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(yùn)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(yùn)行差異，結(jié)合實(shí)際案例，分析存在的運(yùn)行操作隱患。 論述了“以人為本”的管道運(yùn)行控制原則和“安全、可靠、效率”的全生命周期活動(dòng)準(zhǔn)則，從國情出發(fā)提出了“有人值守、無人操作、遠(yuǎn)程控制”站場運(yùn)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(yùn)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(dòng)邏輯；遠(yuǎn)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(yùn)行效率問題日益突出。如何通過強(qiáng)化站場的自動(dòng)邏輯控制功能，提高調(diào)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(xiǎn)環(huán)境內(nèi)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和人因失誤風(fēng)險(xiǎn),成為管道運(yùn)營商不斷追求的目標(biāo)。

1 必要性分析

1.1 國內(nèi)外管道運(yùn)行模式分析

與北美、歐洲天然氣管道遠(yuǎn)程控制水平和現(xiàn)場運(yùn)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(jì)量站

圖 3  國內(nèi)有人值守壓氣站

圖 4  國內(nèi)有人值守計(jì)量站

國內(nèi)外管道運(yùn)行模式對比如表 1所示。

1.2 安全運(yùn)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(yùn)行，但仍以人工操作為主，站內(nèi)需長期駐守運(yùn)行人員。而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)站場發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，不可避免造成嚴(yán)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(shí)，還應(yīng)減少人的行為對管道運(yùn)行安全的影響。例如合理劃分站場安全區(qū)域、減少在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員活動(dòng)、降低人因操作不確定性，提升管道的安全運(yùn)行。

1.3 事故經(jīng)驗(yàn)分析

2012年12月，某天然氣站因進(jìn)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�，F(xiàn)場噴射火持續(xù)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(yīng)用三維CFD軟件模擬天然氣站場泄漏導(dǎo)致的噴射火火災(zāi)，分析火災(zāi)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(dǎo)致的噴射火火災(zāi)影響分析圖

（2） QRA分析結(jié)果給出的危險(xiǎn)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(jià)值(圖 7)。

圖7 社會風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線

圖 7中，上條線（1.0E-03）為風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的上限，下條線（1.0E-05）為風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的下限。通常以火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2所對應(yīng)的最遠(yuǎn)距離作為安全距離，其對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的下限，人在該距離的逃生時(shí)間約20 s（表 2）。

站場選址、布局、間距和設(shè)備方位都應(yīng)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(shí)現(xiàn)站場的自動(dòng)運(yùn)行、診斷、巡檢及防護(hù)，提高系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠性。目的是要限制在風(fēng)險(xiǎn)不可接受區(qū)域內(nèi)的人員活動(dòng)、減少在風(fēng)險(xiǎn)合理降低區(qū)域內(nèi)的長期人員活動(dòng)，降低人員傷亡幾率。

1.4 人員風(fēng)險(xiǎn)分析

通過對人為失誤的表象進(jìn)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(jì)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(xùn)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(dá)0.001～ 0.100次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)行帶來災(zāi)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(yùn)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(yùn)行效率，降低操作人員在危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)的活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和操作風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)力。

國外管道在設(shè)計(jì)伊始即有明確的針對整條管道的運(yùn)行控制目標(biāo)，所有設(shè)計(jì)活動(dòng)均在運(yùn)行控制原則框架內(nèi)進(jìn)行。 1994年，德國PLE公司牽頭設(shè)計(jì)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(jì)都要達(dá)到無人操作水平，站場僅留少量人員進(jìn)行維修服務(wù)”“控制系統(tǒng)實(shí)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(jì)缺乏明確的運(yùn)行控制目標(biāo)，受管理理念、設(shè)計(jì)能力和專業(yè)間的不協(xié)調(diào)性制約，管道設(shè)計(jì)水平參差不齊。

因此，有必要建立符合管道運(yùn)營商需求的管道運(yùn)行控制原則，在管道設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等全生命周期各階段活動(dòng)都應(yīng)遵循可廣泛接受的、標(biāo)準(zhǔn)化的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(yuǎn)程控制”運(yùn)行控制模式，結(jié)合我國國情宜采用“有人值守、無人操作、遠(yuǎn)程控制”的模式，站場僅需要少量的看護(hù)、維護(hù)人員。在保證站場安全運(yùn)行的前提下，以站自動(dòng)邏輯控制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)管線的調(diào)控中心遠(yuǎn)程目標(biāo)控制。

2.2 統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

高水平建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)決定了管道控制水平的高低。國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅僅為管道設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)或手冊，其要求相對于國際標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格、更細(xì)致，要求管道設(shè)計(jì)、工程建設(shè)方均應(yīng)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(yùn)行的基礎(chǔ)。應(yīng)主要解決以下三個(gè)方面的問題。

（1）站場運(yùn)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(yùn)行，通過實(shí)現(xiàn)站場自動(dòng)邏輯控制，使天然氣管道站場按照調(diào)控中心的遠(yuǎn)程控制指令運(yùn)行，自動(dòng)完成預(yù)設(shè)的控制邏輯目標(biāo)，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(yùn)行效率和可靠性。

