基于数字孪生的智慧油气站场设计与开发

随着中国油气站场建设规模不断扩大,生产运行及安全管理的要求日益严苛,但目前管道及站场实体可视化应用及综合展示非常匮乏,无法以三维场景查看站场内各区域分布及运行数据,尚未建立与实际情况高度一致的设施设备模型。为此,提出了基于数字孪生的智慧油气站场系统化解决方案：在数字孪生理论的基础上,以ArcGIS系统为基础平台,运用3Ds Max软件建立等比例、高精度的站场模型,搭建真实映射物理站场的数字孪生站场,辅以先进传感、大数据分析及人机交互技术,形成智慧化的输油气站场信息物理系统。以陕西某压气站为例进行了系统设计与开发示范,结果表明：该系统能够实现站场全要素的三维展示、站场状态的实时监测、站场管理的统筹决策,有利于全方位提升站场安全生产的宏观监管、重点监管、精准监管水平。（图3,参22）     

管道数字孪生体模型的构建及应用

根据智慧管网的概念和管道企业现状,提出数字孪生是实现智慧管网的基本方法和理论依据。基于数字孪生理论和数字孪生五维模型,构建了包含实体管道、虚拟管道、管道服务系统、管道孪生数据的管道数字孪生体模型,阐述了模型内涵、各元素之间关系、运行机制以及云计算、大数据、人工智能、物联网等关键技术的具体应用,重点分析了实体管道与虚拟管道之间的交互和融合,并探讨了管道数字孪生体模型在管道设计、施工、运行、维修等场景中的作用。在管道的全生命周期中应用管道数字孪生体,通过数据共享、信息可视化、智能分析等手段,优化了资源配置,增强了安全预警水平,提升了决策能力,为管道行业向信息化、智能化转型提供了支持。(图1,参33)     

数字孪生体及其在智慧管网应用的可行性

伴随着工业4.0时代的来临,数字孪生体(Digital Twin)概念蓬勃发展,在航空航天、汽车制造、军事、能源等行业中逐步得到应用,为其在管道行业的应用发展起到良好示范。介绍了数字孪生体的内涵和发展演化过程,分析了数字孪生体在产品设计、飞机故障预测、汽车制造、电厂发电机组智能健康管理、复杂产品装配等行业的应用案例,并从管道设计、调度优化、管道设备运行维护、管道全生命周期管理4个方面分析数字孪生体在油气管道中的应用前景。数字孪生体为真实管道系统与虚拟管道系统的信息交互及融合提供了新的技术手段,可以实现虚拟管道的仿真优化,有利于促进智慧管网建设。     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

基于增强现实的管网安全评价数字孪生方法

数字孪生技术被广泛认为是解决信息物理交互融合难题的关键技术,而增强现实技术作为辅助数字孪生虚实交互的有效手段之一,为融合人、管道数字孪生体以及现场环境提供了解决途径。集成数字孪生、增强现实、分布式光纤监测等技术,构建地下管网结构安全评价数字孪生框架,并详细阐述了物理管网、虚拟管网、基于增强现实的数字孪生服务的构建理论,并将该理论及方法应用于某地下管网。结果表明：数字孪生与增强现实融合驱动的地下管网结构安全评价方法实现了虚拟管网与物理管网在现场环境中的一一映射关联,通过数字孪生技术进行管道结构状态的实时定量评价,帮助现场人员更加全面地感知、理解甚至超越现实世界,可为提升现场即时处置能力提供技术支持。（图9,表1,参20）     

输油气站场智能巡检系统设计与实现

随着智能管道建设与区域化管理的推进,对输油气站场的智能化提出了更高要求。针对目前输油气站场以人工巡检为主,各监控系统相互独立的问题,设计了输油气站场智能巡检系统。通过三维建模技术,建立站场实景三维模型,将站场的视频实时监控画面拼接融合至三维模型,实现对站场全景的一张图管理。梳理站场巡检需求,开发视频智能识别算法,实现对站场不安全事件的智能识别;设置巡检路线制定、历史视频回溯等模块,实现对站场全景的自动巡检。将该系统应用于中俄东线天然气管道工程黑河首站,测试效果表明:该系统可根据巡检路线自动巡检,对典型威胁事件智能识别并报警,其应用提升了站场的智能化水平,为智能管道建设提供了技术支持。     

