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的必要性。對比國內外天然氣管道運行差異，結合實際案例，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。通過站場優化分析，完善站場操作替代手段，降低站場對現場人員的操作依賴，提高調控中心對管網運行、控制、調度的工作力度和效率。

關鍵詞： 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

隨著國內天然氣管線快速發展及管網的形成，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，提高調控中心對整條管道、甚至整個管網的管控效果，降低操作人員在危險環境內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  國外無人值守壓氣站

圖 2  國外無人值守計量站

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系統控制站場運行，但仍以人工操作為主，站內需長期駐守運行人員。而現行標準規定了站內電氣防爆距離、防火間距，卻沒有明確的、可接受的安全距離要求。當站場發生嚴重事故時，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，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域、減少在危險區域內的人員活動、降低人因操作不確定性，提升管道的安全運行。

1.3 事故經驗分析

2012年12月，某天然氣站因進站管線絕緣接頭斷裂，產生大量天然氣泄漏，瞬間起火爆炸，一座新建天然氣站場完全燒毀。現場噴射火持續時間約32 min，泄漏速率約643.46 kg/s，所幸未發生人員傷亡（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模擬結果與現場事故勘察和過火痕跡，呈現較好的一致性。

圖6 天然氣站場泄漏導致的噴射火火災影響分析圖

（2） QRA分析結果給出的危險區域劃分，對確定天然氣站場社會及站內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、間距和設備方位都應首先確保站場周圍社會人員和站內人員的安全。在提高管道系統本質安全的基礎上，通過有效的操作替代手段實現站場的自動運行、診斷、巡檢及防護，提高系統安全運行可靠性。目的是要限制在風險不可接受區域內的人員活動、減少在風險合理降低區域內的長期人員活動，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，結合國內外管道系統事故分析結果，并參考美國化工過程安全中心（CCPS）的統計數據，可以得出人為失誤是管道失效的重要原因。

一名經過良好培訓的操作人員，在不疲勞、無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，隨著環境條件的改變、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

通過如上分析，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境內的活動風險和操作風險，加快無人值守站的推廣建設勢在必行。

2 無人值守站建設探索

2.1 明確統一的控制理念

控制理念是方向，是管道建設發展的原動力。

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，所有設計活動均在運行控制原則框架內進行。 1994年，德國PLE公司牽頭設計陜京一線，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”“控制系統實行三級控制： 中心控制、站控制、就地人工控制”。

反觀國內管道設計缺乏明確的運行控制目標，受管理理念、設計能力和專業間的不協調性制約，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都應遵循可廣泛接受的、標準化的、統一的標準，本著“以人為本”的原則，按照“安全、可靠/有效、效率”的順序執行。借鑒國外“無人值守、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，實現管線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

利用有效的技術手段代替現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。應主要解決以下三個方面的問題。

（1）站場運行工藝控制、流程及設備操作問題采用SCADA系統控制管道運行，通過實現站場自動邏輯控制，使天然氣管道站場按照調控中心的遠程控制指令運行，自動完成預設的控制邏輯目標，降低人為原因產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）站場運行環境綜合監測、報警及巡檢問題根據當地社會治安環境建立站場智能安全防護系統平臺，實現站場智能監護。通過站場的綜合運行環境監測、巡檢及報警，實現全天候站場巡檢、監測、人員識別等的報警和記錄，減少人工巡檢頻次，進而減少危險區域內人員活動時長。

（3）站場設備、系統的遠程診斷及維護問題通過遠程診斷維護系統對現場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。實現現場壓縮機組、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提供基礎數據。降低站場智能設備的運行失效風險，提高預知維護水平。

2.4 優化和簡化站場設計

通過對現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 優化站場工藝設計

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控中心遠程控制，而調控中心遠程控制的基礎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設計優化入手，針對計量分輸站通�？蓮南旅鎺�點考慮。

（1）站場主流程等壓設計，減少壓力分界點，優化保護控制。

（2）提高用戶供氣壓力，優化加熱、壓力監控系統流程和配置。

（3）合理配置執行機構，滿足邏輯控制和保護控制需求。

（4）優化工藝流程設計，合理選擇口徑，減少公共部分回路數量。

（5）簡化輔助系統設計。

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，避免在高壓差狀態下開啟造成閥門密封損壞，延長閥門的使用壽命。在設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。

2.6 推廣科學評估手段和專業化的設計審查

在項目實施過程中，以現行標準、規范為基礎，適時開展科學的評估分析，如： QRA、 HAZOP、SIL、安裝應力分析等。并根據分析結果指導項目設計和實施，用數據代替經驗。

目前國內的設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，委托有能力的專業機構按照管道運營商關于管道建設、運行控制目標及要求對設計文件進行專業化的審查，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

人的因素是實現無人值守站場建設的關鍵。提高人員技能，降低事故發生概率，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認證體系，提高操作人員的職業素養。

（2）開展針對管道運行中基于風險的操作、維護作業識別工作，對識別出的作業按風險進行分級、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化，打破基層專業、工種分工，開展基于維護維修作業的培訓。

（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

無人值守站由調控中心負責管道的運行、控制，優化站場設計和現場運行維護人員配置，現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施，降低建設和運行成本約10%～30%。

3 站場自動控制功能分析

通過 SCADA系統至少實現管道運行參數監視、站場運行過程控制、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）主要自動控制功能如表 4所示。

（2）為確保站場在應急狀態下有效控制在安全范圍內，防止事故進一步擴大，站場ESD控制的重點是在緊急狀態下實現站場關斷，隔離站場與管線的連通，站場關閉后放空站內天然氣。 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，ESD執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上，實現調控中心遠程目標控制。站場過程控制的重點是實現站場工藝系統的自動邏輯控制及調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無擾切換，自動切換執行優先級控制，設置合理的切換閾值及觸發延時和超時報警，所有切換控制參數采用基本測量參數。過程控制進程遇阻后自動中斷進程，過程控制執行完成后程序自動復位。過程控制命令受站場控制模式權限限制，中心與站場命令應互鎖。

4 結束語

推行無人值守站建設不僅是技術問題，還受制于管理理念、標準化設計水平、設備可靠性和社會環境等因素。通過建立明確的運行控制目標，在管道全生命周期范圍內推行統一的運行管理和設計理念，引入專業的風險評估分析手段和專業化審查制度，提高管道的設計水平、降低管道運行風險；提高現場人員職業技能水平，在站場全自動邏輯控制的基礎上實施管道調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）