计算机网络在油气开采与集输中的应用

作者:数字石油
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发布时间:2014-07-22 18:42:10
来源:数字石油

 

 计算机网络在油气开采与集输中的应用
   
近些年来,计算机网络在油气开采和集输中得到了广泛的应用,可以利用计算机网络技术控制油气开采。利用计算机建立管理模型,提出油气集输站安全监控预警及管理信息系统建设的调研内容、需求分析以及安全相关控制系统的风险分析流程。设计了该系统建设的4层结构框架和拓扑图,深入研究了实时参数监控、分级报警与安全保护控制、智能诊断与预警、多媒体监控、安全生产管理信息子系统的主要开发内容和功能实现。
    
油气集输站是收集、储存和外输油品的重要场所。站区内生产和储运的易燃、易爆物质以及生产设备的数量较多,事故风险高,安全生产控制难度大。同时,我国在集输作业的安全生产监控及信息化基础设施建设方面比较滞后,生产流程和设备的自动监测、控制、智能诊断和分析能力不足。因此,长期以来,在油气集输作业等方面的安全生产信息获取的实时性、全面性、信息的处理和应急救援能力等方面还不能满足安全生产工作的需要。油气作业的人工或离线式的信息管理模式使得现场操作人员无法实时、准确和全面地监控各工位的安全生产情况,企业安全监管部门更缺乏对各站区安全动态的全面了解,技术手段的落后影响了我国油气生产的安全保障和管理能力、应急响应与救援整体水平的提高,难以满足我国石油工业发展的安全需求。
近些年来,油田自动化监控系统在石油企业得到了日益广泛的应用,以可燃气体探测器为主,软件分析为辅的在线安全监测报警系统也已在部分井场和集输站投入使用。但该系统建设的目的还是以监测或控制生产工艺和流程,保证生产的正常进行为主。监控的手段也以参数监控为主,缺乏必要的安全分析和预警报警及多媒体监控。
    
管理信息系统(MIS)虽然在油气企业开始逐渐推广,但针对生产安全的MIS建设还相对滞后,与现场的监控预警子系统没能实现无缝连接,信息孤岛现象严重。
   2003
,国际电工委员会(IEC)颁布了针对流程工业安全仪表系统的功能安全标准——IEC61511,该标准为石油化工等流程工业企业的安全相关控制系统的设计、开发、运行和维护全生命周期的活动提供了很好的指导和规范。
    遵循国际及国内各安全标准,基于危险和风险分析的方法,对油气集输站流程、设备和环境等安全相关因素进行评估,设计和开发安全相关控制系统,建设集自动监控、安全分析与预警、功能安全、多媒体监控、系统集成和管理信息系统等技术于一体的油气集输站安全监控预警及管理信息系统,综合利用现代信息技术、先进的监控和通讯等技术手段以提升我国在油气集输站危险源信息资源尤其是安全相关信息的采集和处理的效率和能力,以自动化和信息化建设带动企业安全监控预警与安全管理的现代化。
系统调研及需求分析
     
在安全监控预警系统建设方面,需要首先对油气集输作业的加热、分离、储存和输送等环节的工艺流程进行详细分析,获取工艺参数和运行状况、生产设备的种类、数量、分布以及现场操作的安全功能需求等信息,辨识出站区内的危险源点,确定监控点与报警设置,明确各监控点彼此间的相互影响关系,确定系统组成、功能和安全完整性等级要求等。
    
在安全生产管理信息系统方面,需要确定安全生产相关的信息资源的种类、范围和采集方法等,包括储罐、分离装置、长输管道、锅炉和泵房等危险源的基本信息、安全评价、事故隐患与整改、重大事故和控制系统等内容,还应包括安全监控设备、日常巡检与维护、规章制度、培训与考核、安全投入等信息以及应急设备与资源和应急预案等信息。
    
安全监控预警系统应包含参数监控、视频监控以及音频调度3部分。重点监控生产工艺流程、装备和现场环境。
    
参数监控的流程主要以原油的输送、加热、分离、储存以及污水处理为主。监控的设备主要包括原油储罐、三相分离器、加热炉、锅炉以及各类动力泵和管道系统等,监测的现场环境主要包括风向、大气温度和湿度等气象条件以及明火等情况。各流程监控点为温度、液位、压力、流量和可燃气体浓度等参数,各设备监控点主要为电机的启停及状态、断相监测等。
    