油气站场完整性管理技术思路

基于对管道系统相关的安全评价方法和资产完整性管理(AIM)技术的总结分析,指出AIM技术是开展油气站场完整性管理的技术基础.通过分析油气站场完整性管理的内涵和特征,提出了开展油气站场完整性管理的技术方法和基本体系框架的设想,其核心思想是在资产完整性管理技术系统集成的基础上,实施基于风险管理的以流程单元和设备关键部件为对象的深层次的完整性管理模式,开展与生产管理过程紧密结合的体系和平台建设,最终建立与管道完整性管理理念和方法相一致的油气站场完整性管理体系.     

在役管道数字化建设的数据与模型

基于数字管道的研究发展现状,提出了在役管道数字化建设的目标和理论体系,从数据经济性评价、数据分类和采集、数据管理以及模型数据分析几方面阐述了在役管道数字化建设的数据问题。根据管道数字化建设对数据的需求和数据采集的经济性评价,确定采集数据的类型和采集量,通过对数据进行有效管理和分析,实现数据的有效利用,完成数字管道的数据建库工作。结合国内外数字管道模型的研究现状对油气管道运行管理中的完整性管理、管道系统模拟、管道维护调度和管道事故应急救援4个模型进行探讨,旨在完善管道运营管理模型,增加采集数据的经济价值,最终实现油气管道管理的模型化、自动化和智能化。     

油气管道生产监控系统时钟同步方案

鉴于中国石油长输油气管道站场的生产监控系统时钟不同步问题,在分析和总结现有两类8种时钟同步技术及结合生产监控系统在役设备和系统架构基础上,利用NTP、GPS、北斗、modbus通信和CIP通信等技术,提出了SCADA系统、泄漏监测系统、视频监控系统、语音电话系统及第三方设备等生产监控系统需要授时设备的时钟同步方法及PLC数据时间标签插入方法。制定了调控中心、分控中心、输油气站场和阀室的授时方案,并利用该方案在漠河-大庆原油管道多个站场进行了示范应用,实现了中俄原油管道漠河-大庆段的生产监控系统时钟全线同步,并对PLC上传的数据插入时间标签,可重现真实的事件发生时序,为生产及事件分析提供保障。     

中外智慧管网发展现状与对策方案

智慧管网具有全面感知、自动预判、自适应、自反馈、自学习等特征优势,近年来得到迅速发展,国内外智慧管网的侧重点有所不同,国外侧重于使用现代模型方法升级传统技术方法,而国内侧重于智慧系统的规划和整体设计。目前中国智慧管网建设仍处于起步阶段,在数字孪生体构建、传感技术、精准检测和评价、决策支持、模型构建、信息共享、大数据深度挖掘等方面缺乏系统性、规划性、科学性,基础模型和智能决策不足。阐述了智慧管网在国家管网多条管道上的开发与应用,逐步实现了设计、施工、运行等多环节覆盖。针对存在的问题,提出了解决方案:管网智能巡护,智慧管网的人工智能,视频实时监控智能识别,管道智能化应急防范,构建基于多源数据的智能化管理平台,灾害一体化智能监测与预警,管道完整性大数据融合、建模、决策支持等。建议进一步采用物联网、云平台、区块链等技术,研究建立管道全生命周期数据标准,构建管道全生命周期数据库,开展智能管网平台设计,包括管道全生命周期资产管控、运行控制、决策支持,最终形成基于多源数据融合的智能一体化管理平台。     

