智能管道发展现状及具体领域智能化的探讨

陈传胜 李 丹 尹 恒 王盼锋 全 青 王寿喜

1. 中国石化川气东送天然气管道有限公司, 湖北 武汉 430000; 2. 西安石油大学石油工程学院, 陕西 西安 710065

0 前言

2017年,我国发布的《中长期油气管网规划》指出:目前中国运营的油气管道里程为12×104km,到2025年将达到24×104km,形成主干互联、区域成网的全国网络。针对建设规模日益庞大的油气管网,对管道高效运营和安全管理的要求越来越高,管道发展迎来新机遇。

随着大数据、物联网、移动互联、数字孪生及人工智能(AI)等新一代信息技术的提出与发展,“智慧地球”战略付诸实施,油气管道行业也积极推进与新兴技术的融合创新,开拓智能管道的发展道路[1]。

1 智能管道介绍

智能管道集智能感知、智能预判、智能管控和自适应于一体。管道从数字化向智能化的发展,可以理解为从代替人的眼(如无人值守、视频巡检、异常报警)向代替人的手(如远程启停、机器人)和脑(如智能决策、诊断预警)的发展。智能化管道系统的具体建设内容[2]见表1。

表1 智能化管道系统具体建设内容表

管道系统的智能化建设过程中,充分利用物联网、大数据、人工智能、数字孪生等新兴技术,做好数据实时采集及标准化、数据数字化移交、大数据智能分析、管道数字孪生体构建、智能算法模型建立等工作[3],实现管道系统的全面感知、综合预判、一体管控和自适应优化,并且能在某些关键部位进行自主决策和操作。典型智能管道的整体架构包括感知层、网络层、数据层、算法层和应用层[4],总体架构见图1。

2 智能管道建设现状

在管道智能化建设方面,国外发达国家起步较早。目前,在管道建设过程中应用物联网数据采集、云计算和大数据等信息技术较为成熟的国家有美国、加拿大和意大利,不同管道公司在建设智能管道上也各有特色[5],见表2。

近年来,随着信息技术和管道完整性管理技术的逐步发展,我国智能管道、智慧管网的建设陆续展开,并有了一定的探索成果,油气管道的建设逐步由数字化向智能化发展,见图2。但就目前的建设状况来说,感知技术(包括传感器精度、感知能力以及感知范围)还有待加强,数据标准化统一化程度低、数据规范差异大,大数据、数字孪生等技术应用的广度和深度有待提升,数据挖掘、智能决策等方面仍有待突破。

图1 智能管道总体架构图Fig.1 The overall architecture of the smart pipeline

表2 国外智能管道建设特色做法表

图2 我国油气管道信息化发展历程图Fig.2 Informatization development of oil and gas pipelines in China

中国石油在国内最早提出了“数字化管道”的概念,并于2004年首次应用于西气东输冀宁管道联络线。在管道建设期间,应用遥感、数字摄影测量等数字化技术[6],建立起管道信息管理系统,实现管道工程项目建设和运营管理的信息化,西气东输冀宁管道是我国第一条数字化多功能管道。后经过不断规划和探索,建设管道ERP系统、管道工程建设管理系统(PCM)等核心应用系统,构建了包含管道勘察设计系统、管道项目建设管理系统、管道运营管理系统的数字化管道体系[7]。中国石化于2007-2008年开展的数字化管道建设,始于榆济管道工程,将二维GIS系统作为基础平台,采集了包括管道走向、埋深等多类施工数据,叠加了影像图。后在川气东送管道上全面深入建设数字化管道,建设了3 D管道GIS系统,完善施工数据,完成GPS巡检、GMS、运行仿真等,并建成了管道专业地理信息系统。

