涪陵頁巖氣田無人值守集氣站建設

汪宏金 邢克 夏欽鋒

1中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司氣田開發部

2新疆油田公司風城油田作業區

在油氣田信息化建設中，實現站場無人值守已成為大多數油氣田信息化建設的主要方向[1]。集氣站無人值守建設由于受諸多條件限制，安全風險較大，實施難度較大。涪陵頁巖氣田所生產的頁巖氣純度極高，而且不含硫化氫等劇毒成分，為建設無人值守集氣站創造了條件。通過通信系統、安防系統、SCADA系統及信息系統的建設，目前一期產能建設的53座集氣站全部達到無人值守條件，45座集氣站實施了無人值守。

1 無人值守集氣站技術保障

1.1 安全保障

集氣站是氣田重要的生產單元，采用井口來氣→除砂→加熱→集氣匯管→分離→計量→集氣支線的標準化工藝流程（圖1）。集氣站主要設備為水套加熱爐橇、集氣匯管橇、分離器橇以及燃氣調壓橇等。集氣站設計壓力為6.4 MPa，實際運行壓力為5.0～5.5 MPa，外輸溫度控制在30℃左右。

圖1 集氣站工藝流程Fig.1 Technological process of gas gathering station

圖2 集輸工藝流程Fig.2 Flow of gathering and transportation process

集氣站又是氣田地面流程的中間環節，氣田采用高壓采氣、中壓集氣、集中脫水的工藝技術路線。氣田地面工程的主導布站模式為采氣叢式井場→集氣站→脫水站兩級布站，集氣站與采氣平臺合建，頁巖氣進脫水站集中處理的集輸工藝流程見圖2[1]。

集氣站能否安全運行直接關系到氣田的生產安全和經濟效益，因此無人值守集氣站必須能夠實現生產的自動和遠程控制[2]，可在壓力波動超限、氣體泄漏、設備故障等任何異常狀況下進行報警、關井、集氣站出口關斷、放空泄壓等操作，實現集氣站出口關斷、放空泄壓、井安系統聯動連鎖控制，保證氣井和集氣站設備及管網的安全，保障氣田安全平穩運行。為此每座集氣站均設置PLC和ESD控制系統，在市電及通信中斷情況下可獨立運行，涉及安全控制的執行機構和重要的部件如電磁閥等都必須達到SIL2標準。在調控中心搭建了應急聯動平臺和輔助操作平臺，實現事故緊急關停、超壓自動放空及氣田的一鍵關停。調控中心通過輔助操作平臺實現各區域、支線的一鍵式緊急關斷。

氣井是高壓易燃易爆場所，也是氣田的生產源頭。井場至集氣站加熱爐間使用高壓管線輸氣，井口一般沒有節流。井口是頁巖氣的地面出口，是第一道也是最關鍵的一道關口。在任何故障情況下，都必須保證能夠切斷氣源，關閉井口，杜絕災害發生或蔓延。在每一口井都安裝有井口安全截斷閥及控制系統即井安系統，井安系統除接受上位機控制、人為遠程控制外，其本身也設有上、下限關井壓力，達到閾值后也會自動關井。為確保安全，關井后的恢復必須由人工現場檢查確認后進行，復位后方可打開井口開始供氣。另外，井口還設有可燃氣體檢測儀，當頁巖氣泄漏達到一定濃度時進行報警或關井；集氣站設置多個溫度壓力檢測及可燃氣體檢測點，出站部分設有ESDV緊急關斷閥和BDV緊急泄放閥（圖3）[1]，并與井口控制系統聯動；集氣站加熱爐設有火焰探測和多點溫度壓力檢測，在緊急情況下自動停爐，加熱爐除自身具有PLC控制單元外，還接受站內ESD系統的控制。加熱爐自用氣也配備調壓及自動切斷裝置；分離器污水排放采用疏水閥控制，由于污水中含有較多的雜質，長期運行有可能會使疏水閥關閉不嚴造成天然氣泄漏，在疏水閥出口安裝超聲波檢漏設備，將信號接入站控系統，實現遠程在線監控；井場、集氣站的異常報警及關斷停車均與視頻監控系統進行聯動，調控中心可直觀地監視現場狀況。