石油天然气管网资产完整性管理思考与对策

随着中国油气管网规模不断扩大,对其安全可靠运行的要求显著提高,与此同时,偶有发生的管道事故及其带来的严重后果,使得管道企业肩负前所未有的安全环保压力。通过系统分析国内外管道资产完整性管理现状,指出当前中国管道资产完整性管理面临的挑战。借鉴国外管道资产管理先进经验,结合中国管道完整性管理已有成果及技术基础,提出了构建油气管网资产完整性管理的举措,包括开展关键技术攻关,搭建科学、先进的管理体系,建立适应油气管网资产安全高效运行的数字化、智能化完整性管理模式等,指出了今后发展趋势与研究方向。     

中缅油气管道贵州段沿线滑坡变形特征及成因

中缅油气管道贵州段沿线地势起伏大、地貌形态复杂多样，复杂地质条件下发育了多种地质灾害，其中滑坡灾害对油气管道的安全危害极大。基于中缅油气管道贵州段沿线自然地理、地质环境、区域构造地貌以及降雨特征，对管道途经区域的滑坡变形及其成因进行了剖析，并对沿线低地层倾角典型坡体的演化过程进行了物理模拟。研究结果表明：中缅油气管道贵州段沿线发育的滑坡类别主要为土质滑坡与顺层岩质滑坡，地貌倾角变化较大，人类工程活动、强降雨作用等是触发滑坡事故的主要诱因；低地层倾角的坡体变形演化模式以蠕滑-拉裂与蠕滑-拉裂-崩塌模式为主。加强管道沿线的滑坡监测与预警，可为中缅油气管道贵州段的安全平稳运行提供重要的地质信息。（图12，表3，参29）     

全寿命周期成本分析在站场设备采购中的应用

油气管道站场设备运行寿命长,运行维护费用比购置费用高,现行采购方式难以全面考虑站场设备全寿命周期内的总费用。基于全寿命周期成本（LCC）分析的设备采购方式,考虑了设备从采购、安装、运行、维修、改造直至报废的全寿命周期内的总费用。在站场设备采购中采用LCC分析,可有效减少设备LCC,降低管道建设和运行成本。介绍了全寿命周期设备管理的概念及基于LCC分析的设备采购流程,提出各环节的注意事项。以燃驱压缩机组为例,对站场设备的LCC组成进行分析,说明了影响LCC估算的关键因素。为科学进行基于LCC分析的设备采购,应推行设备的全寿命周期管理,建立设备运行管理信息系统,选择合理运行维护机制,逐步完善设备LCC模型。     

油气管道站场生产设备使用寿命研究

提出自然寿命、经济寿命、技术寿命是衡量油气管道站场设备使用寿命的三个指标.介绍了确定站场设备经济寿命的两种计算方法,最小平均费用法是通过年均运行维护费和年均折旧费来计算年均使用成本;低劣化数值法从年低劣化数值入手,考虑了设备占用资金的年利息等因素.采用不同方法,举例计算了设备的最佳更新期.     

工业互联网赋能的油气储运设备智能运维技术

随着信息技术与油气工业的深度融合，以及大数据、云计算、人工智能等先进信息技术的发展，基于工业互联网的油气储运设备智能运维成为发展趋势。为应对油气储运行业数字化转型和安全生产的迫切需要，通过总结油气储运设备智能运维现状，提出基于工业互联网的油气储运设备智能运维技术架构，梳理了在该架构下的智能运维关键技术，包括多源信息融合监测评估、自适应精确诊断、运维风险预测评估、智能运维决策及可视化智能运维系统开发。分析了基于工业互联网的油气储运设备智能运维在设备状态监测与健康管理、设备性能测评与能耗管理、设备设施风险评价、智能巡检与作业风险管控4个方面的典型应用，探讨了数字孪生、工业互联网、大数据、人工智能与设备运维结合的技术发展趋势，以期为油气储运设备智能运维技术发展提供参考。（图4，表1，参21）     

