西气东输智慧管网建设实践

西气东输中 卫枢纽站

摘要： 随着大数据、物联网、云计算、人工智能等智能技术的不断发展及应用,管道行业由传统管理模式逐步向数字化、智能化发展。国家管网集团西气东输公司坚持以"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"为目标,聚焦智慧管网,经过管理创新与技术革新,建立了人工智能与管道行业深度融合的新模式:在已有管道运营体系的基础上,引入工业互联网、机器学习、智能控制等技术,形成了站场智能巡检、分输智能控制、流量计智能检定等核心技术,推动了天然气管道站场智能运行 技术的发展;大力发展天然气管道关键设备全面智能感知技术,开展了天然气泄漏检测、站场运维巡检智能化管控、压缩机组与流量计智能监测等核心技术创新;构建管道风险智能管控技术体系,推进了管道线路风险智能识别、光纤安全预警、管道智能防腐等核心技术的提档升级。在此基础上,国家管网集团西气东输公司高效推进智能管道运行效率再升级,构建了"全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化"的智能管网雏形,为中国油气管道的智慧化发展提供了重要借鉴。

关键词： 智慧管网; 集中监视; 全面感知; 预测预警;

目前，以移动互联网、云计算、大数据等为特征的第三代信息技术快速发展，网络互联趋向移动化、泛在化，信息处理趋向集中化、大数据化，信息服务则趋向智能化、个性化。国务院于 2017 年 8 月印发的《新一代人工智能发展规划》指出 “ 到 2025 年，中国人工智能技术与应用部分将达到世界领先水平；到 2030 年，人工智能理论与技术将总体达到世界领先水平 ” 。在国家发改委颁布的《能源发展 “ 十三 · 五 ” 规划》及《中长期油气管网规划》等战略性文件中，指出将物联网、人工智能以及大数据等前沿技术融入能源基础设施，推动大数据管理平台与系统智能化运行是未来重要的发展方向 ^{[ 1 , 2 ]} ，智能电网、智慧能源等新概念应运而生 ^{[ 3 , 4 ]} 。经过数十年的发展，国内外油气管道的信息化、数字化已趋于成熟，管道行业的运营体系亟需向更高层次转型升级。在借鉴智能电网、智慧能源等建设成果的基础上，国内外管道企业在人工智能与管道行业的融合道路方面进行了大量有益探索。在国外，意大利 SNAM 公司采用的管道全生命周期大数据平台具有一定代表性，该平台通过耦合管道仿真与实时数据，能够实现对管道运行风险的动态监测与预警 ^{[ 5 ]} ；英国 BP 公司在生产数据中心的基础上耦合无人机等智能终端设备，构建了油气管道实时风险监测平台，极大地推进了管道的智能化发展 ^{[ 6 ]} 。在中国，国家管网集团西气东输公司（简称西气东输公司）于 2004 年建成了冀宁联络线管道，其为中国首条数字化管道：通过对设备设施、沿线自然与人文环境等多方面信息的集成，建立了西气东输公司 “ 数字管道 ” 雏形，初步实现了长输天然气管道生产信息的动态管理 ^{[ 7 ]} 。在西气东输二线建设过程中，已将数字化技术应用于线路勘查、管道设计、工程施工等多个关键环节 ^{[ 8 ]} 。但数字化管道距离智能化、智慧化仍存在较大差距，主要体现在两个方面：在管道管理与政策执行过程中，仍需投入大量人力，管道自动化、信息化的优势挖掘不足；在分析与决策过程中，仍主要依靠人的经验，海量信息与数据的利用率较低。这在一定程度上导致员工劳动效率难以进一步提高，精细化、科学化管理难以深入推进 ^{[ 9 , 10 ]} 。

针对上述难题，西气东输公司多年来在管道智慧化及相关技术领域持续攻关，将数字化作为转变发展方式的重要驱动力，在生产运行、管道管理方面持续探索。目前，已开展站场智能运行体系、管道智能防控体系研究与实践，初步形成了涵盖站场智能运行、设备全面感知、管道风险智能管控等关键技术的技术体系，为管道安全平稳高效运行提供了有力保障。

