油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測信息系統(tǒng)建設(shè)

葛蘇鞍 葉紅 馬中山

摘要：新疆油田公司為了加強(qiáng)能源管控力度、提高節(jié)能監(jiān)測效率、減少人員投入和勞動強(qiáng)度，大力推進(jìn)油田主要能耗設(shè)備能效在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。結(jié)合油田耗能設(shè)備能效監(jiān)測業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行劃分，從系統(tǒng)服務(wù)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集方式以及系統(tǒng)功能各方面介紹主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測信息系統(tǒng)。提供了全面、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化能效在線監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時自動采集、傳輸、儲存、分析，關(guān)鍵能效參數(shù)的診斷、預(yù)警，及時為設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出整改建議，指導(dǎo)油田主要耗能設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，實(shí)質(zhì)性提高油田耗能設(shè)備能效監(jiān)測效率，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：耗能設(shè)備；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)能監(jiān)測；能源管控；診斷分析

一、前言

面對國內(nèi)外環(huán)境的深刻復(fù)雜變化，國家推出能耗及碳排放雙控指標(biāo)、定額與限額指標(biāo)等硬約束要求。節(jié)能作為“第一能源”，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的重要舉措[1]，節(jié)能監(jiān)測是提升企業(yè)用能水平的重要手段，對加強(qiáng)能源管理、挖掘節(jié)能潛力、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[2]。新疆油田公司根據(jù)節(jié)能減排、提高能源利用效率的應(yīng)用需求，對油田主要耗能設(shè)備提出了全覆蓋、全系統(tǒng)、全天候、實(shí)時化開展節(jié)能監(jiān)測與診斷分析的要求。新疆油田生產(chǎn)的重點(diǎn)耗能環(huán)節(jié)包括采油、注水、集輸、供熱等系統(tǒng)，重點(diǎn)耗能設(shè)備主要為抽油機(jī)、注水泵、輸油泵、加熱爐、注汽鍋爐等，具有耗能設(shè)備多、種類復(fù)雜、分布廣泛的特點(diǎn)。現(xiàn)階段節(jié)能監(jiān)測的主要方式是節(jié)能技術(shù)人員攜帶多種測試儀器到現(xiàn)場，利用分散的測試設(shè)備在多測點(diǎn)協(xié)作完成現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的采集，然后依靠技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和處理計算，工作效率低，節(jié)能監(jiān)測和診斷分析規(guī)范性不強(qiáng)、指導(dǎo)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時效性差[3]。監(jiān)測隊(duì)伍受技術(shù)服務(wù)能力、安全條件限制，監(jiān)測工作呈單點(diǎn)、瞬時、分散的特點(diǎn)，難以滿足節(jié)能監(jiān)測覆蓋率的要求；存在節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)來源分散、格式不統(tǒng)一、數(shù)字化油田現(xiàn)有系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)不完整等問題，無法滿足企業(yè)能源管控的要求。

二、油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

節(jié)能監(jiān)測是油氣田企業(yè)加強(qiáng)能源管控、實(shí)施精細(xì)管理的重要技術(shù)支撐[3]。歐美發(fā)達(dá)國家先進(jìn)企業(yè)除了生產(chǎn)過程中廣泛采用計算機(jī)監(jiān)測、控制系統(tǒng)（DCS，SCADA）外，能源數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、分析和優(yōu)化系統(tǒng)占有重要的位置。通過現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式控制技術(shù)，建立完善的能耗監(jiān)測、管理體系，實(shí)現(xiàn)能源消耗動態(tài)過程的信息化、可視化、可控化，對企業(yè)生產(chǎn)過程中能源消耗的結(jié)構(gòu)、過程及要素進(jìn)行管理、控制和優(yōu)化，提高能源使用效率。中國石油從“十五”起大力開展數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)過程自動監(jiān)控，為油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。GB/T 33653《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》、GB/T 31453《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的發(fā)布，為油田企業(yè)開展各生產(chǎn)系統(tǒng)和主要耗能設(shè)備能效測試和計算提供了技術(shù)規(guī)范，對油田節(jié)能監(jiān)測和評價起到了重要的技術(shù)支撐作用。結(jié)合國家《重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》及中國石油Q/SY 09004.3《能源管控 第3部分 油氣田技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范的相關(guān)要求，新疆油田開展了油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測技術(shù)研究，提出了建設(shè)一套示范性油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)油田主要耗能設(shè)備“全覆蓋、全系統(tǒng)、全天候、實(shí)時化節(jié)能監(jiān)測與診斷分析”的技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)，重點(diǎn)開展了3個方面的技術(shù)研究。