（2）站場運(yùn)行環(huán)境綜合監(jiān)測、報(bào)警及巡檢問題根據(jù)當(dāng)?shù)厣鐣�治安環(huán)境建立站場智能安全防護(hù)系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)站場智能監(jiān)護(hù)。通過站場的綜合運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測、巡檢及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)全天候站場巡檢、監(jiān)測、人員識別等的報(bào)警和記錄，減少人工巡檢頻次，進(jìn)而減少危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)人員活動(dòng)時(shí)長。

（3）站場設(shè)備、系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)問題通過遠(yuǎn)程診斷維護(hù)系統(tǒng)對現(xiàn)場智能設(shè)備提供遠(yuǎn)程診斷、設(shè)備故障報(bào)警記錄、故障處理和維護(hù)。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場壓縮機(jī)組、智能儀表和控制系統(tǒng)的巡檢、診斷和維護(hù)，為智能設(shè)備健康評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。降低站場智能設(shè)備的運(yùn)行失效風(fēng)險(xiǎn)，提高預(yù)知維護(hù)水平。

2.4 優(yōu)化和簡化站場設(shè)計(jì)

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(jì)與安裝。

2.5 優(yōu)化站場工藝設(shè)計(jì)

從提高站場可控性、可靠性、可操作性及保護(hù)功能方面考慮，站場無人值守需依托調(diào)控中心遠(yuǎn)程控制，而調(diào)控中心遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)是站場自動(dòng)邏輯控制。為提高自動(dòng)控制的有效性，首先應(yīng)從站場工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化入手，針對計(jì)量分輸站通�？蓮南旅鎺�點(diǎn)考慮。

（1）站場主流程等壓設(shè)計(jì)，減少壓力分界點(diǎn)，優(yōu)化保護(hù)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(jī)構(gòu)，滿足邏輯控制和保護(hù)控制需求。

（4）優(yōu)化工藝流程設(shè)計(jì)，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(jì)。

例如：站場大口徑球閥開啟時(shí)，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(jì)時(shí)應(yīng)對站場自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行分析，找出存在自動(dòng)開啟時(shí)存在大壓差的閥門，通過設(shè)計(jì)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(xiàn)。

2.6 推廣科學(xué)評估手段和專業(yè)化的設(shè)計(jì)審查

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為基礎(chǔ)，適時(shí)開展科學(xué)的評估分析，如： QRA、 HAZOP、SIL、安裝應(yīng)力分析等。并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施，用數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗(yàn)。

目前國內(nèi)的設(shè)計(jì)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響等弊端�？煽紤]參考國外項(xiàng)目設(shè)計(jì)審查方式，委托有能力的專業(yè)機(jī)構(gòu)按照管道運(yùn)營商關(guān)于管道建設(shè)、運(yùn)行控制目標(biāo)及要求對設(shè)計(jì)文件進(jìn)行專業(yè)化的審查，主要包括不同階段的設(shè)計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求，從以下幾方面加強(qiáng)技能型人員的培養(yǎng)。

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

（2）開展針對管道運(yùn)行中基于風(fēng)險(xiǎn)的操作、維護(hù)作業(yè)識別工作，對識別出的作業(yè)按風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級、分類并建立培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）操作運(yùn)行人員向維護(hù)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(hù)維修作業(yè)的培訓(xùn)。

（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(jié)

無人值守站由調(diào)控中心負(fù)責(zé)管道的運(yùn)行、控制，優(yōu)化站場設(shè)計(jì)和現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員配置，現(xiàn)場屬地人員生活依托社會，提高站場運(yùn)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(yùn)行成本約10%～30%。

3 站場自動(dòng)控制功能分析

通過 SCADA系統(tǒng)至少實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、站場運(yùn)行過程控制、報(bào)警響應(yīng)、應(yīng)急控制、數(shù)據(jù)處理與存儲、運(yùn)行工況模擬及預(yù)測、輸差平衡與負(fù)荷預(yù)測等功能。

（1）主要自動(dòng)控制功能如表 4所示。

（2）為確保站場在應(yīng)急狀態(tài)下有效控制在安全范圍內(nèi)，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，站場ESD控制的重點(diǎn)是在緊急狀態(tài)下實(shí)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(jìn)程遇阻后保持激活狀態(tài)，ESD執(zhí)行完成后應(yīng)人工本地復(fù)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(dòng)邏輯控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心遠(yuǎn)程目標(biāo)控制。站場過程控制的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)站場工藝系統(tǒng)的自動(dòng)邏輯控制及調(diào)控中心的宏觀目標(biāo)控制，而不僅僅是遠(yuǎn)程操作控制。過程控制要求所有切換控制實(shí)現(xiàn)無擾切換，自動(dòng)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(shí)和超時(shí)報(bào)警，所有切換控制參數(shù)采用基本測量參數(shù)。過程控制進(jìn)程遇阻后自動(dòng)中斷進(jìn)程，過程控制執(zhí)行完成后程序自動(dòng)復(fù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)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(yùn)行控制目標(biāo)，在管道全生命周期范圍內(nèi)推行統(tǒng)一的運(yùn)行管理和設(shè)計(jì)理念，引入專業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評估分析手段和專業(yè)化審查制度，提高管道的設(shè)計(jì)水平、降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；提高現(xiàn)場人員職業(yè)技能水平，在站場全自動(dòng)邏輯控制的基礎(chǔ)上實(shí)施管道調(diào)控中心遠(yuǎn)程目標(biāo)控制，逐步擴(kuò)大無人值守站應(yīng)用范圍。

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

《管道保護(hù)》2018年第5期（總第42期）