1 站场智能运行

西气东输公司所辖管网具有多气源、多用户、用户需求种类多的特点，供气保障难度高，站场管控压力大。为了降低站场运行风险，提高管网运营效率，西气东输公司基于建设期和运行期数据，利用 SCADA 系统自动控制和巡检系统自动感知的能力，形成集中巡检、集中监视的高效管控模式，实现站场分输远程自动控制，创新性地开展智能巡检、压气站一键启停、流量计智能检定等工作，推动输气管道站场管理智能化转型，使站场运营管控效率显著提升。

1.1 站场集中巡检与监视管控

为了不断提高劳动效率，西气东输公司在提高设备设施运行可靠性的基础上，创新性地实施集中巡检、集中监视措施。

集中巡检旨在优化巡检质量与巡检次数，其核心在于两个方面： (1) 联合巡检，即由站场负责人组织在岗人员，按照规定的巡检要求，对所属站场的生产运行、工艺状态、设备设施状况进行全面检查，并开展维护维修工作； (2) 重点巡检，即由值班人员对重要运行参数、关键输气设备、重点区域按照相关巡检要求进行重点检查，提高巡检质量，强化站场设备设施维护保养，提高设备设施本质安全水平 ^{[ 8 ]} 。

集中监视是指采集站场关键工艺设备的报警数据，并上传至上海生产调度中心，以上海生产调度中心为主、站场为辅，对设备设施异常状态进行监视。西气东输公司研发了 10 类集中监视系统，包括火气系统、管道保护系统、安防系统、紧急停站 ESD 、工艺系统、计量系统、电气系统、自动化系统、通信系统及阀室报警系统。站场采集各系统报警点数据并上传至上海中心系统，上海生产调度中心收到数据后，按照西北、华东及中南 3 个调度台分区管理，采用每天 24 h 值班模式，对站场设备设施的异常状态进行远程集中监视、集中管理、快速响应。该措施改变了中国管道行业 40 年来站场每天 24 h 人工值班的传统模式，解放了基层员工，提高了劳动效率。目前，西气东输公司已有 163 座站场实行集中监视管理模式，节省了站场操作员大量精力，有助于操作员更加高效地投入维护维修、岗位练兵工作中，稳步提升了员工风险辨识、风险管控、应急处置 3 种能力。该措施使站场工作重心由运行监视转变到设备设施维修维护上，使设备设施故障、误操作日均报警率低至 0.01% ，关键设备完好率达到 99.79% 。

1.2 分输智能控制

输气站场分输支路一般利用调节阀进行压力 / 流量控制。但由于各站场建设时期不同，自控要求存在差异，对分输用户的流量控制要求不明确，导致部分输气用户的分输支路未设置流量调节设备或流量调节设备不能满足精确调节的要求。随着天然气分输站场逐年增多、用气规模逐年增大，对天然气分输精度提出了更高要求。为了实现对各管道分输用户日指定操作的严格控制，将天然气智能分输研究提上日程 ^{[ 11 ]} 。

通过持续优化，西气东输公司改造了分输站场的 SCADA 系统程序，实现了站场用户分输控制由人工主导向智能控制的转变。采用恒压控制法、剩余流量平均法、日不平均系数法及到量关阀 4 种模式，自主完成 413 条分输支路、 15 种控制功能的升级改造，不断提升控制模块的自适应性、高匹配性，推动分输全过程无人介入、无人干预，自动执行启 / 停输、启 / 停站、计量 / 调压系统故障切换等关键操作，实现分输远程控制、一键启停、故障切换、自动分输，在提高站场运行可靠性、稳定性的同时，大大减少了操作人员的工作量 ^{[ 12 ]} 。

1.3 压气站“一键启停”

