涪陵页岩气田无人值守集气站建设

汪宏金 邢克 夏钦锋

1中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司气田开发部

2新疆油田公司风城油田作业区

在油气田信息化建设中，实现站场无人值守已成为大多数油气田信息化建设的主要方向[1]。集气站无人值守建设由于受诸多条件限制，安全风险较大，实施难度较大。涪陵页岩气田所生产的页岩气纯度极高，而且不含硫化氢等剧毒成分，为建设无人值守集气站创造了条件。通过通信系统、安防系统、SCADA系统及信息系统的建设，目前一期产能建设的53座集气站全部达到无人值守条件，45座集气站实施了无人值守。

1 无人值守集气站技术保障

1.1 安全保障

集气站是气田重要的生产单元，采用井口来气→除砂→加热→集气汇管→分离→计量→集气支线的标准化工艺流程（图1）。集气站主要设备为水套加热炉橇、集气汇管橇、分离器橇以及燃气调压橇等。集气站设计压力为6.4 MPa，实际运行压力为5.0～5.5 MPa，外输温度控制在30℃左右。

图1 集气站工艺流程Fig.1 Technological process of gas gathering station

图2 集输工艺流程Fig.2 Flow of gathering and transportation process

集气站又是气田地面流程的中间环节，气田采用高压采气、中压集气、集中脱水的工艺技术路线。气田地面工程的主导布站模式为采气丛式井场→集气站→脱水站两级布站，集气站与采气平台合建，页岩气进脱水站集中处理的集输工艺流程见图2[1]。

集气站能否安全运行直接关系到气田的生产安全和经济效益，因此无人值守集气站必须能够实现生产的自动和远程控制[2]，可在压力波动超限、气体泄漏、设备故障等任何异常状况下进行报警、关井、集气站出口关断、放空泄压等操作，实现集气站出口关断、放空泄压、井安系统联动连锁控制，保证气井和集气站设备及管网的安全，保障气田安全平稳运行。为此每座集气站均设置PLC和ESD控制系统，在市电及通信中断情况下可独立运行，涉及安全控制的执行机构和重要的部件如电磁阀等都必须达到SIL2标准。在调控中心搭建了应急联动平台和辅助操作平台，实现事故紧急关停、超压自动放空及气田的一键关停。调控中心通过辅助操作平台实现各区域、支线的一键式紧急关断。

气井是高压易燃易爆场所，也是气田的生产源头。井场至集气站加热炉间使用高压管线输气，井口一般没有节流。井口是页岩气的地面出口，是第一道也是最关键的一道关口。在任何故障情况下，都必须保证能够切断气源，关闭井口，杜绝灾害发生或蔓延。在每一口井都安装有井口安全截断阀及控制系统即井安系统，井安系统除接受上位机控制、人为远程控制外，其本身也设有上、下限关井压力，达到阈值后也会自动关井。为确保安全，关井后的恢复必须由人工现场检查确认后进行，复位后方可打开井口开始供气。另外，井口还设有可燃气体检测仪，当页岩气泄漏达到一定浓度时进行报警或关井；集气站设置多个温度压力检测及可燃气体检测点，出站部分设有ESDV紧急关断阀和BDV紧急泄放阀（图3）[1]，并与井口控制系统联动；集气站加热炉设有火焰探测和多点温度压力检测，在紧急情况下自动停炉，加热炉除自身具有PLC控制单元外，还接受站内ESD系统的控制。加热炉自用气也配备调压及自动切断装置；分离器污水排放采用疏水阀控制，由于污水中含有较多的杂质，长期运行有可能会使疏水阀关闭不严造成天然气泄漏，在疏水阀出口安装超声波检漏设备，将信号接入站控系统，实现远程在线监控；井场、集气站的异常报警及关断停车均与视频监控系统进行联动，调控中心可直观地监视现场状况。

