李秉軍 劉玉芳 劉貴強 石利新 劉萬斗

（1.華北油田第五采油廠；2.華北油田工程技術(shù)研究院）

華北油田總部位于河北省任丘市，在著名的“華北明珠”白洋淀之濱，北依首都北京，南望河北省會石家莊，東接濱海都市天津，西至文化古城保定，毗鄰廊坊、滄州兩座新型城市?？碧絽^(qū)域集中在冀中、二連、山西，橫跨京津冀蒙晉五省市，礦權(quán)區(qū)域面積6.9×104km2；開發(fā)管理著56個油藏、27個天然氣藏、7個煤層氣區(qū)塊，有石油資源量37.3×108t、天然氣資源量3 982×108m3、煤層氣資源量1.08×1012m3。有五個采油廠、山西煤層氣、二連分公司、巴彥勘探分公司8個油氣生產(chǎn)單位。隨著華北油田自然減員人數(shù)的逐年增多，尤其是2021－2024年將是退休、離職人員高峰。新入職員工的人員又較少，使得人員需求結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴重不平衡。伴隨油田開發(fā)技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開發(fā)的需要，油田站場快速向無人值守方向發(fā)展[1-3]。目前，華北油田各個采油廠已基本實現(xiàn)了數(shù)字化改造，通過數(shù)字化管理，優(yōu)化勞動模式，可大幅提升油田的管理與運行效率，華北油田目前正積極推進減員增效，嚴格控制人工成本，努力提高公司的經(jīng)濟效益。2021年通過推進物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，油田戰(zhàn)場無人值守建設(shè)工作全面展開[4-6]。

1 現(xiàn)狀

JJ站是華北油田高家堡油田唯一一座轉(zhuǎn)油站，經(jīng)過多次改造，站內(nèi)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)較新，配套完整，生產(chǎn)運行狀態(tài)良好。JJ站站外共有59口油井，目前開井47口，采用單管集油進JJ站。JJ站外輸油流程：JJ站輸往C25-1計閥組，與C15-8計來油匯合后，再輸往C南聯(lián)合站。目前JJ站每日外輸量290 m3。JJ站站內(nèi)包括集油系統(tǒng)、原油處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)以及注水系統(tǒng)。包含的設(shè)備有井口加熱器1臺，井口加熱爐1座，分離緩沖罐2座，高架儲油罐4座，外輸泵2臺，常壓熱水鍋爐2座，熱水泵2臺，外輸加熱爐2座，水源井（電潛泵）1臺，儲水罐1座，注水泵1臺，注水撬1座，水箱1座。JJ站工藝流程見圖1，站內(nèi)設(shè)備主要運行參數(shù)見表1。

圖1 JJ站工藝流程Fig.1 Process flow of JJ station

表1 JJ站站內(nèi)設(shè)備主要運行參數(shù)Tab.1 Main operation parameters in the station equipment of JJ station

原有的JJ站與無人值守狀態(tài)相比仍存在著許多不足之處，需要進一步優(yōu)化與改進。人員不足問題逐漸突出；站內(nèi)設(shè)備可視化程度低，必須現(xiàn)場人工操作；電力消耗嚴重且意外斷電容易造成安全生產(chǎn)事故；儀表設(shè)備種類較多，維護復(fù)雜困難；同時缺乏智能安防系統(tǒng)，依靠人員辨別時間較長，容易將較小事情釀成重大事故。為此，油田公司在2021年初將JJ站作為無人值守建設(shè)試點站場[7-8]。

2 無人值守設(shè)計

2.1 概念

無人值守是通過對站場運行、崗位設(shè)置、操作頻次等的調(diào)查，對需人工頻繁操作的環(huán)節(jié)實施自動控制改造，減少操作頻次，達到現(xiàn)場少人操作甚至無人操作的狀態(tài)[9-11]。無人值守站場系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、報警、門禁、存儲管理、網(wǎng)絡(luò)等[12-14]。這套系統(tǒng)不僅需要對站場主要儀器設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)測以及防御外來入侵者的破壞，同時需要配合相關(guān)技術(shù)人員的定期巡檢，形成物防、技防、人防的完整安防監(jiān)控狀態(tài)，實現(xiàn)無人值守的效果[15-17]。

2.2 技術(shù)要求

無人值守站場應(yīng)配置數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，負責采集站場內(nèi)的遠控閥門、壓力、溫度、液位、流量、電參、加熱系統(tǒng)等儀器儀表的數(shù)據(jù)，各儀表設(shè)備應(yīng)具有就地顯示及信息遠傳雙重功能。

