监测指标参数、视频监控等手段来监测生产环境。

2.1.2保护措施有效性监控

a) 实时监测管控(实时)。通过各种实时监测手段对人、设备、环境进行监测,除设置人员定位系统、环境监测系统、视频监控与智能违章识别、工况等专业系统外,设置风险监测预警、结构失稳监控、人员动态管理、设备检验逾期提醒等专业功能模块,对管控措施有效性实时监控。

b) 日常安全巡查(短周期)。若风险经过日常安全管理得到辨识,并采取相对措施有效管控,可从源头上掐断链条。日常安全管控通过制定防控措施有效性分级排查任务,明确排查内容、排查频次、排查责任人(含陆地和海上包保责任人),定期对管控措施有效性进行排查。排查出的不符合项,利用信息化系统进行风险评级,按照风险大小实施分级管理,制定防控措施、限期整改。超过规定整改期限的,系统平台将逾期情况自动逐级推送到上一级管理部门/领导。

c) 专项排查治理(长周期)。专项排查治理类型分为企业对标自评和总部深度评估两种,对照应急管理部下发的《海洋石油平台(设施)安全风险评估指南》,由作业分公司对海洋油气生产平台开展对标自评,形成自评报告和问题隐患清单,立行立改。由总部组织专家开展全覆盖深度评估,确定安全风险等级,形成深度评估报告。根据评估得分,平台风险等级分为高、较高、中、低4级,高风险平台全面停产整改、较高风险平台局部停产整改、中风险平台限期整改、低风险平台持续提升。

2.2 “隐患→事故”链条阻断

风险分级管控模式见图2。根据专项排查治理、日常安全巡查、实时监测管控情况,对风险大小进行分级,分别有重大、较大、一般、低风险4个等级,分别提示为红色状态、橙色状态、黄色状态和蓝色状态。根据风险等级大小以及不同层级的监管权责,分别推送给各级领导,构建“实时-短周期-长周期”三级监管尺度和“总部-分(子)公司-作业公司-一线平台”多级安全生产监管模式。

3 海洋油气生产平台安全风险监测系统

海洋油气生产平台安全风险监测预警系统以风险动态监测和分级管控为目的,按照统一格式和标准融合工艺自动化、人员定位、气象水文、视频等专业监测监控系统数据,针对专业监测监控系统实际设定的各类监测数据的报警阈值,构建关键预警参数指标数据库,开发风险预警算法,建立风险预警算法模型库,为风险实时监测管控、日常安全巡查、专项排查治理等工作提供可靠的技术支撑,建立风险分级管控机制,监督企业落实安全生产主体责任,保证发现风险后及时处理,处理结果及时反馈。最终通过海洋石油安全风险监测预警系统实现风险识别、风险预警、风险监控、风险处理、处理结果反馈的标准化风险闭环管控。

3.1 总体架构

按照总部、分(子)公司、作业公司(油田、区块)、一线平台“多层布局、四级贯通”的思路,接入海洋石油有人值守平台(设施)监测监控信息,以模块化方式构建不同的业务应用,通过门户系统实现统一的身份认证管理,采用标准、完整、灵活的“工作流+表单”方式实现业务流程驱动,并通过统一对外接口进行数据共享与融合分析,实现“业务高内聚, 数据松耦合”的软件架构,总体逻辑架构见图3。

3.2 主要功能

3.2.1风险感知

实时采集监测SCADA、SCS、视频智能分析等智能感知设备监测监控数据以及日常巡检数据,由于各系统提供数据的方式不同,提供WEB API、FTP、文件、OPC等多种数据接口,实现风险感知数据的采集、转换、加载及融合等关键处理过程,为风险计算提供数据支撑。

3.2.2风险数据传输与基础支撑

由网络系统、服务器系统、存储系统、云平台、安全系统等构成,利用工业网关,通过HTTP、TCP/UDP、Modbus、RTSP等协议,实现关键数据的“一线平台、作业公司(油田、区块)、分(子)公司、总部”4级可靠性传输。同时,综合运用权限组件、数据交换共享服务、数据分析处理服务、数据存储计算服务、数据可视化工具、系统运行状态监控服务、GlS服务、短信平台,实现风险预警服务、短信推送服务。

3.2.3安全风险数据库

构建海洋石油平台安全生产风险数据库,包含平台信息、风险清单、应急救援预案、风险评估记录,实现平台基础信息、风险监测数据、安全管理数据、风险检查评估等数据的统一存储与集中发布,为系统提供数据存储、数据查询服务。

3.2.4风险实时计算

为系统提供各种算法的功能集合,包括平台失稳风险计算、工艺风险计算、环境条件风险计算、泄漏火灾风险计算等相关模型,基于风险感知和安全风险数据库,构建基于海洋油气生产平台安全风险监测预警指标体系的风险实时计算综合预警模型。

3.2.5风险数据集成

实现海洋油气生产平台安全风险监测预警数据的集成,以及风险评估整治、人员动态管理、专业设备管理、平台基础信息等安全风险管理数据集成,围绕风险对安全环境数据、设备运行数据、人员位置服务数据、视频数据、隐患数据等异构化安全数据集中存储与分类管理,构建风险数据中心。

3.2.6风险监视

风险监视即应用层位用户提供功能应用集合,融合海洋石油平台基础信息、风险监测预警数据、安全管理数据等,充分利用图表、报表、GIS低等多种展示手段,为大屏、电脑端、移动端用户提供一体化的解决方案,以红、橙、黄、蓝4色图动态反映平台当前风险状态,实现企业风险分布“一张图、一张表”。以企业重大、较大风险为核心,实现与风险点相关的安全环境数据、重大设备运行数据、人员位置服务数据、视频数据、隐患数据的一体化融合监视。基于风险分级预警级别,实现安全数据在线巡查,支持异常数据溯源钻取查询,为企业基层管理人员、安全监管人员等提供各类预警周报、月报等信息。

3.2.7异常分级预警与处置

利用安全生产风险看板、运行监控中心、预警分析中心,基于岗位职责和应急预案,明确企业和二级单位的分管领导、管理部门、基层单位预警信息接收人员,以语音报警、短消息、移动桌面消息等多种方式,实现各类异常预警信息的分级精准推送及处置跟踪管理。基于动态预警与实时监测的风险信息,实现了对企业的风险预警与处理。

4 系统应用及实施效果

为验证海洋石油安全风险监测预警系统应用效果,在某企业20余个海洋平台开展了系统应用,整合现场已有系统10余套,接入关键数据11 000余条,实现了监测数据四级贯通、实时智能风险研判、精准分级预警推送和风险闭环管控。

系统应用后,有效解决了企业现场存在的数据一致难、业务协调处理难、监管难等问题,及时发现并联动处置单井出油管线压力异常、三相分离器液位贴边运行、环境条件异常等较大或重大风险18次,切实提升了海洋平台安全风险监管的精准性和时效性,为防范重大事故发生提供了技术支撑。