李國海 董秀娟

中石油北京天然氣管道有限公司

摘 要： 通過對天然氣管道安全運營、站場事故后果、人員不確定性等因素分析，論證了天然氣管道無人值守站建設(shè)的必要性。對比國內(nèi)外天然氣管道運行差異，結(jié)合實際案例，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”的全生命周期活動準則，從國情出發(fā)提出了“有人值守、無人操作、遠程控制”站場運行操作思路。通過站場優(yōu)化分析，完善站場操作替代手段，降低站場對現(xiàn)場人員的操作依賴，提高調(diào)控中心對管網(wǎng)運行、控制、調(diào)度的工作力度和效率。

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

隨著國內(nèi)天然氣管線快速發(fā)展及管網(wǎng)的形成，天然氣管道安全運行效率問題日益突出。如何通過強化站場的自動邏輯控制功能，提高調(diào)控中心對整條管道、甚至整個管網(wǎng)的管控效果，降低操作人員在危險環(huán)境內(nèi)活動風險和人因失誤風險,成為管道運營商不斷追求的目標。

1 必要性分析

1.1 國內(nèi)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(xiàn)場運行管理模式相比，國內(nèi)仍存在較大差距（圖 1～4）。

圖 1  國外無人值守壓氣站

圖 2  國外無人值守計量站

圖 3  國內(nèi)有人值守壓氣站

圖 4  國內(nèi)有人值守計量站

國內(nèi)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(nèi)管道雖設(shè)有SCADA系統(tǒng)控制站場運行，但仍以人工操作為主，站內(nèi)需長期駐守運行人員。而現(xiàn)行標準規(guī)定了站內(nèi)電氣防爆距離、防火間距，卻沒有明確的、可接受的安全距離要求。當站場發(fā)生嚴重事故時，不可避免造成嚴重后果，甚至危及站內(nèi)人員生命安全。所以在最大限度保證人員安全的同時，還應減少人的行為對管道運行安全的影響。例如合理劃分站場安全區(qū)域、減少在危險區(qū)域內(nèi)的人員活動、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，某天然氣站因進站管線絕緣接頭斷裂，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完全燒毀。現(xiàn)場噴射火持續(xù)時間約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 過火后的天然氣站場

針對本次事故開展了QRA符合性評估，分析結(jié)論如下。

（1）應用三維CFD軟件模擬天然氣站場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(jié)果與現(xiàn)場事故勘察和過火痕跡，呈現(xiàn)較好的一致性。

圖6 天然氣站場泄漏導致的噴射火火災影響分析圖

（2） QRA分析結(jié)果給出的危險區(qū)域劃分，對確定天然氣站場社會及站內(nèi)安全距離有重要價值(圖 7)。

圖7 社會風險F-N曲線

圖 7中，上條線（1.0E-03）為風險可接受標準的上限，下條線（1.0E-05）為風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，其對應風險可接受標準的下限，人在該距離的逃生時間約20 s（表 2）。

站場選址、布局、間距和設(shè)備方位都應首先確保站場周圍社會人員和站內(nèi)人員的安全。在提高管道系統(tǒng)本質(zhì)安全的基礎(chǔ)上，通過有效的操作替代手段實現(xiàn)站場的自動運行、診斷、巡檢及防護，提高系統(tǒng)安全運行可靠性。目的是要限制在風險不可接受區(qū)域內(nèi)的人員活動、減少在風險合理降低區(qū)域內(nèi)的長期人員活動，降低人員傷亡幾率。

1.4 人員風險分析

通過對人為失誤的表象進行分析，結(jié)合國內(nèi)外管道系統(tǒng)事故分析結(jié)果，并參考美國化工過程安全中心（CCPS）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得出人為失誤是管道失效的重要原因。

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

人具有較大的可塑性和不確定性，隨著環(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的操作失誤會給管道安全運行帶來災難性的后果，具體如圖 8所示。

圖 8  人員失誤分析

1.5 小結(jié)

通過如上分析，迫切需要提升現(xiàn)有的運行管理模式和理念，提高調(diào)控中心對管網(wǎng)的管控效果和管道系統(tǒng)安全運行效率，降低操作人員在危險環(huán)境內(nèi)的活動風險和操作風險，加快無人值守站的推廣建設(shè)勢在必行。

