海上油氣平臺(tái)智能巡檢體系

曾楠諾，曹貴，李偉，金云智，韓玉林，杜超

(1.中海石油(中國)海南分公司，海南 海口 570100；2.中海石油(中國)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

按照國家發(fā)展建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，海上油氣開采力度持續(xù)增大，同時(shí)大數(shù)據(jù)、人工智能、無線通信等技術(shù)迅速發(fā)展，海上油氣田的生產(chǎn)與管理模式不斷朝著更加安全、環(huán)保、智能、高效的方向發(fā)展。海上油氣平臺(tái)空間狹小、設(shè)施復(fù)雜，在面對生產(chǎn)介質(zhì)具有高壓、高毒、易腐蝕、易燃、易爆等問題的同時(shí)還需面對海上高溫、高濕、高鹽的“三高”環(huán)境。另外加上臺(tái)風(fēng)、海浪的影響，海上油氣平臺(tái)工藝波動(dòng)、管線腐蝕、設(shè)備故障等問題經(jīng)常發(fā)生。充分利用各類巡檢技術(shù)與信息化手段，研究構(gòu)建海上油氣平臺(tái)智能巡檢體系，實(shí)現(xiàn)全面可靠的智能巡檢，是海上油氣平臺(tái)安全生產(chǎn)的一個(gè)重要議題[1]。

1 巡檢與巡檢分類

在油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，并未有真正意義的巡檢概念，原油從地層采出后直接進(jìn)行露天存儲(chǔ)沉降，處理過程粗獷隨意。但隨著技術(shù)發(fā)展以及安全環(huán)保要求的提升，原油從開采到處理到存儲(chǔ)全部被管道、容器限定在特定空間，泄漏、污染、爆炸等問題成為了重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，巡檢的意義逐漸凸顯出來。而伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，巡檢也從單一的人工現(xiàn)場巡查，逐漸發(fā)展出技術(shù)多樣巡檢手段，如DCS 遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控、火氣系統(tǒng)監(jiān)控、RDIF 射頻識別、視頻巡檢、智能巡檢機(jī)器人等。我國海上油氣開采起步晚但起點(diǎn)較高，平臺(tái)的DCS 系統(tǒng)幾乎可以監(jiān)控到所有工藝參數(shù)，且具備較完善的火氣與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，另外振動(dòng)監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測等在線監(jiān)測系統(tǒng)也有較廣泛的應(yīng)用，具備構(gòu)建智能巡檢體系的較好基礎(chǔ)[2]。

1.1 巡檢安全管理系統(tǒng)發(fā)展

巡檢工作尤其是生產(chǎn)現(xiàn)場的日常人工巡查，嚴(yán)重依賴于人的責(zé)任心與業(yè)務(wù)水平。為更好地落實(shí)現(xiàn)場巡查，各油氣生產(chǎn)設(shè)施一般都制定有相應(yīng)的巡檢監(jiān)督管理體系，在石化領(lǐng)域?qū)ρ矙z工作的監(jiān)督管理大致可分為以下幾個(gè)階段：

(1)抽查制，指不定期地對巡檢工作進(jìn)行抽查，這種方法使用得最早，但漏洞較多管理者難以了解巡檢的實(shí)際情況。

(2)翻牌制，指在巡檢點(diǎn)掛牌，不同的牌代表不同的時(shí)間，巡檢人員按時(shí)去巡檢點(diǎn)翻牌，除采用掛牌方式外也可在巡檢點(diǎn)放置記錄簿，巡檢人員按時(shí)在記錄簿上簽到。兩種方式大致相同，對巡檢起到了一定的督促作用。

(3)巡視督考儀，通過采用微電子技術(shù)對巡檢工作進(jìn)行監(jiān)督考核。

(4)刷卡巡檢管理系統(tǒng)，將整個(gè)巡檢范圍劃分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)IC 卡亭，巡檢人員到該區(qū)域后，在IC 機(jī)上刷卡，將周圍設(shè)施巡視完畢后再刷卡離開。

