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张烈辉 | 《油气简史》

（第二版富媒体)

油燃而声第44期

管道上“跳动的心”——泵与压缩机

石油和天然气在管道中输送，需要一个力量来推着它们前进，这个力量被称为“压力”。油气在长途跋涉的过程中，时间久了，“压力”不够用了，它们就跑不动了。可是许多人正盼着它们的到来，可不准它们休息，怎么办呢？别急，解决这个问题要用到两个法宝——泵和压缩机，它们就像是分布在管道上的一个个“小心脏”，扑通扑通强有力地跳动着，可以源源不断地为油气提供能量，保证它们“不罢工”，顺利到达目的地，完成它们的使命。那么，泵和压缩机到底长什么样呢？为什么具有如此大的魔力，可以充当“心脏”的作用呢？它们又是怎么做到鞭策石油与天然气奋勇前行的呢？下面我们就来揭开泵和压缩机的神秘面纱，一起来了解管道上“跳动的心”。

液体管道的“动力之源”——泵

首先来看看泵。在石油王国里，泵是为石油增压而生的，它是增加“压力”的补给站。当石油在管道中跑不动时，泵就给它加油打气，补充能量，让其保持精力充沛，一路向前。

泵是个大家族，里面有很多成员，按照工作原理不同，分为容积式泵、叶轮式泵、喷射式泵。容积式泵里又分为往复泵、回转泵、活塞泵、螺杆泵、齿轮泵等；叶轮式泵又包括离心泵、轴流泵、混流泵和旋涡泵。这些泵都有着自己的特点，在各自的岗位上发挥自身的作用。

我们就以离心泵为例，来看看泵是怎么工作的。瞧，这就是泵的样子，长的像个蜗牛壳，但是它可不像蜗牛那样慢吞吞的，它是个“跑得快”的家伙。

泵的核心部件是叶轮，就是在“蜗牛壳”中间长的像叶子的东西，它是提供能量的源泉。当泵启动开始工作后，叶轮就会高速转动，同时也会带着石油一起转动，这样，哪怕石油累了，不想动了，也身不由己地被带着高速运动，速度加快，冲向远方，带着更足的精气神儿离开泵这个“补给站”。只要泵一直开着，认真工作，叶轮就不停地转动，为一批又一批石油提供补给，送走一批又一批补充了能量的石油，周而复始，使得整个管道中的石油都充满活力，顺顺利利地抵达终点。

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天然气管道的“动力之心”——压缩机

我们再来看看压缩机，顾名思义，压缩机就是具有“压缩”作用的机器。在石油王国里面，压缩机和泵的作用差不多，也是为油气资源提供能量的，不过泵主要是为石油提供补给，服务对象是液体，压缩机主要是压缩天然气用的，针对的是气体。在天然气管道输送过程中，压缩机为天然气提供能量，天然气被压缩后压力变大了、速度变快了，这样做的目的是为了提高输送效率，同时确保输送的稳定和安全。

和泵一样，压缩机也是一个大家族。压缩机分为动力型压缩机和容积型压缩机。动力型压缩机是靠高速旋转的叶轮来提供动力，增加天然气的压力和速度，包括离心式压缩机和轴流式压缩机；容积型压缩机是靠改变工作腔大小来增加天然气压力的压缩机，由于大多数容积型压缩机有活塞，故而又被称为“活塞”式压缩机。

以离心式压缩机为例，我们来看看它的工作原理是什么？

离心式压缩机结构很复杂，它有很多部件，包括吸气管、叶轮、扩压器、弯道、回流器、排气蜗室。这些部件相互配合，协同工作，共同完成离心式压缩机的增压过程。

离心式压缩机最重要的部件是叶轮。还记得泵的叶轮吗？没错，跟泵的叶轮类似，压缩机的叶轮通过自身高速旋转带动气体运动，使天然气压力增加，为天然气提供能量。要想达到给天然气增压的效果，叶轮必须快速转动，它的转动速度最高可达 20000r/min，意思就是在一分钟内转动两万圈，如果一个小人站在叶轮的边缘，叶轮（直径假设为 1m）转动一分钟，小人就会跑六万米那么远，可见，叶轮确确实实是个“跑得快”的家伙。

