三维地理应急系统在含硫气田开发过程中的建设与应用(安全)

 三维地理应急系统在含硫气田开发过程中的建设与应用(安全)

                 余忠仁¹，潘用平¹，付  新¹，高  伟²

（1．中石油西南油气田分公司川中油气矿，四川遂宁629000；2．北京睿呈时代信息科技有限公司，北京100016）

摘要：针对四川复杂地形含硫气田开发过程中可能出现的火灾、爆炸、原料气泄漏等突发事故，难以及时判断事故的发展趋势并确定有效的应对措施，加之对事发点周边的社会和地理环境不熟悉，极易造成群死群伤事故。研究了适用于安全监管与应急防控一体化的管理系统及“平战结合”的运行模式，开发了石油化工领域专用的空间GIS平台，以空间关系做为数据关联分析的底层逻辑，形成贯穿气田设计、建设、运营全生命周期的数据完整性管理体系。并重点针对含硫天然气事故灾害类型和应急支撑数据采集内容进行研究，形成应急管理与快速响应整套技术方法及示范工程，显著缩短了风险辨识和预警时间，提高了应急响应速度和应急决策能力。

关键词：含硫气田；空间GIS；全生命周期；协同演练；灾害推演

中图分类号：X937   doi:  10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 022

0  引言

    含硫气田地面工程的场站和管道等设施分布点多，线长、面广，一旦发生原料气泄漏将会给周边社会的人员和环境安全带来严竣挑战，极易发生次生或衍生事故。应急体系建设方面，普遍重视组织机构与物资装备建设，一般只能应对企业生产区域范围内的突发事件，面对四川地区地形复杂居民杂散分布的特殊情况，一旦出现采（集）气管线泄漏或超出厂（场）区范围的事故灾害，其响应时间和处置能力将面临巨大挑战，且与周边社会应急队伍的协同还未列入日常化训练的范畴。应急管理方面，川东北高含硫气田在开发建设过程中进行大量的风险辨识与评估工作，按照采气管线的走向开展了大量环境调研工作，编制了应急疏散区图册，可供突发事件情况下查阅。应急准备方面，普遍对本单位生产人员和应急抢险人员进行周期性培训演练，能够在一定程度上提高企业自身应急响应能力，但一般的应急培训靠讲课和桌面推演，不易理解且效果不佳。应急支撑技术方面，普遍注重现场数据和视频监测以及应急通讯系统的建设，缺乏针对应急所需决策信息进行全面有效采集与高效分析的数据支撑体系，含硫气田发生火灾、爆炸、原料气泄漏等类型灾害，难以及时判断事故的发展趋势并确定有效的应对措施；加之对事发点周边的社会和地理环境不熟悉，极易造成群死群伤事故，如何能够在突发事故灾害后第一时间做出科学的判断和有效的决策，是企业安全管理人员和应急指挥员面临的一大挑战。

1  系统设计与构建

1.1  业务需求与系统定位

    气田运营企业普遍认为应急管理或应急准备工作应围绕事故这个关键点展开，偏重于事故发生后如何能够及时响应和开展救援，也就更多的把注意力投放在应急业务支撑软硬件的建设中，例如：按照国家法规要求编制应急预案并周期性更新，组建应急抢险专业队伍并配备各类救援设备，进行周期性应急培训并开展现场演习，以及按照设计规范储备相应的应急物资等，这些应急准备工作的目标是在事故发生后最大限度的降低事故的损失。

    按照安全管理领结理论，事故发生前管理的目标是控制隐患的出现以及转变为事故的触发因素，从这个角度出发提出了“平战结合”的应急管理方法以及应急系统建设目标，将现场的管理和风险监测预警纳入应急管理范畴，从而用广义上的应急理论来指导系统建设，即从三个层面开展应急管理（如图1所示）。

 

    第一个层面，围绕现场运行的采气、输气、净化设施，对其进行全生命周期的数据完整性管理（即贯穿设计、建设、生产运营全过程的各类数据及时采集入库），同时对物料属性、工艺过程状态参数、周边人员与社会环境以及作业人员的现场操作过程等进行持续数据采集和监测，做到现场全面感知。

