高含硫氣田站場無人值守自控通信技術

王 靜

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

近年來，隨著油氣田自動化技術的發展和減員增效的戰略發展方針，各油氣田公司對企業內部的生產運行和管理都提出了越來越高的要求。

由于油氣田各區塊、油氣輸送集氣站場、增壓站場的位置相對較偏遠，交通不便利、自然環境惡劣、倒班輪換周期較長等各種條件的限制，對站內運行、值守人員產生了較大的生理及心理壓力。油氣田地面建設不斷滾動開發，而人力資源日益緊張、后勤保障缺乏、資源利用率逐漸降低，從而給油氣田站場的生產管理造成了一定的困難。

針對這些問題，總結這些年來油田四化建設取得的經驗，根據集團公司兩化高度融合、油氣公司體制建設運行的需要，并借鑒其它高含硫氣田集氣站合并管理試點的實施情況[1]，經過探索和實踐，在西南某油氣分公司高含硫氣田設計了全氣田的集中監控方案。該方案的實施，實現了整個氣田“集中監控、片區巡檢”的新型管理模式，各站場不設固定值班人員，內操人員集中在氣田生產管理中心對各站場進行遠程監控操作，外操人員定期對各站場進行巡檢，形成了高含硫氣田站場無人值守的自控通信設計技術。

1 無人值守站場的管理模式

目前，國內外較為成熟的無人值守站場管理模式大概分為如下3 種：

1）中心站場模式：依托中心站場，實現對周圍幾座站場的監控和巡檢，便于快速事故處理，多用于高危險站場或復雜站場。

2）集中管理模式：采用集中監控，集中或分區域管理，適用于流程比較簡單、依托條件較好的站場。

3）高水平無人值守模式：實現無人值守遠程控制，不需要例行巡檢，每年只巡檢有限次數即可。

上述管理模式中，國內部分天然氣長輸管道采取了中心站場模式，調控中心的操作人員能夠完全了解管道運行情況和主要設備的狀況，區域管理人員僅負責管理中心站場所管轄的管道和壓氣站，進行定期巡查和日常維護[2]；而海外部分無人值守平臺則已經實現了高水平無人值守模式，其設計理念是盡量減少平臺上的設備，最大限度減少登平臺次數和維護要求，除計劃維護外，操作人員僅需按月開展檢查及維護工作，或者每年巡檢幾次。

本文描述的高含硫氣田無人值守站場則是采取的上述第二種模式，即集中監控、片區巡檢，將氣田數據監控和日常巡檢深入融合。集中監控室（監控中心）通過SCADA系統實現對所有場站生產數據的24h 集中監控；將生產現場劃分為若干個片區進行管理，單個片區內按需設置巡檢組，每個巡檢組按照固定路線和時間間隔對多個場站進行巡回檢查；巡檢組和監控中心采取實時無線通信方式溝通對接，實現對場站的無縫日常管理和聯合應急處置。

這種無人值守的管理模式對自控通信專業提出了非常高的要求。為了保證遠程監控的穩定性，要求通信系統具有高可靠性，具備主備網絡自動診斷和自動切換功能。為了保證高含硫站場的安全性，要求自控儀表檢測準確可靠，自控閥門關斷安全迅速，自控系統具有高安全性、完整性，盡可能地減少操作人員對聯鎖關斷系統的人工干預，提高系統的可靠性；同時，又要想辦法避免儀表的誤報警產生誤關斷，影響正常生產。為此，通過采用一系列先進的自控通信設計技術，實現了高含硫氣田滾動建產項目的順利投產，保障了站場無人值守模式的順利實施。

2 高含硫氣田無人值守站場自控通信技術

下面分別從自控系統、聯鎖聯動設置、通信系統和現場儀表閥門等幾個方面進行描述。

2.1 自控系統

圖1 自控系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic control system

自動控制系統采用以計算機為核心的監控和數據采集（SCADA）系統，設置1 個調度控制中心和1 個集中監控中心，分別位于氣田凈化廠中控室和生產管理中心。調度控制中心主要是完成氣田集氣站場及井場的數據采集監控和安全保護功能，同時作為整個系統的數據中心。集中監控中心作為SCADA 系統的二級管理中心，實現站場的遠程監控和ESD 遠程操作。

控制中心系統由2 套子系統組成，分別是SCADA 數據服務器系統（包括實時數據服務器、歷史數據服務器、OPC 服務器）和安全儀表系統（SIS）。數據服務器系統主要負責采集各站場的過程控制系統的數據，對這些數據進行集中地顯示、存檔，實現氣田的集中監控以及統籌調度管理的要求；安全儀表系統主要負責采集各站場的安全儀表系統的數據，并根據凈化廠安全儀表系統中與氣田開發生產有關的報警信息實現全氣田的安全聯鎖。

從整個SCADA 系統架構上來說，共分作3 大部分：過程控制系統（PCS）、安全儀表系統（SIS）以及中心服務器數據處理系統。在每個集氣站場分別設置兩套子系統：過程控制系統（PCS）和安全儀表系統（SIS），分別作為一個單獨的網絡節點，掛在同一個光纖通信子網及公網專線備用網絡上，分別對應實時數據服務器和中心安全儀表系統上傳或下載數據。過程控制系統采用通用的PLC 系統，負責站內的生產流程以及輔助流程的數據采集和控制，并接收中心控制系統的指令；安全儀表系統采用SIL2 的PLC，根據工藝流程中的各種失控事件以及火氣檢測異常報警，安全聯鎖相關設備，確保人員以及生產的安全。

