高含硫氣田集輸管道安全保障與衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

2001年，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（asme）和美國石油學(xué)會(huì)（api）發(fā)布了氣體和液體管道的完整管理規(guī)范，引起了全球管道行業(yè)的高度關(guān)注，并成為一種普遍認(rèn)可的管道管理模式。中國石油、中國石化兩大集團(tuán)針對(duì)一些重點(diǎn)管道成立了完整性管理的專門機(jī)構(gòu),并取得良好效果。但近期在川北、川東北地區(qū)開發(fā)的大型氣田均為高含硫氣田,地層壓力普遍較高,地層流體多含H2S酸性氣體,易造成管柱H2S應(yīng)力腐蝕、泄漏;氣田多位于山區(qū)復(fù)雜地理環(huán)境區(qū)域或地震活躍帶,山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害頻發(fā),現(xiàn)有的管道完整性管理方法難以實(shí)施。此外,部分山區(qū)通信交通極為不暢,嚴(yán)重威脅集輸管道的正常運(yùn)行,給應(yīng)急救援帶來極大不便。因此,迫切需要使用不受地理、交通、電力限制的通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)油氣集輸管道完整性的遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用衛(wèi)星定位、通信系統(tǒng)組建衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng),能夠在常規(guī)專網(wǎng)、公網(wǎng)中斷或國外衛(wèi)星通信掐斷的情況下,確保油氣田管道正常運(yùn)輸,以及在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害或重大事故時(shí)輔助實(shí)施應(yīng)急救援功能,保障國家公共安全。1衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)2005年在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告中的定義,物聯(lián)網(wǎng)泛指任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、任何物體之間的互聯(lián)和信息互通的系統(tǒng),涉及的技術(shù)主要包括無線、有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),傳感器技術(shù)和智能終端技術(shù)。采用傳感器獲取油氣管道相關(guān)數(shù)據(jù),利用現(xiàn)場智能終端通過衛(wèi)星系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與管道監(jiān)控中心服務(wù)器互傳數(shù)據(jù),即組建衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油氣管道監(jiān)控。該方法涉及的衛(wèi)星系統(tǒng)具體是指北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和中國通信衛(wèi)星系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng),利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供全天候、區(qū)域性衛(wèi)星定位及短報(bào)文通信應(yīng)用服務(wù)。該系統(tǒng)一般不受通信信號(hào)和空間距離的影響,有利于偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋作業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸。目前有兩大運(yùn)營商為入網(wǎng)用戶提供多種類型的北斗衛(wèi)星接入機(jī),各用戶使用接入機(jī)和民用版本通信協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能:(1)定位,確定目標(biāo)所處地理位置,并向用戶及監(jiān)控中心雙方提供定位信息,定位精度<10m;(2)通信,用戶與用戶、用戶與監(jiān)控中心系統(tǒng)間均可實(shí)現(xiàn)雙向簡短報(bào)文通信及Internet數(shù)據(jù)傳送;(3)授時(shí),北斗中心控制系統(tǒng)定時(shí)播發(fā)授時(shí)信息,同時(shí)為用戶提供時(shí)延修正值。中國通信衛(wèi)星系統(tǒng)是指Ku頻段中國通信衛(wèi)星、轉(zhuǎn)發(fā)器以及利用甚小口徑衛(wèi)星終端(VSAT)技術(shù)構(gòu)成的VSAT小站,利用Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻信號(hào)傳輸功能,相關(guān)設(shè)備和頻段由中國衛(wèi)星通信營運(yùn)公司提供。VSAT小站是衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)設(shè)備,主要包括甚小口徑天線、箱體設(shè)備,以FDM/TDMA方式工作,與中國通信衛(wèi)星Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器無線連接。