一键启停技术是将压气站的分散控制整合为集中控制，将站场启、停操作升级为全自动控制，通过压气站工艺设备及压缩机工艺流程全自动化控制改造、控制系统配置优化、站控与压缩机控制系统深度融合、压缩机辅助系统整合等优化措施，实现以下功能：压气站压缩机组及辅助设备一键启停，工艺流程一键导通，转速、负荷一键设定，运行 / 停止、冷备 / 热备机组一键切换以及机组一键并退提示。

为了使压气站复杂工艺的操作简单化，减少人为干预造成的误操作，提高压气站的安全水平，西气东输公司对中卫、高陵 2 座已建压气站进行一键启停功能改造，是中国首次对进口燃驱压缩机组进行试点改造。以高陵压气站为例，通过对压缩机控制系统增加机组热备控制、压力设定值梯度设定、禁止加载控制、维持并网控制、自动并退网控制、站控系统转速控制，实现了压缩机控制系统功能优化。通过站控系统与压缩机控制系统控制器的通讯，将压缩机全部数据上传至站控系统，实现站控系统对压缩机控制系统的全面监视，主要包括报警监测、数据查看、启停机过程监测等。通过判断各机组输出功率、平均负荷、平均裕度等关键数据，提示运行人员需要增启或减停机组，实现智能增减机组功能试运行。通过部署可视化平台，搭建本地数据库，将压缩机组、生产动态、运维巡检、一键启停等相关数据进行集中展示 ^{[ 13 ]} 。

1.4 流量计智能检定

为了提高天然气流量计检定作业的安全性、质量水平以及检定效率，西气东输公司提出 2 种仿真方法与 1 种三层结构智能控制器技术，建立了一套智能检定系统。智能控制器作为智能检定系统的核心，打破了传统检定过程工控与数据处理系统之间的通讯障碍，将多系统数据与指令融合互联、实时交互，实现了与检定相关设备的全智能控制。同时，智能控制器作为智能检定系统的决策中心，通过建立检定工艺输入、输出参数的复杂智能控制器模型，运用神经元网络、专家经验等多种方法，可以给出智能精准控制决策。

西气东输公司流量计智能检定控制器由 1 个界面、 2 套模型、 3 个控制阶段组成。

(1)1 个界面是指系统集成现场流程判断、工况分析、阀门动作及调节方案的计算分析，整个系统仅用一个简单界面作为人机交互接口。该界面主要用于启动控制和紧急制动，其他操作全部由系统自动完成。

(2)2 套模型是指智能检定系统内部包括 2 套模型：一是工艺仿真水力机理模型，主要用于现场工艺系统流动形态的全面预测；另一个则是系统动态控制机理模型，依据工艺流程、流量计口径、目标流量点、进出站压力参数，通过多种智能算法计算调节阀门开度组合方案，与水力机理模型配合开展策略验证。

(3)3 个控制阶段是为实现流量的精确控制，采用 4 路调节阀的开度组合，完成从 7 ～ 15 000 m ³ /h 流量调节的控制方案。控制方案由 3 个阶段组成： (1) 准备阶段，主要完成当前流量点所需站场工艺的自动导通； (2) 初步调节阶段，即从起始状态将系统流量快速调节至被检流量点附近； (3) 精确调节阶段，根据流量偏差，通过调整 4 路调节阀的最优动作，将实际流量调节至被检流量点 5% 偏差之内。

目前，该智能检定系统已在南京计量测试中心广州分站成功应用，与人工检定方式相比，智能检定系统节约了大量的劳动力，提高了检定精度（表 1 ）。

表 1 天然气流量计人工检定与智能检定方式对比

1.5 巡检智慧化及票卡电子化

西气东输公司管网已实现智能化巡检及电子化票卡系统的站场全覆盖、作业类型基本全覆盖 ^{[ 14 ]} 。日常巡检实现轨迹化、电子化、智能化，智能巡检系统中同时嵌入一票两卡，实现岗位作业标准化、电子化；通过数据分析智能统计，确保日常巡检及时到位，问题隐患精准发现、维护作业精准推送。此外，西气东输公司的智能化巡检及电子化票卡系统引入物联网技术，应用防爆 PAD 、人员卡及 WIFI 无线基站，对站场、管道、阀室等高风险作业区域进行许可管理，不仅将纸质的作业票电子化，还将作业全过程管理信息化，从风险评估、作业申请、作业审批、作业实施、作业关闭 5 个环节实现对现场作业的全流程精细化管控。