以上四個(gè)階段，由抽查制到刷卡巡檢管理系統(tǒng)，其側(cè)重點(diǎn)都是現(xiàn)場巡檢情況的監(jiān)督檢查，實(shí)現(xiàn)的是監(jiān)督檢查方式的數(shù)字化。但現(xiàn)場的巡檢方式依舊為人工方式，效果提升比較有限。因此新型智能巡檢體系的構(gòu)建需轉(zhuǎn)變方向，重點(diǎn)研究新型智能化巡檢手段的使用，逐步降低人在現(xiàn)場巡檢工作中的直接參與度，實(shí)現(xiàn)油氣田現(xiàn)場少人化、無人化的巡檢。

1.2 海上油氣平臺(tái)日常巡檢分類

海上油氣平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)油氣開采，安裝有大量的油氣生產(chǎn)專業(yè)設(shè)備與眾多配套輔助設(shè)備，同時(shí)海上平臺(tái)空間狹小，生產(chǎn)環(huán)境極為復(fù)雜。為確保油氣生產(chǎn)安全高效，平臺(tái)上一般設(shè)立有工藝、機(jī)械、電氣、儀表等不同專業(yè)的班組，對不同專業(yè)的設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、操作與維護(hù)。一般來說，海上平臺(tái)的日常現(xiàn)場巡檢可按照巡檢專業(yè)和巡檢目的兩個(gè)不同方式進(jìn)行分類。

1.2.1 按照巡檢專業(yè)分類

(1)工藝專業(yè)巡檢，由工藝班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點(diǎn)主要在生產(chǎn)工藝參數(shù)，如工藝流程上分離器、管道、泵的流體介質(zhì)的壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)；

(2)機(jī)械專業(yè)巡檢，由機(jī)械班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點(diǎn)主要在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況，如各類型泵、壓縮機(jī)的振動(dòng)、軸承溫度、滑油情況以及各類設(shè)施結(jié)構(gòu)的連接情況、腐蝕情況等；

(3)電氣專業(yè)巡檢，由電氣班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點(diǎn)主要在電氣設(shè)備的運(yùn)行工況，如電機(jī)的電流、電壓、絕緣等；

(4)儀表專業(yè)巡檢，由儀表班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點(diǎn)主要在儀控設(shè)備的運(yùn)行工況，如現(xiàn)場儀控柜、傳感、自控閥的外觀狀態(tài)與調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度等。

1.2.2 按照巡檢目的分類

(1)工藝監(jiān)控。為保證對工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行而進(jìn)行的巡檢，主要巡檢內(nèi)容為工藝流程中的壓力、溫度、液位、流量等。目前主要通過DCS 系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，在對該類參數(shù)的閾值報(bào)警、趨勢分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，在自控系統(tǒng)無法調(diào)整的情況下能及時(shí)通過人工干預(yù)的方式保障工藝系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

(2)工況監(jiān)控。為保障各機(jī)電儀設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行而進(jìn)行的巡檢，主要巡檢內(nèi)容為各設(shè)備的電流、電壓、溫度、振動(dòng)等。目前該類巡檢缺乏有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控手段，主要通過人員在現(xiàn)場進(jìn)行觀察或通過相關(guān)測量工具進(jìn)行檢查，未能實(shí)現(xiàn)較好的連續(xù)監(jiān)測。

(3)異常狀態(tài)監(jiān)控，主要分為異常事件巡檢與隱患排查兩類：異常事件可分為油氣泄漏與其他事件，油氣泄漏是油氣平臺(tái)巡檢最為關(guān)注的內(nèi)容，異常事件則包括：非油氣管線松動(dòng)、脫落，聲音異響等；隱患排查內(nèi)容主要為罐體管線、設(shè)備設(shè)施的腐蝕情況、牢固情況、附屬器件完整性、隱蔽的跑冒滴漏情況等。異常狀態(tài)的巡檢關(guān)系到平臺(tái)的安全與穩(wěn)定，是巡檢的基礎(chǔ)內(nèi)容也是側(cè)重關(guān)注點(diǎn)。

2 海上油氣平臺(tái)智能巡檢體系的構(gòu)建

傳統(tǒng)的人工巡檢模式存在著效率低、覆蓋不全、監(jiān)測連續(xù)性差的問題，在海上開采設(shè)施愈發(fā)復(fù)雜、安全要求愈發(fā)嚴(yán)格的情況下，已經(jīng)無法滿足海上平臺(tái)的生產(chǎn)要求，急需構(gòu)建新型的智能巡檢體系。新型智能巡檢體系在巡檢方式上要充分利用新型傳感技術(shù)、圖像識別技術(shù)，以替代人工的現(xiàn)場巡檢。同時(shí)要充分考慮新舊巡檢手段的特性，通過合理的設(shè)置實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，并通過冗余配置，實(shí)現(xiàn)在少人、無人的參與條件下現(xiàn)場巡檢的可靠性與完整性。