2應(yīng)急救援中心及監(jiān)控現(xiàn)場確定針對(duì)我國油氣田開發(fā)的實(shí)際需求,利用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的管道完整性遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象包括:油氣集輸管道及管道閥室的工作狀況,管道周圍山體的活動(dòng)情況,H2S氣體濃度、應(yīng)急救援中心移動(dòng)指揮車、救援車和救援人員所處位置及周邊環(huán)境狀況等。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)包括監(jiān)控現(xiàn)場、衛(wèi)星信道、衛(wèi)星地面接收站和管道監(jiān)控中心4部分(圖1)。針對(duì)上述監(jiān)控對(duì)象的特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)現(xiàn)場監(jiān)控型終端和現(xiàn)場救援型終端兩類現(xiàn)場智能終端。2.1現(xiàn)場救援型終端現(xiàn)場監(jiān)控型終端包括:管道閥室監(jiān)控終端、管道完整性監(jiān)控終端、無線終端,分別安裝在上述各監(jiān)控點(diǎn)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù),再利用北斗衛(wèi)星接入機(jī)、中國通信衛(wèi)星VSAT小站設(shè)備、無線傳輸模塊、Internet等進(jìn)行組網(wǎng),構(gòu)建具備衛(wèi)星定位、通信功能的管道完整性監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場救援型終端包括:移動(dòng)指揮車終端、救援車終端和救援人員終端,由指揮車、救援車、救援人員攜帶,輔助實(shí)施應(yīng)急救援。北斗衛(wèi)星、中國通信衛(wèi)星接收到現(xiàn)場監(jiān)控終端和現(xiàn)場救援終端的數(shù)據(jù)后,通過衛(wèi)星信道將全部數(shù)據(jù)傳輸給衛(wèi)星運(yùn)營商的地面接收站,站內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器根據(jù)終端標(biāo)識(shí)號(hào)保存數(shù)據(jù),并向互聯(lián)網(wǎng)提供加密訪問端口。管道監(jiān)控中心應(yīng)用服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)訪問該加密端口,實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星地面接收站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接,獲取各現(xiàn)場智能終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),完成與各現(xiàn)場終端的互聯(lián)互通。2.2無線局域網(wǎng)監(jiān)控終端安裝于管道沿線各閥室的管道閥室監(jiān)控終端,負(fù)責(zé)采集和傳輸閥門的壓力、開關(guān)狀態(tài)、閥室油氣溫度等參數(shù),并可根據(jù)報(bào)警條件向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息。安裝于油氣集輸管道沿線陰極保護(hù)站附近,或安裝于需要進(jìn)行山體位移監(jiān)控的特殊地段的管道完整性監(jiān)控終端,負(fù)責(zé)測量并上傳陰極保護(hù)電位、山體位移、H2S氣體濃度數(shù)據(jù);對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)控的油氣管段,配以圖像及視頻監(jiān)控,并對(duì)管道進(jìn)行衛(wèi)星定位,實(shí)現(xiàn)管道完整性監(jiān)控,從而防止重大事故發(fā)生。該終端可組建無線通信網(wǎng),并設(shè)為無線通信主站。安裝于管道完整性監(jiān)控終端附近的無線終端,其功能和管道完整性監(jiān)控終端一致。在某些需要多點(diǎn)監(jiān)測或無市電、農(nóng)電供給的危險(xiǎn)區(qū)域以及衛(wèi)星信道受阻區(qū)域,可由多個(gè)無線終端構(gòu)成監(jiān)測陣列,采集的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)傳輸給管道完整性監(jiān)控終端后,再通過衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)?？刹捎玫臒o線傳輸方式包括ZIGBEE、自由波等,利用太陽能供電,擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域。2.3語音互通終端移動(dòng)指揮車終端安裝在移動(dòng)指揮車上。在常規(guī)通信中斷或發(fā)生油氣泄漏等重大事故時(shí),移動(dòng)指揮車到達(dá)事故現(xiàn)場附近。移動(dòng)指揮車終端在事故地點(diǎn)25km半徑范圍內(nèi)建立無線數(shù)字語音集群通信網(wǎng),與救援人員終端建立無線語音通信連接,同時(shí)將無線數(shù)字語音集群通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信連接,保證救援人員與監(jiān)控中心指揮人員之間的語音通話。