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一、储气库信息化建设，及调研过程 1、调研过程 地下储气库主要用于保障天然气下游用户供气的调峰需要，它具有储存量大、经济合理、安全系数高等优点。 储气库数字化平台怎么搞？ 应该提供哪些功能？解决什么问题？未来怎么发展？目前正在思考这个问题。 知网搜索了所有国内作者的 储气库相关论文，发现国内针对于川渝相国寺、新疆呼图壁、中原文23和96，辽河双6，以及大港、大庆和西北等地区的储气库建设，论文总计约150篇左右。论文内容从储气库选址设计、资源评价与管网设计、库方案设计（库容、井位部署、注采工艺、脱水工、设备管理）、储气库模拟分析（专业软件）、储气库运行管理（监测监控、风险管控、预测分析）、天然气调峰需求管理、储气库经济性评价等。覆盖了储气库全生命周期，以及全部业务领域。 我选择了几十篇下载，做了精读，其中重点对于十来篇数据和管理平台类的论文进行了仔细剖析。 发现这些储气库数字化的论文，总体上解决方案都比较单薄，而且对于管理流程和管控场景的表述也非常匮乏。 虽然仔细剖析之下仍旧可以看出未来储气库信息管理平台建设的一些框架，但是，这是不是说：储气库的数字化和信息化目前还停留在工厂自动化层面，而缺乏一个宏观的信息管控的框架呢？ 图：相国寺储气库效果图 今天下午扬起了沙尘。晚上回到家把刚刚到的三本书（昨天京东订的，推荐呼图壁和相国寺的那两本）翻了一遍，感觉这个技术体系理解的差不多了，今晚打算把储气库的调研材料梳理出一个头绪来。 2、正在形成的设计思路 通过这些资料中对于储气库数字化的探索，也就是储气库数字化管控平台建设，我理解的储气库数字化建设的目标应该是： 针对储气库设计、建设、生产运行、生产调峰到经济评价的全生命周期，建立统一的储气库数据库；形成数据采集、迁移和集中管理的技术方法；研发储气库建设动态分析、注采运行动态与分析、调峰动态与分析、经济分析等系列功能的数字化平台。 而一个完整的储气库数字化系统，我觉得，应该包括：一个数据支撑体系；一个云平台支撑体系；一个公用资源可视化平台，一套数据生产运行监测系统，一套数据模拟分析系统；一套多协同化智能分析系统。 对，6套体系。 一个数据支撑体系： 覆盖从选址评价、设计、生产运行、分析调控等所有领域的数据。这些数据很复杂，它包括结构化数据（运行记录和报表等二维表）、非结构化数据（设计文档图件等成果）、模型数据（地震体，地质建模和气藏模型，用于eclipse和pipesim等专业软件模拟）、生产实时数据（SCADA和DCS等的实时数据流），共四类。将以上的数据整理归类后，实现建库。 一个云平台支撑体系： 一套基于云原生架构的数据服务和应用集成系统， 这个平台规定了所有软件模块的开发规范和集成规范，这样，不同来源、不同团队、不同技术体系的 软件模块，可以快速的集成。 此外，这个云平台架构必须有一套完整的平台架构机制，这套机制可以 使用中石化的石化智云提供的云平台（SaaS和PaaS）以及身份鉴权等机制。 一套储气库建设全流程管控系统： 首先，从战略管理层面上，储气库建设全流程管控系统实现 对于各个储气库基本信息（位置，地理分布，场站形态，仓容量等基础信息）、选址评价、设计、生产运行状态和调控状态的基本信息，并在此基础上提供一系列的 统计分析，以提供 储气库在建设 和 应用上的状态和趋势。 其次，在战术层面上，提供不同团队的协同运行的大环境，就是云平台提供的这个云端应用协同软件系统，从评价、设计、生产运行等，都有着独立的解决方案。这部分应该是最基本也是最大的工作量，需要针对评价、设计、生产运行、调控与规划的每个环节都做出 管控需求 的响应。 比如生产运行就是一个以监测系统为基础的、同时提供趋势分析、风险防控、安全预警等一系列的 管控决策功能。 一个公用资源可视化平台： 公用资源可视化平台，就是将储气库地面地下的信息已可视化的方式展现给用户。可以分为三个阶段建设。
