大國重器：彎道超車的中國奇點智變

——陜京管道國産壓縮機組“一鍵啟站”智慧控制項目探秘

在確保壓縮機組更加安全穩定運作的基礎上,國産大功率機組再次啟動暖機時間縮短50%;並機時間由原來的40分鐘縮短至20分鐘,工作效率提升超過50%;操作人員從此減少3-5人,且無論是操作還是運作都更加安全可靠……

今年6月26日,國家管網集團北京管道公司對外發佈“我國長輸管道壓縮機組智慧控制技術達到世界領先水準”消息,記者有幸走進我國首個實現國産大功率壓縮機組“一鍵啟站,智慧運作”壓氣站——國家管網集團北京管道內蒙古輸油氣分公司托克托作業區,零距離感受大國重器的“智控”魅力。

在托克托作業區中控室,首先映入記者眼簾的是兩塊大螢幕,然後是閃爍著各種數據的七、八台電腦顯示屏,既沒有面對機械作業生産線的視覺震撼,也沒對話ChatGPT的心靈震驚。

但大道至簡、靜水流深。2023年12月,在國家管網集團科技數字化戰略引領下,北京管道公司黨委將托克托作業區作為公司唯一試點單位,承擔起“國産壓縮機組智慧控制提升研究”這一關鍵核心技術攻關項目。內蒙古分公司托克托作業區組建了以副主任王志勇牽頭的研究團隊,從而使這個作業區成為國産大功率壓縮機組“一鍵啟站,智慧運作”的一匹科技“黑馬”。

顯示屏上每一個數據變動、每一次警示提醒,猶如懸絲診脈,“國産壓縮機組智慧控制提升”項目讓天然氣長輸管道壓氣站從此具有了“智慧大腦”,成為我國油氣管網和國家管網集團“智慧管網”的一個爆發“奇點”。

圖為王志勇(圖中坐位左一)帶領團隊正進行項目程式測試

托克托智啟新程,國産機組領航未來

作為管網傳輸與壓縮機站的核心,全球範圍內能生産16兆瓦以上大功率離心式壓縮機的企業寥寥無幾,其中西門子、曼透平等外資品牌長期佔據我國天然氣管輸行業的主導地位。

得益於北京管道公司全力推進民族工業發展的擔當,國産大功率電驅壓縮機組在2018年的陜京四線建設中得到全面工業化應用,這是我國“油氣能源大動脈”首次實現整條幹線的全“中國芯”配置。

同樣得益於北京管道公司的創新意識,2021年,托克托作業區副主任王志勇受命牽頭這個項目,與沈鼓集團等多家企業及高校專家學者,共同開啟了“産學研”相結合的智慧控制提升項目攻關之旅。

對於大型央企,“安全”始終是生産運營管理的首要原則,尤其是在高風險的長輸油氣管道領域,對壓縮機這顆“心臟”的智慧改造猶如對人體神經系統的“大手術”。

項目伊始,質疑與擔憂聲不絕於耳,但公司黨委領導堅決表示:“作為管網人,敢破敢立、攻堅克難是我們最大的責任和擔當!”王志勇和團隊十幾名工程師以“拔丁抽楔”的精神動力,毅然向這一國內乃至世界的尖端領域發起了智慧化技術挑戰。

國産壓縮機組智慧控制提升項目並非簡單的仿製或改良,而是一次真正的“正向”技術研發,是一條全新的技術路線。項目的成功不僅推動了托克托壓氣站從單個設備到整個壓氣站的全面自動化、數字化、智慧化升級轉型,更成為我國天然氣管網行業智慧化發展的“奇點”,成為以微弱的氣態之力、托起萬家燈火溫暖與希望的“智慧管網”智慧控制“奇點”。

圖為王志勇在啟停機測試時檢查壓縮機密封點

AI神經網路演算法,安全精準一鍵啟站

陜京四線,作為我國首條全線採用國産壓縮機組的天然氣管道,托克托壓氣站在2018年10月正式投入運營,初期的壓縮機組控制系統處於功能相對基礎的“一鍵啟站1.0”階段。