离心式压缩机的作用很大，它被广泛应用于天然气输送、大型化肥、乙烯、炼油、冶金、制氧、制药等领域。由于离心式压缩机是一种高速旋转的机器，它本身对材料、制造工艺以及装配过程的要求都是极高的，因此这种机器的价格很昂贵，一台离心式压缩机造价可以达到几百万甚至几千万。虽然它很贵，但是它创造的价值也是十分可观的，所以，我们要好好保护它，减少对它的损害，这样它才能源源不断地为我们创造收益，发光发热。

我国已开展 20MW 级电驱压缩机组和 30MW 级燃驱压缩机组的国产化研制，为我国油气管道提供“中国动力”。

管道“未来之星”——智慧管网

智慧管网

随着全球管道行业数字化、智能化深入发展，油气管道行业的新一轮科技和产业革命正在孕育，新的增长动能不断积聚，管道智能化建设已成为诸多管道企业的重要发展目标。智慧管道的建设将中国整个油气管道系统连成一个整体，使管道资源发挥最大利用效率。

“智慧管道”是在标准统一和数字化管理的基础上，以数据全面统一、感知交互可视、系统融合互联、供应精准匹配、运行智能高效、预测预警可控为特征，通过“端 + 云 + 大数据”体系架构集成管道全生命周期数据，提供智能分析和决策支持，用信息化手段实现管道的可视化、网络化、智能化管理，具有全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化能力等特点的管道系统。

以管道以及与之相关的全生命周期数据为基础，通过现在信息技术（物联网、云计算、大数据等）收集、统计、分析管道各类属性及全面感知数据，为管道建设和运行、管道完整性管理、管道应急及智能决策提供全方位支持，确保管道“安稳长满优”运行。

中国石油在 2004 年西气东输冀宁管道联络线建设过程中就提出了“数字化管道”的概念，并陆续在 2008 年西气东输二线、中缅油气管道等工程建设中将卫星遥感影像、无人机、GIS 等数字化技术应用于油气管道的勘察设计和施工阶段。2017 年，中国石油依托中俄东线天然气管道工程，以“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”为理念，开始了真正意义上的“智能管道”示范工程建设。2018 年，大数据的理念被纳入中国石油智慧管网总体设计方案中，基于大数据的前沿技术将推动智能管网建设，至此智慧管道远景逐渐清晰。2019 年 12 月 2 日，中俄东线北段正式投产运行，是中国首个采用 1422mm 超大口径、X80 高钢级、12MPa 高压力等级，具有世界级水平的天然气管道工程，也是中国石油首个推行智能管道建设的试点项目。

中国石化在 2014 年启动了“中国石化智能化管道管理系统”项目，完成了项目顶层设计和管道数字化管理、管道完整性管理、管道运行、应急响应管理、综合管理五大类功能的研发，以及 7 家试点企业 39 条 1939km 管道系统的实施和 27 座站场的数字化、可视化管理，重视数据标准化和业务流程模板化。2017 年提出建设“智能化管道”的理念，2018 年 5 月提出了智慧管网的建设目标，当年完成了智慧管网顶层设计方案。

在国外，美国哥伦比亚管道集团部署了 IPS 智能管道系统，构建具有工业互联网能力的智能管道解决方案，形成了涵盖从数据采集、信息集成、分析预测、管理优化的综合性全生命周期智能管道平台。在欧洲，意大利天然气输送系统运营商 SNAM 公司在意大利拥有并运营着超过 3.33×104km 的天然气管道网络，其他地区其子公司运营约 4×104km 管道，面临数据、资产、管网、安全四方面挑战。SNAM 公司分别通过整合已有 SCADA 系统，部署 Liwacom 公司 SIMONE 系统，试点 e-vpms TM 远程监测系统等升级改造实现了管道系统的智能化升级。

物联网在智慧管网中的应用

管道物联网的本质是将管道设备、设施与运营数据的收集、传输、分析和决策整合为有机整体，最终为设备管理优化和运营决策提供支持。其中，先进的设备、采集、通信、决策、控制等智能技术以及信息系统的应用和集成是贯穿于管道物联网各个环节的基础支撑。

管道物联网一般分为三个层面：感知层、传输层和应用层。感知层的建设需要全方位、智能化，通过智能检测及监测手段自动收集管道、设备及周边环境数据，准确计算管网系统运行安全状态。传输层通过有线和无线网络传输实时管道系统工况数据、视频图像及相关控制信息。应用层主要用于整理和显示管道系统信息，提供预测和预警、状况诊断、趋势分析、监管计划制定、生产报表编制、物联网设备管理、智能决策算法等功能。该系统的核心是数据管理系统和操作管理系统。数据管理系统通过构建数据库来整理、存储和显示由感知层获取的数据。该系统构建的重点是设置数据交换的频率，确定数据交换的协议，并统一数据标签的命名规则。运行管理系统包括施工、运行、管道保护、管道完整性管理、站场完整性管理、资产管理、材料管理、维护管理各个子系统，这些子系统基于数据管理系统提供的数据，相互辅助，进一步确保管道运行的安全可靠性，实现最大的经济效益。

