物聯網技術在天然氣產業鏈中的作用與發展趨勢

張 偉，周進生，楊 毅

（1.中國地質大學 （北京），北京100083；2.中國石油北京油氣調控中心，北京100007）

“物聯網就是物物相連的互聯網”。第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，通過射頻識別、傳感器、GPS等信息獲取設備，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［1］。天然氣由地層到最終用戶的過程也可以看過是一個物物相連的網絡或鏈條，既是一個“物聯網”，也是一條產業鏈。天然氣勘探、開發和凈化統稱為天然氣產業鏈的上游；天然氣運輸、存儲統稱為產業鏈的中游；天然氣利用統稱為產業鏈的下游［2－4］，城市燃氣是下游產業中最重要的一個組成部分。近年來，物聯網技術正在逐漸推動著能源行業特別是天然氣行業的發展和技術進步及生產效率的提升。

1 物聯網技術的應用提高了上游生產效率

目前，天然氣產業鏈上游勘探開發行業已經進入了信息化、網絡和綜合集成化時代。油氣勘探開發所面臨如裂縫油氣藏、薄互層油氣藏、復雜構造油氣藏和巖性油氣藏尋找和開采的難題，要求地質、測井、地震、油氣藏工程等多學科協同工作，融合各種先進專業設備和軟件的測試及計算結果，找氣并產氣，提高產業效益。隨著物聯網概念的出現，基于物聯網技術的數字化氣田和數字化采氣集輸系統等一系列新科技項目在“十一五”期間列入了我國石油公司的科技發展規劃，并取得了一定成績。天然氣產業鏈上游勘探開發多學科、多工種的協作方式要求專業軟件能夠在同一網絡上以“即插即用”方式集成起來，實現軟件和信息資源的共享，提供天然氣勘探開發應用系統一體化解決方案［5］。天然氣上游集輸和凈化處理工藝引入物聯網和數字化技術后實現了氣田管理數字化、信息化和智能化［6－7］。數字化氣田和數字化集輸系統是針對天然氣產業上游信息化管理而專門開發的，以滿足天然氣氣田日常生產運行、生產管理、生產監控、設備管理、成果展示的需求，是一套集天然氣勘探開發集輸凈化生產信息的采集、傳輸、存儲、處理、分析、發布、管理和應用于一體，規范、統一、安全、高效的全新現代化生產經營管理平臺［8－10］。例如蘇里格氣田的“數字化生產管理系統”平臺。在感知層中，把氣井的流量、壓力、溫度、圖像等重要數據采集并傳輸到集氣站，再由集氣站傳輸到生產指揮中心。在應用層中，生產指揮中心的數字化管理系統包括了生產運行管理子系統、采氣工藝子系統、地質專家子系統、地面管網優化運行子系統、電子自動巡井和遠程緊急關井六大子系統。這個平臺以5萬個氣井實時生產數據、3000個管網運行數據、20多萬個瞬時生產數據和其它數據為基礎數據庫，構成了一個既可提供天然氣生產管理動態信息網上發布，又可提供靜態信息資料查詢等服務，具有系統性、適用性、兼容性的數字化管理平臺［11］。物聯網和數字化技術的成功應用，為蘇里格氣田創造出了驚人的效率。

2 物聯網技術的應用提高了天然氣管網的運營效率

上游不同凈化廠生產的商品天然氣經過計量和氣體組分測量后進入中游的管輸和存儲行業，再通過中游管道將天然氣輸送給不同的下游用戶。近年來，隨著天然氣管道的不斷建設，管道已經相互連接，并與分輸支線以及下游城市管道互聯成網，成為了一個“物聯網”。該管網系統基于物聯網及數字化先進技術的應用，開展集中調控模式，大大地提高了天然氣中游的運營水平和效率。

