長輸管道自動化技術現狀和發展趨勢

王 敏 周長李 曹 威

（1. 煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041；2.國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國已建成覆蓋全域、復雜龐大的長輸管道網絡。截至2022年，國家管網集團管轄天然氣管道超過5.47×104m，管輸能力達到3070×108m3。隨著新建管道互聯互通，對管道自動化技術和管理模式革新提出新要求，體現在保障管網運行安全及可靠性，實現油氣資源快速、高效、精準調配。管道智能化、遠程控制以及建設無人值守站場是未來管道設計建設的發展趨勢[1]。自2007年我國建立油氣調控中心，整合管道數據采集、調度、操作、運行和維搶修，形成“集中調控、區域分級管控”管理模式。在管道自動化控制水平、天然氣管道無人值守和調峰能力方面，相比歐美發達國家存在差距。開展國內外管道自動化技術對標分析，提出管道遠程控制和無人值守站場的技術需求，分別從SCADA系統安全可靠性、大數據技術、仿真優化技術和決策分析系統等方面，探討管道調度控制中心建設新技術以及管道運行管理新模式，對于保障油氣管網系統安全、平穩、高效運行具有重要意義。

1 管道自動化技術對標分析

管道自動化技術設計核心是操作控制原則，SCADA系統是操作控制原則的實現工具和手段，操作控制原則的廣度和有效性代表了管道自動化技術水平。管道操作控制原則涵蓋管道正常運行時安全、可靠、經濟效益最大化，以及管道失效或緊急事故時應急預案合理、有效。歐美長輸管道自動化技術趨于成熟，調度控制中心完成數據處理、邏輯判斷和工況控制，實現站場無人值守。美國Alliance輸氣管道，全長3848km，設置壓氣站14座、計量站35座，管道控制中心在Calgary市，實現對管道干線、支線、站場、截斷閥室和液化處理站的監視和控制，區域管理人員白天進行管段巡檢維護，夜間無人值守。

從20世紀70年代我國開始長輸管道建設，管道自動化控制技術從單回路控制向集中調控轉變，在西氣東輸開展天然氣管道壓縮機遠程控制研究，在西部管道進行無人值守站場設計及支持技術研究。站場無人值守首要解決應對緊急情況，例如輸氣站天然氣泄漏實時監測技術；其次是完善設備聯鎖保護、火災監視和功能安全防護；借助局域網/廣域網完成設備故障診斷等，需要研發配套自動化技術支持體系。此外，還應制定針對管道火災、爆炸以及泥石流、滑坡等地質災害應急響應和維搶修預案，保證管道特殊工況下風險可控。

對標國外管道行業，我國管道行業差距表現在SCADA系統控制范疇廣度和深度，國內側重機械設備自動化控制和工藝流程。國外側重對管道系統的控制，包括運營理念、設計原則、輸送工藝、操作指令以及管道維護防護等，不僅局限于管道自動化控制范疇，為充分發揮SACDA系統在管道生產運行中作用，應深入拓展管道操作控制原則內涵應用于管道設計建設。

2 管道SCADA系統可靠性和安全性分析

SCADA系統可靠性指系統運行不受局部故障影響，實現高可靠性和低失效率統一。提高SCADA系統可靠性主要通過兩個途徑，首先優選性能穩定、質量高的元器件；其次故障狀態下系統仍執行任務，執行結果不會因系統故障而產生差錯。為防止突發事件影響，采用主備控制中心，緊急情況下監控功能實時切換。主備控制中心軟硬件、通信鏈路獨立建設，自動信息交換和數據庫同步更新。建議完善管道控制權互鎖、主備控制中心實時同步技術。

SCADA系能安全包括功能安全和信息安全兩方面。SCADA系統功能安全指實現對控制對象的控制權，在控制功能失效情況下的風險防護。功能安全技術標準基本成熟，例如國際標準IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全系統的功能安全》。但功能安全理念在SCADA系統中尚未充分應用，部分功能安全設計未達到預定的安全完整性等級。中石油管道SCADA系統控制中心應達到國家保護等級四級要求，站控系統應達到國家保護等級三級要求。

SCADA系統安全指系統信息、數據及功能免遭攻擊和破壞，防止非法訪問和破壞，防止計算機病毒破壞等。SCADA系統網絡應與其他網絡物理隔離，例如應用網閘單向隔離技術實現SCADA系統與外部網絡有效邊界隔離。建議借鑒過程、化工、電力行業的安全防護方案，提出管道SCADA系統安全防護的策略和理念—橫向隔離、縱向認證。安全防護系統中的身份鑒別、訪問控制、安全審計等措施覆蓋到網絡層、系統層和應用層。

3 管道自動化控制運行管理新模式

鑒于自動化技術發展和無人值守管理要求，需創新管道運行管理模式，從集中調控向以用戶自動分輸為核心的全面遠程控制。智能化調控以SCADA系統軟件和自動化技術為基礎，借助數據庫技術和信息化手段，融合模擬仿真、模糊邏輯控制、神經網絡和專家決策系統，實現管道系統運行自動調整優化；運用系統工程理論，解決區域資源調配和管網平衡配置等；整合信息管理系統，借助數據挖掘技術和大數據技術，充分發揮集群優勢和控制能力。