为了确保人员、财产、环境安全，防止事故危险性扩大，设计了气田的关断等级及关断范围。全气田关断等级按三级划分：

一级关断为全气田关断，即井口、集气站出口、线路阀室、脱水站进出口关断并紧急泄压放空。适用于脱水站火灾、外输管线爆裂、自然灾害如强烈地震等。

二级关断为装置关断，适用于脱水装置单列故障、集气支干线重大故障、集气站火灾等。

三级关断为单元关断，适用于单台设备故障、单井压力异常等。

在紧急情况下，除系统自动关断外，调控中心操作人员根据权限也可在辅助操作台上进行相应的手动操作。

图3 ESDV线路截断阀和BDV泄放阀布置图Fig.3 Layout of ESDV line lock valve and BDV discharge valve

1.2 供电保障

由于集气站无人值守，必须考虑在市电缺失的情况下井站能够正常生产。如果集气站供电中断，集气站站控系统将会进行一系列的自动操作，井口及集气站出口将自动关闭，全站自动停产，但不会影响其他井站的正常生产。为此气田架设了供电专线，集气站PLC及ESD机柜、通信机柜均采用UPS及市电供电双电源供电接入，UPS供电及市电供电之间可实现无扰动切换[3]。每个集气站采用2台工频UPS电源并机运行，UPS工作状态及市电工作状态信号均接入站控系统，实现远程监控，确保集气站的不间断供电，保障生产安全平稳运行。

1.3 通信保障

集气站通信系统既是数据采集通道，也是远程控制通道和监视通道。通信中断会造成远程控制失效，数据中断乃至永久性丢失，操作人员与现场处于“失联”状态。由于集气站PLC和ESD控制系统可以单独运行，现场安全控制可以基本保障。为确保工控网网络安全和传输的可靠性，气田采用自建光纤环网+3G无线通信备份的传输方式，做到气田光纤全覆盖，自建光纤网络与其他网络物理隔离，工控信号、安防信号采用不同的纤芯传输，以保障工控网传输带宽和稳定性。利用EPA工业以太网技术，工控系统均采用双光纤环网设计，确保SCADA信号和ESD信号的可靠无缝传输。全气田按照集气站布局建设4个安防环网（图4），保障视频、门禁等安防信号的传输通畅和可靠性。

设备配置方面，工控网2台核心交换机互为主备冗余，启用VRRP（虚拟路由冗余协议），为汇聚层网络提供唯一的网管地址。当主用交换机失效，备用交换机迅速切换成主用交换机，保障核心层网络稳定。

有线网A采用二层交换机搭建，通过启用二层环网协议DRP达到环网保护功能，并通过DRP+由2条链路将控制信号上传至核心交换机；有线网B采用三层交换机搭建，接入3G路由器。交换机与交换机之间采用高优先级OSPF动态路由协议，交换机与3G路由器之间启用低优先级的静态路由。当有线网B的路由不能到达核心网络，集气站交换机至核心网络会自动切换到3G无线网传输。通过多种路由保障数据不丢失，传输不中断。

图4 SCADA与安防环形网络拓扑Fig.4 Topology of SCADA and security ring network

1.4 安防保障

无人值守情况下集气站的安防保卫工作须依靠信息化手段结合人工巡检来完成。集气站安防系统由工业电视监控系统、周界防御系统、语音对讲及应急广播系统、门禁系统、电子巡更系统构成[4]。调控中心建有综合安防管理平台，平台通过网络层集成各子系统，通过一个统一的管理平台界面，实现安防系统所有报警/事件的集中监视，对重要前端设备进行远程控制及各安防子系统间的联动。在生产工艺参数波动超限、非法闯入等异常情况下均有语音告警及视频画面跳转，将报警现场展示出来，并且有相应的文字提示，以方便操控人员及时判断和处理。

周界防御系统联动可实现在集气站、RTU阀室的周界防区被入侵时，联动摄像机到预设位置，对该区域进行实况监控、语音自动告警驱离；SCADA系统联动可实现在集气站的SCADA系统发生报警事件时，摄像机自动联动到预设位置，对该区域进行实况监控；门禁系统联动可实现在集气站、RTU阀室的门禁系统发生非法刷卡、门无故开启、超时未关门事件时，联动摄像机到预设位置，对该区域进行实况监控、语音自动告警驱离；语音对讲系统联动可实现在某集气站与调控中心建立对讲通话时，调控中心的视频监控窗格会自动实况到对应的集气站（图5）。

