海上油氣平臺智能巡檢體系

曾楠諾，曹貴，李偉，金云智，韓玉林，杜超

(1.中海石油(中國)海南分公司，海南 海口 570100；2.中海石油(中國)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

按照國家發(fā)展建設(shè)海洋強國的戰(zhàn)略目標(biāo)，海上油氣開采力度持續(xù)增大，同時大數(shù)據(jù)、人工智能、無線通信等技術(shù)迅速發(fā)展，海上油氣田的生產(chǎn)與管理模式不斷朝著更加安全、環(huán)保、智能、高效的方向發(fā)展。海上油氣平臺空間狹小、設(shè)施復(fù)雜，在面對生產(chǎn)介質(zhì)具有高壓、高毒、易腐蝕、易燃、易爆等問題的同時還需面對海上高溫、高濕、高鹽的“三高”環(huán)境。另外加上臺風(fēng)、海浪的影響，海上油氣平臺工藝波動、管線腐蝕、設(shè)備故障等問題經(jīng)常發(fā)生。充分利用各類巡檢技術(shù)與信息化手段，研究構(gòu)建海上油氣平臺智能巡檢體系，實現(xiàn)全面可靠的智能巡檢，是海上油氣平臺安全生產(chǎn)的一個重要議題[1]。

1 巡檢與巡檢分類

在油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，并未有真正意義的巡檢概念，原油從地層采出后直接進(jìn)行露天存儲沉降，處理過程粗獷隨意。但隨著技術(shù)發(fā)展以及安全環(huán)保要求的提升，原油從開采到處理到存儲全部被管道、容器限定在特定空間，泄漏、污染、爆炸等問題成為了重點關(guān)注的內(nèi)容，巡檢的意義逐漸凸顯出來。而伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，巡檢也從單一的人工現(xiàn)場巡查，逐漸發(fā)展出技術(shù)多樣巡檢手段，如DCS 遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控、火氣系統(tǒng)監(jiān)控、RDIF 射頻識別、視頻巡檢、智能巡檢機器人等。我國海上油氣開采起步晚但起點較高，平臺的DCS 系統(tǒng)幾乎可以監(jiān)控到所有工藝參數(shù)，且具備較完善的火氣與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，另外振動監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測等在線監(jiān)測系統(tǒng)也有較廣泛的應(yīng)用，具備構(gòu)建智能巡檢體系的較好基礎(chǔ)[2]。

1.1 巡檢安全管理系統(tǒng)發(fā)展

巡檢工作尤其是生產(chǎn)現(xiàn)場的日常人工巡查，嚴(yán)重依賴于人的責(zé)任心與業(yè)務(wù)水平。為更好地落實現(xiàn)場巡查，各油氣生產(chǎn)設(shè)施一般都制定有相應(yīng)的巡檢監(jiān)督管理體系，在石化領(lǐng)域?qū)ρ矙z工作的監(jiān)督管理大致可分為以下幾個階段：

(1)抽查制，指不定期地對巡檢工作進(jìn)行抽查，這種方法使用得最早，但漏洞較多管理者難以了解巡檢的實際情況。

(2)翻牌制，指在巡檢點掛牌，不同的牌代表不同的時間，巡檢人員按時去巡檢點翻牌，除采用掛牌方式外也可在巡檢點放置記錄簿，巡檢人員按時在記錄簿上簽到。兩種方式大致相同，對巡檢起到了一定的督促作用。

(3)巡視督考儀，通過采用微電子技術(shù)對巡檢工作進(jìn)行監(jiān)督考核。

(4)刷卡巡檢管理系統(tǒng)，將整個巡檢范圍劃分成若干區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置一個IC 卡亭，巡檢人員到該區(qū)域后，在IC 機上刷卡，將周圍設(shè)施巡視完畢后再刷卡離開。

以上四個階段，由抽查制到刷卡巡檢管理系統(tǒng)，其側(cè)重點都是現(xiàn)場巡檢情況的監(jiān)督檢查，實現(xiàn)的是監(jiān)督檢查方式的數(shù)字化。但現(xiàn)場的巡檢方式依舊為人工方式，效果提升比較有限。因此新型智能巡檢體系的構(gòu)建需轉(zhuǎn)變方向，重點研究新型智能化巡檢手段的使用，逐步降低人在現(xiàn)場巡檢工作中的直接參與度，實現(xiàn)油氣田現(xiàn)場少人化、無人化的巡檢。

