李國海 董秀娟

中石油北京天然氣管道有限公司

摘 要： 通過(guò)對天然氣管道安全運營(yíng)、站場(chǎng)事故后果、人員不確定性等因素分析，論證了天然氣管道無(wú)人值守站建設的必要性。對比國內外天然氣管道運行差異，結合實(shí)際案例，分析存在的運行操作隱患。 論述了“以人為本”的管道運行控制原則和“安全、可靠、效率”的全生命周期活動(dòng)準則，從國情出發(fā)提出了“有人值守、無(wú)人操作、遠程控制”站場(chǎng)運行操作思路。通過(guò)站場(chǎng)優(yōu)化分析，完善站場(chǎng)操作替代手段，降低站場(chǎng)對現場(chǎng)人員的操作依賴(lài)，提高調控中心對管網(wǎng)運行、控制、調度的工作力度和效率。

關(guān)鍵詞： 天然氣管道；安全距離；無(wú)人值守；人為失誤；自動(dòng)邏輯；遠程控制

隨著(zhù)國內天然氣管線(xiàn)快速發(fā)展及管網(wǎng)的形成，天然氣管道安全運行效率問(wèn)題日益突出。如何通過(guò)強化站場(chǎng)的自動(dòng)邏輯控制功能，提高調控中心對整條管道、甚至整個(gè)管網(wǎng)的管控效果，降低操作人員在危險環(huán)境內活動(dòng)風(fēng)險和人因失誤風(fēng)險,成為管道運營(yíng)商不斷追求的目標。

1 必要性分析

1.1 國內外管道運行模式分析

與北美、歐洲天然氣管道遠程控制水平和現場(chǎng)運行管理模式相比，國內仍存在較大差距（圖 1～4）。

圖 1  國外無(wú)人值守壓氣站

圖 2  國外無(wú)人值守計量站

圖 3  國內有人值守壓氣站

圖 4  國內有人值守計量站

國內外管道運行模式對比如表 1所示。

1.2 安全運行分析

從表 1可以看出，國內管道雖設有SCADA系統控制站場(chǎng)運行，但仍以人工操作為主，站內需長(cháng)期駐守運行人員。而現行標準規定了站內電氣防爆距離、防火間距，卻沒(méi)有明確的、可接受的安全距離要求。當站場(chǎng)發(fā)生嚴重事故時(shí)，不可避免造成嚴重后果，甚至危及站內人員生命安全。所以在最大限度保證人員安全的同時(shí)，還應減少人的行為對管道運行安全的影響。例如合理劃分站場(chǎng)安全區域、減少在危險區域內的人員活動(dòng)、降低人因操作不確定性，提升管道的安全運行。

1.3 事故經(jīng)驗分析

2012年12月，某天然氣站因進(jìn)站管線(xiàn)絕緣接頭斷裂，產(chǎn)生大量天然氣泄漏，瞬間起火爆炸，一座新建天然氣站場(chǎng)完全燒毀�，F場(chǎng)噴射火持續時(shí)間約32 min，泄漏速率約643.46 kg/s，所幸未發(fā)生人員傷亡（圖 5）。

圖5 過(guò)火后的天然氣站場(chǎng)

針對本次事故開(kāi)展了QRA符合性評估，分析結論如下。

（1）應用三維CFD軟件模擬天然氣站場(chǎng)泄漏導致的噴射火火災，分析火災影響范圍（圖 6）。對比CFD模擬結果與現場(chǎng)事故勘察和過(guò)火痕跡，呈現較好的一致性。

圖6 天然氣站場(chǎng)泄漏導致的噴射火火災影響分析圖

（2） QRA分析結果給出的危險區域劃分，對確定天然氣站場(chǎng)社會(huì )及站內安全距離有重要價(jià)值(圖 7)。

圖7 社會(huì )風(fēng)險F-N曲線(xiàn)

圖 7中，上條線(xiàn)（1.0E-03）為風(fēng)險可接受標準的上限，下條線(xiàn)（1.0E-05）為風(fēng)險可接受標準的下限。通常以火災熱輻射強度12.5 kW/m2所對應的最遠距離作為安全距離，其對應風(fēng)險可接受標準的下限，人在該距離的逃生時(shí)間約20 s（表 2）。