当然，这个公用资源可视化平台， 必须将 上面提到的一套储气库建设全流程管控系统的功能模块结合起来，也必须和 数据支持体系结合起来。 一套数据模拟分析系统： 基于油气地质与油藏模型理论、使用专业软件构建的一套 专业软件套件。提供应用专业模型和算法进行模拟分析并给出精确化的计算结果。 一套多协同化智能分析系统： 基于海量的多种维度和多种尺度的数据， 大数据和智能化分析成为了可能， 基于大数据架构和智能技术架构设计下的协同化智能分析系统研发，将带来储气库数字化方面全新的提升和升级。基于数据和智能算法，储气库的不同阶段和领域，将迎来真正的数字化转型。 二、地下储气库信息来源：工控系统 叶康林等针对地下储气库工控系统概况进行了总结，很全面。以下信息来自作者论文（地下天然气储气库信息化建设现状与探讨，叶康林）。 叶康林等提到，“中国的地下储气库建设起步较晚，2000 年建成了国内首座地下储气库，经过十几年的发展，目前全国已建成20 余座储气库，今后十余年将是储气库建设。由于国内储气库建设较新，其信息化程度较高，按照数字油气田、物联网高标准、高要求建设。储气库自动化设备设施完善，基本实现了自动化监测、控制和管理，自动化系统一般包括：注采井站SCADA 系统、集注站DCS/ESD 系统、集配站PLC/ESD、注采井无人值守RTU系统、火气系统、压缩机PLC系统、周界防范系统”。 储气库工控系统结构见下图。（地下天然气储气库信息化建设现状与探讨，叶康林） 图：储气库工控系统结构 以下信息来自叶康林专家，我们共同学习： 先把几个概念科普一下 SCADA：Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统 DCS：集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统” ESD：Emergency Shutdown Device紧急停车系统，ESD按照安全独立原则要求,独立于DCS集散控制系统,其安全级别高于DCS。 PLC：Programmable Logic Controller，PLC可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。 RTU：远程终端单元( Remote Terminal Unit，RTU)，一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。 1. 注采井站SCADA 系统： SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统）负责注采井、集配站、分输站流程工艺数据监视、控制、调度、管理任务, 并实现过程数据发布。同时配置OPC 数据服务器和Oracle 数据服务器，将数据提供给公司进行数据分析。 2. 集注站DCS/ESD 系统： 负责集注站内数据采集、自动控制以及安全联锁保护功能，同时集注站ESD 系统联锁控制集配站ESD 系统和井口RTU 系统。DCS 系统采集站内管道温度、压力、流量等参数，检测各罐液位、高低报警状态等参数，控制各分离器、脱水器、阀门的自动工业流程，实现站内设备的集中监控和调度管理。 ESD 系统负责集注站内安全生产运行，在站内发生突发事故时，进行安全生产的自动联锁保护，使站内人员和设备能够得到最大的保护，减少损失，并且同时联锁集配站和井口ESD 保护程序，能够限制事故蔓延。 3. 集配站PLC/ESD 系统： 负责对集配站的数据采集、自动控制，并通过SCADA 系统进行远程集中监控。