——陕京管道国产压缩机组“一键启站”智能控制项目探秘

在确保压缩机组更加安全稳定运行的基础上,国产大功率机组再次启动暖机时间缩短50%;并机时间由原来的40分钟缩短至20分钟,工作效率提升超过50%;操作人员从此减少3-5人,且无论是操作还是运行都更加安全可靠……

今年6月26日,国家管网集团北京管道公司对外发布“我国长输管道压缩机组智能控制技术达到世界领先水平”消息,记者有幸走进我国首个实现国产大功率压缩机组“一键启站,智能运行”压气站——国家管网集团北京管道内蒙古输油气分公司托克托作业区,零距离感受大国重器的“智控”魅力。

在托克托作业区中控室,首先映入记者眼帘的是两块大屏幕,然后是闪烁着各种数据的七、八台电脑显示屏,既没有面对机械作业生产线的视觉震撼,也没对话ChatGPT的心灵震惊。

但大道至简、静水流深。2023年12月,在国家管网集团科技数字化战略引领下,北京管道公司党委将托克托作业区作为公司唯一试点单位,承担起“国产压缩机组智能控制提升研究”这一关键核心技术攻关项目。内蒙古分公司托克托作业区组建了以副主任王志勇牵头的研究团队,从而使这个作业区成为国产大功率压缩机组“一键启站,智能运行”的一匹科技“黑马”。

显示屏上每一个数据变动、每一次警示提醒,犹如悬丝诊脉,“国产压缩机组智能控制提升”项目让天然气长输管道压气站从此具有了“智慧大脑”,成为我国油气管网和国家管网集团“智慧管网”的一个爆发“奇点”。

图为王志勇(图中坐位左一)带领团队正进行项目程序测试

托克托智启新程,国产机组领航未来

作为管网传输与压缩机站的核心,全球范围内能生产16兆瓦以上大功率离心式压缩机的企业寥寥无几,其中西门子、曼透平等外资品牌长期占据我国天然气管输行业的主导地位。

得益于北京管道公司全力推进民族工业发展的担当,国产大功率电驱压缩机组在2018年的陕京四线建设中得到全面工业化应用,这是我国“油气能源大动脉”首次实现整条干线的全“中国芯”配置。

同样得益于北京管道公司的创新意识,2021年,托克托作业区副主任王志勇受命牵头这个项目,与沈鼓集团等多家企业及高校专家学者,共同开启了“产学研”相结合的智能控制提升项目攻关之旅。

对于大型央企,“安全”始终是生产运营管理的首要原则,尤其是在高风险的长输油气管道领域,对压缩机这颗“心脏”的智能改造犹如对人体神经系统的“大手术”。

项目伊始,质疑与担忧声不绝于耳,但公司党委领导坚决表示:“作为管网人,敢破敢立、攻坚克难是我们最大的责任和担当!”王志勇和团队十几名工程师以“拔丁抽楔”的精神动力,毅然向这一国内乃至世界的尖端领域发起了智能化技术挑战。

国产压缩机组智能控制提升项目并非简单的仿制或改良,而是一次真正的“正向”技术研发,是一条全新的技术路线。项目的成功不仅推动了托克托压气站从单个设备到整个压气站的全面自动化、数字化、智能化升级转型,更成为我国天然气管网行业智慧化发展的“奇点”,成为以微弱的气态之力、托起万家灯火温暖与希望的“智慧管网”智能控制“奇点”。

图为王志勇在启停机测试时检查压缩机密封点

AI神经网络算法,安全精准一键启站

陕京四线,作为我国首条全线采用国产压缩机组的天然气管道,托克托压气站在2018年10月正式投入运营,初期的压缩机组控制系统处于功能相对基础的“一键启站1.0”阶段。

由于长期以来西方国家对我国实行的技术封锁,进口压缩机关键模块的控制逻辑和程序代码如同“黑匣子”,智能控制系统无法基于进口设备技术进行“逆向”研发。

从“一键启站1.0阶段”到“一键启站2.0”,如同一个不会开车、不会维修的人坐进一辆配备多台发动机的汽车,即使汽车已驾驶数万公里,也无需汽修师提前监测、准备,就能准确判断每台发动机的状态。挂挡之前,只需在智能显示屏中输入目的地、到达时间,智能控制系统就能自动选择最佳效能区的几台发动机,在满足驾驶需求的同时,在最优的航线上行驶,并做到能耗最低、驾驶更安全。

王志勇团队分析了国产沈鼓压缩机的负荷分配控制等关键模块性能,并结合托克托四台机组两万多条现场数据,详细识别了每台机组的温度、流量、入口压力、出口压力等数据对压缩机功率、转速和安全边界的影响。基于这些分析和AI神经网络算法,成功搭建了16个神经网络模型,使用机组出厂性能数据、压缩机模拟软件数据、现场运行历史数据对这些模型进行优化,预测准确率达到90%以上,并实现了模型自我更新。