2.1 管道聯網和集中調控管理模式的實施有效地提高了中游的效率

進入21世紀后，中國石油旗下的天然氣管網規模逐漸擴大。2007年，中國石油對天然氣管道實施了集中調控管理，在總部層面專門成立了管理全國范圍內油氣管道的油氣調控中心，在5年多來油氣管道飛速發展的過程當中發揮了統一規劃、系統建設、集中調度、優化資源、遠程操作、應急協調等重大作用。集中調控管理模式就是通過自有專用通信傳輸層，建立對各個現場核心生產數據進行采集、傳輸、處理、展示的計算機監控平臺，并可從總控制室下發控制命令進行遠程操作。這實際上已經搭建成了一個“工業物聯網”，利用它監控各個天然氣管網氣源和分輸口的壓力、流量等參數及關鍵設備的運轉情況，收攏了進、出管網和儲氣庫所有天然氣的調度和控制權，實現了天然氣氣量和流向的統一管理、分配和調節，充分地發揮出當前現有天然氣管道成網后的最大輸送量和最大優勢，較好地完成了下游的調峰需求，在很大程度上緩解了供需矛盾。總之，管道聯網和集中調控管理模式已經提高了天然氣管網的運營水平和效率，而且有助于物聯網和數字化等先進技術的應用。

2.2 物聯網和數字化技術提高了天然氣管輸系統的效率

隨著管道建設和后期運營管理復雜性的增加，數字化和物聯網技術也逐漸應用到了我國天然氣管網的建設和運營之中。20世紀90年代末期提出的“數字化天然氣管道”是指在多維度空間地理信息系統支撐下，以管道建設和運營管理的業務流程為主線，將衛星遙感、全球定位系統、地理信息系統、計算機網絡、虛擬現實等技術應用于各個業務環節，在管道的整個生命周期內通過對管道設施、沿線環境、地質條件等各方面的信息在三維地理坐標上的有機整合，為管道可研、勘察設計、施工和后期管理提供一個高效率的管理平臺和決策環境［12］。隨著物聯網技術的逐漸發展和成熟，數字化技術和物聯網技術也進行相互融合，并在天然氣管道行業中隨之產生了天然氣管道管理平臺，它是天然氣管道建設、運行和管理系統的核心技術。該平臺在建設期就安排各類設計與施工資料的計算機錄入，在運行期通過傳感器連接資產和設備，進一步提高管道的實時數字化程度，并將所采數據傳遞至數據庫；然后建立涵蓋各種環境、材料、設計、施工、生產和管理等所有管道數據的整合體系，實現數據的綜合分析與利用；最后，基于業務需求開發智能化應用系統，實現對管道運營各個環節的優化管理。

3 物聯網技術的應用提高了下游燃氣行業運營效益

城市燃氣行業是天然氣產業鏈的下游的重要組成部分。燃氣管道網絡化后的燃氣行業涉及生產（調壓）、配送、存儲、計量、利用和營銷等多個環節，并且其輸送里程長、網絡大、用戶范圍廣，造成在管理、監控及對客戶的使用服務方面做到高質量、統一化、高效率會有很大難度。隨著物聯網和數字化及信息化應用技術的提出，智慧化燃氣輸配管網成為了可能，采用物聯網技術改造原有燃氣管道網絡，使其智慧化、信息化、數字化，幫助燃氣公司提高各方面能力，能夠有效地促進燃氣行業的技術進步。

目前，采用物聯網技術開發而成的燃氣無線自動抄表系統和銷售系統充分發揮了物聯網技術的先進性和高效性。在感知層，在居民小區家中安裝無線遠傳儀表及其控制器；在網絡層，采用GPRS、Wi－Fi等建立通訊網絡；在應用層，建立中心數據庫和用戶遠程監控管理信息平臺［13］。同時，在數據中心通過通信前置機的方式與銀行系統建立連接，從而實現銀行的代收費以及網上購氣乃至手機購氣等功能。此外，物聯網技術也改善了燃氣管網的監控和管理系統，使其更加安全可靠。通過在各主要監控點如門站、調壓計量站等，設置GPRS數據采集模塊，配合重點區域視頻監控和燃氣泄露監測，實現對管網的遠程無線監控。并在燃氣公司建立企業級的管理信息系統，包括OA、郵件、車輛監控，提升燃氣公司的整體信息化和數字化技術水平，提高燃氣管網的運行效率（圖1）。