视频监控主要包括整个站区室内的三相分离器、锅炉、加热炉、污水处理等设施和操作人员状态的现场图像信息,站区内的储罐溢出、人员以及车辆出入等状况的视频监视。
    
通过在各关键工作区设立防爆电话,实现工作人员间的日常联系、生产调度指挥和报警等事务。
    
系统的总体目标是通过集输站安全监控预警以及安全信息管理系统建设提高油气集输作业中各环节的自动化水平和安全保障能力,以安全管理的信息化提升企业安全生产管理的工作效率和技术水平。
系统的风险分析
    
进行危险和风险分析前应得到站区内如下的详细过程安全信息:化学物质的类型和数量;需求设计中的温度、压力和液位等过程参数值以及彼此间关联耦合关系;需要的过程仪表及其相应的设计指标;控制策略及相应的控制器;图表和图形等其他信息。
    
危险和风险分析用来预测潜在的危险和风险,并分析得到危险会造成的响应后果及其发生的概率。通过分析系统安全运行所需的安全完整性等级(SIL),采用定性或定量等风险分析等方法辨识出油气集输作业生产过程中涉及安全的关键监控点,计算出油气集输流程中安全相关控制系统各部分的SIL等级要求,依据所确定出的SIL选择通过安全认证的监控产品构建安全监控系统。SIL的安全级别从04SIL等级越高,控制就越可靠。SIL分级如下表所示。

选定安全完整性等级必须确定所需的风险降低水平,并保证其费用的可行性,SIL等级的确定如图1所示流程进行。

基于评估应达到的目标,通过选定一个SIL等级或类别等级,确定一个可接受的风险水平。SIL等级给出危险性事故在时间上发生的概率,用它来衡量过程或设备相应降低风险的程度。SIL等级的选择决定了需要哪种水平上减少风险。
     
列出危险因素,从不同的视角和情形检查每一种状况。确保在调试、操作和维护等各种模式下都有清楚的风险状况描述;检查每一个危险因素以及它们的变化。确保所有设计和安装的安全设备都成为培训的一部分,并有相应文档。根据严重性和可能性进行风险分析,评估和可能性分析的基础是故障率及故障模式数据,对任何潜在的事故源都进行分析,计算其危害程度、发生频繁程度,然后把两者结合起来。
系统结构设计
利用危险与可操作性分析(HAZOP)、故障树分析等方法对生产工艺或重大危险源的安全状况、设备状态、人员操作与现场环境进行安全分析后,确定监测参数设计、报警设置及现场监测设备的优化冗余布置。实现油气生产过程安全监控预警参数和视频信息实时、准确和可靠地采集、传输、处理及监控是该系统得以运行的基础。系统整体设计分为集输站设备层、监控层、信息管理层、远程监控与监管层4部分,系统整体结构示意如图2所示。


在集输站现场采用基于总线方式实现各工位的监测和控制,监控中心与办公区、上级管理部门通过以太网联接,油气管理部门与上级管理中心可通过Internet进行通讯。监控系统拓扑结构如图3所示。

    
规定的技术要求及各流程生产可靠运行,将集输站的运营决策、管理、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等功能集成在网络环境下,通过信息多层无缝链接,为实现整个过程的管控一体化、综合信息处理及远程监控与监管构建信息平台。以实时/历史数据库和关系数据库为中心,实现现场控制、过程监控、运营与安全信息管理、远程监控与监管的各个环节。
系统功能开发
    
频监控要实现监控数据及视频画面在集输站监控中心局域网和互联网上发布,为相关工作人员提供远程数据查询和信息分析的平台,提高系统所收集的基础数据的利用率,使他们能及时了解监测现场的情况,为科学决策提供依据。系统的功能示意框架及各子系统间协调关系如图4所示,详细功能分以下几部分。

