古自強

（國家管網(wǎng)集團西部管道公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

智能化是世界科技發(fā)展新趨勢，第四次工業(yè)革命50%的主體技術(shù)與智能化直接相關(guān)[1]。在國家層面，智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、智能電網(wǎng)及智慧電廠等被列入發(fā)展規(guī)劃。油氣工業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展智能化已是大勢所趨[2]。截至2017年底，中國已建成西氣東輸一線、西氣東輸二線、中亞線、陜京線及澀寧蘭線等大型天然氣管道工程。我國長輸天然氣管道總里程達到7.7萬公里，已建成管道壓氣站73座，燃驅(qū)/電驅(qū)壓縮機組275套，在用儲氣庫8座，壓縮機組33套，總計在用壓縮機組308套。壓縮機組是輸氣過程中的核心增壓設(shè)備[2]，壓縮機組具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輔助系統(tǒng)多、數(shù)據(jù)量大、運維成本高等特點。壓縮機組管理涉及設(shè)備選型、安裝調(diào)試、投產(chǎn)試運、生產(chǎn)運行、維護檢修、改造大修、管理決策等各環(huán)節(jié)，其智能化建設(shè)及管理是智能管道建設(shè)的一項重要部分，是提高油氣管道管理水平、促進行業(yè)發(fā)展的有效手段和必然選擇[3]。

1 管道壓縮機組數(shù)字化現(xiàn)狀

油氣管道壓縮機組分為燃驅(qū)壓縮機及電驅(qū)壓縮機，燃驅(qū)壓縮機組主要包括軸流壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、動力渦輪及離心壓縮機,電驅(qū)壓縮機關(guān)鍵部件為離心壓縮機、高速電機、變頻器。燃驅(qū)壓縮機組動力部分的燃機氣路各部位安裝了溫度、壓力探頭，測量燃機內(nèi)部氣路空氣、燃料氣、燃燒氣體的參數(shù)，實現(xiàn)了機組啟停控制、防喘控制、超速保護等控制功能[3]，實現(xiàn)了機組狀態(tài)的監(jiān)測及故障診斷。壓縮機組控制系統(tǒng)（UCS）與站控SCS系統(tǒng)通過本地局域網(wǎng)（LAN）以太網(wǎng)TCP/IP（MODBUS通訊協(xié)議）交換信息，站場SCADA系統(tǒng)可以發(fā)送啟動、停機等控制信號給UCS系統(tǒng)并接收UCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

目前油氣管道壓縮機組的主要制造廠家有GE公司、西門子公司，近幾年燃驅(qū)及電驅(qū)壓縮機國產(chǎn)能力得到突破，國產(chǎn)壓縮機已應(yīng)用于國家主干油氣管網(wǎng)。GE公司PGT25+PCL系列機組的配套控制系統(tǒng)為MARK Vie，UCS系統(tǒng)與站控SCS系統(tǒng)通過本地局域網(wǎng)（LAN）以太網(wǎng)TCP/IP（MODBUS通訊協(xié)議）交換信息；德萊賽蘭電驅(qū)壓縮機采用DI-TRONICS控制系統(tǒng)，PLC采用ControlLogix PLC,ESD系統(tǒng)采用羅克韋爾SIL-3等級的AADvance PLC,采用MODBUS RTU（從站）協(xié)議通過RS-232/485通信鏈路鏈接到站場SCS系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議與變頻器VDF控制器通信；西門子公司的燃驅(qū)及電驅(qū)機組采用的是ControlLogix系統(tǒng) PLC，西門子燃驅(qū)壓縮機機組控制系統(tǒng)UCP與站控系統(tǒng)通過OPC協(xié)議進行通信。