随着物联网、大数据等新兴技术的迅速发展,智能化管道的建设逐步提上日程。中国石油将互联网技术与GIS、SCADA等自动化管理技术相结合,建设PIS管道完整性管理系统,应用于多家单位所辖管线,有效降低了管道事故率。2017年6月,中国石油通过中俄东线智能管道试点全力推进智能管道的建设,应用PIS系统,通过管道工程建设管理系统(PCM)获取中俄东线建设期间的钢管、防腐层等多类数据,构建了中俄东线的数字孪生体,并实现建设期间有关钢管、防腐层等的多类数据全数字化移交,成为我国首条第三代管道。2014年,中国石化正式启动智能管线的建设,建成具有管线数字化管理、管线完整性管理、管线运行管理、应急响应、防患治理、综合管理6大功能的智能化管线管理系统,实现管线管理水平和管线防患预测、风险管控、应急处置等管网安全管控能力的提升[8]。2018年中国石化投产的川气东送智能诊断项目,为实现天然气长输管道智能化运行管理与实时诊断,充分应用物联网、数字孪生等技术,以管网运行可视化、可监测和可决策为目标,研究智能诊断技术,为天然气长输管道系统的调度管理和操作控制提供科学手段。

3 油气管道具体领域智能化发展现状

随着油气管网的愈发庞大和复杂,管道经济运行、安全管理的要求也越来越高。对天然气管网进行运行优化,可以提高输送效率,大幅降低运行成本,从而辅助决策集输配气方案[9]。在生产过程中,油气管线一旦发生泄漏,将会对人民生命、财产以及环境造成巨大伤害[10]。同时在管网运行期间也会产生各类其他异常,科学、有效地进行油气管道诊断、预警已成为油气管道行业管理中的重大研究课题[11]。对管网的未来状态进行预测,亦具有重要的指导意义。燃气负荷是城市燃气设计、调度的理论依据,是燃气管网优化的根基。科学、准确地对未来指定时段的用气量进行预测,会给整个天然气长输管线带来良好的投资效益和可靠的决策支持,还关系到城市燃气管网规划能否更好地适应新型能源结构、用户结构和居民生活方式等问题[12-13],预测结果可指导生产调度、合理规划燃气用量。国内外学者结合智能算法对油气管道的具体领域做了深入研究,见表3。

表3 具体领域智能化发展现状表

研究发现,大量算法仅停留在理论阶段,还未结合生产实际应用于智慧管网的建设中。管网运行优化大多偏于稳态计算,同时鉴于天然气管道的愈发庞大和复杂,模型的建立亦需要从提高运算速度着手加深研究[14]。泄漏检测理论研究丰富,但检测的精度与准确定位还不能达到理想要求[15-16],可结合管道的实时瞬态模型,加深相关算法研究,降低误报率,实现准确、快速检测与定位。诊断预警的算法虽多,但存在较大的局限性[17]。油气管道事故类型复杂多样,包括管线泄漏、仪表阀门故障、场站设备异常等。应深入研究异常类型及信号特征,充分利用现场管道生产运行数据结合大数据、数字孪生等技术进行故障诊断,以管道系统异常诊断和预警为目标,向智能化方向发展。传统负荷预测模型在某方面具有一定的稳定性,不断涌现基于AI的高精度预测模型及其优化组合模型是燃气负荷预测模型的发展方向[18-20]。

4 结论和建议

油气行业处于结构调整和转型升级的关键期,智能化是油气管道行业发展的大趋势。目前我国的管道智能化建设整体还处在初级阶段,对于智能管道未来的建设,提出以下三点建议。

1)数据是基础。基于物联网等技术的数据采集手段已经足够丰富,已能采集到管道运行期间的大量生产数据,但需统一数据标准,同时若能结合人工智能等技术,做到数据智能前端处理,部分数据就地处理,则会为系统运算节省时间。

2)加强数字孪生技术的应用。构建管网数字孪生体,从而高度反映管网全生命周期的实体行为和运行状态。针对管道建设运营期间产生的大量数据,基于人工智能、机器学习、模式识别等,加强数据挖掘能力,构建未来知识,并充分了解知识网络,建立人机混合智能综合决策模型,形成智慧决策。

3)基于管网数字孪生体,深入研究油气管道各类异常的诊断和预警技术,对管道运行进行实时监测,结合关联规则挖掘、报警聚合等技术,做到事故报警预警,保障管网安全运营。