团队还对“一键启站”的29项前置条件进行了逐一逻辑梳理,通过机组自动检索启动条件,精确计算最佳机组运行数量,准确识别可启动机组,减少了“启机”过程中的人为判断环节,提高了智能自动化水平。

同时,团队还通过计算机前台操作作为人机交互界面,将“规划算法”、“神经网络”与“压气站现场数据”紧密相连,实现了“一键启站2.0”的实时数据交换与可视化操作。

在辽阔的中国大地上,在今天绵延18万公里的油气长输管网上,在托克托作业区里,以AI为基础的“一键启站”,让国产大型压缩机如同一颗拥有智慧的心脏,为油气管道健康而有力地安全跳动,为中国油气长输管道行业智能化迈出了坚实的一步。

图为项目团队基于AI模型讨论机组控制逻辑

六大控制器助力,从追赶到弯道超车

尽管中国的油气管道建设起步于20世纪50年代,相较于国外晚了整整一个世纪,但我们的发展速度却令世界刮目相看。

并网启停,是机组操作中精度要求较高、操作难度较大的一个关键环节,无论进口机组还是国产机组,在输气量波动、低谷时段,都需要有丰富实践经验的工程师精准评估机组转速等参数,并手动调节运行机组,才能保障系统平稳运行。

在压缩机机组并网建模过程中,王志勇团队创新性地提出使用单机压力控制器、防喘振控制器、性能解耦控制器、汇入压力控制器、汇出压力控制器、等裕度控制器等六大控制器联动的自动加载并网方法。该技术的运用,将托克托机组并网时间缩短至20分钟,而在相同工况下,国际上最先进的某压缩机组场站并网耗时为225分钟,托克托机组并网时间仅为其并网时间的8%,一步将国际顶尖技术甩出了一个几何数!

2021年10月,在解决并网问题、提升密封气调节阀综合控制能力时,因测试时间有限、技术理念领先,课题组成员、厂家工程师几乎天天加班熬夜到凌晨下半夜,一周内试机数十次。

沈鼓集团,作为国产离心式压缩机组的行业龙头,也曾数次被项目团队逼到崩溃边缘。沈鼓集团自控分公司王亮工程师感叹道:“别的企业是能用就行,你们是不仅要好用,而且还要用好,你们这是在以国际一流标准追求精益求精啊!”

艰辛的付出终于换来了成功回报,王志勇团队研发的综合控制模块实现了密封气流量平稳控制、温度恒定保持,并在鄂尔多斯、乌兰察布等压气站推广应用。

压缩机并网的中国速度承载着管网人坚忍不拔、勇往直前的精神风貌,展现了管网人敢于担当、追求卓越的奋斗姿态。快速安全并网犹如给国产压缩机组插上了一双同风起舞、直上云霄的翅膀,这不仅让中国在国际上实现了从追赶到领跑的华丽转身,更彰显了中国在智能制造领域的核心竞争力。

图为项目团队和成都一通工程师现场拆解分析干气密封部件

150余处自动化改造,让智能控制更加强大

经纶浩渺,一蹴而就;设备控制,一览无遗。

AI模型让国产压缩机有了智能“大脑”,只有智能的“大脑”是不够的,除了“大脑”还需要有一个功能健全、反应灵敏的“身体”,这个“身体”就是王志勇团队在150多个关键节点上实施了自动化控制流程改造,对沈鼓集团开发的控制程序进行了超过90%的重新构建。

不仅如此,在过去三年里,王志勇团队还对托克托作业区24套设备、2620个探测器、20个控制系统进行了系统性梳理与优化,在原有设备基础上增加了传感设备和控制器,调整了控制逻辑,并实施了分层控制策略。

在这套智能系统显示屏前,项目成员戴宇阳指着一张图片上的“轨迹线”,向记者介绍:“你看,这是机组并机后的运行轨迹图,通过‘站回流阀开度匹配机组裕度的压缩机组自动加载并网方法’,我们在15分钟之内就能实现多台机组的等裕度控制!”

图为机组并机模型研发前后轨迹对比图

在一旁的项目成员付远鹏补充道:“得益于这套先进的智能控制系统,我们仿佛拥有了一位有几十年工作经验、‘24小时×365天’全年无休的工程师,它能在第一时间就能捕捉到全部异常情况,使我们的工作从原先的‘监屏值守’转变为‘待机值班’,这不仅减少了作业区人员需求,还极大提升了劳动生产率!”

如今,即便身处500多公里外的调控中心,也能在现场无人值守的情况下,对陕京四线各作业区实现“一键启站,智能运行”指令的操作。这是王志勇团队对此给出的答案。

今天,算力与AI正引爆我们社会和经济的每一个神经元,它也让压缩机控制系统具备了自我思考、自我决策的自适应力。基于AI模型支持的150余处自动化升级,让团队敢于运用这把“一键启站,智能运行”的手术刀,精准切断阻碍国产化、自动化和智能化进程的老旧神经,使国产压缩机组智能控制系统旧貌换新颜,并从此迈上国际领先的科技竞技台。

大国重器央企担当,技术思想双重变革

如何在项目推进与测试过程中,确保天然气供应的连续性与稳定性,如何避免测试不对压缩机组造成损伤?记者不禁好奇:“究竟是什么力量,推动着管网工程师们在‘安全红线’的高压下,依然勇往直前,持续创新,不断突破?”