站場(chǎng)選址、布局、間距和設備方位都應首先確保站場(chǎng)周?chē)�社�?huì )人員和站內人員的安全。在提高管道系統本質(zhì)安全的基礎上，通過(guò)有效的操作替代手段實(shí)現站場(chǎng)的自動(dòng)運行、診斷、巡檢及防護，提高系統安全運行可靠性。目的是要限制在風(fēng)險不可接受區域內的人員活動(dòng)、減少在風(fēng)險合理降低區域內的長(cháng)期人員活動(dòng)，降低人員傷亡幾率。

1.4 人員風(fēng)險分析

通過(guò)對人為失誤的表象進(jìn)行分析，結合國內外管道系統事故分析結果，并參考美國化工過(guò)程安全中心（CCPS）的統計數據，可以得出人為失誤是管道失效的重要原因。

一名經(jīng)過(guò)良好培訓的操作人員，在不疲勞、無(wú)壓力情況下的常規操作失誤高達0.001～ 0.100次，遠遠高于設備、儀表的失效幾率。

人具有較大的可塑性和不確定性，隨著(zhù)環(huán)境條件的改變、操作難度的增加、心理壓力的變化，人的操作不確定性所帶來(lái)的操作失誤會(huì )給管道安全運行帶來(lái)災難性的后果，具體如圖 8所示。

圖 8  人員失誤分析

1.5 小結

通過(guò)如上分析，迫切需要提升現有的運行管理模式和理念，提高調控中心對管網(wǎng)的管控效果和管道系統安全運行效率，降低操作人員在危險環(huán)境內的活動(dòng)風(fēng)險和操作風(fēng)險，加快無(wú)人值守站的推廣建設勢在必行。

2 無(wú)人值守站建設探索

2.1 明確統一的控制理念

控制理念是方向，是管道建設發(fā)展的原動(dòng)力。

國外管道在設計伊始即有明確的針對整條管道的運行控制目標，所有設計活動(dòng)均在運行控制原則框架內進(jìn)行。 1994年，德國PLE公司牽頭設計陜京一線(xiàn)，第一份文件為“操作及控制原則”，明確給出了“所有的站場(chǎng)設計都要達到無(wú)人操作水平，站場(chǎng)僅留少量人員進(jìn)行維修服務(wù)”“控制系統實(shí)行三級控制： 中心控制、站控制、就地人工控制”。

反觀(guān)國內管道設計缺乏明確的運行控制目標，受管理理念、設計能力和專(zhuān)業(yè)間的不協(xié)調性制約，管道設計水平參差不齊。

因此，有必要建立符合管道運營(yíng)商需求的管道運行控制原則，在管道設計、建設、運行、維護等全生命周期各階段活動(dòng)都應遵循可廣泛接受的、標準化的、統一的標準，本著(zhù)“以人為本”的原則，按照“安全、可靠/有效、效率”的順序執行。借鑒國外“無(wú)人值守、遠程控制”運行控制模式，結合我國國情宜采用“有人值守、無(wú)人操作、遠程控制”的模式，站場(chǎng)僅需要少量的看護、維護人員。在保證站場(chǎng)安全運行的前提下，以站自動(dòng)邏輯控制為基礎，實(shí)現管線(xiàn)的調控中心遠程目標控制。

2.2 統一建設標準

高水平建設標準決定了管道控制水平的高低。國際標準、國家標準、行業(yè)標準僅僅為管道設計的最低要求，國外大型管道公司通常編制有完善的企業(yè)標準或手冊，其要求相對于國際標準更嚴格、更細致，要求管道設計、工程建設方均應執行。

2.3 提供有效的操作替代手段

利用有效的技術(shù)手段代替現場(chǎng)人員操作是站場(chǎng)無(wú)人值守的基本條件，也是智能管道運行的基礎。應主要解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）站場(chǎng)運行工藝控制、流程及設備操作問(wèn)題采用SCADA系統控制管道運行，通過(guò)實(shí)現站場(chǎng)自動(dòng)邏輯控制，使天然氣管道站場(chǎng)按照調控中心的遠程控制指令運行，自動(dòng)完成預設的控制邏輯目標，降低人為原因產(chǎn)生的操作不確定性或不安全因素，提高管道的運行效率和可靠性。

