浅谈数字化管道建设[胜利油田集输信息中心 常贵宁]

胜利油田现有较为重要的联合站外输管道有近40条，全长1000多公里，管道在油田生产中的作用不言而喻，可以说是油田的生命线。因此管道的数字化建设也是数字油田建设的重要内容。
数字管道，实际上就是信息化的管道——建立在网上的虚拟管道。数字管道将有关管道的全部信息，包括管道本身的静态信息和运行的动态信息，并按照地理坐标加以整理，然后构成一个管道的信息集合。这样，生产管理人员就可以快速、完整地掌握管道上任何一点的全方位的信息，从而实现“信息就在手中”。当然，管道的数字化并不是目的，而只是手段，是实现安全、经济、高效输送目标的重要手段。
一、数字化管道的基本概念
数字管道的核心思想有两点：一是通过网络，不分时间和地点地，二是高水平的软件，最大限度地利用信息资源，得出高质量的信息，用于指导生产。
具体来说，数字化管道是由数据采集与控制(SCADA)系统、检漏系统、管道地理信息GIS系统、防腐层状况检测与评价、数学仿真模型、优化运行软件等集成在一起的，覆盖企业操作控制层、经营管理层和决策层等三个层次，充分利用信息技术，实现生产管理的网上共享，业务处理自动化、数据共享信息化，创造最大的经济效益。
1、SCADA系统
数据采集与控制系统（Supervisor Control And Data Acquisition，简称SCADA ）即监测监控及数据采集系统，是基于计算机、通讯和控制技术发展起来的，是数字化管道的基础，目的是实现站库及管道运行工艺参数的自动采集与控制，实现炉泵联锁、水击保护控制，保障安全生产。
数字管道所要的采集的工艺参数应该包括：管道进出站的压力、温度、流量、原油含水、密度，输油泵进出口的压力、温度，阀门状态，输油泵电机的电量参数（包括三相电流、三相电压、电量、有功功率、无功功率），通过这些参数的采集，软件要实时给出两种信息：首先是完整性状况，即有无泄漏发生，有则给出泄漏点的位置；二是输油管道的经济运行状况，如输油单耗、输油效率。

①、硬件
SCADA系统的硬件构成概括起来有四种形式：PC+板卡、PLC、DCS及RTU。从功能上来说，这四种模式都有完成数据采集与控制的能力，但它们各有不同的适用范围。DCS适合于大型生产装置，如炼油厂、化工厂的大型成套化工装置，DCS具有独立的软件件，运行稳定可靠，缺点是价格昂贵，扩充麻烦。PLC适用于控制，规模可大可小。远程终端单元（RTU）则适用于小型局部的场合，优点是不死机，计算与数据存储能力强。比如用于输气管道进出口的流量采集，天然气计量采用RTU产品具有明显的甚至不可替代的优势，RTU产品可实现SY/N 6143计量标准嵌入式应用，大大提高可计量程序运行的可靠性和实时性；流量累计等重要数据在RTU内做备份，而不仅依赖传统的计算机做数据备分。即使计算机和通讯设备出现故障，而数据依旧可恢复，大大提高数据存储的安全性。
从未来发展的角度来说，大型的DCS正在日趋消亡，而小型、灵活的RTU则前景广阔。而且，PLC、DCS及RTU有日益融合的趋势，甚至它们之间将没有在硬件上的区别，只是应用场合的不同。
SCADA系统由设在控制中心的主机、设在各站的远程控制终端（RTU）和高性能的通信系统构成了一个相当于两级的分布式控制系统。控制中心的计算机通过数据传输系统对设在各泵站、计量站或远控阀室的RTU定期进行查询，连续采集各站的操作数据和状态信息，并向RTU发出操作和调整设定值的指令，从而实现对整条管道的统一监视、控制和调度管理。各站控系统的RTU或可编程控制器（PLC）与现场传感器、变送器和执行器或泵机组、加热炉的工控机连接，具有扫描、信息预处理及监控等功能，并能在与中心计算机通信一旦中断时独立工作。站上可以做到无人职守。