無人值守站場應(yīng)配置相應(yīng)的視頻系統(tǒng)和安防系統(tǒng)，實現(xiàn)運行情況監(jiān)視、入侵探測、防盜報警、出入口控制、安全檢查等主要功能。視頻和安防系統(tǒng)信號應(yīng)能夠傳至監(jiān)控中心，并具備遠程控制、布防、撤防等功能。防區(qū)劃分應(yīng)做到避免盲區(qū)和死角，有利于報警時準確定位，視頻監(jiān)視和安防系統(tǒng)宜緊密集成。條件許可時可考慮視頻與報警的聯(lián)動。

2.3 JJ站改造方案

為實現(xiàn)JJ站無人值守，實現(xiàn)對各個分系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，對突發(fā)事件實現(xiàn)統(tǒng)一指揮，一鍵實現(xiàn)流程安全切換。從以下五個方面進行整改與優(yōu)化。

2.3.1 DCS控制系統(tǒng)

無人值守對控制的安全性要求較高，擬采用DCS控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)具有很好的冗余功能，可以實現(xiàn)多通道熱備功能，可以熱插撥模塊實現(xiàn)不停機系統(tǒng)維護。DCS系統(tǒng)通常采用的國際標準協(xié)議TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好，而PLC因為基本上都為單個小系統(tǒng)工作，在與別的PLC或上位機進行通訊時，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標準不符。DCS系統(tǒng)所有I/O模塊都帶有CPU，可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)判斷與標量變換，故障帶電拔，隨機更換。依據(jù)JJ站月平均人工操作頻率，劃分遠程自控范圍與現(xiàn)場操作工作界面，非自控范圍內(nèi)的工作內(nèi)容，仍然采用現(xiàn)場操作。

2.3.2 可視化操作系統(tǒng)

通過可視化視頻、AI機器視覺分析、數(shù)據(jù)視頻融合，以采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能分析、高度集成、統(tǒng)一展示的理念為核心，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、設(shè)備間、設(shè)備、路由、設(shè)備接口的逐級立體可視化，將數(shù)據(jù)和概念轉(zhuǎn)化為圖形，將復(fù)雜信息以立體、直觀的方式傳遞給運維人員，使其快速消化和理解。運用傳統(tǒng)軟件與硬件設(shè)備的集成，把規(guī)模龐大的信息化建設(shè)、智能化管理工具集中構(gòu)建為3D可視化操作系統(tǒng)。在控制室實現(xiàn)猶如身臨其境的遠程操作（看著現(xiàn)場視頻圖像，用鼠標點擊圖像上的虛擬按鈕，實現(xiàn)設(shè)備的啟停），它的操作方式是以視頻為導(dǎo)向，橋接貫通各個系統(tǒng)，在視頻圖像上實現(xiàn)現(xiàn)場操作，即遠程“就地”操控。實現(xiàn)抽油機井遠程啟停、電泵井遠程控制、氣井遠程關(guān)斷、注水自動調(diào)節(jié)控制、自動倒井計量控制等，用戶可綜合考慮生產(chǎn)需求、管理需求和安全需求，選擇實現(xiàn)遠程控制功能。極大降低現(xiàn)場用工人數(shù)，使得設(shè)備操作更加便捷、高效。

2.3.3 智能電源系統(tǒng)

現(xiàn)階段JJ站依舊采用傳統(tǒng)用電系統(tǒng)，還處于無網(wǎng)絡(luò)化、無智能化的用電設(shè)備分散獨立運行狀態(tài)，后臺無法實現(xiàn)對前端用電系統(tǒng)進行遠程實時預(yù)警監(jiān)測。實行JJ站用電智能化管理，提出以下要求：

1）智能管理，監(jiān)測JJ站用電負荷的變化以及預(yù)防和控制由于超負荷運行引起的火災(zāi)隱患。

2）當系統(tǒng)斷電時，0 s切換至UPS供電，確保事故狀態(tài)，流程切換電動閥門動作暢通，同時切換至發(fā)電機組供電，恢復(fù)生產(chǎn)。

3）確保有效的監(jiān)、管、控站內(nèi)用電不合理現(xiàn)象。

4）通過對各用電回路及設(shè)備進行系統(tǒng)化管理，建立高效的預(yù)防、報警、跳閘保護機制，減少人身傷亡，財產(chǎn)損失。

平臺軟件充分利用設(shè)備運行數(shù)據(jù)，采用先進的軟件開發(fā)技術(shù)，為用電場所提供強弱電集中管理、分析決策、數(shù)據(jù)安全的有力支撐，真正實現(xiàn)了安全用電、規(guī)范用電、節(jié)能用電、智慧用電的目標。