4.1 
实时参数监控
    I/O
及模块实现采集、传输和处理现场数据,在监控中心实现运行状态的实时动态和可视化显示,开发实时和历史数据库,实现数据查询、智能处理和统计分析综合报表及技术图表输出。实现设备管理、数据归档记录和系统日志等功能,记录故障及停机时间分析等。设置用户权限等安全管理防止非法侵入和操作。其软件的部分界面如图5所示。其主要内容如下:数据采集与管理;系统的手动控制与参数设置;自动控制和系统过程优化;系统运行状态的实时动态显示;数据综合报表与运行趋势显示;技术图表和统计分析;安全管理及用户权限;设备管理及数据归档纪录等功能;系统日志、故障及停机时间分析;基于WEB的实时远程监控和管理。
4.2 
分级报警及安全保护控制
支持现场及远程多级报警设置,当有异常状态情况出现时,系统将给出预警信号和处理措施,触发应急救援指挥和调度,或根据不同的风险等级自动触发相应的动作,将系统带入安全状态。若需要,能以短信或电子邮件等方式自动告警和通知相关部门及人员,并能将报警过程自动记录、存档和备份。其主要内容如下:声光报警和紧急连锁;短信或邮件等方式通知;报警过程的记录、存档和备份;与相关系统问通讯联网与联动控制。

4.3 
智能诊断与预警
    
设备的自检测和故障分析,研究集输站的安全隐患、故障与事故类型、预警信号及应急处置措施,设置故障诊断与预警处置专家系统对生产过程的运行状态进行实时评估,通过对现场各类信息的融合,完成智能诊断和分析处理,确定可能的故障点、故障类型和原因,进行事故预警,并提供现场应急处置的指导。其主要内容如下:系统运行状态的实时评价;系统设备的自检测和故障定位;系统故障的智能分析和险情排除;安全等级的自动分析;专家系统提供事故的预警和现场应急措施。
4.4 
多媒体监控

优化视频监控点的设置,实现站区出入口及油库区等关键区域的监视和记录,通过云台/镜头的控制,实现现场周边环境多角度、大范围的监视和巡查;通过视频报警及与数据监控联动报警,以使操作员能及时发现问题。在关键岗位设置防爆电话,便于站区内人员间的通讯,实现音频调度和指挥等作业。其主要内容如下:移动侦测及视频报警;本地及网络远程监视;云台/镜头控制;自动录像和回放;解锁/锁定;音频调度和指挥。
4.5 
安全生产管理信息子系统
功能设计支持各类信息的统计分析、复合查询、可视化和图表输出,突出安全信息的动态分析和深入挖掘,旨在提升企业安全管理的范围、深度和效率。软件的部分界面如图6所示。其主要内容如下:危险品及其特性库;危险源辨识与分级;设备电子台账及维修、变更和管理记录;统计分析及图表输出;应急救援资源管理及电子预案;事故模拟分析;安全培训、考核与人员管理;重大事故与处理;事故隐患与整改。


结论
1)
油气集输站是协调原油收集、处理和外输的纽带,如果受到不安全因素的激发就会影响油气的正常生产作业,可能引起燃烧、爆炸、漏油及设备破坏等多种形式的事故,造成人员伤亡和经济损失。因此,做好油气集输站的生产监控预警和安全管理工作,防止重大生产事故的发生,对保护国家及油区人民生命财产的安全具有十分重要的意义。
2)
该项目遵循功能安全的设计理念,根据国家构建重大危险源四级监控网络以及安全生产信息化建设的要求,将控制工程和安全工程技术研究成果与石油企业油气集输安全生产工作的实际需要有机地结合,针对中石化所属的典型油气集输站的生产工艺及装备的特点,基于危险和风险分析的方法,从需求和安全分析入手,完成集输站监控预警及信息管理系统的软硬件架构和功能设计,实现了集自动监控、安全分析与预警、功能安全、多媒体监控、系统集成等技术于一体的油气集输站安全监控预警及管理信息系统
3)
该系统已在中石化华东石油局所属的腰英台油气集输站及苏北工区油田场站等多个示范点进行建设和应用(5和图6为工程示范点的部分软件界面),系统建设后的实际运行表明系统实时监控预警和安全保护功能一定程度上降低事故风险,帮助相关人员及时发现生产过程中的异常状态和危险事件,并协助其采取有效措施抑制事故的发生,有利于查清事故责任及事故发生的原因;可及时发现并记录操作员或外来人员的不安全行为,便于加强人员的安全管理;有利于加强企业危险源及关键设备的管理,提高企业安全管理的科学性;通过系统联网,可实现远程实时监控,在发生重大事故时可辅助应急救援。
4)
系统的建设提高了油气集输生产的自动化水平和安全保障能力,提高了企业安全生产工作的管理和技术水平,体现了以人为本和科学管理的企业理念,促进健康文明的企业安全文化建设,具有较大示范效应和推广价值。
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