為了確保人員、財產、環境安全，防止事故危險性擴大，設計了氣田的關斷等級及關斷范圍。全氣田關斷等級按三級劃分：

一級關斷為全氣田關斷，即井口、集氣站出口、線路閥室、脫水站進出口關斷并緊急泄壓放空。適用于脫水站火災、外輸管線爆裂、自然災害如強烈地震等。

二級關斷為裝置關斷，適用于脫水裝置單列故障、集氣支干線重大故障、集氣站火災等。

三級關斷為單元關斷，適用于單臺設備故障、單井壓力異常等。

在緊急情況下，除系統自動關斷外，調控中心操作人員根據權限也可在輔助操作臺上進行相應的手動操作。

圖3 ESDV線路截斷閥和BDV泄放閥布置圖Fig.3 Layout of ESDV line lock valve and BDV discharge valve

1.2 供電保障

由于集氣站無人值守，必須考慮在市電缺失的情況下井站能夠正常生產。如果集氣站供電中斷，集氣站站控系統將會進行一系列的自動操作，井口及集氣站出口將自動關閉，全站自動停產，但不會影響其他井站的正常生產。為此氣田架設了供電專線，集氣站PLC及ESD機柜、通信機柜均采用UPS及市電供電雙電源供電接入，UPS供電及市電供電之間可實現無擾動切換[3]。每個集氣站采用2臺工頻UPS電源并機運行，UPS工作狀態及市電工作狀態信號均接入站控系統，實現遠程監控，確保集氣站的不間斷供電，保障生產安全平穩運行。

1.3 通信保障

集氣站通信系統既是數據采集通道，也是遠程控制通道和監視通道。通信中斷會造成遠程控制失效，數據中斷乃至永久性丟失，操作人員與現場處于“失聯”狀態。由于集氣站PLC和ESD控制系統可以單獨運行，現場安全控制可以基本保障。為確保工控網網絡安全和傳輸的可靠性，氣田采用自建光纖環網+3G無線通信備份的傳輸方式，做到氣田光纖全覆蓋，自建光纖網絡與其他網絡物理隔離，工控信號、安防信號采用不同的纖芯傳輸，以保障工控網傳輸帶寬和穩定性。利用EPA工業以太網技術，工控系統均采用雙光纖環網設計，確保SCADA信號和ESD信號的可靠無縫傳輸。全氣田按照集氣站布局建設4個安防環網（圖4），保障視頻、門禁等安防信號的傳輸通暢和可靠性。

設備配置方面，工控網2臺核心交換機互為主備冗余，啟用VRRP（虛擬路由冗余協議），為匯聚層網絡提供唯一的網管地址。當主用交換機失效，備用交換機迅速切換成主用交換機，保障核心層網絡穩定。

有線網A采用二層交換機搭建，通過啟用二層環網協議DRP達到環網保護功能，并通過DRP+由2條鏈路將控制信號上傳至核心交換機；有線網B采用三層交換機搭建，接入3G路由器。交換機與交換機之間采用高優先級OSPF動態路由協議，交換機與3G路由器之間啟用低優先級的靜態路由。當有線網B的路由不能到達核心網絡，集氣站交換機至核心網絡會自動切換到3G無線網傳輸。通過多種路由保障數據不丟失，傳輸不中斷。

圖4 SCADA與安防環形網絡拓撲Fig.4 Topology of SCADA and security ring network

1.4 安防保障

無人值守情況下集氣站的安防保衛工作須依靠信息化手段結合人工巡檢來完成。集氣站安防系統由工業電視監控系統、周界防御系統、語音對講及應急廣播系統、門禁系統、電子巡更系統構成[4]。調控中心建有綜合安防管理平臺，平臺通過網絡層集成各子系統，通過一個統一的管理平臺界面，實現安防系統所有報警/事件的集中監視，對重要前端設備進行遠程控制及各安防子系統間的聯動。在生產工藝參數波動超限、非法闖入等異常情況下均有語音告警及視頻畫面跳轉，將報警現場展示出來，并且有相應的文字提示，以方便操控人員及時判斷和處理。