2.1 新型巡檢技術(shù)運(yùn)用

(1)紅外成像泄漏檢測技術(shù)。紅外成像泄漏檢測技術(shù)依靠氣體吸收紅外輻射，生成吸收光譜，可準(zhǔn)確捕捉油氣泄漏，同時(shí)還具有視頻成像、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。目前我國利用激光作為光源的主動(dòng)式氣體成像檢測技術(shù)使用很多，并較多的采用TDLAS 技術(shù)(可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù))，該技術(shù)具有適用性強(qiáng)、速度快、靈敏度高的特點(diǎn)。但目前海上常用的是點(diǎn)狀擴(kuò)散式氣體檢測技術(shù)，只有當(dāng)可燃?xì)怏w擴(kuò)散至檢測儀內(nèi)才能被檢測。所以當(dāng)檢測儀被泄漏后的原油堵塞，或受風(fēng)向影響時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)無法及時(shí)檢測到泄漏情況。而紅外泄漏檢測技術(shù)通過光反射、吸收檢測的方式進(jìn)行主動(dòng)檢測，則可有效避免此類問題，具有更高的可靠性。

(2)智能巡檢機(jī)器人技術(shù)。智能巡檢機(jī)器人是搭載高清攝像頭、紅外攝像機(jī)、氣體泄漏檢測儀、溫濕度傳感器、音頻采集器等綜合平臺(tái)，它利用大數(shù)據(jù)分析、圖像識別等技術(shù)，擁有儀表讀取、溫度測量、泄漏檢測、局放監(jiān)測等功能。工業(yè)用智能巡檢機(jī)器人一般可分為無人機(jī)、水下巡檢機(jī)器人、地面巡檢機(jī)器人三類[3]。目前在海上油氣平臺(tái)使用較多的是地面巡檢機(jī)器人，其可分為掛軌式和地面移動(dòng)式兩大類。其中掛軌式多用于配電間、電池間、變壓器間等室內(nèi)環(huán)境主要用于電氣巡檢，地面移動(dòng)式主要用于在室外的油氣生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行油氣泄漏、表計(jì)識別等綜合巡檢。

(3)智能攝像頭技術(shù)。智能攝像頭主要利用圖像識別技術(shù)，并配合云臺(tái)以及無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。目前智能攝像頭一般適用于對設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境及人員狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控巡查。對設(shè)備狀態(tài)巡檢，智能攝像頭實(shí)時(shí)讀取進(jìn)行設(shè)備的儀表，也可進(jìn)行畫面監(jiān)控，同時(shí)能對一些特定異常進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。對內(nèi)外部環(huán)境監(jiān)控，智能攝像頭可進(jìn)行火災(zāi)識別、油氣泄漏識別、外部船只入侵檢測等活動(dòng)。對人員狀態(tài)監(jiān)測，智能攝像頭主要可對人員勞保穿戴、人員跌倒、人員闖入、作業(yè)流程規(guī)范等內(nèi)容進(jìn)行識別與告警。

2.2 海上油氣平臺(tái)智能巡檢體系

結(jié)合新型智能巡檢手段，根據(jù)巡檢目的對海上巡檢任務(wù)進(jìn)行分解，逐一確定巡檢手段與層級，并最終構(gòu)成符合海上油氣平臺(tái)安全生產(chǎn)要求的覆蓋全面的智能巡檢體系。具體如表1 所示。

(1)工藝監(jiān)控：工藝監(jiān)控對實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求極高，構(gòu)建的巡檢體系主要通過DCS 系統(tǒng)利用工藝流程上的壓力、溫度、液位、流量等傳感，實(shí)現(xiàn)第一級工藝監(jiān)控。同時(shí)利用移動(dòng)智能巡檢機(jī)器人對關(guān)鍵參數(shù)的識別實(shí)現(xiàn)第二級工藝監(jiān)控，最后利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第三級工藝監(jiān)控。通過三級監(jiān)控的冗余設(shè)計(jì)確保在現(xiàn)場無人、少人的情況下能對工藝流程進(jìn)行有效監(jiān)控巡查。