数字孪生体在智慧管网中的应用

数字孪生体是指在虚拟空间中集对象、模型和数据于一体的仿真模型。该虚拟模型完全对应于真实空间中的物理实体，通常是指对真实空间中物理实体的多维动态数字映射。通过在物理实体上安装的传感器或模拟数据，实现对物理实体的实时观察并呈现其实时状态。另外，物理实体也可接收系统的承载指令，不断改变自身状态。

传统的管道设计思路分为可行性研究、初步设计、施工图绘制三大步骤，虽然目前大多数的管道设计已经开始采用三维设计方案，但大多为静态设计，不能生动展示系统构造，缺乏全局性考虑，同时设计方案过多依赖于设计人员，利用率较低。管道数字孪生体的诞生很好地解决了这个问题，它立足于模拟仿真技术，能够更加全方位、多层次、高精度的模拟管道复杂运行工况，并对管道的流动状态趋势进行预测。采用智能优化算法，如群体智能、遗传算法、人工神经网络等，对管道的运行过程进行优化控制。

智能监测在智慧管网中的应用

长输管道通常分布广、沿线地质环境复杂，川气东送管线跨越 4 省 2 市 53 个县区，穿越地貌类型包括山区、丘陵、平原、沼泽和水网等等复杂地貌单元，管道 60% 以上在山区丘陵地段敷设，沿线地质环境复杂，道路崎岖，传统人工巡检难度大，难于满足管道的安全管理需求。随着科学技术的发展，新一代技术如智能传感器、物联网、无人机、人工智能、机器学习等快速发展，管道巡护管理可结合新的技术从传统以人为主的管理转变为以智能感知技术为主，人工为辅的方式进行管道的安全管理，通过智能传感技术全面感知线路风险，实现风险由被动管控到主动管控的转变。同时也能减少人工投入，降低人员在山地巡护的安全风险。

无人机巡线智能信息处理子系统

无人机巡护以无人机为平台，搭载视频、影像等传感器，通过周期性或指定时间段的压线采集数据，实现对管道运营状态的巡视和检查。具体巡检强调如下信息收集和处理。

（1）管道附属设备设施的完整性如站场、阀室、放空管的情况。

（2）人为因素影响，如第三方施工和建构筑物占压。

（3）自然因素影响，如地质灾害。

（4）管道失效和泄漏。

无人机搭载的传感器以光学传感器为主，此外也可以针对特殊的巡检需求搭载包括红外相机、甲烷气体泄漏探测器在内的特殊传感器。

通常管道无人机巡护沿固定的线路，在固定的区段间进行。其航线、航高、地面基站、地面像控点宜提前设计好。

地灾三维模型智能观测系统

通过三维模型观测系统是对整个管线工程的三维模拟，结合数值分析、三维建模等多种方式，对管道传输环境及管道的整体情况进行模拟。管线在受到破坏时，必定会存在管内油气泄漏等事件的发生，为了防止这些事件造成较大的影响或者形成更大的危害，三维模型观测系统在需要做决策时，提供快捷有效的建议，以供决策者参考，同时也可以对管线的情况总体把控。

结合管线周围的地质环境，还可进行地质灾害等相关破坏模拟，提前做好预防措施，可实现预防、模拟及决策等功能，在对管线遭受破坏后的相关处理有很大的帮助。

智慧管网的发展前景

国家管网公司已成立，必将顺应世界能源发展的大势，不断提升科技支撑能力，加强人工智能、大数据、云计算等先进技术与油气管网的创新融合，完善信息共享平台，推动油气互联网布局。为国家战略智慧油气通道打造既具有“小聪明”又具有大智慧的“最强大脑”。智慧管道的建设将构建管道数字孪生体，实现传统管道与智慧管道的信息交互、数据共享，实现智慧诊断、智慧化运行、全生命周期管理。将智慧化技术深度融合于实际管道运行任务，搭建的信息共享平台涵盖数字化管理、完整性管理、运行管理、应急管理、综合管理等系统。