由於長期以來西方國家對我國實行的技術封鎖,進口壓縮機關鍵模組的控制邏輯和程式代碼如同“黑匣子”,智慧控制系統無法基於進口設備技術進行“逆向”研發。

從“一鍵啟站1.0階段”到“一鍵啟站2.0”,如同一個不會開車、不會維修的人坐進一輛配備多臺發動機的汽車,即使汽車已駕駛數萬公里,也無需汽修師提前監測、準備,就能準確判斷每台發動機的狀態。挂擋之前,只需在智慧顯示屏中輸入目的地、到達時間,智慧控制系統就能自動選擇最佳效能區的幾臺發動機,在滿足駕駛需求的同時,在最優的航線上行駛,並做到能耗最低、駕駛更安全。

王志勇團隊分析了國産沈鼓壓縮機的負荷分配控制等關鍵模組性能,並結合托克托四台機組兩萬多條現場數據,詳細識別了每台機組的溫度、流量、入口壓力、出口壓力等數據對壓縮機功率、轉速和安全邊界的影響。基於這些分析和AI神經網路演算法,成功搭建了16個神經網路模型,使用機組出廠性能數據、壓縮機模擬軟體數據、現場運作歷史數據對這些模型進行優化,預測準確率達到90%以上,並實現了模型自我更新。

團隊還對“一鍵啟站”的29項前置條件進行了逐一邏輯梳理,通過機組自動檢索啟動條件,精確計算最佳機組運作數量,準確識別可啟動機組,減少了“啟機”過程中的人為判斷環節,提高了智慧自動化水準。

同時,團隊還通過電腦前臺操作作為人機交互界面,將“規划算法”、“神經網路”與“壓氣站現場數據”緊密相連,實現了“一鍵啟站2.0”的實時數據交換與可視化操作。

在遼闊的中國大地上,在今天綿延18萬公里的油氣長輸管網上,在托克托作業區裏,以AI為基礎的“一鍵啟站”,讓國産大型壓縮機如同一顆擁有智慧的心臟,為油氣管道健康而有力地安全跳動,為中國油氣長輸管道行業智慧化邁出了堅實的一步。

圖為項目團隊基於AI模型討論機組控制邏輯

六大控制器助力,從追趕到彎道超車

儘管中國的油氣管道建設起步于20世紀50年代,相較于國外晚了整整一個世紀,但我們的發展速度卻令世界刮目相看。

並網啟停,是機組操作中精度要求較高、操作難度較大的一個關鍵環節,無論進口機組還是國産機組,在輸氣量波動、低谷時段,都需要有豐富實踐經驗的工程師精準評估機組轉速等參數,並手動調節運作機組,才能保障系統平穩運作。

在壓縮機機組並網建模過程中,王志勇團隊創新性地提出使用單機壓力控制器、防喘振控制器、性能解耦控制器、匯入壓力控制器、匯出壓力控制器、等裕度控制器等六大控制器聯動的自動載入並網方法。該技術的運用,將托克托機組並網時間縮短至20分鐘,而在相同工況下,國際上最先進的某壓縮機組場站並網耗時為225分鐘,托克托機組並網時間僅為其並網時間的8%,一步將國際頂尖技術甩出了一個幾何數!

2021年10月,在解決並網問題、提升密封氣調節閥綜合控制能力時,因測試時間有限、技術理念領先,課題組成員、廠家工程師幾乎天天加班熬夜到淩晨下半夜,一週內試機數十次。

沈鼓集團,作為國産離心式壓縮機組的行業龍頭,也曾數次被項目團隊逼到崩潰邊緣。沈鼓集團自控分公司王亮工程師感嘆道:“別的企業是能用就行,你們是不僅要好用,而且還要用好,你們這是在以國際一流標準追求精益求精啊!”