PLC 系统采集集配站压力、温度、液位、流量等数据，实现阀门等设备的自动控制。ESD 系统采集集配站重要位置压力，通过压力联锁站内和关联井口阀门，实现安全生产，保护站内人员和设备财产安全，并将报警数据上传。 4. 注采井无人值守RTU 系统： 实现对注采井井口工艺数据采集、监视和控制，通过SCADA 系统进行远程集中监控。RTU系统采集井口温度、压力等数据，并控制井口阀门，实现井口设备自动控制。 5. 火气系统： 主要负责集注站可燃气体、有毒气体探测，消防系统控制管理。 6. 压缩机PLC 系统： 主要负责集注站压缩机数据采集、监视和控制管理。 7. 周界防范系统： 包括整个储气库视频监控、微波报警、大屏系统，主要用于储气库生产和安保维稳视频监控、周界预警防范。 三、储气库信息化建设现状，及存在问题 叶康林等，指出（《地下天然气储气库信息化建设现状与探讨》，叶康林等，2019）：中国的多数储气库由于起步晚，因此储气库自动化系统建设标准高、覆盖面广，设备设施先进，基础设施良好，所以井站采用光缆传输通讯，实现了视频监控和周界防范，基本实现了数字储气库，达到了国内先进水平。储气库生产管理全部采用自控系统管理、控制，自动化程度的提高在一定程度上节约了劳动力，提高生产效率和管理水平。 但仍在实践应用的过程中存在着一些不足，例如： 1、储气自动化系统，服务器、控制站、工程师站、操作员站，操作系统、工控平台分属不同厂商和型号，参差不齐，各系统互通性不高，软硬件维护维修难度大，需进行平台统一整合。 2、缺乏自有生产实时数据库、历史数据库、数据管理、发布和智能应用分析系统，大部分数据和报表还需人工录入计算，后期数据利用率不高，分析应用程度偏低，离数字化、智能化差距很大。 这篇发表于2019年的论文指出了储气库在信息化建设上的不足，这基本印证了我之前的怀疑，即：国内储气库缺乏统一的多源异构的数据管理，也缺乏系统的数据治理，数据的总体利用情况更是非常低，数字化和智能化发展潜力巨大。 基于以上存在问题，叶康林等提出的储气库信息化建设内容包括三个阶段，这是逐渐递进的三个阶段，如： 远程异地监控 》》》 数字化储气库 》》》 智能化储气库 （一） 远程异地自动监控。 设立自动化信息专网，将现场井站监控、调度、数据管理迁移至异地，根据网络条件，设立远程中心控制室，实现对现场站库远程异地监控管理、调度，减少现场场站工作人员，提升远程管理水平。 图：储气库三级网络控制结构图 （二）实现数字储气库。 在目前储气库自动化程度高、设备设施先进、覆盖面全的良好基础上，加强信息、自动化基础应用和完善，全面实现数字储气库。 1. 实现生产数据桌面化。 储气库井站在基本实现了生产关键参数自动采集、关键过程自动连锁控制、生产现场实时视频监控的基础上，需要开展实时、历史数据收集、整理、建库对数据进行有效存储、开发、分析和利用。因此。建立自动化实时数据库、历史数据库、生产管理数据库，按照物联网建设要求规范数据结构，实现生产自动化数据秒级存储、历史数据永久保存，使数据采集、传输、存储、管理达到常态化。 2. 实现网络管理桌面化。 规划核心办公信息网络，建立网络监控、预警和管理系统，规划区域Vlan，实现网络设备、服务器、办公计算机、工控设备、视频设备、视频会议终端等网络设备自动IP+MAC 管理，实时网络监控，为网上办公、视频传输提供了高速、稳定、安全、可靠的网络环境。完善作业区工控冗余内网，架设双向网闸，实现工控网与办公信息网安全、高效数据传输，消除数据鸿沟和信息孤岛，实现生产数据快速传输、共享和应用。 3. 实现业务工作桌面化。 根据储气库生产、管理需求，定义业务信息化流程，开发业务信息应用系统，实现生产业务、管理业务、决策业务等的信息化、桌面化。 4. 实现数字油田桌面化。 