（一）油田主要耗能設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行能效數(shù)據(jù)自動采集、實(shí)時分析、及時給出提效建議，用于指導(dǎo)主要耗能設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低生產(chǎn)成本。以實(shí)時監(jiān)測油田主要耗能設(shè)備能效數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握能耗設(shè)備運(yùn)行狀況、高效分析用能水平、及時提供運(yùn)行調(diào)整建議、科學(xué)制定節(jié)能降耗措施、提升油田生產(chǎn)現(xiàn)場管理及智能化水平，最大限度降低能源消耗成本為目的，開展多元數(shù)據(jù)自動采集傳輸技術(shù)、工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)、設(shè)備能效水平分析診斷技術(shù)、設(shè)備能效提升技術(shù)等研究，研發(fā)一套示范性的油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，形成一套油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)。

（二）開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)共享技術(shù)研究，確定油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)，采用實(shí)時分析計算新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全覆蓋、全系統(tǒng)、全天候、實(shí)時化的數(shù)據(jù)采集、分析、診斷，運(yùn)用新技術(shù)新知識開發(fā)主要耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，提高節(jié)能監(jiān)測率。首先，通過甄別篩選油田各類統(tǒng)建系統(tǒng)及自建系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源采集到的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，確認(rèn)抽油機(jī)、加熱爐、注汽鍋爐、輸油泵和變壓器等油田主要耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)源；其次，依據(jù)節(jié)能監(jiān)測及能源管控技術(shù)規(guī)范要求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸及數(shù)據(jù)存儲能力，合理確定數(shù)據(jù)采集周期，保證數(shù)據(jù)的合規(guī)性；最后，利用標(biāo)準(zhǔn)對照、對標(biāo)分析、專家判斷等手段，采用要素分析、節(jié)點(diǎn)分析、經(jīng)驗(yàn)分析等方法，合理評價設(shè)備能效水平，科學(xué)診斷存在問題，及時提供有效可行的整改建議。

（三）確立采集數(shù)據(jù)的類型，采用統(tǒng)一的通信方式和通信協(xié)議的遠(yuǎn)端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議傳輸?shù)娜诤?，?shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)齊全、格式一致，通信協(xié)議統(tǒng)一，確保能效計算規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)化，提高主要耗能設(shè)備能效監(jiān)測技術(shù)水平。油田主要耗能設(shè)備越多，節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)的體量也就越大，要將設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及時接入到節(jié)能在線監(jiān)測管理系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸、無線通信、數(shù)據(jù)命名與編碼、數(shù)據(jù)存儲等規(guī)范。為充分應(yīng)用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成果，節(jié)能在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的建設(shè)充分依據(jù)了國家發(fā)展改革委環(huán)資司指導(dǎo)編制的《重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、中國石油Q/SY 10722《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》等要求，從而保障了系統(tǒng)的規(guī)范、高效開發(fā)，為后期資源共享與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

三、油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)

油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動化采集，提高能效監(jiān)測業(yè)務(wù)的安全性、系統(tǒng)性、連續(xù)性，為智能級能源管控系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。充分利用新疆油田已建系統(tǒng)中的油田主要能耗設(shè)備能效監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)利用模式，提升數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，為更好開展油田設(shè)備能耗分析工作提供數(shù)據(jù)支撐。在數(shù)字化油田建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，遵循實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的原則，充分利用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)（A11）、油氣水井生產(chǎn)管理系統(tǒng)（A2）等軟硬件資源，進(jìn)行頂層統(tǒng)一設(shè)計、系統(tǒng)統(tǒng)一部署；在開放、可擴(kuò)展、安全穩(wěn)定基礎(chǔ)上，兼容系統(tǒng)軟硬件差異，應(yīng)用分層和組件化結(jié)構(gòu)，滿足不同管理層次的業(yè)務(wù)需求。

