油田站場無人值守模式的推廣應用

李秉軍 劉玉芳 劉貴強 石利新 劉萬斗

（1.華北油田第五采油廠；2.華北油田工程技術研究院）

華北油田總部位于河北省任丘市，在著名的“華北明珠”白洋淀之濱，北依首都北京，南望河北省會石家莊，東接濱海都市天津，西至文化古城保定，毗鄰廊坊、滄州兩座新型城市。勘探區域集中在冀中、二連、山西，橫跨京津冀蒙晉五省市，礦權區域面積6.9×104km2；開發管理著56個油藏、27個天然氣藏、7個煤層氣區塊，有石油資源量37.3×108t、天然氣資源量3 982×108m3、煤層氣資源量1.08×1012m3。有五個采油廠、山西煤層氣、二連分公司、巴彥勘探分公司8個油氣生產單位。隨著華北油田自然減員人數的逐年增多，尤其是2021－2024年將是退休、離職人員高峰。新入職員工的人員又較少，使得人員需求結構出現了嚴重不平衡。伴隨油田開發技術的日趨完善，數字化水平的不斷提高和低成本開發的需要，油田站場快速向無人值守方向發展[1-3]。目前，華北油田各個采油廠已基本實現了數字化改造，通過數字化管理，優化勞動模式，可大幅提升油田的管理與運行效率，華北油田目前正積極推進減員增效，嚴格控制人工成本，努力提高公司的經濟效益。2021年通過推進物聯網建設，油田戰場無人值守建設工作全面展開[4-6]。

1 現狀

JJ站是華北油田高家堡油田唯一一座轉油站，經過多次改造，站內設備設施狀態較新，配套完整，生產運行狀態良好。JJ站站外共有59口油井，目前開井47口，采用單管集油進JJ站。JJ站外輸油流程：JJ站輸往C25-1計閥組，與C15-8計來油匯合后，再輸往C南聯合站。目前JJ站每日外輸量290 m3。JJ站站內包括集油系統、原油處理系統、外輸系統、供熱系統、天然氣系統以及注水系統。包含的設備有井口加熱器1臺，井口加熱爐1座，分離緩沖罐2座，高架儲油罐4座，外輸泵2臺，常壓熱水鍋爐2座，熱水泵2臺，外輸加熱爐2座，水源井（電潛泵）1臺，儲水罐1座，注水泵1臺，注水撬1座，水箱1座。JJ站工藝流程見圖1，站內設備主要運行參數見表1。

圖1 JJ站工藝流程Fig.1 Process flow of JJ station

表1 JJ站站內設備主要運行參數Tab.1 Main operation parameters in the station equipment of JJ station

原有的JJ站與無人值守狀態相比仍存在著許多不足之處，需要進一步優化與改進。人員不足問題逐漸突出；站內設備可視化程度低，必須現場人工操作；電力消耗嚴重且意外斷電容易造成安全生產事故；儀表設備種類較多，維護復雜困難；同時缺乏智能安防系統，依靠人員辨別時間較長，容易將較小事情釀成重大事故。為此，油田公司在2021年初將JJ站作為無人值守建設試點站場[7-8]。

2 無人值守設計

2.1 概念

無人值守是通過對站場運行、崗位設置、操作頻次等的調查，對需人工頻繁操作的環節實施自動控制改造，減少操作頻次，達到現場少人操作甚至無人操作的狀態[9-11]。無人值守站場系統包括視頻監控、數據采集、報警、門禁、存儲管理、網絡等[12-14]。這套系統不僅需要對站場主要儀器設備的運行狀況進行實時監測以及防御外來入侵者的破壞，同時需要配合相關技術人員的定期巡檢，形成物防、技防、人防的完整安防監控狀態，實現無人值守的效果[15-17]。