1.2 海上油氣平臺日常巡檢分類

海上油氣平臺為實現(xiàn)油氣開采，安裝有大量的油氣生產(chǎn)專業(yè)設(shè)備與眾多配套輔助設(shè)備，同時海上平臺空間狹小，生產(chǎn)環(huán)境極為復(fù)雜。為確保油氣生產(chǎn)安全高效，平臺上一般設(shè)立有工藝、機械、電氣、儀表等不同專業(yè)的班組，對不同專業(yè)的設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、操作與維護。一般來說，海上平臺的日?，F(xiàn)場巡檢可按照巡檢專業(yè)和巡檢目的兩個不同方式進(jìn)行分類。

1.2.1 按照巡檢專業(yè)分類

(1)工藝專業(yè)巡檢，由工藝班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點主要在生產(chǎn)工藝參數(shù)，如工藝流程上分離器、管道、泵的流體介質(zhì)的壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)；

(2)機械專業(yè)巡檢，由機械班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點主要在機械設(shè)備的運行工況，如各類型泵、壓縮機的振動、軸承溫度、滑油情況以及各類設(shè)施結(jié)構(gòu)的連接情況、腐蝕情況等；

(3)電氣專業(yè)巡檢，由電氣班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點主要在電氣設(shè)備的運行工況，如電機的電流、電壓、絕緣等；

(4)儀表專業(yè)巡檢，由儀表班組的人員負(fù)責(zé)，其關(guān)注點主要在儀控設(shè)備的運行工況，如現(xiàn)場儀控柜、傳感、自控閥的外觀狀態(tài)與調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度等。

1.2.2 按照巡檢目的分類

(1)工藝監(jiān)控。為保證對工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)運行而進(jìn)行的巡檢，主要巡檢內(nèi)容為工藝流程中的壓力、溫度、液位、流量等。目前主要通過DCS 系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，在對該類參數(shù)的閾值報警、趨勢分析及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，在自控系統(tǒng)無法調(diào)整的情況下能及時通過人工干預(yù)的方式保障工藝系統(tǒng)的持續(xù)運行。

(2)工況監(jiān)控。為保障各機電儀設(shè)備安全穩(wěn)定運行而進(jìn)行的巡檢，主要巡檢內(nèi)容為各設(shè)備的電流、電壓、溫度、振動等。目前該類巡檢缺乏有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控手段，主要通過人員在現(xiàn)場進(jìn)行觀察或通過相關(guān)測量工具進(jìn)行檢查，未能實現(xiàn)較好的連續(xù)監(jiān)測。

(3)異常狀態(tài)監(jiān)控，主要分為異常事件巡檢與隱患排查兩類：異常事件可分為油氣泄漏與其他事件，油氣泄漏是油氣平臺巡檢最為關(guān)注的內(nèi)容，異常事件則包括：非油氣管線松動、脫落，聲音異響等；隱患排查內(nèi)容主要為罐體管線、設(shè)備設(shè)施的腐蝕情況、牢固情況、附屬器件完整性、隱蔽的跑冒滴漏情況等。異常狀態(tài)的巡檢關(guān)系到平臺的安全與穩(wěn)定，是巡檢的基礎(chǔ)內(nèi)容也是側(cè)重關(guān)注點。

2 海上油氣平臺智能巡檢體系的構(gòu)建

傳統(tǒng)的人工巡檢模式存在著效率低、覆蓋不全、監(jiān)測連續(xù)性差的問題，在海上開采設(shè)施愈發(fā)復(fù)雜、安全要求愈發(fā)嚴(yán)格的情況下，已經(jīng)無法滿足海上平臺的生產(chǎn)要求，急需構(gòu)建新型的智能巡檢體系。新型智能巡檢體系在巡檢方式上要充分利用新型傳感技術(shù)、圖像識別技術(shù)，以替代人工的現(xiàn)場巡檢。同時要充分考慮新舊巡檢手段的特性，通過合理的設(shè)置實現(xiàn)優(yōu)勢互補，并通過冗余配置，實現(xiàn)在少人、無人的參與條件下現(xiàn)場巡檢的可靠性與完整性。