艱辛的付出終於換來了成功回報,王志勇團隊研發的綜合控制模組實現了密封氣流量平穩控制、溫度恒定保持,並在鄂爾多斯、烏蘭察布等壓氣站推廣應用。

壓縮機並網的中國速度承載著管網人堅忍不拔、勇往直前的精神風貌,展現了管網人敢於擔當、追求卓越的奮鬥姿態。快速安全並網猶如給國産壓縮機組插上了一雙同風起舞、直上雲霄的翅膀,這不僅讓中國在國際上實現了從追趕到領跑的華麗轉身,更彰顯了中國在智慧製造領域的核心競爭力。

圖為項目團隊和成都一通工程師現場拆解分析幹氣密封部件

150余處自動化改造,讓智慧控制更加強大

經綸浩渺,一蹴而就;設備控制,一覽無遺。

AI模型讓國産壓縮機有了智慧“大腦”,只有智慧的“大腦”是不夠的,除了“大腦”還需要有一個功能健全、反應靈敏的“身體”,這個“身體”就是王志勇團隊在150多個關鍵節點上實施了自動化控制流程改造,對沈鼓集團開發的控製程序進行了超過90%的重新構建。

不僅如此,在過去三年裏,王志勇團隊還對托克托作業區24套設備、2620個探測器、20個控制系統進行了系統性梳理與優化,在原有設備基礎上增加了傳感設備和控制器,調整了控制邏輯,並實施了分層控制策略。

在這套智慧系統顯示屏前,項目成員戴宇陽指著一張圖片上的“軌跡線”,向記者介紹:“你看,這是機組並機後的運作軌跡圖,通過‘站回流閥開度匹配機組裕度的壓縮機組自動載入並網方法’,我們在15分鐘之內就能實現多臺機組的等裕度控制!”

圖為機組並機模型研發前後軌跡對比圖

在一旁的項目成員付遠鵬補充道:“得益於這套先進的智慧控制系統,我們仿佛擁有了一位有幾十年工作經驗、‘24小時×365天’全年無休的工程師,它能在第一時間就能捕捉到全部異常情況,使我們的工作從原先的‘監屏值守’轉變為‘待機值班’,這不僅減少了作業區人員需求,還極大提升了勞動生産率!”

如今,即便身處500多公里外的調控中心,也能在現場無人值守的情況下,對陜京四線各作業區實現“一鍵啟站,智慧運作”指令的操作。這是王志勇團隊對此給出的答案。

今天,算力與AI正引爆我們社會和經濟的每一個神經元,它也讓壓縮機控制系統具備了自我思考、自我決策的自適應力。基於AI模型支援的150余處自動化升級,讓團隊敢於運用這把“一鍵啟站,智慧運作”的手術刀,精準切斷阻礙國産化、自動化和智慧化進程的老舊神經,使國産壓縮機組智慧控制系統舊貌換新顏,並從此邁上國際領先的科技競技臺。

大國重器央企擔當,技術思想雙重變革

如何在項目推進與測試過程中,確保天然氣供應的連續性與穩定性,如何避免測試不對壓縮機組造成損傷?記者不禁好奇:“究竟是什麼力量,推動著管網工程師們在‘安全紅線’的高壓下,依然勇往直前,持續創新,不斷突破?”

王志勇深情地回應道:“面對未知的挑戰和外界的質疑,我們始終堅守著‘將能源飯碗穩穩端在自己手中,將核心技術牢牢掌握在自己手中’的初心。這份擔當與實幹精神,是我們作為國家義不容辭的責任!”

“2022年3月,2號機組驅動端靜密封突然出現損壞,問題一齣,零部件廠家認為,這次突然損壞顯然是啟停機組測試次數過多造成的。關鍵時刻,公司上下鼓勵我們要堅持問題導向,把解決問題貫穿到科研項目始終,只要是科學和正確的,就一定要勇敢堅持做下去!”王志勇告訴記者。

後經多方專家深入托克托現場對故障的專項分析,得出的結論是:問題定位為零部件設計不足。隨後,廠家十多位工程師與托克托團隊同吃同住,對幹氣密封構件進行了重新設計,進一步提升了産品的耐用性和穩定性。