中俄油气管道运行标准差异分析

为保障中俄原油管道安全运行,全面梳理了俄罗斯油气管道运行标准。从管道试压及原油、成品油、天然气管道运行技术4个方面,深入研究了中国和俄罗斯管道运行标准的差异。系统阐述了俄罗斯标准的先进性,包括管道投产延迟条件下重新试压、运行管道强制性试压和周期性试压、清管作业、输油站紧急停输准则、混油控制切割和掺混、压缩机异常条件操作程序和辅助设备检验等。建议借鉴俄罗斯标准对我国油气管道运行标准进行修订。（表1,参1）     

油气管道SCADA系统高可靠冗余网络设计与实现

目前对SCADA系统的研究多集中于工程应用、软件架构设计、通信协议的数据传输和处理,对大型油气管道SCADA系统网络的研究与应用涉及较少,研究成果无法满足生产调度对业务数据网络传输的高质量、高可靠冗余要求。为此,设计了一种适用于大型SCADA系统的高可靠冗余网络架构,其设计思想是分层的架构设计、各层设备冗余及各设备之间链路冗余。根据PVST+生成树、HSRP、EIGRP、BGP、路由映射表等协议的算法特点,在各层网络组合中使用上述协议,从而确保了油气管道生产业务数据网络传输连续不中断,实现了站场与调度控制中心之间的生产数据可以根据链路情况自动选择最佳路径进行传输,满足了油气管道调度运行对业务数据网络传输的要求。(图1,参20)     

中缅原油管道智能化运行辅助决策系统建设方案

管道智能化运行是智慧管网系统的核心业务,辅助决策系统则是支撑管道智能化运行的中枢。基于原中国石油管道有限责任公司智慧管网的顶层设计和总体框架,以中缅原油管道为对象,针对其地形起伏大、地质条件复杂、周边环境敏感等特点,开展智能化运行建设方案试点。通过分析原中国石油管道有限责任公司与国外油气管道的智能化建设框架及实践成果,在物联共享系统、数字化恢复、云数据中心建设的基础上,提出了建设由运行管控、安全管控、全生命周期完整性管理3个方面构成的辅助决策系统方案;对建设难点进行分析,探讨统筹规划、分步实施的技术路线,从而实现管道运行管控实时自主优化、安全预测预警可控、全生命周期完整性管理高度智能等智能化运行内涵目标。     

基于ArcGISEngine的三维长输管道信息系统构建

根据油气长输管道数字化管理的需要,以拓普康高精度RTK测量系统测得的管道沿线数据为基础,采用VisualStudio2008作为系统开发工具,使用面向对象的程序设计语言C#作为开发语言,结合ArcGISEngine二次开发组件,以FileGeoDatabase及sQLServer2005数据库分布存储系统数据,设计并实现了三维长输管道信息系统。将该系统应用于东北地区某长输管道,结果表明：其可实现二三维联动显示场景、地图图层管理、管道信息查询、管道数据维护、地图输出等功能,从而为长输管道的运行管理提供决策支持。     

长距离油气管道生产自动化数据模型

为了实现长距离油气管道生产自动化数据的统一接入、处理、存储及访问,使数据达到有效利用,参考国际管道开放数据标准(Pipeline Open Data Standard,PODS)和Arc GIS管道数据模型(Arc GIS Pipeline Data Model,APDM),结合电力行业系列国际标准IEC 61970和IEC 61850,建立了面向对象的油气管道生产自动化数据模型(Pipeline Automatic Data Model,PADM)。该模型由标准管道生产自动化数据模型数据结构(PADM Data Structure,PDS)和管道生产自动化数据模型组件接口规范(PADM Interface Specification,PIS)两部分组成,系统介绍了该模型的建模方法、建模原则以及各组成部分的模型架构等。利用该模型设计创建了物理数据库,并导入中国石油西部管道公司鄯兰原油管道、乌兰成品油管道、阿独原油管道所有站场的生产自动化数据,进行模型正确性和完备性验证。结果表明:该模型能够正确且完整地存储接入管道站场的所有生产自动化数据,并针对其他同类型的管道站场具有扩展性。该数据模型能够满足长距离油气管道生产自动化各业务领域应用之间的互操作性,提高了信息传递的效率。