三維地理應急系統在含硫氣田開發過程中的建設與應用(安全)

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

（1．中石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧629000；2．北京睿呈時代信息科技有限公司，北京100016）

摘要：針對四川復雜地形含硫氣田開發過程中可能出現的火災、爆炸、原料氣泄漏等突發事故，難以及時判斷事故的發展趨勢并確定有效的應對措施，加之對事發點周邊的社會和地理環境不熟悉，極易造成群死群傷事故。研究了適用于安全監管與應急防控一體化的管理系統及“平戰結合”的運行模式，開發了石油化工領域專用的空間GIS平臺，以空間關系做為數據關聯分析的底層邏輯，形成貫穿氣田設計、建設、運營全生命周期的數據完整性管理體系。并重點針對含硫天然氣事故災害類型和應急支撐數據采集內容進行研究，形成應急管理與快速響應整套技術方法及示范工程，顯著縮短了風險辨識和預警時間，提高了應急響應速度和應急決策能力。

關鍵詞：含硫氣田；空間GIS；全生命周期；協同演練；災害推演

中圖分類號：X937   doi:  10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 022

0  引言

    含硫氣田地面工程的場站和管道等設施分布點多，線長、面廣，一旦發生原料氣泄漏將會給周邊社會的人員和環境安全帶來嚴竣挑戰，極易發生次生或衍生事故。應急體系建設方面，普遍重視組織機構與物資裝備建設，一般只能應對企業生產區域范圍內的突發事件，面對四川地區地形復雜居民雜散分布的特殊情況，一旦出現采（集）氣管線泄漏或超出廠（場）區范圍的事故災害，其響應時間和處置能力將面臨巨大挑戰，且與周邊社會應急隊伍的協同還未列入日?；�訓練的范�?。應急管理方面，川東北高含硫氣田在開發建設過程中進行大量的風險辨識與評估工作，按照采氣管線的走向開展了大量環境調研工作，編制了應急疏散區圖冊，可供突發事件情況下查閱。應急準備方面，普遍對本單位生產人員和應急搶險人員進行周期性培訓演練，能夠在一定程度上提高企業自身應急響應能力，但一般的應急培訓靠講課和桌面推演，不易理解且效果不佳。應急支撐技術方面，普遍注重現場數據和視頻監測以及應急通訊系統的建設，缺乏針對應急所需決策信息進行全面有效采集與高效分析的數據支撐體系，含硫氣田發生火災、爆炸、原料氣泄漏等類型災害，難以及時判斷事故的發展趨勢并確定有效的應對措施；加之對事發點周邊的社會和地理環境不熟悉，極易造成群死群傷事故，如何能夠在突發事故災害后第一時間做出科學的判斷和有效的決策，是企業安全管理人員和應急指揮員面臨的一大挑戰。

1  系統設計與構建

1.1  業務需求與系統定位

    氣田運營企業普遍認為應急管理或應急準備工作應圍繞事故這個關鍵點展開，偏重于事故發生后如何能夠及時響應和開展救援，也就更多的把注意力投放在應急業務支撐軟硬件的建設中，例如：按照國家法規要求編制應急預案并周期性更新，組建應急搶險專業隊伍并配備各類救援設備，進行周期性應急培訓并開展現場演習，以及按照設計規范儲備相應的應急物資等，這些應急準備工作的目標是在事故發生后最大限度的降低事故的損失。

    按照安全管理領結理論，事故發生前管理的目標是控制隱患的出現以及轉變為事故的觸發因素，從這個角度出發提出了“平戰結合”的應急管理方法以及應急系統建設目標，將現場的管理和風險監測預警納入應急管理范疇，從而用廣義上的應急理論來指導系統建設，即從三個層面開展應急管理（如圖1所示）。

    第一個層面，圍繞現場運行的采氣、輸氣、凈化設施，對其進行全生命周期的數據完整性管理（即貫穿設計、建設、生產運營全過程的各類數據及時采集入庫），同時對物料屬性、工藝過程狀態參數、周邊人員與社會環境以及作業人員的現場操作過程等進行持續數據采集和監測，做到現場全面感知。

    第二個層面，通過持續跟蹤氣田設施運行狀態的動態評估數據（如：管道腐蝕檢測數據、巡線數據、溫壓流數據、隱患排查數據等），及時發現和消除隱患同時又實現系統對各類風險的持續記錄，一旦出現突發事件做到信息可查詢、問題可追溯，便于快速查明原因采取處置措施。