3.1 構建管道大數據和信息化網絡

建立管道系統設計、施工和運行階段的數據庫，包括SCADA系統工程數據、管道地理信息系統GIS、站場工藝設備和維搶修設備信息，利用網絡實現數據更新完善，形成大數據，挖掘數據價值，支撐管道主營業務信息化管理，包括管道線路管理（完整性管理）、資產管理（設備診斷、備品備件）、能耗管理和應急管理等。

3.2 研發模擬仿真技術

仿真技術廣泛應用于管道設計改造、工況分析、泄漏檢測，以及模擬管道輸送多種介質運行特性、管道輔助設備選型、制定運行方案和應急預案等。仿真技術基于機械設備控制邏輯，建立以壓力、溫度、流量和時間為變量的管道狀態方程，開展管道穩態或瞬態運行分析。管道在線仿真技術是在瞬態模擬基礎上增加狀態評估方程，實時采集SCADA系統數據，對比、校核、評估仿真計算結果和實際測量值的符合性。國際知名管道仿真軟件是SPS（Stoner Pipeline Simulator）、Pipeline Studio、Fluidflow。我國研發大型天然氣管網在線仿真系統，覆蓋天然氣管道長度12×104km，實現對管網能耗、輸量、關鍵點運行參數在線模擬和預測，對于保證天然氣管網應急保障能力提供技術支持。我國管道仿真軟件在功能時效性和模型算法精度還存在差距，特別是油氣調配的系統控制問題還需進一步研究。

3.3 開展能耗分析助力企業節能增效

能耗是衡量管道企業經濟效益的基本指標。20世紀90年代應用動態規劃算法，以電能最小為優化研究目標，發展形成輸油管道優化分析技術。21世紀大型天然氣管網穩態/瞬態優化運行技術成為研究熱點，目前基于管道流量為目標的穩態優化運行模型較成熟，基于管道溫度/壓力的瞬態優化運行軟件還缺少更多工程案例驗證。天然氣管道瞬態優化運行研究難點在于氣源流向多、分輸/聯絡點多、用戶類型多樣等，涉及管道仿真、最優化理論、壓縮機運行等多項技術，重點解決氣源優化、分輸優化、壓縮機組運行工況優化、管存量優化和進出站壓力優化等。

3.4 推進管道大數據技術

大數據技術作為智能化和信息化領域的前沿技術，將為管道行業技術發展提供新的機遇和手段。國內管道企業已積累多年海量級別的管道生產運行維護數據，已開展研究利用事故數據，模擬培訓評估管道控制中心調度員技能水平。未來需整合各種類型、等級管道運行數據，結合數據挖掘技術，用以表征管道運行狀況，用以規劃油氣資源調運和銷售，文獻[2]研究了天然氣管道數據挖掘技術，應用于管道優化運行、基于環境溫度預測用氣量以及應急響應等。

3.5 提高運營決策科學性

管道管理著應根據管存狀況、環境溫度和用戶需求及時、適時調整管道運行方案。管道運行管理的難點是需要快速處理海量數據和動態數據，如決策分析滯后、效率偏低、主觀經驗影響決策科學性。為消除人為主管因素影響，在制定運行方案、評價設備運行狀態、評估泄漏可能性和計量輸差分析中，應借助和采用先進控制論算法提供輔助分析決策。決策支持系統（Decision Support System，DSS）技術遠離是決策科學理論，主要解決非對稱、非結構化優化問題。典型DSS工作流程是通過收集數據材料、確認目標邊界條件、選定分析模型、比選決策方案及后果，結合專家庫知識，為管道管理者做出決策提供人機交互式信息輔助。DSS優點是適應范圍廣、無成本、快速響應、兼顧穩定性和完整性等。目前管道操作控制中DSS應用還處于初級階段，還需要解決相關問題，包括決策科學理論與管道輸送理論的相關性，事故數據模型庫與目標管道的差異性，專家知識庫樣本數量有限等。

4 結語

目前管道自動化技術更新換代加快，管道被“智能化”趨勢明顯。一般意義上，管道智能化指融合計算機科學技術、通信信息技術、地理信息技術、自動化控制技術的集合體，即以SCADA系統為基礎平臺，以仿真技術、專家決策技術手段，全部或部分替代管理者的思考、分析和判斷，實現管道系統運行和操作自動實時決策。

綜合比較國內外在管道運行管理、自動化和信息技術方面的差距。為應對油氣管道快速擴容和全面遠程控制需求，管道運行管理理念、技術和模式應不斷革新，研究重點是SCADA系統軟件國產化應全面實現天然氣管道遠程控制，實現管道自動啟停輸、分輸站自動調壓計量分輸以及壓縮機運行工況優化，改進設備維護保養機制降低故障失效率，精準提升管道自動化和智能化水平。