目前中國管道設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)正在全面建設(shè)，設(shè)備故障智能診斷技術(shù)仍在起步階段，現(xiàn)有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測水平還不能滿足智慧管道智能化運營和管理的需求。加強對管道壓縮機組狀態(tài)的實時分析、診斷及優(yōu)化，可以為管道運維和管理提供更為全面、精細的管道設(shè)備運行狀態(tài)信息，運維方可就此給出相應(yīng)的控制方案、備用預(yù)案及輔助決策策略，最大程度地實現(xiàn)管道設(shè)備運行的安全、可靠、經(jīng)濟、環(huán)保[5]。

2 壓縮機組智能化建設(shè)目標(biāo)

壓縮機的智能化管理是基礎(chǔ)管理和數(shù)字化管理高級管理層級[4]，壓縮機智能管理的建設(shè)，應(yīng)實現(xiàn)對重大故障、高危風(fēng)險的預(yù)防與控制；通過歷史故障數(shù)據(jù)及特征分析和提取，實現(xiàn)對其他運行機組隱患缺陷的自動排查，降低同類項缺陷故障停機事件，實現(xiàn)故障的預(yù)知、預(yù)測、預(yù)防。另外，智能化管理建立實現(xiàn)機組“自主思考”的智能化目標(biāo)，達到機組自主評估自身整體健康狀態(tài)，預(yù)測熱端及關(guān)鍵部件壽命，實現(xiàn)基于可靠性的視情維修方式；通過邏輯判定，多臺機組或機群實現(xiàn)“協(xié)同與互動”運行，當(dāng)在運行機組故障停機后，備用機組能夠自動啟動功能，降低管道壓力異常波動的影響，保障天然氣輸送任務(wù)按計劃完成；站場機組能夠?qū)崿F(xiàn)運行時間自適應(yīng)調(diào)整，建立機組運行時間臺階，智能判斷錯開大修周期、避開輸氣高峰期。同時壓縮機管理平臺數(shù)據(jù)應(yīng)與企業(yè)財務(wù)管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)知識管理等系統(tǒng)結(jié)合，在提升壓縮機本質(zhì)安全與可靠性的同時，現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施、物資備件、預(yù)算與成本管理結(jié)合，實現(xiàn)檢修計劃自動生成、備件庫存動態(tài)調(diào)整、成本預(yù)算可控的目標(biāo)。

3 壓縮機組智能管理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能儀表

壓縮機的各類探頭、儀表是整機的神經(jīng)末梢，實時感知機組運行狀態(tài)，為過程工業(yè)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)來源，是設(shè)備優(yōu)化和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)。壓縮機組配套探頭型號多、數(shù)量繁雜，停機事件統(tǒng)計分析結(jié)果表明探頭接線松動、靜電干擾，信號波動是壓縮機非計劃停機的主要原因之一]。目前智能儀表將朝向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能方面發(fā)展，儀表數(shù)據(jù)方便、快捷的傳輸給智能制造系統(tǒng)的各個層級；通過內(nèi)置軟件，能夠增強抗噪音干擾能力，避免虛假信號對測量及控制邏輯的影響。智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理方面發(fā)展，并具有模糊判斷、故障判斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機件壽命預(yù)測等功能。

3.2 數(shù)據(jù)管理

同一制造商壓縮機組配套的儀表、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)格式易實現(xiàn)統(tǒng)一，但不同廠家壓縮機組數(shù)據(jù)電氣接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的廠家暫未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范及約束，該問題制約了不同集成商機組數(shù)據(jù)的互連互通，對大規(guī)模機隊的統(tǒng)一管理帶來的困難。壓縮機組智能化管理，需統(tǒng)一傳感器電氣接口、數(shù)據(jù)編碼方式及數(shù)據(jù)匯聚方式，將所有數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入數(shù)據(jù)中心，同時對不同類型的數(shù)據(jù)按照需求與分析頻率進行分類，降低數(shù)據(jù)搜索、計算的難度和負荷，提高在海量級數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)調(diào)取的效率，數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化才可能完成設(shè)備間的有效協(xié)同和柔性重組等智能化功能。