以储气库实体为对象，以地理空间坐标为依据，通过实时、历史大数据存储和异构数据的融合，用多媒体和虚拟现实技术，建立以储气库工艺流程、生产运行、地理信息、科研管理、决策指挥为基础的数字储气库，实现储气库地上地下的多维空间展示，实现储气库的空间化、数字化、网络化和可视化。达到数据共享化、科研工作协同化、生产运行监控自动化、生产指挥可视化和分析决策智能化，全面实现储气库数字化管理。 （三） 开展智能储气库实践。 智能储气库是数字储气库的高级阶段，是在充分完成数字化的基础上，建立各类管理和决策分析模型，辅助储气库生产的智能分析和决策。 1. 智能储气库工作特点。 智能储气库建设的工作重点是对储气库大数据挖掘、知识管理、过程控制和人工智能，特点是“全面感知、自动操控、预测趋势、优化决策”。具备以下几点功能： 1）通过全面采集地下、地面生产数据，直观展示储气库注采生产全过程。 2）建立储气库注采、天然气处理各种工况知识库和系统单元模型，通过实时、历史、预警大数据分析，逐步实现参数自动调节，实现生产全过程智能控制。 3）预测储气库气藏、工艺、设备趋势变化，实时生产异常预警，必要时自动切换工作流程，避免严重事故发生。 4） 挖掘储气库注采、天然气处理各系统关系，优化生产过程，降低运行成本，为科学决策提供全面支持。 2. 智能储气库框架结构。 根据储气库特点及生产管理要求，智能储气库总体上以“自动化设施为基础、以网络为纽带、以智能系统为核心”，四个层次实现数据采集、存储处理、集中调控、决策分析的综合应用。 1）数据采集：实现全面采集地下、地面、工艺、设备生产数据，远程操控，视频传输。 2）存储处理：对实时数据、历史数据进行大数据分析、处理，建立气藏地质、地面工程、GIS 空间等数据模型。 3）集中调控：实现生产指挥系统、自动化调控系统、数字储气库系统等实现储气库智能化调控管理。 4）决策分析：实现生产管理、生产指挥、气藏研究、注采工艺研究、数据共享、数据管理、经营管理、管理决策、视频会议等。 3. 以后发展的重点方向 基础设施方面：全面建设和完善信息基础设施、数据采集设备以实现生产工况的“全面感知”。 自动控制方面：深入研究储气库生产各环节的特点和规律，充分应用采集实时、历史、预警数据，进行大数据分析，建立生产（故障）模型，实现生产全过程的自动控制。 系统建设应用方面：深化数字储气库应用，按照物联网建设要求，研究开发相关智能储气库子系统：智能气藏管理系统、智能注采井管理系统、智能产量管理系统、智能生产运行指挥系统、智能应急管理系统、集输管网智能调峰系统、专家辅助系统等。 O了，全懂了！ 叶先生的智能储气库结构见下面图，给他点个赞！ 图3 智能储气库结构图（叶康林，等，2019） 四、储气库的数据类型及数据管理功能 建立完善的储气库数据库，是完善储气库管理并提升储气库安全管理的重要方向。 在此之前，张刚雄等（这篇论文个人感觉写的不好，系统性和深度不够，就不推荐了）提出了地下储气库信息数据管理平台的雏形,设计了包括数据采集、数据处理、数据统计与分析等7 个模块。 王英杰等利用SQLServer数据库系统构建了岩盐气藏的数据库及其管理系统，王虹宇等人在《基于MySQL数据库的储气库数据管理系统》中提出：“储气库自施工建设以来,产生了大量文字研究报告、设计图纸、环境图片;在注采气运行之后,产生大量检测报告、运行日报、监测数据等表格文件、图片数据等。大量数据离散、不好储存、传输不方便,在资料共享时容易产生泄露机密、数据传输量过大等一系列问题,数据库建设就能很好地解决这些问题。” 下面的内容，是引用自 王虹宇的论文《基于MySQL数据库的储气库数据管理系统》。 储气库数据资料收集是根据储气库运行周期进行收集的,即设计阶段、施工阶段、运行管理阶段、报废阶段四个阶段,主要包括地面工程及地下工程设计资料、施工资料、运行管理资料、重要设备资料,而且包括相关的科研成果和评价报告等。 