2 無人值守站建設(shè)探索

2.1 明確統(tǒng)一的控制理念

控制理念是方向，是管道建設(shè)發(fā)展的原動力。

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

反觀國內(nèi)管道設(shè)計缺乏明確的運行控制目標，受管理理念、設(shè)計能力和專業(yè)間的不協(xié)調(diào)性制約，管道設(shè)計水平參差不齊。

因此，有必要建立符合管道運營商需求的管道運行控制原則，在管道設(shè)計、建設(shè)、運行、維護等全生命周期各階段活動都應遵循可廣泛接受的、標準化的、統(tǒng)一的標準，本著“以人為本”的原則，按照“安全、可靠/有效、效率”的順序執(zhí)行。借鑒國外“無人值守、遠程控制”運行控制模式，結(jié)合我國國情宜采用“有人值守、無人操作、遠程控制”的模式，站場僅需要少量的看護、維護人員。在保證站場安全運行的前提下，以站自動邏輯控制為基礎(chǔ)，實現(xiàn)管線的調(diào)控中心遠程目標控制。

2.2 統(tǒng)一建設(shè)標準

高水平建設(shè)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(shè)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(shè)計、工程建設(shè)方均應執(zhí)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(xiàn)場人員操作是站場無人值守的基本條件，也是智能管道運行的基礎(chǔ)。應主要解決以下三個方面的問題。

（1）站場運行工藝控制、流程及設(shè)備操作問題采用SCADA系統(tǒng)控制管道運行，通過實現(xiàn)站場自動邏輯控制，使天然氣管道站場按照調(diào)控中心的遠程控制指令運行，自動完成預設(shè)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）站場運行環(huán)境綜合監(jiān)測、報警及巡檢問題根據(jù)當?shù)厣鐣�治安環(huán)境建立站場智能安全防護系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)站場智能監(jiān)護。通過站場的綜合運行環(huán)境監(jiān)測、巡檢及報警，實現(xiàn)全天候站場巡檢、監(jiān)測、人員識別等的報警和記錄，減少人工巡檢頻次，進而減少危險區(qū)域內(nèi)人員活動時長。

（3）站場設(shè)備、系統(tǒng)的遠程診斷及維護問題通過遠程診斷維護系統(tǒng)對現(xiàn)場智能設(shè)備提供遠程診斷、設(shè)備故障報警記錄、故障處理和維護。實現(xiàn)現(xiàn)場壓縮機組、智能儀表和控制系統(tǒng)的巡檢、診斷和維護，為智能設(shè)備健康評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。降低站場智能設(shè)備的運行失效風險，提高預知維護水平。

2.4 優(yōu)化和簡化站場設(shè)計

通過對現(xiàn)有各類站場模式的對比（表 3），可以看出，無人值守站場用房用地均可得到簡化，逐漸打破專業(yè)分工，電氣、自控、通信、陰保、暖通等設(shè)備可綜合設(shè)計與安裝。

2.5 優(yōu)化站場工藝設(shè)計

從提高站場可控性、可靠性、可操作性及保護功能方面考慮，站場無人值守需依托調(diào)控中心遠程控制，而調(diào)控中心遠程控制的基礎(chǔ)是站場自動邏輯控制。為提高自動控制的有效性，首先應從站場工藝系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化入手，針對計量分輸站通常可從下面幾點考慮。

（1）站場主流程等壓設(shè)計，減少壓力分界點，優(yōu)化保護控制。

（2）提高用戶供氣壓力，優(yōu)化加熱、壓力監(jiān)控系統(tǒng)流程和配置。

（3）合理配置執(zhí)行機構(gòu)，滿足邏輯控制和保護控制需求。

（4）優(yōu)化工藝流程設(shè)計，合理選擇口徑，減少公共部分回路數(shù)量。

（5）簡化輔助系統(tǒng)設(shè)計。

例如：站場大口徑球閥開啟時，通常要求前后壓差不超過0.2～0.5 MPa，避免在高壓差狀態(tài)下開啟造成閥門密封損壞，延長閥門的使用壽命。在設(shè)計時應對站場自動控制邏輯進行分析，找出存在自動開啟時存在大壓差的閥門，通過設(shè)計電動旁通閥和壓差檢測，增加自動平衡壓力閥組控制邏輯，確保自動啟動大口徑球閥功能實現(xiàn)。