經此一役,每當項目再次遇到問題,合作廠家沒有任何推諉,只有齊心協力和攜手攻堅克難。

2023年12月21日,國産壓縮機組智慧控制提升項目成功通過結項驗收,由中國石油學會等專業機構組成的專家組給出的鑒定結論是:“此項目的成功標誌著國産壓縮機智慧控制技術已獲得整體國內領先、部分國際先進的重大突破。”

顯然,在這場大國重器的挑戰與科技創新攻堅之戰中,彰顯出國家管網集團北京管道公司作為“首善之師”的責任與擔當,體現出北京管道人在推動産業變革中的堅定決心與高度使命感。

它是技術的變革,是思想的淬煉,給這條産業鏈上的中國企業帶來了創新靈感,它用央企擔當推動了沈鼓、成都一通等國內相關零部件及控制軟體企業的産業升級、産品換代。

項目團隊在機櫃間分析機組控制器運作狀態

採訪手記:奇點引爆升級,創新打破壟斷

2017年,國家發改委和能源局聯合發佈了《中長期油氣管網規劃》,該規劃不僅強調了管道本質安全的重要性,還提出了對運營效率的高要求。為實現這一目標,規劃提出了以管道智慧化來保障管道安全、提升輸氣效益,並倡導通過提升設備國産化率來構建“智慧管網”大平臺。

在這一背景下,國産大功率壓縮機在陜京四線的全面工業化應用成為現實,這得益於設備國産化的要求和北京管道人的責任擔當。這一突破性的應用不僅為托克托作業區在國産壓縮機智慧控制提升方面啃下了“硬骨頭”,更為智慧管網的標準化、體系化建設點燃了“奇點”。

縱觀人類工業文明的發展史,大國的興衰與科技制高點緊密相連,而科技優勢與國家政治的深度融合更成為大國競爭的關鍵。國家管網集團及其承載的中國油氣管道網路,作為保障國家能源安全的“頂梁柱”,在這場以“智慧化”和“數字化”為核心的科技競爭中展現出了堅定的步伐。

與此同時,北京管道公司黨委堅決貫徹“創新”立企強企的理念,致力於提升科技創新能力。他們堅持以推進科技自立自強為目標,充分發揮首都科教資源和人才智力優勢,整合創新資源,鍛造優勢技術集群,將科技“勢能”轉化為高品質發展的“動能”,為科技創新提供了強力支撐。

在技術創新方面,曾經標價高達1億人民幣的進口電驅壓縮機,如今僅需要5000多萬人民幣便可購得。這一轉變不僅打破了外國企業對我國市場的壟斷,更標誌著中國企業在國家能源安全領域的核心設備上已經實現了自主掌控,不再受制於人。

這種進步並非偶然,它源自於那些擔當與創新的推動者。在我國,領跑全球科技發展的時代機遇不僅蘊藏在大國重器的追趕與超越之中,更體現在推動這些重器技術進步的創新者的擔當與創新里。

通過此次採訪,記者再次深刻地認識到,中國作為後發國家,正是有了像國家管網集團北京管道公司這樣有擔當的央企,有了像王志勇這樣將“敢為人先”精神融入血脈的科技工作者,以及像陜京四線管道這樣承載國之大器的“工業4.0”應用場景,才有了機會和實力在這場科技競爭中立於不敗之地。

他們懷揣讓億萬家庭溫暖如春的願景,在“中國製造”獨有的大規模、高標準、高難度生産基礎上,運用多樣化的感測器、智慧化的數據分析以及AI大模型工具等全球頂尖技術,讓中國在“工業4.0”的發展中牢牢抓住了後發國家趕超的機遇和時代節點,從而在國際上實現了彎道超車。

回望過去,雖然道路充滿挑戰,但展望未來,曙光已初現,希望就在前方。我們深信,未來必定會有更多的“國家管網北京管道公司”、更多的“托克托”、更多的“王志勇們”涌現出來,他們將為國之重器、中國製造注入智慧,使其長出豐滿羽翼,擁抱星河萬里,成就民族復興的大國之夢!

(作者係《中國石油石化》雜誌特約記者 鄧婷)

原載:管道保護https://mp.weixin.qq.com/s/n4ogXz88bVjwZiPpcFO52Q