該終端能定位指揮車并自動(dòng)將定位數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心服務(wù)器,方便監(jiān)控中心指揮人員做出正確的調(diào)度。救援車終端安裝在救援車上。在發(fā)生油氣泄漏等重大事故或通信中斷的情況下,救援車到達(dá)現(xiàn)場施救和處理事故。終端可將現(xiàn)場情況及周邊環(huán)境以圖像及視頻方式向監(jiān)控中心傳輸,方便救援指揮人員做出正確的判斷,采取正確的施救方案。該終端能定位救援車并自動(dòng)將定位數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心服務(wù)器,方便監(jiān)控中心指揮人員做出正確的調(diào)度。救援人員終端由救援人員攜帶。在發(fā)生油氣泄漏等重大事故或通信中斷的情況下,救援人員到達(dá)現(xiàn)場施救和處理事故,利用該終端實(shí)現(xiàn)在無線數(shù)字語音集群通信網(wǎng)內(nèi)通話,與監(jiān)控中心指揮人員實(shí)現(xiàn)語音通話。該終端能對(duì)救援人員定位并自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心服務(wù)器,方便監(jiān)控中心指揮人員做出正確的調(diào)度。2.4監(jiān)控現(xiàn)場終端的改造監(jiān)控現(xiàn)場主要包括北斗衛(wèi)星信道、中國通信衛(wèi)星信道、無線數(shù)字語音信道和無線信道4種信道。多信道傳輸方式尤其適用于山谷、狹長地域或地理?xiàng)l件復(fù)雜區(qū)域的油氣站場、管道狀況的監(jiān)控和應(yīng)急救援通信。對(duì)于數(shù)據(jù)量不大的監(jiān)控點(diǎn),可直接利用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文方式與監(jiān)控中心服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù);對(duì)于需要圖像視頻監(jiān)控的監(jiān)控點(diǎn),可租用中國通信衛(wèi)星信道傳輸數(shù)據(jù);對(duì)于需要語音通話的場合,利用無線數(shù)字語音信道構(gòu)建無線數(shù)字語音通信網(wǎng);對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)受阻或有地質(zhì)危險(xiǎn)的區(qū)域,利用無線信道構(gòu)建無線通信網(wǎng),再利用衛(wèi)星信道遠(yuǎn)傳。每個(gè)終端在網(wǎng)內(nèi)有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào),采用透明傳輸方式與監(jiān)控中心服務(wù)器通信。某油氣管道途經(jīng)高山河谷地帶,交通閉塞,無移動(dòng)通信公網(wǎng)覆蓋,適合采用衛(wèi)星信道傳輸數(shù)據(jù)。以該管道為例,制定監(jiān)控現(xiàn)場終端組網(wǎng)方案(圖2,曲線代表某段油氣管道走向,黃色擴(kuò)散線代表中國通信衛(wèi)星信道,藍(lán)色擴(kuò)散線代表北斗衛(wèi)星信道)。該區(qū)域內(nèi)救援人員終端、救援車終端、移動(dòng)指揮車終端、管道閥室終端、管道完整性監(jiān)控終端可通過北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位,并實(shí)時(shí)上傳定位信息。管道閥室終端、完整性監(jiān)控終端可通過北斗衛(wèi)星信道傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),并通過中國通信衛(wèi)星信道傳送圖像、視頻信息。此外,移動(dòng)指揮車可通過中國通信衛(wèi)星信道實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場語音通信網(wǎng)與監(jiān)控中心的語音通信。3終端電路組成該物聯(lián)網(wǎng)涉及多種現(xiàn)場智能終端,為實(shí)現(xiàn)各種終端的通用和互換,降低系統(tǒng)維護(hù)成本,采用模塊化設(shè)計(jì),即各種終端采用相同的終端主體電路結(jié)構(gòu)和控制軟件,只需連接不同類型的功能模塊電路板和通信設(shè)備便可構(gòu)成不同的監(jiān)控終端電路(圖3)。終端主體電路可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)終端的控制、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)3個(gè)功能,并為整個(gè)終端提供電源。主體電路結(jié)構(gòu)是一塊安裝有多塊CPU、控制芯片、存儲(chǔ)芯片的電路主板,并配備有各種型號(hào)接口和安裝槽,方便安裝各功能模塊的電路板,可以連接不同的通信設(shè)備。主體電路通常采取低功耗措施和防爆措施,可安裝于防爆箱內(nèi)。3.2閥室監(jiān)控終端功能模塊針對(duì)不同監(jiān)控對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,為插卡式電路板結(jié)構(gòu)。包括:(1)管道閥室信號(hào)采集模塊,安裝4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)I/O口及數(shù)字I/O口,與閥室控制器連接,傳輸閥門壓力、開關(guān)狀態(tài)、閥室天然氣溫度、門禁開關(guān)等信息。