2 站场风险全面感知

西气东输公司以站场设备设施本质安全、风险智能管控为目标，针对站场天然气泄漏等主要风险，结合压缩机组、计量设备、空压机等关键设备的健康管理，持续开展泄漏监测，引进智能巡检机器人提升巡检质量 ^{[ 15 ]} ，站场运行风险显著降低；大力研发设备故障在线诊断技术应用，关键设备设施故障预警能力持续提升 ^{[ 16 ]} 。

2.1 站场泄漏全面监测

多年来，天然气站场露天工艺区泄漏检测是站场风险管控的技术难题之一。尽管 GB 50183—2004 《石油天然气工程设计防火规范》明确规定 “ 露天工艺区可不设置可燃气体检测装置 ” ，但在无人值守站场或站场的非巡检时段，始终存在对泄漏进行实时检测的需求。目前常用的固定点式、远程对射式可燃气体探测器存在设置成本高、易受露天环境影响的缺点，现场应用效果欠佳（表 2 ）。

针对传统的点式可燃气体探测器难以有效监测站场露天工艺区域天然气泄漏的难题，西气东输公司通过对比分析基于超声波检测原理与基于气体光谱吸收检测原理的两类技术在天然气站场的适用性，提出了综合运用超声波、激光技术的露天工艺区泄漏检测方案。其中，超声波探测器适用于站场中大型泄漏，其覆盖半径达 20 m 、压力为 4 MPa 、泄漏孔径为 2 mm 、泄漏量为 0.02 kg/s ；同时，激光检测类产品基于半导体激光器的光谱吸收技术，灵敏度较高。将激光探测器与防爆摄像机、云台相集成，研制适用于站场露天工艺区的泄漏检测设备，实现全面覆盖站场工艺区的微小气体泄漏检测。目前，西气东输公司已在 145 座站场安装 268 台超声波探测器、 24 台云台式激光可燃气体探测器，实现了对站场工艺区微量泄漏的实时检测监测。

表 2 天然气管道泄漏检测方式对比

2.2 站场智能综合巡检

为提高站场巡检工作效率，降低操作人员的劳动强度，使站场巡检更加智能化，西气东输公司在中卫站、海原站启动站场工艺区防爆、变电所智能巡检机器人的试点应用。通过整合机器人技术、非接触检测技术、多传感器融合技术、图像识别技术、导航定位技术以及无线通信技术等多个学科技术，主要实现了以下功能：气体泄漏定位定量检测，仪表、阀门识别记录，红外热成像检测，声波检测故障诊断功能，系统数据分析与报告生成。根据监测得到的温度、压力、湿度等数据信息，与 SCADA 平台数据进行分析比对，可及时发现工艺设备超温、泄漏等异常情况。采用智能巡检机器人代替巡检员到危险区域执行巡检任务，保障了巡检人员的人身安全，在此基础上，逐步搭建形成站场运维检巡智能化管控体系。

2.3 压缩机组智能监测与诊断

西气东输公司长期致力于压缩机组技术的创新与管理提升，通过持续技术攻关，先后建成了压缩机组在线分析诊断与视情维修系统和 i EM 智能管理系统。

西气东输公司压缩机组在线分析诊断及视情维修系统包括远程监视系统（ Remote Monitoring System,RMS ）、在线分析诊断及视情维修系统（ Compressor Equipment Health Management,CEHM ）。通过压缩机组远程监视系统，上海远程端与现场值班室机组的 HMI 保持完全一致，实时监视机组运行参数、报警事件等关键信息。技术人员可以进行远程数据分析，及时发现现场机组故障隐患，指导现场及时处理，提升了压缩机组的安全可靠性。在线分析诊断及视情维修系统的主要功能为：动态监测压缩机组健康状态，预测燃气轮机热端部件剩余使用寿命，实时预警压缩机组性能退化风险，指导现场开展各类维检修作业，为压缩机组的预防性维护维修提供精准依据。