王虹宇通过对文96储气库多源数据进行调研,根据其来源(注采井、集注站)、格式(图片、Word、PDF、Excel)及数据类型(静态、动态)等的不同进行区分,建立了数据清单。数据清单可以对储气库现存的多种数据格式进行统一,使其变成标准的存储格式,方便后期数据的集成与可视化。 （一）储气库一般都有哪些资料 1、设计资料 (1)可行性研究报告、设计说明书、选址勘探报告、设计方案、设计规范及标准; (2)各设备规格、型号、材质、制造厂家名称; (3)储气库设计图,含站场平面布置图、工艺流程图和总图; (4)输气干线设计、安全设施设计、环境保护设计及工艺计算设计。 2、施工资料 (1)施工单位的资质等级,施工监理、施工验收和检验报告; (2)储气库整体施工图和竣工图; (3)储气库注采井钻井井史。 3、运行管理资料 (1)储气库生产日报,含每日注气量、采气量、井口温度及井口压力等重要信息; (2)储气库运行总结年报,含年度总结、运行动态分析及下一年工作安排; (3)注采站埋地管道壁厚测量数据,阴极保护电位测试数据; (4)压缩机组紧急停机报告说明; (5)压力容器定期检验报告。 4、设备资料 (1)压缩机运行参数; (2)注采站脱水系统设备参数; (3)注采站脱烃系统设备参数。 5、科研成果和评价报告 (1)储气库有关的科研成果报告,检测结果报告等; (2)已完成的设备风险评价结果报告; (3)与站场有关的评价报告(安全预评价报告、环评报告)等。 （二）储气库的数据清单 类型 来源 格式 时间 钻井井史 注采井PDF文件建设期 脱烃系统设备参数集注站Word文件建设期 脱水系统设备参数集注站Word文件建设期 压缩机参数集注站Word文件建设期 阴极保护数据工艺管线Excel表格运行期 壁厚测试数据工艺管线Excel表格运行期 生产过程监控数据压缩机图片运行期 检修记录管线、注采井Word文件运行期 （三）数据库管理功能设计 1、地下设施管理: 包括现有储1井、储2井等钻井设备以及生产管柱参数静态信息的查询、修改、添加、删除等功能。数据包括型号、载荷、数量等。 2、集注站管理: 包括注采站脱烃系统设备、脱水系统设备、压缩机、埋地管线设计压力等静态数据的查询、修改、增加、删除等功能。数据包括设备类型、型号、数量、外形尺寸、操作温度、操作压力等基本参数。 3、管柱校核管理: 包括生产管柱参数、管柱校核计算、校核结果等数据的查询功能。 4、动态数据管理: 包括注采日报表、阴极保护、壁厚测试等数据的查询、修改、增加、删除功能。数据主要包括时间、桩号、保护电位、断开电位、井口回压、井口温度、注气量、采气量等。 五、地下储气库的可视化平台 姜炜等（地下储气库数字化探讨，姜炜2020）提出，储气库是以信息设施为基础，以多尺度、多种类的数字化信息为支撑，充分利用计算机、网络、数据库以及三维建模等数字技术，为储气库的建设及运行管理提供了辅助决策支持。 其具体思路是：“储气库系统数字化系统应由数据库层、平台层、基础服务层、综合展现层组成。”，其中，“数据库层集成系统中涉及到的相关数据库层应包括基础地理数据、三维模型数据、设备设施基础数据库、应急资源、人文资源数据库、应急相关文件数据库以及其他生产监控相关的动态数据库。数据库实现对基础数据和实时数据的统一整合。平台层应使用成熟的GIS 平台产品作为整个系统的基础平台，保证系统运行在一个稳定可靠的GIS 平台上。” （一）储气库数字化软件平台 在具体实施上，该论文提出了明确的建设方法。“储气库系统平台建设应整合厂区相关的地理信息资源、设备设施资源、应急资源、隐患等，实现储气库整个厂区的日常安全管理、生产流模拟、应急模拟演练等功能业务。” 