天然氣凈化廠無人巡檢模式探討及實踐

高進，瞿楊，李顯良

(中國石油西南油氣田公司 重慶天然氣凈化總廠，重慶 401147)

天然氣凈化廠是對天然氣進行脫硫、脫水并對酸氣進行處理的工廠[1-2]，具有有毒有害、高溫高壓、易燃易爆等特點，屬連續(xù)性生產(chǎn)的高?；て髽I(yè)[3]。某天然氣凈化廠于2005年建成投產(chǎn)，裝置處理能力為6×106m3/d，包括： 過濾分離裝置、脫硫裝置、脫水裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置、硫磺成型裝置、火炬及放空系統(tǒng)、污水處理裝置、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、空氣氮氣系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等功能裝置[4]。

在天然氣凈化廠，巡檢是指在規(guī)定時間內(nèi)按照規(guī)定頻次對工藝裝置現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行比對核實，對機械設(shè)備(如靜設(shè)備、動設(shè)備、壓力管道等)、電氣設(shè)備(如電機、配電設(shè)備、供電線路等)、自控儀表(在線分析儀、控制閥等)及基建設(shè)施(如塔罐的基座、管廊的支撐、坑池等)工作狀況和完好性進行目視查看或借助某些工具進行診斷，以確認(rèn)其可靠性和完好性。

對天然氣凈化廠安全生產(chǎn)管理工作而言，巡檢工作是其中一項基本的日常工作，是保證天然氣凈化裝置安全平穩(wěn)運行的第一道防線。它能使天然氣凈化裝置存在的隱患或異常能夠被及時發(fā)現(xiàn)和解決，使突發(fā)事故的可能性降到最低限度，減少事后搶修工作量，有利于降低維修成本，保證凈化裝置處于良好運行狀態(tài)，提高天然氣凈化設(shè)備完好率及可用率,避免由于發(fā)現(xiàn)不及時造成凈化裝置停車和生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

1 天然氣凈化廠巡檢現(xiàn)狀

1.1 人工巡檢模式

目前，該天然氣凈化廠巡檢模式仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，巡檢頻率為1次/2 h，通過手動掛牌設(shè)置標(biāo)記方式來體現(xiàn)巡檢工作的完成情況，從而督促員工及時巡檢，確保巡檢質(zhì)量，同時也便于對巡檢工作的監(jiān)督檢查。下面將以天然氣凈化廠部分裝置為例對巡檢方式進行說明： 裝置區(qū)內(nèi)設(shè)有若干巡檢點，在每個巡檢點都設(shè)置有巡檢標(biāo)記牌；巡檢人員按照規(guī)定時間和規(guī)定線路依次到達指定巡檢點對關(guān)鍵工藝參數(shù)、設(shè)備設(shè)施和管線進行人工檢查；當(dāng)巡檢人員按時到達巡回檢查牌時，按要求檢查巡檢內(nèi)容，并把巡檢牌翻到相應(yīng)的時間位置，證明已到該巡檢點巡檢。當(dāng)下一次巡檢到達該巡檢點時，再把巡檢牌翻到下一個時間位置。

1.2 人工巡檢模式的弊端

雖然現(xiàn)有人工巡檢模式在保障天然氣凈化廠安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用，但在執(zhí)行過程中仍存在以下弊端：

1)目前的巡檢模式采用人工手寫加錄入巡檢數(shù)據(jù)的方法。員工在巡檢時，除了逐項檢查確認(rèn)巡檢記錄表中工藝參數(shù)外，還需檢查機、電、儀設(shè)備及基建設(shè)施的工作狀況和完好性。由于巡檢內(nèi)容多，工作量大，長時間且周期性的重復(fù)性工作易使工作效率和工作質(zhì)量降低。同時，在現(xiàn)有天然氣凈化廠自控儀表的配置條件下，人工巡檢發(fā)揮的作用也逐漸呈現(xiàn)減弱趨勢。

2)由于天然氣凈化廠具有有毒有害、高溫高壓、易燃易爆等特點，生產(chǎn)操作環(huán)境危險，現(xiàn)場巡檢導(dǎo)致人員長期高頻率地暴露在危險環(huán)境中，對人員的生命安全造成較大的安全隱患。