2.3.4 儀表、設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

MS儀表管理系統(tǒng)的優(yōu)勢：多種儀表設(shè)備統(tǒng)一管理，操作簡單方便；遠程管理快速、便捷；在線監(jiān)測與診斷提高設(shè)備可靠性；預(yù)測性維護降低維護費用、提高設(shè)備利用率；文檔管理全面提升管理水平；使用先進技術(shù)保護原有投資；將維修時間降低到最短：MS可以準確定位事故發(fā)生的原因，可以準確確定設(shè)備是否需要維護及進行時間。MS的診斷功能可以在故障發(fā)生之前監(jiān)測到問題的所在，提示工作人員在故障造成重大事故前，及時采取措施。無縫集成DCS系統(tǒng)，管理平臺為決策者提供依據(jù)，現(xiàn)場處理問題的次數(shù)降到最少：MS提供必要的信息，使工作人員無需抵達現(xiàn)場，從PC機上就可以檢查設(shè)備狀態(tài)、組態(tài)設(shè)備參數(shù)、調(diào)整量程以及執(zhí)行診斷等。MS提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而使維護人員可以進行有目的的維護。

2.3.5 智能虛擬布防監(jiān)控平臺

智能虛擬布防監(jiān)控平臺根據(jù)機器視覺監(jiān)控闖入、火災(zāi)、泄漏等情況，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI人工智能分析技術(shù)，通過設(shè)計計算機的計算單元來模擬生物神經(jīng)元，進一步構(gòu)造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，能夠?qū)τ诮o定的圖像輸入，實時分析圖像中的目標對象類型及其狀態(tài)，確認預(yù)警結(jié)果，進行分級報警管理。在聯(lián)合站、庫房等場站的圍墻、大門和站內(nèi)區(qū)域進行布防預(yù)警；在泵房、庫房、罐區(qū)、油區(qū)、加熱爐等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)、油氣泄露報警；同時對生產(chǎn)設(shè)備、管網(wǎng)泄露、高溫爐壁擊穿前，發(fā)出預(yù)警以及對場站內(nèi)吸煙、勞保穿戴不全、外來人員闖入等發(fā)出報警，真正做到24 h全天候監(jiān)控。

2.3.6 站控流程改進

基于HAZOP分析方法，系統(tǒng)分析了站內(nèi)流程的安全現(xiàn)狀與潛在風險，對JJ站可能面臨的不同場景進行流程改進，增加了越站流程、越站加熱流程、高架罐事故流程，并針對不同流程進行連鎖控制設(shè)計，實現(xiàn)JJ站在正常狀況、事故過程以及緊急狀態(tài)下的流程切換，提高了JJ站工藝流程的穩(wěn)定性、安全性和可操作性。JJ站站內(nèi)流程改進見圖2。

圖2 JJ站站內(nèi)流程改進Fig.2 Process improvement in the station of JJ station

3 推廣后效果

2021年中期，JJ站經(jīng)過無人值守設(shè)計改造，實現(xiàn)優(yōu)化崗位用工人數(shù)，由四班三倒實現(xiàn)無人值守。JJ站原有員工37人，優(yōu)化后減到20人，減少了用工人數(shù)，大大降低用工成本，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。同時JJ站實現(xiàn)真正意義上的無人值守，能夠滿足環(huán)境敏感區(qū)與綜治復(fù)雜區(qū)安全環(huán)保要求，為同類型無人值守站建設(shè)提供借鑒，帶來了可觀的社會效益。

根據(jù)JJ站無人值守推廣成功經(jīng)驗，2022年初華北油田又先后在南部油田多個戰(zhàn)場進行了推廣，南部油田戰(zhàn)場先后有17個計量站、22個拉油點實現(xiàn)了無人值守，效果明顯，成效顯著。

4 結(jié)論

通過對JJ站DCS控制系統(tǒng)、可視化操作系統(tǒng)、智能電源系統(tǒng)、儀表設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)、智能虛擬布防監(jiān)控平臺進行設(shè)計改造，實現(xiàn)了戰(zhàn)場無人值守，可以得出如下結(jié)論：

1）有效提高生產(chǎn)運行效率。轉(zhuǎn)變了原有生產(chǎn)組織方式，工作直接由中心站協(xié)調(diào)，減少了中間環(huán)節(jié)，組織機構(gòu)更加精簡，資源配置更加合理，生產(chǎn)組織效率大大提升。

2）降低勞動強度。規(guī)模配套自動化設(shè)備，大大縮減員工每天現(xiàn)場工作量并將員工從資料填報、現(xiàn)場巡檢等日常繁瑣的工作中解放出來。

3）降低安全隱患。將頻繁人工操作改為自動控制，降低員工進入危險區(qū)域的頻次，物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為使?jié)撛诎踩[患得到控制，有效降低了員工的安全風險。

4）盤活了勞動用工。面對今后油田生產(chǎn)一線人員運行壓力，通過積極推行無人值守站運行，盤活站內(nèi)操作員工，大大降低了人工成本支出。

5）重要參考價值。對其他場站的無人值守改造工作以及將來實現(xiàn)智慧油田中無人值守具有重要的指導(dǎo)意義。