图：储气库系统数字化系统功能构架（姜炜等，2020） 1、全三维场景基础平台 在三维系统中，应用虚拟现实技术，将三维地面高程数据、正射影像和场站三维立体模型融合在一起，再现储气库场景全貌，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的三维储气库场站模型，在系统中可以实现三维地图的平移、缩放、俯仰、旋转、量测等基本操作。系统应能提供灵活的、交互式的浏览漫游功能。在三维场景中可以对三维场景的操作模式进行控制，应包括三维选择、三维漫游、三维旋转、三维缩放等功能。场景操作包括以下基本操作功能：a）场景缩放；b）场景平移；c）场景旋转；d）场景操作人称切换。系统应提供一套完整的键盘操作快捷键，宜设置用户自定义键盘操作快捷键，满足键盘快速操作的需要。系统可采用地上地下一体化模式建设，地下设施与地面设施建设在同一个场景中，通过地表透明、挖空等方法展现出地下设备情况，全局把握储气库厂内资源。 2、站库资源综合管理 站库资源综合管理模块是将生产设施及应急资料中的人力、物力、财力、信息、技术资源按应急资源需求的空间、时间分布进行管理以按时按量满足应急处置与救援对应急资源的需求。主要包括对生产设备、管道管线、重大危险源以及应急资源的统一综合管理。系统应提供在三维场景中查询设备设施的地理位置、基本属性等信息，生产设备应与日常运维信息进行关联，可以实现三维和数据间交互式查询定位，展示数据应包括设备设计资料、运维资料、检维修信息、文档资料、图片等多种素材。系统建设过程中可以建设命周期数据库，实现对设备设施的全生命周期资源管理，同时宜实现挂接资产库功能，实现对设备更新的跟踪监控。 3、场站应急预案 储气库系统数字化系统应将急预案文档结构化，提取关键词，将文档进行多重分类管理，实现可按角色、按灾害、按单位调用，并实现可通过复合关键字进行查找和调取。基于真实的场景、真实的周边情况和真实的数据，通过设定灾情，策划救援及抢修的行动方案，将文本预案制作成可视化预案，进行展示、存储。在应急演练时，能够快速匹配预案，辅助应急指挥员下达应急指令，快速、有效地应对突发事件。在平时则可以作为预案培训教材，也可针对预案进行桌面推演。 4、工艺流程展示 储气库系统数字化系统应通过三维数字化手段将工艺流程进行可视化直观展示。在三维工艺流程展示中，可以选择储气库中想要观看的流程，选择之后系统会自动从流程的开始进行展示，镜头随工艺进展切换展示，在关键操作处会进行流程操作提示并将对应设备进行高亮显示。 （二）储气库空间三维数据构架 储气库系统数字化系统数据应包含基础地理数据、三维模型数据和应急资源数据。 在数据建库原则方面，姜炜提出的几点我很认同，大致总结一下就是：数据的建库与更新需要有机结合；数据库的建立与数据收集整理是同时进行；采用最先进的GIS 引擎建立空间数据库，存储应急管理应用所需的基础地理数据和三维模型；采用最先进的关系型数据库存储应急管理所需业务数据。 系统平台所需的三维数据方面，包含：储气库站场内装置设施模型数据、办公及厂房模型数据、库内应急资源模型数据、储气库周边重要建筑单位三维模型数据、站场周边应急资源（以消防单位为主）三维模型数据、站场周边重要区域（小区、学校、医院等）三维模型数据。模型建立，各设备设施可独立操作选择，模型分区建立完成后统一进行渲染，然后转换为应急三维平台中可以使用的场景格式文件，以便挂接设备设施业务属性，同时对于阀门、开关类的模型在建模时需要做好阀门和开关的开启、关闭状态，以便预案编辑时编辑预案脚本。 六、总结 一个储气库，居然已经折腾两个晚上了，好在今天终于整理完。当然，主要是摘录，也给出了一个储气库数字化应用平台的建设框架。 思路渐渐清晰，后面，就开始做技术方案设计了。 |
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