②、软件
现代SCADA系统的成功，归根结底是软件的成功，软件是系统的核心和灵魂。现代SCADA系统是建立在数据库基础之上的一系列应用软件的组合，其主要功能有：系统模拟图实时监控，实时监测沿线各站库生产运行数据；历史数据分析，包括历史数据曲线、超限额运行时间统计等。此类软件很多，国外的有Pai、Infiplus、PHD、FIX等，国产的有三维力控、组态王、MCGS等。
2、检漏系统
泄漏是管道运行的主要故障之一（穿孔、憋压、灌肠是管道的三大事故），特别是由于近年来范围分子打孔盗油犯罪猖獗，检漏系统正在逐渐成为管道必不可少的组成部分。胜利油田重要输油管道约90%以上都安装了检漏系统。
1）、技术原理
从技术原理上来说，主要是体积平衡法、压力点分析法及其结合。
①、流量平衡法：当泄漏发生时，管道的输入、输出端必然出现流量差，根据管道两端流量是否平衡来判断管道是否有泄漏。因此，这是一种基础的检漏方法，简单、直观，但要求在每个站的出、入口管道上安装流量计。大口径的流量计不仅会增加管内的压力损失，从而增加能源损耗，而且增大维护工作量；该方法的缺点是不能确定泄漏点的位置。
②、压力点分析法：当管道上某处突然发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力突降，形成一个负压波。该波以一定的速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后，分别传到上下游，上下游端，压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就可以进行泄漏检测。根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可以定出泄漏点。基于负压波进行检测和定位的主要方法有相关分析法、小波变换法和时间序列分析法。
2）、硬件平台
检漏系统对硬件的主要要求是采样速度，一般不低于每秒10次。目前检漏系统的硬件平台主要有两种，一种是工控机＋数据采集卡方式＋局域网通讯方式，目前大多数系统采用此模式；其次是研华ADAM5510数据采集模块＋电台通讯方式，如海洋开发公司海二、海三、海五—海四输油管网检漏系统。
3）、软件
检漏系统在国外已经应用近20年，已经相当成熟，美国等发达国家甚至立法要求所有的输油管道及其它危险品管道必须安装检漏系统，有代表性的软件有英国ESI公司、英国ATOMS 检漏系统、美国LeakNET等。
检漏系统所采用的平台有LabViIEW、VB、VC、DelPHI以及组态软件等，以LabViIEW居多，集输信息中心、天大都采用的是LabViIEW。应该说除了组态软件由于在网络数据传输方面较慢不适合外，其余软件平台都能满足需求，但是由于数据处理方式以及定位算法的不同，在系统自动报警上市场上各软件之间的差距较大。
检漏系统的难度主要在于如何有效地排除站内干扰，减少误报，而要达到这样的目的，主要靠准确的定位，因为误报产生的主要来源是站内操作，将本应定在站内的操作报在线上，从而产生误报，特别是对于没有明显拐点的变频控制造成的压力波动的定位计算。
集输信息中心所研究的检漏系统应用了小波与相关相结合的数据处理定位方法，有机地将小波跟相关定位方法结合起来，首先用小波消除噪声，再用相关实现自动定位，大大提高了灵敏度和定位精度，特别适合于没有明显拐点的压力波定位计算。
3、地理信息系统（GIS）
管道地理信息是指管道的地理位置，管道集输的特点是点多、线长、面广、地形十分复杂，管道所涉及到的数据信息种类繁多。因此空间管理是北天生产运行和设备维护的重要内容