周界防御系統聯動可實現在集氣站、RTU閥室的周界防區被入侵時，聯動攝像機到預設位置，對該區域進行實況監控、語音自動告警驅離；SCADA系統聯動可實現在集氣站的SCADA系統發生報警事件時，攝像機自動聯動到預設位置，對該區域進行實況監控；門禁系統聯動可實現在集氣站、RTU閥室的門禁系統發生非法刷卡、門無故開啟、超時未關門事件時，聯動攝像機到預設位置，對該區域進行實況監控、語音自動告警驅離；語音對講系統聯動可實現在某集氣站與調控中心建立對講通話時，調控中心的視頻監控窗格會自動實況到對應的集氣站（圖5）。

圖5 周界系統防御系統聯動Fig.5 Linkage of boundary system and defensive system

工業電視監控系統采用視頻監控平臺集中管理，該平臺具有PTSQ高效可伸縮編碼、分布式信源編碼的多路視頻差錯控制和聯合差錯恢復、多標簽近鄰傳播的檢索、實時視頻流組播承載等特點，融合了生產監控和安防監控系統，實現了生產監控和安防監控的業務獨立與資源共享。對生產及安防預警和報警通過遠程查看現場情況，對異常情況的程度進行確認。選用具有光通信功能的高清攝像機，避免光電轉換帶來的信號衰減及電子元件損壞；周界防御采用光纜監測系統即網絡型光纜振動探測報警系統，符合GB/T 10408.8《振動入侵探測器》國家標準，系統采用光纜作為無源探測器，誤報率小于2%，加速度感應精度為1 m/s2，實時響應光纜中斷報警。光纜具有較高的靈敏度，可有效避免雷電干擾，適用于集氣站及井場易燃易爆場所及山區各種復雜地形等不規則周界防區的探測，安裝時將光纜直接鋪設在井場和集氣站圍欄鐵網上。各集氣站的光纜振動探測報警系統將報警信號傳輸至調控中心；門禁系統可實現遠程控制進站大門及站內儀表控制室、配電室門的開啟，并可記錄持卡人基本信息和進出時間信息。

2 自動控制與數據采集系統頂層設計

氣田采用“SCADA＋ESD”自動化系統進行頂層設計，按照中石化氣田智能化發展方向部署自動控制及數據采集系統。數據是智能化油氣田的基礎與關鍵，系統可按秒、分、時獲取高頻實時數據，應用MODBUS或TCP/IP將監測數據實時傳輸到數據管理系統[5]，實現氣田一體化實時管理，即實現實時遠程控制、實時數據共享、實時動態監測、實時調整運行與實時決策修正，最大限度地滿足氣田生產、環境安全及采輸工藝要求，完成集氣站無人值守情況下氣田的自動化控制[6]。ESD系統設計充分考慮非正常生產情況下的自動響應與應急處理，保障現場生產裝置、設備及管網的安全運行；控制系統采用冗余設置，集氣站PLC及ESD機柜均安裝2套控制器和電源，現場溫度、壓力、液位、流量等儀表及執行機構均智能化，以保證運行平穩可靠。系統可進行預警及報警，井站及氣田報表自動生成[7]，并可根據不同需求個人定制報表及生成所需的趨勢曲線。

建設AMS智能儀表管理系統，監視儀表本身運行狀況，確保所測量的數據可靠。對具備HART協議智能儀表和控制機構進行自動遠程診斷，并在管理系統中進行預警。

建立了氣田真實三維場景，還原氣田全貌，多源數據統一關聯三維模型，實現氣田的集中、直觀監控[8]。打造油田站場三維地理信息系統，實現空間數據、生產數據、影像數據、三維數據于一體，最大限度地實現信息資源共享[9]（圖6）。

圖6 集氣站三維系統掛接實時數據展示Fig.6 Display of real-time data in three dimensional system of gas gathering station

3 結束語

憑借可靠的安全、通信、供電及安防系統保障，科學全面的氣田自動控制與數據采集系統設計，涪陵頁巖氣田實現了集氣站無人值守。通過完成數據的采集、動態分析、過程控制實現數據信息的共享[10]。正在踐行的“井站一體、電子巡護、遠程監控、智能管理”的新型高效集約式生產管理模式徹底改變了傳統的生產勞動密集型管理模式，推動了生產和管理向網絡化、數字化、自動化、智能化轉變，井站管理從定點、定時管理變為24 h不間斷集中管理[11]。涪陵氣田實現集氣站無人值守后，節約用工約80余人，每年節約人力成本超760萬元，減少集氣站操作人員生產生活配套設施的直接投資1 300余萬元。