i EM 智能管理系统针对压缩机组的海量数据，采用超球建模技术，通过数据挖掘技术建立压缩机组智能健康感知模型，生成设备健康状态量化评估综合指标，实时监视、分析、预测压缩机组的健康与安全状态，为压缩机组的优化运行、高效管理提供技术支撑。目前，西气东输已经建立了西一线、西二线及上海支干线压缩机组 i EM 智能管理系统，精准诊断出潼关压气站压缩机喘振、高陵压气站干气密封等多起压缩机组重大故障隐患。

西气东输公司研发的压缩机组智能监测与诊断平台的多个系统功能互补，形成了较为完善的压缩机组远程监测与诊断体系。通过对压缩机组运行数据进行关联性分析，挖掘关键信息，建立智能健康感知模型，生成健康状态量化评估指标，实时分析与预测压缩机组健康状态，为压缩机组的优化运行、高效管理提供了技术支撑，显著提升了压缩机组智能化运维水平。

2.4 流量计与空压机远程诊断

为了提高关键设备运行可靠性，西气东输公司建立了覆盖 140 座分输站场、 512 路超声计量回路、 116 路涡轮计量回路的监控网络，实现在上海生产调度中心直接对现场设备的诊断、测试及监控。通过自动诊断单回路设备状态，智能分析色谱分析仪数据，形成数据历史趋势与报警记录图，定时对比测量数据与历史趋势之间的差异。计量远程诊断系统的建立，缩短了故障处理时间，计量专业人员无需到现场即可及时发现现场计量设备的问题，节约了运行维护人员差旅费用，进一步提高了计量设备完好率，减少了计量纠纷，提升了计量管理水平。计量远程诊断系统可应用于超声流量计的检验工作，将超声流量计检定周期从 2 年延长至 6 年，缩短了超声流量计无备用时间，减少了流量计送检工作量，节约了送检成本。

同时，通过建立覆盖 17 座站场、 49 台阿特拉斯空压机的远程诊断系统，可以远程查看全线空压机运行界面，分析机组运行数量、完好率、报警等。根据历史参数及实时变化趋势，实现故障预测预警、设备预测性维护与维修成本的优化 ^{[ 20 , 21 , 22 ]} 。

3 管道风险智能管控

为了提高天然气管道安全运行水平，及时监测预警管道本体、第三方施工、自然灾害等可能发生的威胁事件，避免风险管控在 “ 时间 + 空间 ” 上出现盲区，西气东输公司构建了 “ 天 - 空 - 地 ” 一体化管道风险管控综合系统，不断提升实时泛在感知技术水平，在智能视频系统、光纤预警系统、地质灾害预警系统、腐蚀控制智能化方面进行了探索 ^{[ 23 ]} 。

3.1 管道高后果区智能视频监控

西气东输公司制定了前端智能识别、无线传输、无线供电、云端存储的管道线路智能监控技术路线，分期稳步推进，在高后果区及高风险地区安装了 520 个智能监控预警摄像头，对进入监控范围内的工程车辆、施工机械等进行智能识别预警，形成了《西气东输管道智能视频监控预警运行管理规范》，率先规范管道线路风险视频智能识别管理工作。为了进一步提高智能识别的准确性，联合中国知名人工智能团队开展了基于智能视频识别的管道防护技术研究：采用 SSD(Single Shot Multi Box Detector ）的目标识别算法，对 8 类工程机械多达数万张图片进行了 20 轮次的训练与优化，工程机械识别准确率超过 90% ；独创性地设计了目标识别算法与运动检测算法相配合的识别方式，工程机械危险行为报警准确率高达 93.6% ^{[ 20 , 21 ]} 。