GIS实现可视化空间管理以ARCINFO、MAPINFO等软件为代表的地理信息系统。
GIS在国外的天然气管道集输中的应用越来越广泛，其集输管线的网络特征非常明显，要对整个管网进行高效率的维护，GIS的作用就显得尤为突出。GIS通过整合管线和设备周围的地理信息、管线和设备本身的空间信息及其图形信息、维护信息、监控信息等信息于一体，并集成管线集输的相关专业模型，将管线和设备的运行状态借助地理空间实时地提供给使用者，为生产、管线巡检、设备维护、安全管理提供支撑。
4、管道防腐层状况检测与评价
防腐层状况检测应该是防腐层检测技术与地理信息系统的结合，通过对埋地管道外防腐检测和评估，可以达到如下目标：（1）确定管道具体走向和埋深。（2）对心敷设管道防腐施工质量进行等级划分及定量评估。（3）对在役管道，可以对整条管线的防腐层破损点定位并确定其面积的大小，测定全线的防腐层绝缘性能。（4）对管道的阴极保护系统效果进行评估。（5）建立一套完整的管道防腐层、阴极保护检测资料，为生产管理提供正确有效的科学决策依据。
近年来，胜利油田加大了对埋地金属管道的检测评价工作，取得了很好的效果。PCM管道电流测绘系统先后在海四联～孤岛电厂输油管道、临盘首站～临济首站输油管道、海一站～海二站外输管道、海四联～孤三联输油管道等多条埋地管道上进行了检测，通过GDFFW防护层数据处理软件的计算，得到各管段的防护层绝缘电阻，并依据标准SY/T5918-94《埋地钢质管道沥青防腐层大修理技术规定》对防护层质量作出了相应的评价。
PCM管道电流测绘系统主要由发射机、接收机、GDFFW防护层数据处理软件和相应配件组成。该系统具有以下特点：多频率发射信号、不需要开挖，检测埋深大，能对埋地金属管道的走向、外防护层破损点和不正常搭接部位进行精确定位；能分段计算防护层的绝缘电阻，从而可以评估防护层的老化状况；轻便、快捷、耐用，非常适于埋地管道的检测和评价。
5、仿真模型建立及优化运行
管道数学仿真模型和优化运行软件的应用是管道数字化的高级阶段。在生产中，工程技术人员经常遇到下列问题：如何用现有管道提高输送流量？当气体需求增加时，如何快速响应？如果管道破裂，会出现什么情况？因此，工程技术人员需要一个管道流体流动的严格模型，以及一个功能强大且容易使用的软件工具，可以定义问题并进行实例研究，以满足生产管理的需求。
国外对输油管道的模型研究较早，成功的案例是英国的ESI公司的PIPELINE STUDIO。PIPELINE STUDIO是通用的离线模拟工具，它是调度人员必备的分析工具，可以离线模拟所有的管道设备，如供气，输气，管段，阀门，压缩机，调节器，等等，PIPELINE STUDIO适用于两种类型的研究，模拟各种管道配置的正常操作决定最有效率的运行方式，模拟如泄漏或设备故障等事件引发的瞬态条件来决定最有效的补救措施，用于分析管道输送能力，模拟管道水击，进行经济评价对比。
陕京线所采用的丹麦Ｌ１Ｃ公司的实时管道模拟软件ＰＳＳ。管道模拟软件包括实时模型、培训模型和离线模型３大部分。在线实时模型用于优化输气管道的运行调度和实时操作，它有以下１０种功能：①计算那些不在监控位置上的压力、温度、密度和流量的过程变量；②计算管段的压力、温度、流量、密度剖面和储气量；③根据当前输气状态和将来设备状态的变化预测供气量和管道运行状态；④预测管道中气量残存时间，优化以后的操作；⑤批量跟踪并进行控制；⑥根据天气变化和用户需要，预报供气量；⑦对管道模型自动调降，以改进计量和管线运行的操作性能；⑧检测仪表精度的下降与飘移；⑨压差检测；⑩管道泄漏检测。SCADA系统保证了管道安全平稳运行，同时为管道的调度管理和优化操作提供了科学指导。