2.2 技術要求

無人值守站場應配置數據采集控制系統，負責采集站場內的遠控閥門、壓力、溫度、液位、流量、電參、加熱系統等儀器儀表的數據，各儀表設備應具有就地顯示及信息遠傳雙重功能。

無人值守站場應配置相應的視頻系統和安防系統，實現運行情況監視、入侵探測、防盜報警、出入口控制、安全檢查等主要功能。視頻和安防系統信號應能夠傳至監控中心，并具備遠程控制、布防、撤防等功能。防區劃分應做到避免盲區和死角，有利于報警時準確定位，視頻監視和安防系統宜緊密集成。條件許可時可考慮視頻與報警的聯動。

2.3 JJ站改造方案

為實現JJ站無人值守，實現對各個分系統的統一管理，對突發事件實現統一指揮，一鍵實現流程安全切換。從以下五個方面進行整改與優化。

2.3.1 DCS控制系統

無人值守對控制的安全性要求較高，擬采用DCS控制系統。DCS系統具有很好的冗余功能，可以實現多通道熱備功能，可以熱插撥模塊實現不停機系統維護。DCS系統通常采用的國際標準協議TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網絡，系統的拓展性與開放性更好，而PLC因為基本上都為單個小系統工作，在與別的PLC或上位機進行通訊時，所采用的網絡形式基本都是單網結構，網絡協議也經常與國際標準不符。DCS系統所有I/O模塊都帶有CPU，可以實現對采集及輸出信號品質判斷與標量變換，故障帶電拔，隨機更換。依據JJ站月平均人工操作頻率，劃分遠程自控范圍與現場操作工作界面，非自控范圍內的工作內容，仍然采用現場操作。

2.3.2 可視化操作系統

通過可視化視頻、AI機器視覺分析、數據視頻融合，以采集數據、網絡傳輸、智能分析、高度集成、統一展示的理念為核心，構建數據中心、設備間、設備、路由、設備接口的逐級立體可視化，將數據和概念轉化為圖形，將復雜信息以立體、直觀的方式傳遞給運維人員，使其快速消化和理解。運用傳統軟件與硬件設備的集成，把規模龐大的信息化建設、智能化管理工具集中構建為3D可視化操作系統。在控制室實現猶如身臨其境的遠程操作（看著現場視頻圖像，用鼠標點擊圖像上的虛擬按鈕，實現設備的啟停），它的操作方式是以視頻為導向，橋接貫通各個系統，在視頻圖像上實現現場操作，即遠程“就地”操控。實現抽油機井遠程啟停、電泵井遠程控制、氣井遠程關斷、注水自動調節控制、自動倒井計量控制等，用戶可綜合考慮生產需求、管理需求和安全需求，選擇實現遠程控制功能。極大降低現場用工人數，使得設備操作更加便捷、高效。

2.3.3 智能電源系統

現階段JJ站依舊采用傳統用電系統，還處于無網絡化、無智能化的用電設備分散獨立運行狀態，后臺無法實現對前端用電系統進行遠程實時預警監測。實行JJ站用電智能化管理，提出以下要求：

1）智能管理，監測JJ站用電負荷的變化以及預防和控制由于超負荷運行引起的火災隱患。

2）當系統斷電時，0 s切換至UPS供電，確保事故狀態，流程切換電動閥門動作暢通，同時切換至發電機組供電，恢復生產。

3）確保有效的監、管、控站內用電不合理現象。

4）通過對各用電回路及設備進行系統化管理，建立高效的預防、報警、跳閘保護機制，減少人身傷亡，財產損失。

平臺軟件充分利用設備運行數據，采用先進的軟件開發技術，為用電場所提供強弱電集中管理、分析決策、數據安全的有力支撐，真正實現了安全用電、規范用電、節能用電、智慧用電的目標。