系統(tǒng)在軟件應(yīng)用開發(fā)實(shí)現(xiàn)方面，整體采用微服務(wù)多層架構(gòu)設(shè)計的云化方案，使各個層次的內(nèi)部分工更加細(xì)致、明確和標(biāo)準(zhǔn)化，以利于軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)化實(shí)施和合作，利于軟件的擴(kuò)展和復(fù)用，降低軟件維護(hù)成本，提高數(shù)據(jù)的共享和安全性，很好地滿足基礎(chǔ)平臺部件模塊化、協(xié)同化、一體化的要求。

（一）總體架構(gòu)

油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測系統(tǒng)從總體架構(gòu)上滿足油氣企業(yè)生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集、傳輸、集成、分析、診斷、預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)需求，在業(yè)務(wù)應(yīng)用上為企業(yè)提供實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、指標(biāo)預(yù)警、調(diào)整建議、安全管理等服務(wù)。在技術(shù)體系方面，主要采用油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成和處理技術(shù)、油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模和分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)計算技術(shù)等。

數(shù)據(jù)采集部分：用戶可以通過傳感器采集模塊、計量儀表及各類油田業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口等方式接入到系統(tǒng)平臺，并通過統(tǒng)一身份認(rèn)證最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息安全傳遞。

數(shù)據(jù)中心：包括歷史數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫和資源信息庫。歷史數(shù)據(jù)庫存儲各類油田主要耗能設(shè)備能效監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫存儲能效實(shí)時數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測油田主要耗能設(shè)備運(yùn)行情況，提出優(yōu)化改進(jìn)建議。資源信息庫存儲應(yīng)用系統(tǒng)資源，用于系統(tǒng)管理。

基礎(chǔ)服務(wù)部分：由網(wǎng)絡(luò)安全管理、計算存儲、容災(zāi)管理、預(yù)警管理等各類基礎(chǔ)服務(wù)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

業(yè)務(wù)中臺部分：通過系統(tǒng)提供的實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、指標(biāo)預(yù)警、分析診斷等功能模塊，通過可視化的構(gòu)建方式，快速構(gòu)建面向前端的業(yè)務(wù)應(yīng)用中心，同時還可以連接后臺專業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體信息化建設(shè)。

信息展示部分：系統(tǒng)通過統(tǒng)一工作臺、報表查詢、統(tǒng)計分析圖等多種方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能監(jiān)測的自動更新，保持信息的實(shí)時性，避免了人力資源和時間的浪費(fèi)，更適應(yīng)信息化管理的要求。

在整個系統(tǒng)平臺的建設(shè)中，除了基本的功能構(gòu)架外，遵循相關(guān)政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照公司各項(xiàng)管理制度與業(yè)務(wù)流程開展能源管控，系統(tǒng)建設(shè)管理遵循新疆油田公司系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的安全管理依托油田公司的統(tǒng)一認(rèn)證進(jìn)行專項(xiàng)管理維護(hù)，最終保證項(xiàng)目的建設(shè)能夠持續(xù)穩(wěn)定地為企業(yè)信息化建設(shè)提供支撐。

（二）系統(tǒng)功能

油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測系統(tǒng)以實(shí)時采集的能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能夠綜合顯示油田主要耗能設(shè)備運(yùn)行情況，對各類設(shè)備的關(guān)鍵能效參數(shù)以實(shí)時報表、趨勢圖等形式實(shí)時監(jiān)控呈現(xiàn)，可隨時了解各類設(shè)備的能源使用狀況，實(shí)現(xiàn)各類耗能設(shè)備的數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控、能耗統(tǒng)計分析、系統(tǒng)診斷、預(yù)警等功能，進(jìn)行多角度、多樣化能效數(shù)據(jù)展示和分析，真正達(dá)到智能化。主要功能如下：

1.數(shù)據(jù)采集傳輸：基于已有的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)（A11）、現(xiàn)場SCADA實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)、油氣水井生產(chǎn)管理系統(tǒng)（A2），通過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，及時獲取油田主要能耗設(shè)備的能效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動加載；針對新增加硬件模塊存儲的數(shù)據(jù)，能夠正確接收數(shù)據(jù)并加載入庫，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持；該系統(tǒng)主要對油田主要耗能設(shè)備抽油機(jī)、鍋爐、加熱爐、泵機(jī)組、壓縮機(jī)及變壓器等能效數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集。