3.2 光纤预警感知技术

西气东输公司组织开展光纤预警技术提升，搭建了光纤安全预警系统，试点应用线路已达 640 km 。该系统通过 “ 大数据 + 人工智能 + 边缘计算 ” 的方法，利用分布式声音检测系统（ Distributed Acoustic Sensing,DAS ）实现了信号还原、信号识别与事件威胁度分析，减少了非破坏事件预警次数，预警准确率高于 80% ，可实现 15 m 范围内机械施工零漏报、误报率小于 10% 、定位精度不超过 100 m ，大幅提升了管道技防措施的智能化水平。今后，将重点提升系统前端硬件处理能力，通过合理的信号转换、滤波、整形、预处理等措施，提高数据质量；构建并丰富适合于不同环境的事件特征库，提高系统的甄别能力。

3.3 地质灾害预测预警

针对忠武线鄂西山区段、西一线陕晋黄土塬地区灾害多发的特点，西气东输公司与相关科研单位共同研究，以行业地灾数据、气象数据、监测数据、诱发因素信息数据、管道本体信息为基础，建立了多因素耦合的区域预测预警模型。同时，以 6 处地质灾害监测示范站为背景，基于坡体位移、深部位移、降雨、应力等监测数据，建立了单体预测预警模型，并开展了地质灾害条件下埋地输气管道受力分析及安全性评价研究，预测管道沿线地质灾害发生后管道的力学状态，对管道安全性做出判定，并反推管道可承受的灾害，实现了地质灾害条件下埋地管道安全性的定量判定。

3.4 腐蚀控制智能化网络构建

为了进一步挖掘阴极保护系统各设备之间的关联性，探明阴极保护系统与自动化控制系统的连接形式，西气东输公司正逐步完善阴极保护智能化管理网络。该公司所辖管道沿线设置电位前端感知设备超过 600 台，将运行数据统一纳入已有阴极保护监测数据管理平台，实现了电位远程监测、杂散电流干扰报警实时上传，可客观反映管段阴极保护状况。目前，正逐步开展恒电位仪远传远控改造工作，现已改造近 150 套，实现了设备运行参数、状态参数、报警参数的上传及设备远程控制功能，在站控 SCADA 系统上显示所辖的多套恒电位仪的结构化数据，实现了从就地管控单台恒电位仪到集中可视化管理多套恒电位仪的转变。

4 结束语

国家石油天然气管网集团有限公司的成立，标志着中国石油天然气体制改革进入新阶段，是推进人工智能与管道行业深入融合的关键时期。西气东输公司在现有管网运行与管理体系基础上，探索出了从单一要素信息化到单一专业系统智能化、再到多专业综合智能互联的智慧管网建设之路。将工业互联网、机器学习、智能控制等技术引入站场管理体系，实现了智能巡检、分输智能控制、流量计智能检定等智慧创新，站场运营效率与管控水平稳步提升；通过整合机器人技术、非接触检测技术、多传感器融合技术、图像识别技术、导航定位技术以及无线通信技术等多学科技术，形成关键设备全面感知能力，压缩机组、流量计等关键设备的可靠性显著提升；通过研发、部署新一代图像分析、光纤预警、地质灾害数据分析等技术，进一步消除了管道风险管控盲区，保障管道安全运行。但目前西气东输公司管道智慧化进程仍面临诸多难题，主要包括泛在感知技术市场不成熟、后端大数据算法不精准、数据维度不全面等多个方面，导致多系统的综合智能互联尚未取得实质性进展。管道行业需要进一步推进科技攻关，突破智慧管道发展道路上的技术瓶颈。

未来西气东输公司将围绕国家管网集团打造智慧互联大管网、构建公平开放大平台、培育创新成长新生态的 “ 两大一新 ” 战略目标，超前谋划、主动作为，坚定不移推进智能管道、智慧管网的智能化运营体系构建，努力为天然气与管道行业的高质量发展提供更多有益探索。

作者：李锴 李江 顾清林 王多才，国家管网集团西气东输公司

来源：油气储运. 2021,40(03)