    第三個層面，一旦發生突發事件，基于對現場設施設備、周邊環境的掌握，結合過程中風險因素的分布以及系統集成的各類動態、實時數據，可為決策者提供及時、全面、準確的數據支持，便于快速決策。另外，應急演練業務也可在預案制定的演習計劃基礎上，持續根據風險、隱患的變化趨勢調整演練內容和目標，促進訓練內容更大限度實用化。

1.2  系統構建

    通過研發氣田行業專用3DGIS平臺，采用N層架構設計，實現各層之間獨立封裝，便于工業部署和日后維護升級。系統建有獨立的施工期數據采集填報功能，可實現伴隨式數據采集和入庫，集成生產管理類、安全管理類系統，并通過統一的ETL總線發布接口為應用層提供數據服務（如圖2所示）。

    應用層按照氣田建設階段劃分為兩個階段類功能，其中設計和建設期的主要服務于現場數據采集、填報、查詢；運營期通過日常生產、安全、設備資產管理保持系統數據及時更新和操作不斷熟練，該類數據又供模擬演練進行使用并校驗數據的準確性，一旦發生突發事件進行應急處置和輔助決策，確保數據可及時全面獲取。

    從數據建設方面打造三個專業類型數據庫，即設備完整性數據庫，生產／安全實時數據庫，應急專業支撐數據庫，基于上述平臺圍繞安全與應急管理核心業務達到井場無人化值守和風險在線預警，一旦出現異常報警系統可自動觸發災情判定并實現“八級截斷、三級放空”，

同時基于平臺的融合通訊進行企地應急聯動，業務模型如圖3所示。

2  建設成果與現場應用

    該項研究圍繞提高氣田的應急管理水平和應急處置能力，重新將生產控制類系統與安全監測類系統進行了數據和應用層面的整合，依托三維地理應急系統的可視化數據承載與計算分析能力，實現了以下業務應用。

2.1  周邊環境與敏感目標可視化動態管理

    建立了覆蓋全氣田工區范圍的高精度三維地形地貌，在此基礎上采用應急信息調繪的方式，將井站、站場與原料氣管線周邊1km范圍內的單戶居民與周邊2 km范圍內的敏感目標定位入庫（如圖4所示）；此外還包括采氣設施周邊5 km范圍內的應急救援力量及應急搶維修道路進行矢量化入庫，并通過巡線隊的管道巡線系統進行周期性數據更新，實現了對系統計算確定疏散人員的短信群發快速通知功能，較以往人工通知和喊話的形式，有效縮短了應急疏散時間。

2.2形成全工藝鏈完整性管理平臺

    系統實現過程數據實時采集和流程建模，打造工藝的完整性管理平臺，使其成為伴隨氣田設計、建設、運營全生命周期管理基礎數據承載和應用系統，實現了井筒完整性、管道場站完整性管理數據持續入庫，并通過標準類型的工業接口與氣田現有工業控制網（氣田物聯

網）上各類實時監測控制系統建立數據集成通道，將具有含硫氣田特殊業務邏輯的工業大數據變為企業生產管理、安全管理與應急管理的可用“資產”，并支持透明化調用與跨系統共享，實現“測、控、管、用”的網絡化，初步形成了氣田業務管理“互聯網+”的雛形。

    基于該“互聯網+”業務管理形態，現有生產及安全業務逐步趨向現場無人化和控制集中化，實現了采氣、集輸、凈化全產業鏈一體化調度管控，消除多機構交叉管理與現場交疊控制產生的“真空地帶”，減少人為分析工作量和現場高危環境暴露時長，在減員增效的同

時降低了企業運維風險。

2.3  集成事故計算模型建立三維應急系統

    1)系統集成了行業權威的火災、爆炸與氣體泄漏快速計算模型，特別針對四川地區復雜地形和氣象特征進行數據匹配，支持實時氣象監測數據采集，可在演練或真正事故發生時第一時間推演有毒氣體（重氣體）的擴散范圍，把以往通過大型服務器運算數十個小時的工作時長，極大的縮短到數十秒給出結果并貼合地形進行疏散人員分析，為應急指揮和疏散贏得了寶貴時間（如圖7所示）。