    第二个层面，通过持续跟踪气田设施运行状态的动态评估数据（如：管道腐蚀检测数据、巡线数据、温压流数据、隐患排查数据等），及时发现和消除隐患同时又实现系统对各类风险的持续记录，一旦出现突发事件做到信息可查询、问题可追溯，便于快速查明原因采取处置措施。

    第三个层面，一旦发生突发事件，基于对现场设施设备、周边环境的掌握，结合过程中风险因素的分布以及系统集成的各类动态、实时数据，可为决策者提供及时、全面、准确的数据支持，便于快速决策。另外，应急演练业务也可在预案制定的演习计划基础上，持续根据风险、隐患的变化趋势调整演练内容和目标，促进训练内容更大限度实用化。

1.2  系统构建

    通过研发气田行业专用3DGIS平台，采用N层架构设计，实现各层之间独立封装，便于工业部署和日后维护升级。系统建有独立的施工期数据采集填报功能，可实现伴随式数据采集和入库，集成生产管理类、安全管理类系统，并通过统一的ETL总线发布接口为应用层提供数据服务（如图2所示）。

 

    应用层按照气田建设阶段划分为两个阶段类功能，其中设计和建设期的主要服务于现场数据采集、填报、查询；运营期通过日常生产、安全、设备资产管理保持系统数据及时更新和操作不断熟练，该类数据又供模拟演练进行使用并校验数据的准确性，一旦发生突发事件进行应急处置和辅助决策，确保数据可及时全面获取。

    从数据建设方面打造三个专业类型数据库，即设备完整性数据库，生产／安全实时数据库，应急专业支撑数据库，基于上述平台围绕安全与应急管理核心业务达到井场无人化值守和风险在线预警，一旦出现异常报警系统可自动触发灾情判定并实现“八级截断、三级放空”，

同时基于平台的融合通讯进行企地应急联动，业务模型如图3所示。

 

2  建设成果与现场应用

    该项研究围绕提高气田的应急管理水平和应急处置能力，重新将生产控制类系统与安全监测类系统进行了数据和应用层面的整合，依托三维地理应急系统的可视化数据承载与计算分析能力，实现了以下业务应用。

2.1  周边环境与敏感目标可视化动态管理

    建立了覆盖全气田工区范围的高精度三维地形地貌，在此基础上采用应急信息调绘的方式，将井站、站场与原料气管线周边1km范围内的单户居民与周边2 km范围内的敏感目标定位入库（如图4所示）；此外还包括采气设施周边5 km范围内的应急救援力量及应急抢维修道路进行矢量化入库，并通过巡线队的管道巡线系统进行周期性数据更新，实现了对系统计算确定疏散人员的短信群发快速通知功能，较以往人工通知和喊话的形式，有效缩短了应急疏散时间。

 

2.2形成全工艺链完整性管理平台

    系统实现过程数据实时采集和流程建模，打造工艺的完整性管理平台，使其成为伴随气田设计、建设、运营全生命周期管理基础数据承载和应用系统，实现了井筒完整性、管道场站完整性管理数据持续入库，并通过标准类型的工业接口与气田现有工业控制网（气田物联

网）上各类实时监测控制系统建立数据集成通道，将具有含硫气田特殊业务逻辑的工业大数据变为企业生产管理、安全管理与应急管理的可用“资产”，并支持透明化调用与跨系统共享，实现“测、控、管、用”的网络化，初步形成了气田业务管理“互联网+”的雏形。

 

    基于该“互联网+”业务管理形态，现有生产及安全业务逐步趋向现场无人化和控制集中化，实现了采气、集输、净化全产业链一体化调度管控，消除多机构交叉管理与现场交叠控制产生的“真空地带”，减少人为分析工作量和现场高危环境暴露时长，在减员增效的同

时降低了企业运维风险。

2.3  集成事故计算模型建立三维应急系统

    1)系统集成了行业权威的火灾、爆炸与气体泄漏快速计算模型，特别针对四川地区复杂地形和气象特征进行数据匹配，支持实时气象监测数据采集，可在演练或真正事故发生时第一时间推演有毒气体（重气体）的扩散范围，把以往通过大型服务器运算数十个小时的工作时长，极大的缩短到数十秒给出结果并贴合地形进行疏散人员分析，为应急指挥和疏散赢得了宝贵时间（如图7所示）。

 