2.2 聯鎖聯動設置

1）全氣田的聯鎖關斷

氣田ESD 邏輯分為4 級：ESD-1 為全氣田范圍內的緊急關斷，ESD-2 為支線關斷，ESD-3 為站場關斷、觸發單個站場的關斷，ESD-4 為單元關斷。ESD 系統可針對各類異常情況下實施緊急停車或放空，各級ESD 均可實現人工關斷或邏輯自動關斷。

2）中心和站場的聯鎖關斷設計

圖2 通信系統示意圖Fig.2 Schematic of the communication system

在調度控制中心SCADA 系統的基礎上設置集中監控中心，調度控制中心負責全氣田級關斷和支線關斷，集中監控中心負責站場級關斷。操作站統一設置在集中監控中心，每臺操作站負責多個站場的遠程監控。站場無人值守，只保留機柜間，由站控PLC 系統實現自動控制和聯鎖保護。站場的ESD 手動操作盤全部移至集中監控中心，在集中監控中心設置安全儀表系統（SIS）PLC，由中心SIS 接收手操盤的指令，通過冗余光纖環網發送關斷指令到站場的SIS系統實現站場級關斷。

3）聯動系統設計

站場氣體探測器和火焰探測器的報警自動聯鎖視頻監控轉到預設位，第一時間監控火氣發生點，實現在集中監控中心迅速進行風險識別。站場級泄壓關斷自動聯鎖站場大門開啟，便于巡檢人員逃生。

2.3 通信系統

通信系統采用光纜（埋地+架空兩路冗余）傳輸作為主通信方式，租用公網鏈路作為備用通信方式，依托光纜組成2 套信息傳輸平臺。1 套單獨用于為SCADA 系統提供數據傳輸通道；1 套是用于其他信息化系統數據交換，主要包括視頻監控系統、腐蝕監測系統、調度電話系統、站場廣播對講系統、PAGA、陰保監測系統等，可以實現通信路由的主備自動切換。

2.4 現場儀表閥門

1）現場儀表均采用隔爆儀表，與本安儀表相比，減少了安全柵的中間環節，提高了儀表回路的可靠性。

2）儀表采用冗余設置。站場的同一區域設置多個氣體探測器和火焰探測器，采用多點復合檢測和邏輯判斷，當多臺氣體探測器（火焰探測器）中大于等于2 臺報警時，自動觸發站場級聯鎖關斷。站場井口壓力、進出站壓力的檢測均為冗余設置，取源口獨立設置。系統自動進行冗余壓力的偏差比較，超出設定值自動報警。冗余壓力檢測同時達到報警設定值自動聯鎖關停本站。

3）自控閥門要求執行機構通過安全完整性等級SIL2的認證，具備高可靠性。自控閥門采用故障安全設計，在失電或失氣狀態均能自動可靠動作。自控閥門提供部分行程測試功能，可以通過按鈕使閥門自動關閉15°，然后恢復全開位置，避免長期不動作造成開關失效。

4）站場和隧道采用開放空間激光泄漏檢測系統，可以同時檢測H2S 和CH4的濃度，信號上傳至站場控制系統實現遠程顯示和報警。

3 自控通信技術創新特點

1）高含硫氣田十幾個集氣站場實現無人值守，操作站設置調度控制中心和集中監控中心進行遠程監控。

2）同一區域設置多個氣體探測器和火焰探測器，采用多點復合檢測和邏輯判斷。當多臺探測器中大于等于2 臺報警時，自動觸發站場級聯鎖關斷，取消了人工確認環節。

3）ESD 手動操作盤統一設置在集中監控中心，實現每一座站場的遠程關斷。

4）站場級泄壓關斷時自動聯鎖站場大門開啟，便于巡檢人員逃生。

5）氣田通信網絡采用冗余光纖環網作為主信道，2M數字電路作為備用，且A 環網采用路由尋址的模式，B 環網采用同一網段劃分虛擬網的模式。

4 集中監控、片區巡檢模式風險識別

集中監控、片區巡檢管理模式主要依托自控、通信系統對場站實現安全生產管理，與有人值守站場相比，存在的主要風險有：

1）自控通信系統可靠性風險。極端情況或在事故情況下，若ESD 系統失效或者儀表、自控閥門出現問題，現場沒有操作人員及時處理，可能導致場站不穩定運行或后果擴大。

2）公共安全風險。該模式下，場站不再24h 有人值守，場站圍墻護欄無法完全阻止外來人員闖入，存在公共安全風險。

3）異常處置不及時風險。在場站出現異常情況時，巡檢人員不能及時趕赴現場開展異常處置、確認；另一方面，從安全角度出發，發現異常時，寧愿誤關斷也不能不關斷，增加了場站關斷概率，影響生產。

針對這些風險，通過有效的自動化控制系統、可靠的數據傳輸與應急通信、不間斷電源保障及相關的安全技術，即可最大限度地實現站場參數的自動調節，工況參數的遠程實時監控和異常情況自動保護的智能化平穩運行。

5 結束語

本文結合某西南油氣分公司高含硫氣田無人值守站場自控通信技術的設計和實施，對高含硫無人值守站場的自控系統、通信系統及現場儀表技術進行了比較詳細的總結。

高含硫氣田無人值守站場采用集中監控、片區巡檢的管理模式運行，通過在硬件和運行管理上的不斷完善，已經基本形成一套可實現平穩運行的硬件條件和軟件支撐，提高了高含硫氣田運行的安全性，降低了人力資源成本，提升了管理效率，也為全氣田試采工程改造提供了有力的技術支撐。

隨著信息化建設和物聯網技術的發展，油氣田站場無人值守必然成為數字化油氣田發展的未來趨勢。對已建的站場實施自動控制改造，統籌考慮中心站的設置，對現有工藝流程進行HAZOP 分析，并以此為指導優化無人值守工藝流程，從而保證生產運行的安全，為高含硫氣田高效開發的安全管理提供理論支持和決策依據[3]。