所谓优化运行，是在管道的各种内外部条件给定的前提下，通过炉泵设备运行方案的调整，通过生产工艺参数的合理调配，使管道的技术经济指标达到最佳，实现节能降耗。输油管道优化问题我国在20多年前就开始得到研究，在优化理论、模型、算法、软件等方面都取得了具有实用意义的成果。石油大学等单位的有关成果在胜利油田东辛线、东北输油局秦京输油管道得到研究和应用。软件HOPOPT用于秦京线，在试验条件下可以使该管道的能耗费用降低2.5%。
二、国内外现状及其在胜利油田的现状
国外对于管道自动化的研究，从1931年开始到1951年初具规模，目前已有成熟的SCADA系统硬件及软件，普遍采用了先进的自动化数据采集与控制技术，对生产工艺过程的实时监控已成为惯例，实现全线集中控制。如美国阿拉斯加原油管道在1974年4月开始动工，1977年6月20日竣工。管道全长1288km，管径1220mm，最高设计压力8.2MPa，最大流量33.96×104m3/d，年输原油超过1亿吨，管道共设有12个站，总投资约80亿美元。通信方式以微波通信为主，卫星通信备用。阿拉斯加原油管道建设了SCADA数据采集和控制系统，软件包括数据采集及控制软件、报警显示、水力模型、泄漏检测、历史报告、仿真培训等系统。
我国长输管道80年代中期以来发展突飞猛进，在铁大线、东黄复线上安装了从美国Rexnord公司引进的SCADA系统。此后，新建的长输管道大多配备了我国或引进的SCADA系统。库鄯输油管道西起库尔勒，东到鄯善末站，全场476km, 管径610mm, 年输量500～1000万吨，1997年6月30日建成投产。该管道实现了高度自动化，被誉为我国第一条具有90年代国际先进水平的现代化输油管道。   
西气东输管道则是我国最先进的数字化输气管道，信息系统由信息、SCADA和电子商务三大系统组成。以计算机为核心的监控和数据采集SCADA系统，实现全线的集中数据采集、监控与调度管理。按有人值守、无人操作的原则进行设计，实现对全线管道输送工艺过程的数据采集、监控、操作预测、优化运行及调度管理。控制系统方案拟采用分散型控制系统，实现控制中心远控，站控制室自动／手动控制，设备、子系统的就地控制等三级控制；各站场紧急停车系统、可燃气体检测及火灾报警系统独立设置。控制系统拟采用高级应用软件，包括实时模拟软件、预测决策软件、泄漏检测定位软件、负荷预测软件、储气调峰分析软件、培训及工程研究软件、天然气商业运营管理系统软件、优化运行软件等。根据实际需要，还将配置地理信息管理系统软件、管道运行效率分析软件等，使西气东输管道的运行管理达到当今世界先进的电子管道水平。在设计中就采用了采用具有国际先进水平的管道瞬态模拟分析软件，建立了西气东输管道稳态和动态模型，对整个管道系统进行模拟分析。为确定管径、压力和压气站布置方案，设计人员对不同输送压力、压比系统进行了模拟计算，对工艺系统进行优化，使系统配置压比由1.25优化为1.45，压缩机站由可研时的１８座减少到１０座，仅站场固定投资一项就节省投资１２亿元。
从以上对数字化管道的定义来说，胜利油田还没有一条数字化管道，从生产设备、管理和维护手段上来讲，距国内外先进水平还有相当的差距。胜利油田在自动化方面还限于单个站库和单件自动化仪表的使用，就地控制，自动化基本上处于起步阶段。在软件应用方面，只是初步建成了地理信息系统，录入了一些管道的地理坐标和静态信息，但是对生产基本没有什么作用。输油管道检漏系统在打孔盗油破坏的逼迫下，得到了大规模的研究和推广应用，但是各系统参差不齐，还大有升级改进的必要。因此，油田的信息工作者今后还任重道远。