(2)工況監(jiān)控。提高振動(dòng)監(jiān)測、絕緣監(jiān)測、紅外測溫、智能儀表診斷等各類新舊監(jiān)控手段的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械、電氣、儀表設(shè)備狀態(tài)由現(xiàn)場巡查到遠(yuǎn)程監(jiān)控的改變。以各類傳感監(jiān)控作為第一級監(jiān)控，利用移動(dòng)巡檢機(jī)器人的聲音識別、圖像識別功能實(shí)現(xiàn)第二級工況監(jiān)控，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第三級工況監(jiān)控。通過傳統(tǒng)監(jiān)測與新型監(jiān)測技術(shù)的融合互補(bǔ)，以三級冗余的設(shè)計(jì)模式確保對設(shè)備工況的連續(xù)可靠監(jiān)控。

(3)異常狀態(tài)。油氣泄漏監(jiān)控是海上油氣平臺(tái)巡檢的關(guān)鍵內(nèi)容，利用傳統(tǒng)點(diǎn)狀分布的火氣探測系統(tǒng)與更加靈敏的激光掃描探測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整體區(qū)域的泄漏檢測。并作為油氣泄漏的一級監(jiān)控，對局部重點(diǎn)區(qū)域利用移動(dòng)巡檢機(jī)器人的探頭掃描，實(shí)現(xiàn)油氣泄漏的二級監(jiān)控，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的油氣泄漏識別功能，實(shí)現(xiàn)第三級監(jiān)控。其他事件如非油氣管線的脫落、異物遮擋、聲音異響等，則主要通過移動(dòng)智能巡檢機(jī)器人和智能攝像頭的語音分析與圖像識別功能進(jìn)行判斷。整個(gè)巡檢體系充分利用傳統(tǒng)傳感、新型傳感、圖像識別、機(jī)器人技術(shù)，以三級冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

(4)智能巡檢體系可實(shí)現(xiàn)對安全生產(chǎn)的正向循環(huán)。對隱患排查，目前并無有效的智能化手段代替人工。而油氣平臺(tái)智能巡檢體系的建立，能很好地將人員從工藝監(jiān)控、工況監(jiān)控、事件監(jiān)控中解放出來，從而有更多精力進(jìn)行隱患排查，實(shí)現(xiàn)更早地解決各類隱患，促進(jìn)油氣平臺(tái)生產(chǎn)穩(wěn)定與工況優(yōu)良。而這又能進(jìn)一步降低人員現(xiàn)場巡檢的工作量，并可投入更多精力進(jìn)行隱患排查，從而最終實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的正向循環(huán)。

2.3 海上油氣平臺(tái)智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

海上油氣平臺(tái)智能巡檢系統(tǒng)以少人、無人的現(xiàn)場巡檢為目標(biāo)，結(jié)合各類巡檢手段以三級冗余設(shè)計(jì)為思路，圖1 為系統(tǒng)主要構(gòu)成，包括：DCS 系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、激光氣體探測系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)、動(dòng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)、儀表健康監(jiān)控系統(tǒng)等，各類系統(tǒng)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的IT 技術(shù)路線進(jìn)行建設(shè)與整合，通過統(tǒng)一的智能巡檢平臺(tái)便可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施、人員環(huán)境的持續(xù)有效地全面巡查。

圖1 智能巡檢平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

3 結(jié)語

對現(xiàn)有各類巡檢技術(shù)進(jìn)行集中梳理，部署利用新型智能化巡檢技術(shù)，充分發(fā)揮各類巡檢技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建海上油氣平臺(tái)智能巡檢體系，可形成以下效益：

(1)可將各巡檢手段進(jìn)行有效融合，充分發(fā)揮各巡檢手段的優(yōu)勢，為海上油氣平臺(tái)提供全面、可靠的巡檢保障；

(2)可有效減少人員在現(xiàn)場巡檢中的風(fēng)險(xiǎn)，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，并可有效提高巡檢效率與質(zhì)量；

(3)可有效釋放人力讓人員可以著重進(jìn)行隱患排查，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安全的正向循環(huán)。