（2）站場(chǎng)運行環(huán)境綜合監測、報警及巡檢問(wèn)題根據當地社會(huì )治安環(huán)境建立站場(chǎng)智能安全防護系統平臺，實(shí)現站場(chǎng)智能監護。通過(guò)站場(chǎng)的綜合運行環(huán)境監測、巡檢及報警，實(shí)現全天候站場(chǎng)巡檢、監測、人員識別等的報警和記錄，減少人工巡檢頻次，進(jìn)而減少危險區域內人員活動(dòng)時(shí)長(cháng)。

（3）站場(chǎng)設備、系統的遠程診斷及維護問(wèn)題通過(guò)遠程診斷維護系統對現場(chǎng)智能設備提供遠程診斷、設備故障報警記錄、故障處理和維護。實(shí)現現場(chǎng)壓縮機組、智能儀表和控制系統的巡檢、診斷和維護，為智能設備健康評價(jià)提供基礎數據。降低站場(chǎng)智能設備的運行失效風(fēng)險，提高預知維護水平。

2.4 優(yōu)化和簡(jiǎn)化站場(chǎng)設計

通過(guò)對現有各類(lèi)站場(chǎng)模式的對比（表 3），可以看出，無(wú)人值守站場(chǎng)用房用地均可得到簡(jiǎn)化，逐漸打破專(zhuān)業(yè)分工，電氣、自控、通信、陰保、暖通等設備可綜合設計與安裝。

2.5 優(yōu)化站場(chǎng)工藝設計

從提高站場(chǎng)可控性、可靠性、可操作性及保護功能方面考慮，站場(chǎng)無(wú)人值守需依托調控中心遠程控制，而調控中心遠程控制的基礎是站場(chǎng)自動(dòng)邏輯控制。為提高自動(dòng)控制的有效性，首先應從站場(chǎng)工藝系統設計優(yōu)化入手，針對計量分輸站通�？蓮南旅鎺�點(diǎn)考慮。

（1）站場(chǎng)主流程等壓設計，減少壓力分界點(diǎn)，優(yōu)化保護控制。

（2）提高用戶(hù)供氣壓力，優(yōu)化加熱、壓力監控系統流程和配置。

（3）合理配置執行機構，滿(mǎn)足邏輯控制和保護控制需求。

（4）優(yōu)化工藝流程設計，合理選擇口徑，減少公共部分回路數量。

（5）簡(jiǎn)化輔助系統設計。

例如：站場(chǎng)大口徑球閥開(kāi)啟時(shí)，通常要求前后壓差不超過(guò)0.2～0.5 MPa，避免在高壓差狀態(tài)下開(kāi)啟造成閥門(mén)密封損壞，延長(cháng)閥門(mén)的使用壽命。在設計時(shí)應對站場(chǎng)自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行分析，找出存在自動(dòng)開(kāi)啟時(shí)存在大壓差的閥門(mén)，通過(guò)設計電動(dòng)旁通閥和壓差檢測，增加自動(dòng)平衡壓力閥組控制邏輯，確保自動(dòng)啟動(dòng)大口徑球閥功能實(shí)現。

2.6 推廣科學(xué)評估手段和專(zhuān)業(yè)化的設計審查

在項目實(shí)施過(guò)程中，以現行標準、規范為基礎，適時(shí)開(kāi)展科學(xué)的評估分析，如： QRA、 HAZOP、SIL、安裝應力分析等。并根據分析結果指導項目設計和實(shí)施，用數據代替經(jīng)驗。

目前國內的設計審查通常采用專(zhuān)家會(huì )審模式，存在審查深度不足、不同階段專(zhuān)家意見(jiàn)相左、審查意見(jiàn)受專(zhuān)家個(gè)人經(jīng)驗影響等弊端�？煽紤]參考國外項目設計審查方式，委托有能力的專(zhuān)業(yè)機構按照管道運營(yíng)商關(guān)于管道建設、運行控制目標及要求對設計文件進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化的審查，主要包括不同階段的設計文件、采購文件、控制原則等，確保審查深度和審查一致性。