2.1 新型巡檢技術(shù)運用

(1)紅外成像泄漏檢測技術(shù)。紅外成像泄漏檢測技術(shù)依靠氣體吸收紅外輻射，生成吸收光譜，可準(zhǔn)確捕捉油氣泄漏，同時還具有視頻成像、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點。目前我國利用激光作為光源的主動式氣體成像檢測技術(shù)使用很多，并較多的采用TDLAS 技術(shù)(可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù))，該技術(shù)具有適用性強、速度快、靈敏度高的特點。但目前海上常用的是點狀擴散式氣體檢測技術(shù)，只有當(dāng)可燃?xì)怏w擴散至檢測儀內(nèi)才能被檢測。所以當(dāng)檢測儀被泄漏后的原油堵塞，或受風(fēng)向影響時，往往會出現(xiàn)無法及時檢測到泄漏情況。而紅外泄漏檢測技術(shù)通過光反射、吸收檢測的方式進(jìn)行主動檢測，則可有效避免此類問題，具有更高的可靠性。

(2)智能巡檢機器人技術(shù)。智能巡檢機器人是搭載高清攝像頭、紅外攝像機、氣體泄漏檢測儀、溫濕度傳感器、音頻采集器等綜合平臺，它利用大數(shù)據(jù)分析、圖像識別等技術(shù)，擁有儀表讀取、溫度測量、泄漏檢測、局放監(jiān)測等功能。工業(yè)用智能巡檢機器人一般可分為無人機、水下巡檢機器人、地面巡檢機器人三類[3]。目前在海上油氣平臺使用較多的是地面巡檢機器人，其可分為掛軌式和地面移動式兩大類。其中掛軌式多用于配電間、電池間、變壓器間等室內(nèi)環(huán)境主要用于電氣巡檢，地面移動式主要用于在室外的油氣生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行油氣泄漏、表計識別等綜合巡檢。

(3)智能攝像頭技術(shù)。智能攝像頭主要利用圖像識別技術(shù)，并配合云臺以及無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)異常情況的實時監(jiān)測。目前智能攝像頭一般適用于對設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境及人員狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控巡查。對設(shè)備狀態(tài)巡檢，智能攝像頭實時讀取進(jìn)行設(shè)備的儀表，也可進(jìn)行畫面監(jiān)控，同時能對一些特定異常進(jìn)行及時報警。對內(nèi)外部環(huán)境監(jiān)控，智能攝像頭可進(jìn)行火災(zāi)識別、油氣泄漏識別、外部船只入侵檢測等活動。對人員狀態(tài)監(jiān)測，智能攝像頭主要可對人員勞保穿戴、人員跌倒、人員闖入、作業(yè)流程規(guī)范等內(nèi)容進(jìn)行識別與告警。

2.2 海上油氣平臺智能巡檢體系

結(jié)合新型智能巡檢手段，根據(jù)巡檢目的對海上巡檢任務(wù)進(jìn)行分解，逐一確定巡檢手段與層級，并最終構(gòu)成符合海上油氣平臺安全生產(chǎn)要求的覆蓋全面的智能巡檢體系。具體如表1 所示。

(1)工藝監(jiān)控：工藝監(jiān)控對實時性與準(zhǔn)確性要求極高，構(gòu)建的巡檢體系主要通過DCS 系統(tǒng)利用工藝流程上的壓力、溫度、液位、流量等傳感，實現(xiàn)第一級工藝監(jiān)控。同時利用移動智能巡檢機器人對關(guān)鍵參數(shù)的識別實現(xiàn)第二級工藝監(jiān)控，最后利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)第三級工藝監(jiān)控。通過三級監(jiān)控的冗余設(shè)計確保在現(xiàn)場無人、少人的情況下能對工藝流程進(jìn)行有效監(jiān)控巡查。