圖1 基于物聯網技術的城市燃氣管網綜合管理平臺基本框架

4 利用物聯網技術促進天然氣產業鏈的升級

根據產業經濟學中的產業升級概念，產業升級是指產業結構的改善和產業素質與效率的提高，產業升級必須依靠技術進步，又要實現該產業上中下游整體協調的提升。基于物聯網的信息化管控平臺是快速整合天然氣產業鏈上中下游的現有各自獨立的平臺，促進天然氣產業鏈上中下游各個產業鏈之間的銜接，進而促進天然氣產業的整體升級和進步。

物聯網技術的應用不但能夠提升天然氣產業鏈的生產技術水平，還會帶來天然氣產業管理模式的變革。天然氣生產行業由專人單井作業管理逐步演進到多井的作業區管理，減少人工，降低成產成本；天然氣輸送行業實現了管道調控和維護分離，并進而實現了全國管網的集中調控，不但提升了人工效率，更重要的是可以從全局的角度合理調配資源；城市燃氣行業基于城市的智能小區可逐步實現以小區作為基本用戶的簡捷與整合管理顆粒的優化模式。

隨著物聯網技術在天然氣產業鏈各個層次應用的廣度和深度上的拓展，從微觀上將會大大提升天然氣生產、運輸、使用的效率，從宏觀上可以促進天然氣能源對傳統能源替代的廣度和深度，進一步提高天然氣這一清潔能源在國家總體能源結構中所占的比例。物聯網技術在天然氣產業應用，客觀上實現了對傳統能源的深層次替代，提高了能源結構調整的深度。

5 物聯網技術在天然氣產業的應用發展趨勢

未來，物聯網在天然氣行業的應用應以天然氣的全產業鏈為對象，通過傳感、射頻、通訊、先進計算等技術組合，搭建全產業鏈的管理平臺，對氣井生產、管道輸送、市場銷售、居民生活利用和工業應用的全產業鏈對象進行感知，搭建生產運行管理、安全監控、燃氣銷售和應急搶險等各種功能模塊，實現生產數據、設備狀態、市場銷售、應急指揮等信息在指揮中心的集中管理和控制，利用規范、統一的數據管理平臺，支持天然氣生產到銷售的全過程管理，實現氣田生產根據市場需求及時調整，管道輸送根據生產和市場需求預先計劃，市場銷售滿足用戶近期和長期的需求變化，應急搶險統籌安排，使天然氣業務的全產業鏈達到智能調度管理的運營水平，實現對這一清潔能源的高效調配和利用。圖2規劃了物聯網技術在天然氣產業鏈中的發展趨勢。

圖2 基于物聯網技術的天然氣產業鏈管理平臺基本架構示意圖

6 總結

隨著物聯網和數字化及信息化技術的逐漸成熟和應用，能源行業特別是天然氣產業的上中下游都在努力引入該項技術，以期提高自身的生產效率。然而，信息化的基礎不僅僅是計算機與通信等技術問題，更重要的是管理的流程優化與固化，物聯網技術還在不斷地發展和進步，建議繼續關注和分析物聯網技術在天然氣行業中的應用范圍和深度，以天然氣產業全局作為物聯網技術的應用對象，研究配套的管理機制與機構，在此基礎上開展涵蓋產業鏈各段的關鍵數據庫研究，在應用層中建立能夠管理天然氣產業全局的智能平臺，真正實現天然氣生產、儲存、運輸、銷售、貿易一體化管理。

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