2.6 推廣科學評估手段和專業(yè)化的設(shè)計審查

在項目實施過程中，以現(xiàn)行標準、規(guī)范為基礎(chǔ)，適時開展科學的評估分析，如： QRA、 HAZOP、SIL、安裝應力分析等。并根據(jù)分析結(jié)果指導項目設(shè)計和實施，用數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗。

目前國內(nèi)的設(shè)計審查通常采用專家會審模式，存在審查深度不足、不同階段專家意見相左、審查意見受專家個人經(jīng)驗影響等弊端。可考慮參考國外項目設(shè)計審查方式，委托有能力的專業(yè)機構(gòu)按照管道運營商關(guān)于管道建設(shè)、運行控制目標及要求對設(shè)計文件進行專業(yè)化的審查，主要包括不同階段的設(shè)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(yǎng)

人的因素是實現(xiàn)無人值守站場建設(shè)的關(guān)鍵。提高人員技能，降低事故發(fā)生概率，結(jié)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(yǎng)。

（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(yǎng)。

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

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

（4）建立科學、有效的評估考核體制，提高人員工作積極性。

2.8 小結(jié)

無人值守站由調(diào)控中心負責管道的運行、控制，優(yōu)化站場設(shè)計和現(xiàn)場運行維護人員配置，現(xiàn)場屬地人員生活依托社會，提高站場運行安全性，減少站場征地面積和輔助設(shè)施，降低建設(shè)和運行成本約10%～30%。

3 站場自動控制功能分析

通過 SCADA系統(tǒng)至少實現(xiàn)管道運行參數(shù)監(jiān)視、站場運行過程控制、報警響應、應急控制、數(shù)據(jù)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）主要自動控制功能如表 4所示。

（2）為確保站場在應急狀態(tài)下有效控制在安全范圍內(nèi)，防止事故進一步擴大，站場ESD控制的重點是在緊急狀態(tài)下實現(xiàn)站場關(guān)斷，隔離站場與管線的連通，站場關(guān)閉后放空站內(nèi)天然氣。 ESD命令不受站場控制模式限制， ESD進程遇阻后保持激活狀態(tài)，ESD執(zhí)行完成后應人工本地復位。站場ESD控制如圖 9所示。

圖 9  站場緊急控制功能

（3）在站場自動邏輯控制的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)調(diào)控中心遠程目標控制。站場過程控制的重點是實現(xiàn)站場工藝系統(tǒng)的自動邏輯控制及調(diào)控中心的宏觀目標控制，而不僅僅是遠程操作控制。過程控制要求所有切換控制實現(xiàn)無擾切換，自動切換執(zhí)行優(yōu)先級控制，設(shè)置合理的切換閾值及觸發(fā)延時和超時報警，所有切換控制參數(shù)采用基本測量參數(shù)。過程控制進程遇阻后自動中斷進程，過程控制執(zhí)行完成后程序自動復位。過程控制命令受站場控制模式權(quán)限限制，中心與站場命令應互鎖。

4 結(jié)束語

推行無人值守站建設(shè)不僅是技術(shù)問題，還受制于管理理念、標準化設(shè)計水平、設(shè)備可靠性和社會環(huán)境等因素。通過建立明確的運行控制目標，在管道全生命周期范圍內(nèi)推行統(tǒng)一的運行管理和設(shè)計理念，引入專業(yè)的風險評估分析手段和專業(yè)化審查制度，提高管道的設(shè)計水平、降低管道運行風險；提高現(xiàn)場人員職業(yè)技能水平，在站場全自動邏輯控制的基礎(chǔ)上實施管道調(diào)控中心遠程目標控制，逐步擴大無人值守站應用范圍。

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，大學本科，高級工程師。

《管道保護》2018年第5期（總第42期）