    2)建立动态可视化的预案管理技术，按照事故类型和预案级别编制可视化应急处置方案并分别关联到各井场及场站等作业单位，并将充分论证的应急处置流程图转换为系统的应急处置指挥导图，可指导企业调度中心的应急接警、处警人员进行快速调度，自动关联和推送应急指挥决策所需信息，紧密围绕接警后黄金半小时如何开展有效处置和救援进行业务流程组态，为一线应急指挥和科学快速处置提供了直接有效的指导方案（如图8所示）。

 

    3)基于事故影响范围计算，系统可快速检索地方公安、消防、医疗救护等应急救援力量信息，通过群发短信与融合通讯等方式通报事故灾情并争取配合，应对必要的警戒、疏散、救护等周边社会范围应急处置需要，实现企业与地方应急协同联动。

    4)系统植入了采气、集输、净化的工艺流程数据并实现过程建模，通过事故点上下游工艺查询分析，快速分析确定应急控制方案，并由关联的SCADA系统实现远程控制，全气田范围内可在事故发生后第一时间实现“八级截断、三级放空”的远程操控，无需人员现场操作，提高反应速度的同时大大降低了人员伤亡的风险。

    5)基于3DGIS平台技术进行气田三维场景构建与属性数据植入，实现气田现场可视化、培训可视化和演练可视化，结合真实生产工艺及设备三维实景，形成观摩受训和交互演练相结合的应急培训形式，并定期开展系统模拟应急演练，使机构人员应急处置能力提升与系统应急支撑数据更新互为促进。

2.4优化配套应急管理机制

2. 4.1  结合三维应急系统开展应急培训

    将生产工艺流程、设备操作规程、应急流程等文件植入系统，并结合三维场景生成可视化操作过程，以对各作业单位操作工、管理人员等进行应急处置流程培训，并开展设置情景的应急模拟演练，提高应对突发事件的处置能力。

2.4.2  固化应急疏散信息定期更新

    为实现更为快速的应急响应和周边居民疏散，将系统中的应急信息按照事故推演分析结果，分为八个方向导出居民信息并打印成册，配合应急疏散路线图制成“陕速疏散手册”，一旦出现突发事件确定风向后可直接组织疏散。

 

2.4.3  掌握应急救援力量与应急物资动态

    基于系统应急救援力量数据，通过定期联络实现数据更新和有效性检验，并对应急物资库储备的物资进行出入库管理，做到应急时调度可行、物资可用。

2.4.4  实景演练

    将应急演练分级细化到班组，列入应急预案并报备，形成应急演练制度，每半年开展一次气矿级应急演练，每季度开展一次作业区级应急演练，半月一次班组级应急演练。

2.4.5  基于数字化的应急处置

基于应急支撑数据库的动静态数据，在应急处置过程中实时获取气象参数以及采气、集输运行参数．结合事故计算模型与推演模型快速分析事故趋势，通过系统快速通知应急处置人员与疏散人员，同时在开展现场应急抢险时可调阅设备制造、安装、检维修信息，快速制定抢修方案；在厂（场）外应急过程中可通过系统联系地方政府及各类应急救援队伍，并使用系统通报灾情协调救援，提升了响应速度和处置能力。

3  结论

    1)本项目研究针对油气田开发生产所涉及的管理内容，融合地质油藏、地面场站、管道线路等三大类特性数据体系进行一体化的数据承载和场景构建，研发了完全自主知识产权的油气田专用空间GIS平台。

    2)结合含硫气田风险评估报告、安全评价、应急预案以及专家论证意见，形成应急支撑数据采集标准，对含硫天然气采气设施周边“三个缓冲带”的数据采集标准进行明确定义，并在南充某含硫气田和遂宁某含硫气田进行了伴随式数据采集实践，大幅提高了决策支持能力。

    3)对重气泄漏快速数值模拟分析模型进行了创新，并通过自动化高程数据导入与实时气象参数导入等方式实现了零建模过程，从大型服务器计算几十个小时优化为数十秒钟计算过程，提高应急推演分析速度和科学性。

    4)通过虚拟现实生产场景和实时生产监测数据集成，实现了应急协同演练和现场演习的有机结合，使现场数据采集、人员行为回传、系统模拟分析、指挥指令下达等环节之间无障碍，切实提高演练真实性和战时指挥的有效性。