2.7 技能型人員培養

人的因素是實(shí)現無(wú)人值守站場(chǎng)建設的關(guān)鍵。提高人員技能，降低事故發(fā)生概率，結合ASME B31Q和API RP 1161標準要求，從以下幾方面加強技能型人員的培養。

（1）建立有效的培訓與資質(zhì)認證體系，提高操作人員的職業(yè)素養。

（2）開(kāi)展針對管道運行中基于風(fēng)險的操作、維護作業(yè)識別工作，對識別出的作業(yè)按風(fēng)險進(jìn)行分級、分類(lèi)并建立培訓標準。

（3）操作運行人員向維護技能型人員轉化，打破基層專(zhuān)業(yè)、工種分工，開(kāi)展基于維護維修作業(yè)的培訓。

（4）建立科學(xué)、有效的評估考核體制，提高人員工作積極性。

2.8 小結

無(wú)人值守站由調控中心負責管道的運行、控制，優(yōu)化站場(chǎng)設計和現場(chǎng)運行維護人員配置，現場(chǎng)屬地人員生活依托社會(huì )，提高站場(chǎng)運行安全性，減少站場(chǎng)征地面積和輔助設施，降低建設和運行成本約10%～30%。

3 站場(chǎng)自動(dòng)控制功能分析

通過(guò) SCADA系統至少實(shí)現管道運行參數監視、站場(chǎng)運行過(guò)程控制、報警響應、應急控制、數據處理與存儲、運行工況模擬及預測、輸差平衡與負荷預測等功能。

（1）主要自動(dòng)控制功能如表 4所示。

（2）為確保站場(chǎng)在應急狀態(tài)下有效控制在安全范圍內，防止事故進(jìn)一步擴大，站場(chǎng)ESD控制的重點(diǎn)是在緊急狀態(tài)下實(shí)現站場(chǎng)關(guān)斷，隔離站場(chǎng)與管線(xiàn)的連通，站場(chǎng)關(guān)閉后放空站內天然氣。 ESD命令不受站場(chǎng)控制模式限制， ESD進(jìn)程遇阻后保持激活狀態(tài)，ESD執行完成后應人工本地復位。站場(chǎng)ESD控制如圖 9所示。

圖 9  站場(chǎng)緊急控制功能

（3）在站場(chǎng)自動(dòng)邏輯控制的基礎上，實(shí)現調控中心遠程目標控制。站場(chǎng)過(guò)程控制的重點(diǎn)是實(shí)現站場(chǎng)工藝系統的自動(dòng)邏輯控制及調控中心的宏觀(guān)目標控制，而不僅僅是遠程操作控制。過(guò)程控制要求所有切換控制實(shí)現無(wú)擾切換，自動(dòng)切換執行優(yōu)先級控制，設置合理的切換閾值及觸發(fā)延時(shí)和超時(shí)報警，所有切換控制參數采用基本測量參數。過(guò)程控制進(jìn)程遇阻后自動(dòng)中斷進(jìn)程，過(guò)程控制執行完成后程序自動(dòng)復位。過(guò)程控制命令受站場(chǎng)控制模式權限限制，中心與站場(chǎng)命令應互鎖。

4 結束語(yǔ)

推行無(wú)人值守站建設不僅是技術(shù)問(wèn)題，還受制于管理理念、標準化設計水平、設備可靠性和社會(huì )環(huán)境等因素。通過(guò)建立明確的運行控制目標，在管道全生命周期范圍內推行統一的運行管理和設計理念，引入專(zhuān)業(yè)的風(fēng)險評估分析手段和專(zhuān)業(yè)化審查制度，提高管道的設計水平、降低管道運行風(fēng)險；提高現場(chǎng)人員職業(yè)技能水平，在站場(chǎng)全自動(dòng)邏輯控制的基礎上實(shí)施管道調控中心遠程目標控制，逐步擴大無(wú)人值守站應用范圍。

作者：李國海，北京天然氣管道有限公司生產(chǎn)運行處副處長(cháng)，大學(xué)本科，高級工程師。

《管道保護》2018年第5期（總第42期）