3.3 規(guī)則與算法

實現(xiàn)壓縮機組“自主思考”，是壓縮機組智能化的重要目前之一，通過歷史停機數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)的分析、提取，可以制定相應(yīng)的規(guī)則和算法，嵌入單機或集中控制平臺，實現(xiàn)對壓縮機組性能自動診斷、熱力學(xué)效能計算、定制規(guī)則和智能通知功能。結(jié)合燃驅(qū)、電驅(qū)等機組類型及差異，建立不同層級和類別的規(guī)則包及算法，如燃機汽輪特性與模型、燃燒室及高壓渦輪涂層壽命預(yù)測、軸承振動特征與圖譜等。故障缺陷特征的提取，是故障預(yù)知預(yù)測的根本，如果故障的缺陷的根本特征沒有提取，那么故障就無法預(yù)測和預(yù)防。

按照學(xué)習(xí)策略劃分，機器學(xué)習(xí)可劃分為機械學(xué)習(xí)、示教學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)和歸納學(xué)習(xí)。目前機器學(xué)習(xí)有了十分廣泛應(yīng)用，如數(shù)據(jù)挖掘、計算機視覺、診斷、語音識別、自然語言處理等，經(jīng)典算法有聚類K-means算法；支持向量機監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，應(yīng)用于統(tǒng)計分類與回歸分析中；挖掘布爾關(guān)聯(lián)規(guī)則的Apriori算法；用于分類、回歸的K-近鄰算法；應(yīng)用決策樹學(xué)習(xí)分類回歸樹方法，由特征選擇、樹生成及剪枝組成，用于分類、回歸。壓縮機組控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的時變動態(tài)系統(tǒng)，控制對象具有多變量、非線性的特點，壓縮機組運行期間存在振動、磨損、腐蝕等工況，同時應(yīng)針對儀表故障、程序丟失、通訊故障、信號虛接假信號、線路虛接、線路干擾等誤報警建立容錯算法，逐步開展控制系統(tǒng)硬件如：IO模塊、電源模塊、繼電器、安全柵故障等硬件模塊的故障分析與診斷模型。

3.4 平臺建設(shè)與融合

目前壓縮機組設(shè)備本身管理配置了相關(guān)的遠程振動監(jiān)測平臺、健康管理平臺、設(shè)施管理管理平臺等，在一定程度上提升的壓縮機組的管理水平，下一階段還應(yīng)結(jié)合不同站場機芯數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、天然氣運銷輸量、確定最優(yōu)運行方案，降低能源損耗和運營成本。另外智能化管理能夠為各級管理單位和部門提供所需的數(shù)據(jù)、支持與決策，因此壓縮機組管理平臺數(shù)據(jù)應(yīng)與財務(wù)管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)知識管理等系統(tǒng)融合，在提升壓縮機本質(zhì)安全與可靠性的同時，實現(xiàn)裝備設(shè)施、物資備件、預(yù)算成本等數(shù)據(jù)的深度共享和實時交換，實現(xiàn)檢修計劃自動生成、備件庫存動態(tài)變化、檢修工單自動生成、成本預(yù)算可控的目標(biāo)。

4 結(jié)語

油氣管道壓縮機組智能化管理是未來智慧管道建設(shè)的重點之一，實現(xiàn)智能管理需要同時強化數(shù)字化管理水平，提高整機可靠性及本質(zhì)安全，實現(xiàn)故障預(yù)知、預(yù)測、預(yù)防的管理目標(biāo)。在壓縮機智能化管理建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)的積累、缺陷特征的提取、預(yù)防算法與規(guī)則的建立需要不斷地完善與進化，同時積累知識與經(jīng)驗，并培養(yǎng)該領(lǐng)域的專家，分析處理復(fù)雜的問題。通過數(shù)據(jù)的共享和平臺的融合，優(yōu)化整合資源，實現(xiàn)壓縮機組智能化管理，為油氣管道高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展提供支持。