    2)建立動態可視化的預案管理技術，按照事故類型和預案級別編制可視化應急處置方案并分別關聯到各井場及場站等作業單位，并將充分論證的應急處置流程圖轉換為系統的應急處置指揮導圖，可指導企業調度中心的應急接警、處警人員進行快速調度，自動關聯和推送應急指揮決策所需信息，緊密圍繞接警后黃金半小時如何開展有效處置和救援進行業務流程組態，為一線應急指揮和科學快速處置提供了直接有效的指導方案（如圖8所示）。

    3)基于事故影響范圍計算，系統可快速檢索地方公安、消防、醫療救護等應急救援力量信息，通過群發短信與融合通訊等方式通報事故災情并爭取配合，應對必要的警戒、疏散、救護等周邊社會范圍應急處置需要，實現企業與地方應急協同聯動。

    4)系統植入了采氣、集輸、凈化的工藝流程數據并實現過程建模，通過事故點上下游工藝查詢分析，快速分析確定應急控制方案，并由關聯的SCADA系統實現遠程控制，全氣田范圍內可在事故發生后第一時間實現“八級截斷、三級放空”的遠程操控，無需人員現場操作，提高反應速度的同時大大降低了人員傷亡的風險。

    5)基于3DGIS平臺技術進行氣田三維場景構建與屬性數據植入，實現氣田現場可視化、培訓可視化和演練可視化，結合真實生產工藝及設備三維實景，形成觀摩受訓和交互演練相結合的應急培訓形式，并定期開展系統模擬應急演練，使機構人員應急處置能力提升與系統應急支撐數據更新互為促進。

2.4優化配套應急管理機制

2. 4.1  結合三維應急系統開展應急培訓

    將生產工藝流程、設備操作規程、應急流程等文件植入系統，并結合三維場景生成可視化操作過程，以對各作業單位操作工、管理人員等進行應急處置流程培訓，并開展設置情景的應急模擬演練，提高應對突發事件的處置能力。

2.4.2  固化應急疏散信息定期更新

    為實現更為快速的應急響應和周邊居民疏散，將系統中的應急信息按照事故推演分析結果，分為八個方向導出居民信息并打印成冊，配合應急疏散路線圖制成“陜速疏散手冊”，一旦出現突發事件確定風向后可直接組織疏散。

2.4.3  掌握應急救援力量與應急物資動態

    基于系統應急救援力量數據，通過定期聯絡實現數據更新和有效性檢驗，并對應急物資庫儲備的物資進行出入庫管理，做到應急時調度可行、物資可用。

2.4.4  實景演練

    將應急演練分級細化到班組，列入應急預案并報備，形成應急演練制度，每半年開展一次氣礦級應急演練，每季度開展一次作業區級應急演練，半月一次班組級應急演練。

2.4.5  基于數字化的應急處置

基于應急支撐數據庫的動靜態數據，在應急處置過程中實時獲取氣象參數以及采氣、集輸運行參數．結合事故計算模型與推演模型快速分析事故趨勢，通過系統快速通知應急處置人員與疏散人員，同時在開展現場應急搶險時可調閱設備制造、安裝、檢維修信息，快速制定搶修方案；在廠（場）外應急過程中可通過系統聯系地方政府及各類應急救援隊伍，并使用系統通報災情協調救援，提升了響應速度和處置能力。

3  結論

    1)本項目研究針對油氣田開發生產所涉及的管理內容，融合地質油藏、地面場站、管道線路等三大類特性數據體系進行一體化的數據承載和場景構建，研發了完全自主知識產權的油氣田專用空間GIS平臺。

    2)結合含硫氣田風險評估報告、安全評價、應急預案以及專家論證意見，形成應急支撐數據采集標準，對含硫天然氣采氣設施周邊“三個緩沖帶”的數據采集標準進行明確定義，并在南充某含硫氣田和遂寧某含硫氣田進行了伴隨式數據采集實踐，大幅提高了決策支持能力。

    3)對重氣泄漏快速數值模擬分析模型進行了創新，并通過自動化高程數據導入與實時氣象參數導入等方式實現了零建模過程，從大型服務器計算幾十個小時優化為數十秒鐘計算過程，提高應急推演分析速度和科學性。

    4)通過虛擬現實生產場景和實時生產監測數據集成，實現了應急協同演練和現場演習的有機結合，使現場數據采集、人員行為回傳、系統模擬分析、指揮指令下達等環節之間無障礙，切實提高演練真實性和戰時指揮的有效性。