图5 周界系统防御系统联动Fig.5 Linkage of boundary system and defensive system

工业电视监控系统采用视频监控平台集中管理，该平台具有PTSQ高效可伸缩编码、分布式信源编码的多路视频差错控制和联合差错恢复、多标签近邻传播的检索、实时视频流组播承载等特点，融合了生产监控和安防监控系统，实现了生产监控和安防监控的业务独立与资源共享。对生产及安防预警和报警通过远程查看现场情况，对异常情况的程度进行确认。选用具有光通信功能的高清摄像机，避免光电转换带来的信号衰减及电子元件损坏；周界防御采用光缆监测系统即网络型光缆振动探测报警系统，符合GB/T 10408.8《振动入侵探测器》国家标准，系统采用光缆作为无源探测器，误报率小于2%，加速度感应精度为1 m/s2，实时响应光缆中断报警。光缆具有较高的灵敏度，可有效避免雷电干扰，适用于集气站及井场易燃易爆场所及山区各种复杂地形等不规则周界防区的探测，安装时将光缆直接铺设在井场和集气站围栏铁网上。各集气站的光缆振动探测报警系统将报警信号传输至调控中心；门禁系统可实现远程控制进站大门及站内仪表控制室、配电室门的开启，并可记录持卡人基本信息和进出时间信息。

2 自动控制与数据采集系统顶层设计

气田采用“SCADA＋ESD”自动化系统进行顶层设计，按照中石化气田智能化发展方向部署自动控制及数据采集系统。数据是智能化油气田的基础与关键，系统可按秒、分、时获取高频实时数据，应用MODBUS或TCP/IP将监测数据实时传输到数据管理系统[5]，实现气田一体化实时管理，即实现实时远程控制、实时数据共享、实时动态监测、实时调整运行与实时决策修正，最大限度地满足气田生产、环境安全及采输工艺要求，完成集气站无人值守情况下气田的自动化控制[6]。ESD系统设计充分考虑非正常生产情况下的自动响应与应急处理，保障现场生产装置、设备及管网的安全运行；控制系统采用冗余设置，集气站PLC及ESD机柜均安装2套控制器和电源，现场温度、压力、液位、流量等仪表及执行机构均智能化，以保证运行平稳可靠。系统可进行预警及报警，井站及气田报表自动生成[7]，并可根据不同需求个人定制报表及生成所需的趋势曲线。

建设AMS智能仪表管理系统，监视仪表本身运行状况，确保所测量的数据可靠。对具备HART协议智能仪表和控制机构进行自动远程诊断，并在管理系统中进行预警。

建立了气田真实三维场景，还原气田全貌，多源数据统一关联三维模型，实现气田的集中、直观监控[8]。打造油田站场三维地理信息系统，实现空间数据、生产数据、影像数据、三维数据于一体，最大限度地实现信息资源共享[9]（图6）。

图6 集气站三维系统挂接实时数据展示Fig.6 Display of real-time data in three dimensional system of gas gathering station

3 结束语

凭借可靠的安全、通信、供电及安防系统保障，科学全面的气田自动控制与数据采集系统设计，涪陵页岩气田实现了集气站无人值守。通过完成数据的采集、动态分析、过程控制实现数据信息的共享[10]。正在践行的“井站一体、电子巡护、远程监控、智能管理”的新型高效集约式生产管理模式彻底改变了传统的生产劳动密集型管理模式，推动了生产和管理向网络化、数字化、自动化、智能化转变，井站管理从定点、定时管理变为24 h不间断集中管理[11]。涪陵气田实现集气站无人值守后，节约用工约80余人，每年节约人力成本超760万元，减少集气站操作人员生产生活配套设施的直接投资1 300余万元。