2.診斷預(yù)警報警： 能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)可對油田主要耗能設(shè)備設(shè)置能耗關(guān)鍵參數(shù)預(yù)警及報警值通過人機(jī)界面的設(shè)置，實(shí)時調(diào)整指標(biāo)。系統(tǒng)通過實(shí)時采集數(shù)據(jù)與參數(shù)指標(biāo)值進(jìn)行對比分析，對正常范圍之內(nèi)的參數(shù)，繼續(xù)實(shí)施監(jiān)控；對于異常的指標(biāo)，系統(tǒng)自動提示報警，及時彈出越限值報警信息（通過特殊顏色標(biāo)識），實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵能效參數(shù)的實(shí)時預(yù)警和報警，便于用戶在第一時間發(fā)現(xiàn)和處理相應(yīng)問題，并能直觀展示用戶自選時間段內(nèi)的被監(jiān)測設(shè)備的能效參數(shù)變化情況，通過“大數(shù)據(jù)”分析技術(shù)、周期性預(yù)警和自動推送異常信息等手段，強(qiáng)化異常問題處置的及時性，確保能源管控精準(zhǔn)可控。

3.提效建議：建立節(jié)能監(jiān)測能效分析專家知識庫，針對主要耗能設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)警、報警實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)耗能重點(diǎn)環(huán)節(jié)和能效管理的薄弱環(huán)節(jié)，針對能效水平低的環(huán)節(jié)查找問題，結(jié)合技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用成熟、效果良好的節(jié)能技術(shù)實(shí)踐，提出切實(shí)有效的節(jié)能改進(jìn)措施和專家提效建議，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行部門制定改進(jìn)措施，提高節(jié)能監(jiān)測結(jié)果利用效率。

四、結(jié)果分析

油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能監(jiān)測模式的根本轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能監(jiān)測全覆蓋、全系統(tǒng)、全天候、實(shí)時化，監(jiān)測現(xiàn)場零用工，降低測試現(xiàn)場安全危險，能夠?qū)⒛苄?shù)據(jù)自動采集、實(shí)時分析、結(jié)果反饋周期控制在 30 分鐘之內(nèi)，可提高主要耗能設(shè)備運(yùn)行效率 1%～3%，大幅提高能效監(jiān)測工作效率和覆蓋面，提升結(jié)果反饋及運(yùn)行調(diào)整的時效性，滿足節(jié)能減排在線管控、能效對標(biāo)等工作要求，為企業(yè)節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。提高了能源管理水平，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效的目的。

某注汽聯(lián)合站對46臺注汽鍋爐開展能效在線監(jiān)測實(shí)施能源管控，依據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果及優(yōu)化建議精準(zhǔn)施策，半年內(nèi)開展鍋爐爐管酸洗4臺次，對流段積灰清洗3臺次，燃?xì)馀滹L(fēng)比調(diào)整46臺次，鍋爐運(yùn)行熱效率平均提高了0.6個百分點(diǎn)，熱效率評價合格率提升2.83%。根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司西北油田監(jiān)測中心《節(jié)能核查報告（報告編號：JNJC-452-2021）》數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)投用后實(shí)現(xiàn)年節(jié)約天然氣417.5萬方，可節(jié)約燃料成本304.8萬元。

五、結(jié)語

通過對數(shù)據(jù)傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的集成和優(yōu)化應(yīng)用，完善能源計量器具、構(gòu)建能源物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建油田主要耗能設(shè)備能效在線監(jiān)測系統(tǒng)信息管理平臺。本系統(tǒng)打破了原有油田生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)間“各自為政”“信息孤島”現(xiàn)象，充分利用已有系統(tǒng)中的油田主要能耗設(shè)備能效監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)利用模式，提升數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動化采集、分析，提高能效監(jiān)測業(yè)務(wù)的安全性、系統(tǒng)性、連續(xù)性，為更好地開展油田設(shè)備能耗分析工作提供數(shù)據(jù)支撐，為智能級能源管控系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)?！队吞镏饕哪茉O(shè)備能效在線監(jiān)測信息系統(tǒng)》的推廣應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能監(jiān)測模式的根本轉(zhuǎn)變，做到節(jié)能監(jiān)測現(xiàn)場零用工，降低測試現(xiàn)場安全危險。這一技術(shù)在各油田有著廣泛的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益，有望在各油田推廣應(yīng)用，助力油田企業(yè)降本增效，增強(qiáng)企業(yè)競爭力，提高企業(yè)信息化水平。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：葛蘇鞍、馬中山，新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院；葉紅，紅有軟件股份有限公司