(2)工況監(jiān)控。提高振動監(jiān)測、絕緣監(jiān)測、紅外測溫、智能儀表診斷等各類新舊監(jiān)控手段的覆蓋范圍，實現(xiàn)對機械、電氣、儀表設(shè)備狀態(tài)由現(xiàn)場巡查到遠(yuǎn)程監(jiān)控的改變。以各類傳感監(jiān)控作為第一級監(jiān)控，利用移動巡檢機器人的聲音識別、圖像識別功能實現(xiàn)第二級工況監(jiān)控，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)第三級工況監(jiān)控。通過傳統(tǒng)監(jiān)測與新型監(jiān)測技術(shù)的融合互補，以三級冗余的設(shè)計模式確保對設(shè)備工況的連續(xù)可靠監(jiān)控。

(3)異常狀態(tài)。油氣泄漏監(jiān)控是海上油氣平臺巡檢的關(guān)鍵內(nèi)容，利用傳統(tǒng)點狀分布的火氣探測系統(tǒng)與更加靈敏的激光掃描探測系統(tǒng)可實現(xiàn)整體區(qū)域的泄漏檢測。并作為油氣泄漏的一級監(jiān)控，對局部重點區(qū)域利用移動巡檢機器人的探頭掃描，實現(xiàn)油氣泄漏的二級監(jiān)控，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的油氣泄漏識別功能，實現(xiàn)第三級監(jiān)控。其他事件如非油氣管線的脫落、異物遮擋、聲音異響等，則主要通過移動智能巡檢機器人和智能攝像頭的語音分析與圖像識別功能進(jìn)行判斷。整個巡檢體系充分利用傳統(tǒng)傳感、新型傳感、圖像識別、機器人技術(shù)，以三級冗余設(shè)計實現(xiàn)對現(xiàn)場異常情況的及時發(fā)現(xiàn)。

(4)智能巡檢體系可實現(xiàn)對安全生產(chǎn)的正向循環(huán)。對隱患排查，目前并無有效的智能化手段代替人工。而油氣平臺智能巡檢體系的建立，能很好地將人員從工藝監(jiān)控、工況監(jiān)控、事件監(jiān)控中解放出來，從而有更多精力進(jìn)行隱患排查，實現(xiàn)更早地解決各類隱患，促進(jìn)油氣平臺生產(chǎn)穩(wěn)定與工況優(yōu)良。而這又能進(jìn)一步降低人員現(xiàn)場巡檢的工作量，并可投入更多精力進(jìn)行隱患排查，從而最終實現(xiàn)安全生產(chǎn)的正向循環(huán)。

2.3 海上油氣平臺智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

海上油氣平臺智能巡檢系統(tǒng)以少人、無人的現(xiàn)場巡檢為目標(biāo)，結(jié)合各類巡檢手段以三級冗余設(shè)計為思路，圖1 為系統(tǒng)主要構(gòu)成，包括：DCS 系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、激光氣體探測系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)、動設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)、儀表健康監(jiān)控系統(tǒng)等，各類系統(tǒng)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的IT 技術(shù)路線進(jìn)行建設(shè)與整合，通過統(tǒng)一的智能巡檢平臺便可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施、人員環(huán)境的持續(xù)有效地全面巡查。

圖1 智能巡檢平臺系統(tǒng)構(gòu)成

3 結(jié)語

對現(xiàn)有各類巡檢技術(shù)進(jìn)行集中梳理，部署利用新型智能化巡檢技術(shù)，充分發(fā)揮各類巡檢技術(shù)優(yōu)點，構(gòu)建海上油氣平臺智能巡檢體系，可形成以下效益：

(1)可將各巡檢手段進(jìn)行有效融合，充分發(fā)揮各巡檢手段的優(yōu)勢，為海上油氣平臺提供全面、可靠的巡檢保障；

(2)可有效減少人員在現(xiàn)場巡檢中的風(fēng)險，降低人員勞動強度，并可有效提高巡檢效率與質(zhì)量；

(3)可有效釋放人力讓人員可以著重進(jìn)行隱患排查，從而實現(xiàn)現(xiàn)場安全的正向循環(huán)。