3)現(xiàn)有人工巡檢的工作質(zhì)量不能得到有效保證，尤其是在夜間和雷雨天氣時，受人為因素影響大，巡檢質(zhì)量與巡檢人員的業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗、態(tài)度、責(zé)任心和精神狀態(tài)有密切關(guān)系。人工巡檢手動掛牌的方式只能提供員工到達巡檢點的證明，而且還存在作弊的漏洞，更不能提供巡檢質(zhì)量和巡檢內(nèi)容完成的保證；巡檢記錄表中只有部分關(guān)鍵參數(shù)，而這些關(guān)鍵參數(shù)可通過DCS查看或靠經(jīng)驗填寫。

4)巡檢內(nèi)容多、巡檢頻次高，導(dǎo)致巡檢表格數(shù)量多、紙張用量也大；巡檢記錄表需定期歸檔保存，一般保存期限為3～5 a，在資料管理方面尤顯不便。當(dāng)某項巡檢參數(shù)出現(xiàn)異常時，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進行比對的過程較為繁瑣，需人工到資料室進行查閱。另外巡檢記錄表大量的用紙需求也造成了資源的浪費，不符合節(jié)能降耗、綠色辦公的理念。

1.3 開展無人巡檢模式探討的基礎(chǔ)和必要性

該天然氣凈化廠現(xiàn)配置有較完善的控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)，其中控制系統(tǒng)有分散控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)和氣體報警系統(tǒng)(FGS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)以及可編程控制器(PLC)等，為該廠實現(xiàn)裝置無人巡檢提供了基礎(chǔ)和前提條件[1]。

利用信息化手段在現(xiàn)有控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)上，通過增加、優(yōu)化及完善相應(yīng)設(shè)備設(shè)施和功能配置等方式實現(xiàn)無人巡檢模式，對人工巡檢內(nèi)容和巡檢范圍全面覆蓋，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析和比對，確保巡檢的質(zhì)量和效果遠(yuǎn)優(yōu)于人工巡檢模式，從而實現(xiàn)無人巡檢取代人工巡檢，徹底解決和避免了人工巡檢存在的問題。

2 天然氣凈化裝置無人巡檢模式實施

2.1 增加智能測量儀表

增加裝置現(xiàn)場智能儀表測量點，一是用于替代裝置現(xiàn)場就地顯示的壓力、溫度、流量等儀表，并將測量參數(shù)遠(yuǎn)傳至DCS，實現(xiàn)測量參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)視的全覆蓋；二是對重要參數(shù)的控制回路增加測量儀表，如再生塔回流罐液位，增加到2個測量信號，提高測量信號的準(zhǔn)確率和可靠性，保證控制回路的可靠性；三是關(guān)鍵聯(lián)鎖回路的測量儀表增加到3個測量信號，如脫硫吸收塔液位，使聯(lián)鎖條件由1個或2個變?yōu)?個，減少因聯(lián)鎖條件失效引發(fā)的聯(lián)鎖誤動作，同時其聯(lián)鎖邏輯也由“一選一”或“二選一”“二選二”邏輯結(jié)構(gòu)變?yōu)椤叭x二”邏輯結(jié)構(gòu)，從而提高了關(guān)鍵聯(lián)鎖回路的安全性和可用性[5]。

2.2 優(yōu)化和完善DCS功能

優(yōu)化和完善DCS功能，采取以下幾方面措施：

1)對裝置進行過程安全即危險與可操作性分析(HAZOP)、定量風(fēng)險評估(QRA)、工藝危害性分析(PHA)等，重新確定工藝參數(shù)的重要性。根據(jù)工藝參數(shù)的重要性重新確定每個參數(shù)在DCS中的報警優(yōu)先級，并根據(jù)報警優(yōu)先級確定不同類別的聲光報警功能。

2)在DCS中增加同一參數(shù)的自動比對和偏差報警功能；同時能根據(jù)比對結(jié)果分析判斷故障信號，并對故障信號進行屏蔽和報警。

3)增加DCS報警管理優(yōu)化軟件，實現(xiàn)報警的評估、規(guī)范設(shè)置、歸檔、優(yōu)化、無效報警的抑制等功能。無人巡檢模式的實施需要DCS接入大量的信號點，在DCS中報警的定義與設(shè)置不受成本影響，再加上可能存在的氣質(zhì)條件、工況條件等的變化，使得報警的數(shù)量暴增，形成報警泛濫或過度報警，導(dǎo)致操作人員對報警反應(yīng)和處置的麻木和滯后，使得生產(chǎn)裝置處于危險狀況，而報警管理優(yōu)化軟件能有效解決這一問題。

2.3 增加儀表設(shè)備管理系統(tǒng)