王志勇深情地回应道:“面对未知的挑战和外界的质疑,我们始终坚守着‘将能源饭碗稳稳端在自己手中,将核心技术牢牢掌握在自己手中’的初心。这份担当与实干精神,是我们作为国家义不容辞的责任!”

“2022年3月,2号机组驱动端静密封突然出现损坏,问题一出,零部件厂家认为,这次突然损坏显然是启停机组测试次数过多造成的。关键时刻,公司上下鼓励我们要坚持问题导向,把解决问题贯穿到科研项目始终,只要是科学和正确的,就一定要勇敢坚持做下去!”王志勇告诉记者。

后经多方专家深入托克托现场对故障的专项分析,得出的结论是:问题定位为零部件设计不足。随后,厂家十多位工程师与托克托团队同吃同住,对干气密封构件进行了重新设计,进一步提升了产品的耐用性和稳定性。

经此一役,每当项目再次遇到问题,合作厂家没有任何推诿,只有齐心协力和携手攻坚克难。

2023年12月21日,国产压缩机组智能控制提升项目成功通过结项验收,由中国石油学会等专业机构组成的专家组给出的鉴定结论是:“此项目的成功标志着国产压缩机智能控制技术已获得整体国内领先、部分国际先进的重大突破。”

显然,在这场大国重器的挑战与科技创新攻坚之战中,彰显出国家管网集团北京管道公司作为“首善之师”的责任与担当,体现出北京管道人在推动产业变革中的坚定决心与高度使命感。

它是技术的变革,是思想的淬炼,给这条产业链上的中国企业带来了创新灵感,它用央企担当推动了沈鼓、成都一通等国内相关零部件及控制软件企业的产业升级、产品换代。

项目团队在机柜间分析机组控制器运行状态

采访手记:奇点引爆升级,创新打破垄断

2017年,国家发改委和能源局联合发布了《中长期油气管网规划》,该规划不仅强调了管道本质安全的重要性,还提出了对运营效率的高要求。为实现这一目标,规划提出了以管道智能化来保障管道安全、提升输气效益,并倡导通过提升设备国产化率来构建“智慧管网”大平台。

在这一背景下,国产大功率压缩机在陕京四线的全面工业化应用成为现实,这得益于设备国产化的要求和北京管道人的责任担当。这一突破性的应用不仅为托克托作业区在国产压缩机智能控制提升方面啃下了“硬骨头”,更为智慧管网的标准化、体系化建设点燃了“奇点”。

纵观人类工业文明的发展史,大国的兴衰与科技制高点紧密相连,而科技优势与国家政治的深度融合更成为大国竞争的关键。国家管网集团及其承载的中国油气管道网络,作为保障国家能源安全的“顶梁柱”,在这场以“智能化”和“数字化”为核心的科技竞争中展现出了坚定的步伐。

与此同时,北京管道公司党委致力于提升科技创新能力。他们坚持以推进科技自立自强为目标,充分发挥首都科教资源和人才智力优势,整合创新资源,锻造优势技术集群,将科技“势能”转化为高质量发展的“动能”,为科技创新提供了强力支撑。

在技术创新方面,曾经标价高达1亿人民币的进口电驱压缩机,如今仅需要5000多万人民币便可购得。这一转变不仅打破了外国企业对我国市场的垄断,更标志着中国企业在国家能源安全领域的核心设备上已经实现了自主掌控,不再受制于人。

这种进步并非偶然,它源自于那些担当与创新的推动者。在我国,领跑全球科技发展的时代机遇不仅蕴藏在大国重器的追赶与超越之中,更体现在推动这些重器技术进步的创新者的担当与创新里。

通过此次采访,记者再次深刻地认识到,中国作为后发国家,正是有了像国家管网集团北京管道公司这样有担当的央企,有了像王志勇这样将“敢为人先”精神融入血脉的科技工作者,以及像陕京四线管道这样承载国之大器的“工业4.0”应用场景,才有了机会和实力在这场科技竞争中立于不败之地。

他们怀揣让亿万家庭温暖如春的愿景,在“中国制造”独有的大规模、高标准、高难度生产基础上,运用多样化的传感器、智能化的数据分析以及AI大模型工具等全球顶尖技术,让中国在“工业4.0”的发展中牢牢抓住了后发国家赶超的机遇和时代节点,从而在国际上实现了弯道超车。

回望过去,虽然道路充满挑战,但展望未来,曙光已初现,希望就在前方。我们深信,未来必定会有更多的“国家管网北京管道公司”、更多的“托克托”、更多的“王志勇们”涌现出来,他们将为国之重器、中国制造注入智慧,使其长出丰满羽翼,拥抱星河万里,成就民族复兴的大国之梦!

(作者系《中国石油石化》杂志特约记者 邓婷)

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