(2)H2S濃度監(jiān)測模塊,安裝濃度傳感器,監(jiān)測站場、管道附近H2S濃度,并可設(shè)置報(bào)警限值。(3)管道陰極保護(hù)電位采集模塊,安裝電流信號(hào)I/O口和±5V電壓信號(hào)I/O口,與管道陰極保護(hù)樁的輸出線連接,獲取陰保電位信息。(4)山體位移信號(hào)采集模塊,安裝三軸傾角感應(yīng)芯片和海拔高度測量裝置,能感應(yīng)監(jiān)控終端相對(duì)于重力方向、水平方向的傾角大小變化及終端海拔高度變化,并轉(zhuǎn)化為位移量信號(hào),從而獲取管道周圍山體位移量和位移趨勢信息。(5)圖像及視頻監(jiān)控模塊,能與攝像頭連接,獲取圖像及視頻信息,并能控制攝像頭的開關(guān)狀態(tài)。3.3終端功能和具體配置根據(jù)上述各監(jiān)控終端的具體功能,將各功能模塊、通信設(shè)備進(jìn)行具體配置(表1)。4監(jiān)控終端的安裝各終端配備的功能模塊多為電路板形式,整體安裝在防爆箱內(nèi)構(gòu)成終端箱體部分。箱體可安裝在管道沿線附近、管道閥室、移動(dòng)指揮車和救援車內(nèi)。太陽能電池板、衛(wèi)星天線、攝像頭等為終端附件,配以支架安裝在屋頂或車頂。箱體和附件采用屏蔽電纜連接。以管道完整性監(jiān)控終端為例進(jìn)行說明。該終端附件多,功能模塊多,需在野外單獨(dú)放置,故采用整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行安裝。機(jī)構(gòu)分為主支架、箱體、副支架3部分,固定在管道陰極保護(hù)樁或管道周圍山體位移監(jiān)測點(diǎn)附近,并可與陰極保護(hù)站輸出線連接(圖4)。主支架底部安裝地腳螺絲,以水泥澆灌固定,支撐終端箱體。箱體分上下兩層,下層安裝蓄電池、信號(hào)處理機(jī)等設(shè)備,上層安裝電路主板和功能模塊電路板。箱體上部安裝3個(gè)副支架,以固定和支撐太陽能電池板、攝像頭、VSAT小站天線等終端附件。系統(tǒng)采用額定電壓12V,20A·h蓄電池和輸出功率50W的太陽能電池板。為保證系統(tǒng)安全,支架附近安裝避雷塔。5信息顯示系統(tǒng)管道監(jiān)控中心的監(jiān)控終端安裝管道完整性監(jiān)控管理軟件,該軟件能以數(shù)據(jù)、變化趨勢曲線、圖像、軌跡、地圖等多種方式顯示整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),方便監(jiān)控和管理人員進(jìn)行操作。該軟件界面主要包括:(1)管道閥室監(jiān)控界面,實(shí)時(shí)顯示閥室內(nèi)部閥門的壓力、開關(guān)狀態(tài)、閥室天然氣溫度數(shù)據(jù)信息和變化趨勢曲線;顯示閥室經(jīng)緯度、海拔高度信息;顯示報(bào)警數(shù)據(jù)信息,具備閥門遠(yuǎn)程緊急關(guān)斷功能。(2)管道完整性監(jiān)控界面,實(shí)時(shí)顯示H2S濃度數(shù)據(jù)信息和變化趨勢曲線,可以設(shè)置報(bào)警限值;實(shí)時(shí)顯示陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)信息和變化趨勢曲線,可以設(shè)置報(bào)警限值;以3D動(dòng)畫方式實(shí)時(shí)顯示檢測樁姿態(tài)和山體位移信息,實(shí)時(shí)顯示檢測樁經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)據(jù)信息;以圖像、視頻方式顯示檢測樁周圍環(huán)境狀況。(3)應(yīng)急救援監(jiān)控界面,以地圖方式實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)指揮車、救援車、救援人員的位置信息,數(shù)字語音集群通信網(wǎng)覆蓋范圍信息,網(wǎng)內(nèi)通話應(yīng)急語音通信機(jī)機(jī)號(hào)、信號(hào)狀態(tài)信息;實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)指揮車、救援車、救援人員經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)據(jù)信息;以視頻方式顯示救援點(diǎn)現(xiàn)場狀況。6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和效果分析目前該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分別于2010年12月、2011年6-7月在中國石油管道公司蘭成渝分公司成都站所轄管道,中國石化西南油氣分公司川西采氣廠石板灘輸配氣站、青白江配氣站,石板灘-斑竹園輸氣管道、青白江-大灣輸氣管道等多個(gè)測試點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行了近兩個(gè)月的性能試驗(yàn)和試用,監(jiān)控中心設(shè)在西南石油大學(xué)管道完整性監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi),并與其他數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行對(duì)比。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)和資料分析,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不依靠