裝置現(xiàn)場設(shè)置有大量智能儀表，包括壓力、溫度、流量、液位、成分等檢測儀表，還包括控制閥、聯(lián)鎖閥等控制設(shè)備，實現(xiàn)天然氣凈化廠的監(jiān)控和聯(lián)鎖?，F(xiàn)場設(shè)備管理系統(tǒng)(FDM)是一種現(xiàn)場儀表設(shè)備的管理工具，通過HART/Profibus/FF協(xié)議與現(xiàn)場儀表進行通信，實現(xiàn)儀表的組態(tài)、狀態(tài)顯示、診斷和維護，同時也實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表運行狀態(tài)的監(jiān)控。

2.4 增加轉(zhuǎn)動設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)

天然氣凈化廠常用的轉(zhuǎn)動設(shè)備主要有： 離心泵、往復(fù)泵、壓縮機、風(fēng)機等。對轉(zhuǎn)動設(shè)備實時監(jiān)測振動、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)機泵的遠(yuǎn)程監(jiān)測、診斷與預(yù)警。具體措施： 安裝在轉(zhuǎn)動設(shè)備上的傳感器實時采集機泵的振動及溫度信息，傳感器數(shù)量根據(jù)轉(zhuǎn)動設(shè)備的重要性和負(fù)荷大小來確定，采用無線傳輸方式將信號傳輸給附件的信號接收器，經(jīng)集中處理后以RJ45/光纖的方式傳輸給裝有轉(zhuǎn)動設(shè)備診斷系統(tǒng)的工控機，結(jié)合來自電站轉(zhuǎn)動設(shè)備的電流信號，經(jīng)過工控機的計算和處理，顯示機泵的實時狀態(tài)、歷史運行狀態(tài)、預(yù)維護及故障診斷報告，實現(xiàn)控制室對轉(zhuǎn)動設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動設(shè)備運行過程中存在的故障并及時作出處理，確保轉(zhuǎn)動設(shè)備的正常運行。

由于天然氣凈化裝置轉(zhuǎn)動設(shè)備較多，根據(jù)設(shè)備的重要程度對機泵設(shè)備進行分類，對關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備需進行監(jiān)測的點位統(tǒng)計，見表1所列。針對一般轉(zhuǎn)動設(shè)備的運行狀況監(jiān)測只需要對電動機和泵分別設(shè)置振動和溫度監(jiān)測點各1個即可，該凈化廠的關(guān)鍵動設(shè)備通常為“1用1備”，少數(shù)為“2用1備”或“3用2備”，表1僅統(tǒng)計單臺設(shè)備需設(shè)置的監(jiān)測點。

表1 關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備需設(shè)置監(jiān)測點統(tǒng)計

2.5 完善FGS的配置

天然氣凈化廠的工藝介質(zhì)通常具有有毒有害、易燃易爆的性質(zhì)，如甲烷、硫化氫、二氧化硫、硫磺等。該天然氣凈化廠建成于2005年，需根據(jù)工藝介質(zhì)的理化性質(zhì)、釋放源等特性、生產(chǎn)場地布置、地理條件、環(huán)境氣候、探測器的特點、檢測報警可靠性要求、操作巡檢線路等因素[6]，按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[7]的要求，重新對FGS進行補充和完善。在可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏的地方，如脫水裝置、燃料氣系統(tǒng)等工藝設(shè)施附近，設(shè)置固定式可燃?xì)怏w探測器；在可能發(fā)生有毒氣體泄漏的地方，如脫硫裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置等工藝設(shè)施附近，設(shè)置固定式有毒氣體探測器；在硫磺成型階段及硫磺倉庫設(shè)置紫外/紅外火焰探測器等；同時在裝置現(xiàn)場和控制室補充完善聲光報警和報警按鈕。當(dāng)火災(zāi)或泄漏發(fā)生時，通過SIS輔操臺觸發(fā)區(qū)域或全裝置緊急停車按鈕，通過SIS關(guān)閉相應(yīng)的井口、天然氣凈化廠各工藝裝置；當(dāng)現(xiàn)場可燃/有毒氣體泄漏和火焰檢測報警時，F(xiàn)GS輸出信號至視頻監(jiān)控系統(tǒng)，自動聯(lián)動攝像頭監(jiān)控發(fā)生報警的區(qū)域。