2.3.4 儀表、設備全生命周期管理系統

MS儀表管理系統的優勢：多種儀表設備統一管理，操作簡單方便；遠程管理快速、便捷；在線監測與診斷提高設備可靠性；預測性維護降低維護費用、提高設備利用率；文檔管理全面提升管理水平；使用先進技術保護原有投資；將維修時間降低到最短：MS可以準確定位事故發生的原因，可以準確確定設備是否需要維護及進行時間。MS的診斷功能可以在故障發生之前監測到問題的所在，提示工作人員在故障造成重大事故前，及時采取措施。無縫集成DCS系統，管理平臺為決策者提供依據，現場處理問題的次數降到最少：MS提供必要的信息，使工作人員無需抵達現場，從PC機上就可以檢查設備狀態、組態設備參數、調整量程以及執行診斷等。MS提供設備狀態數據，從而使維護人員可以進行有目的的維護。

2.3.5 智能虛擬布防監控平臺

智能虛擬布防監控平臺根據機器視覺監控闖入、火災、泄漏等情況，基于深度神經網絡的AI人工智能分析技術，通過設計計算機的計算單元來模擬生物神經元，進一步構造人工神經網絡，網絡經過訓練學習后，能夠對于給定的圖像輸入，實時分析圖像中的目標對象類型及其狀態，確認預警結果，進行分級報警管理。在聯合站、庫房等場站的圍墻、大門和站內區域進行布防預警；在泵房、庫房、罐區、油區、加熱爐等區域實現火災、油氣泄露報警；同時對生產設備、管網泄露、高溫爐壁擊穿前，發出預警以及對場站內吸煙、勞保穿戴不全、外來人員闖入等發出報警，真正做到24 h全天候監控。

2.3.6 站控流程改進

基于HAZOP分析方法，系統分析了站內流程的安全現狀與潛在風險，對JJ站可能面臨的不同場景進行流程改進，增加了越站流程、越站加熱流程、高架罐事故流程，并針對不同流程進行連鎖控制設計，實現JJ站在正常狀況、事故過程以及緊急狀態下的流程切換，提高了JJ站工藝流程的穩定性、安全性和可操作性。JJ站站內流程改進見圖2。

圖2 JJ站站內流程改進Fig.2 Process improvement in the station of JJ station

3 推廣后效果

2021年中期，JJ站經過無人值守設計改造，實現優化崗位用工人數，由四班三倒實現無人值守。JJ站原有員工37人，優化后減到20人，減少了用工人數，大大降低用工成本，產生巨大的經濟效益。同時JJ站實現真正意義上的無人值守，能夠滿足環境敏感區與綜治復雜區安全環保要求，為同類型無人值守站建設提供借鑒，帶來了可觀的社會效益。

根據JJ站無人值守推廣成功經驗，2022年初華北油田又先后在南部油田多個戰場進行了推廣，南部油田戰場先后有17個計量站、22個拉油點實現了無人值守，效果明顯，成效顯著。

4 結論

通過對JJ站DCS控制系統、可視化操作系統、智能電源系統、儀表設備全生命周期管理系統、智能虛擬布防監控平臺進行設計改造，實現了戰場無人值守，可以得出如下結論：

1）有效提高生產運行效率。轉變了原有生產組織方式，工作直接由中心站協調，減少了中間環節，組織機構更加精簡，資源配置更加合理，生產組織效率大大提升。

2）降低勞動強度。規模配套自動化設備，大大縮減員工每天現場工作量并將員工從資料填報、現場巡檢等日常繁瑣的工作中解放出來。

3）降低安全隱患。將頻繁人工操作改為自動控制，降低員工進入危險區域的頻次，物的不安全狀態和人的不安全行為使潛在安全隱患得到控制，有效降低了員工的安全風險。

4）盤活了勞動用工。面對今后油田生產一線人員運行壓力，通過積極推行無人值守站運行，盤活站內操作員工，大大降低了人工成本支出。

5）重要參考價值。對其他場站的無人值守改造工作以及將來實現智慧油田中無人值守具有重要的指導意義。