2.6 補充完善工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

該天然氣凈化廠現(xiàn)有工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要作為安防監(jiān)控，攝像頭均安裝在裝置區(qū)邊界。基于紅外成像及數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，按工藝流程、生產(chǎn)操作和管理等要求進行系統(tǒng)配置[8]，通過在生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)合理布置高清攝像頭，對經(jīng)常操作的生產(chǎn)部位、重點設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)實施重點監(jiān)控，其他區(qū)域?qū)嵤┮话惚O(jiān)控，從而在該基礎(chǔ)上通過云臺控制實現(xiàn)裝置區(qū)域視頻監(jiān)控全覆蓋；升級工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，增加數(shù)據(jù)智能分析、預(yù)警等功能，對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的圖像進行智能分析，若發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象時發(fā)出報警信號。監(jiān)控中心設(shè)置在中心控制室，進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)裝置現(xiàn)場存在的問題。同時，通過視頻管理系統(tǒng)使生產(chǎn)管理層與控制系統(tǒng)集成[9]，實現(xiàn)工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與DCS，SIS，F(xiàn)GS的聯(lián)動。

2.7 增加智能機器人輔助巡檢

智能機器人通常配備有高性能的底盤、可升降改變重心的身體和頸部、高性能的上位機及各種傳感器，具有一定工作高度的爬坡、越障能力，通過機身搭載的機械手臂和攝像設(shè)備的配合，在自身帶有的激光雷達、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，實現(xiàn)對裝置區(qū)域定時、定點、定線路的巡檢，或?qū)崿F(xiàn)自主巡檢線路的規(guī)劃，智能機器人巡檢時拍攝的現(xiàn)場工藝參數(shù)圖像實時發(fā)送至中心控制室，經(jīng)過智能機器閱讀系統(tǒng)的自動解讀后傳輸給應(yīng)用服務(wù)器，與DCS的數(shù)據(jù)進行比對，及時發(fā)現(xiàn)參數(shù)的偏差。同時智能機器人也可監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備，如溶液循環(huán)泵、燃燒爐等關(guān)鍵設(shè)備的運行情況。此外，智能機器人還可攜帶可燃?xì)怏w探測器、有毒氣體探測器、火災(zāi)探測器等設(shè)備，實現(xiàn)巡檢過程中氣體泄漏檢測、火災(zāi)檢測等。智能機器人輔助巡檢作為自控儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的補充，用于生產(chǎn)裝置現(xiàn)場的查看、比對、核實、確認(rèn)。

2.8 增加物聯(lián)網(wǎng)管理平臺功能

該天然氣凈化廠從2017年開始進行物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，現(xiàn)已投運，目前已具備的功能有： 實現(xiàn)生產(chǎn)和運維業(yè)務(wù)的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化管理；實現(xiàn)檢維修管理與物資管理系統(tǒng)的集成；實現(xiàn)運維報表的自動生成；實現(xiàn)所有問題、隱患、事故事件的可追溯閉環(huán)管理；實現(xiàn)生產(chǎn)和生產(chǎn)輔助管理功能，如化驗分析數(shù)據(jù)管理、車輛調(diào)派管理等。目前正在實施轉(zhuǎn)動設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。為配合無人巡檢模式的實現(xiàn)，需在物聯(lián)網(wǎng)管理平臺增加機器人巡檢系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、儀表設(shè)備管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中，無色方塊表示已實施的功能，淺灰色方塊表示正在實施或?qū)⒁獙嵤┑墓δ?，中灰色方塊表示無人模式巡檢需要實施的功能。

圖1 某天然氣凈化廠物聯(lián)網(wǎng)管理平臺框架示意

3 結(jié)束語

在該天然氣凈化廠現(xiàn)有條件下，通過增加智能測量儀表、優(yōu)化和完善DCS功能、增加儀表設(shè)備管理系統(tǒng)、增加轉(zhuǎn)動設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、完善FGS的配置、補充完善工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、增加智能機器人輔助巡檢方式、增加物聯(lián)網(wǎng)管理平臺功能等方式，實現(xiàn)天然氣凈化廠無人巡檢模式，實現(xiàn)人工巡檢內(nèi)容和巡檢范圍的全覆蓋，巡檢效果和質(zhì)量優(yōu)于人工巡檢，從而無人巡檢模式替代人工巡檢模式。無人巡檢模式的實施可以有效降低操作人員高頻率的暴露在危險工作環(huán)境中的安全風(fēng)險；提高勞動效率，降低勞動強度，減少重復(fù)性工作的頻次，節(jié)約企業(yè)人力資源；減少人工記錄表格，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無紙化，符合節(jié)能降耗、綠色辦公的理念；提升天然氣凈化廠信息化管理水平，推進智能天然氣凈化廠建設(shè)。