山西煤層氣能源管控系統(tǒng)的建設(shè)

才浩楠 王宇蒙 王兆琪 劉若兮 黃文才

1華北油田工程技術(shù)研究院

2華北油田天成公司

3華北油田第五采油廠

我國從2011 年開始逐漸加強(qiáng)石油化工等大型能耗高企業(yè)的能源管控工作。中石油集團(tuán)公司提出到2020 年，能源管控能力建設(shè)基本達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，重點業(yè)務(wù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。依據(jù)集團(tuán)公司要求，以華北油田山西煤層氣田為試點，進(jìn)行能源管控系統(tǒng)的研發(fā)工作。目前，山西煤層氣分公司已經(jīng)基本實現(xiàn)了表層參數(shù)（如流壓、套壓、管壓等）全覆蓋采集，但是針對反應(yīng)能源利用率的間接參數(shù)，如機(jī)械采氣系統(tǒng)效率、集輸系統(tǒng)壓縮機(jī)組效率等，缺少系統(tǒng)化、智能化的采集與分析[1]。

華北油田煤層氣分公司通過抽油機(jī)等多種開采方式進(jìn)行開采煤層氣，伴隨著采出煤間水降低了地層壓力[2]。現(xiàn)以煤層氣分公司先進(jìn)的自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，合理配備具有遠(yuǎn)程功能的計量儀表，實現(xiàn)能源管控單元主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)和能源數(shù)據(jù)的在線采集、分析，開發(fā)集參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)展示和優(yōu)化分析為一體的能源管控系統(tǒng)[3]。

2 框架設(shè)計

2.1 監(jiān)管層級

依照各管理層級縱向分為三個等級：集團(tuán)公司是一級單元，華北油田公司是二級單元，所屬生產(chǎn)單位山西煤層氣分公司中是三級單元。針對能源消耗總量、關(guān)鍵績效指標(biāo)、能效定額跟蹤進(jìn)行監(jiān)控與分析，實現(xiàn)企業(yè)對能源利用率的動態(tài)監(jiān)控和有效管理[4]。能源監(jiān)管層級分類見圖1。

圖1 能源監(jiān)管層級分類Fig.1 Classification of energy management and control levels

2.2 能源績效參數(shù)選定

根據(jù)《油勘函〔2018〕294號_附件4 油氣田企業(yè)能源管控績效計算方法及采集要求》規(guī)定，選取了能反映管控單元實際用能水平且與生產(chǎn)過程密切相關(guān)的能源績效參數(shù)[5]，主要分為三個層次：第一層次是反映油氣田行業(yè)整體能源利用水平的宏觀綜合指標(biāo)；第二層次是反映油氣田各生產(chǎn)系統(tǒng)、用能環(huán)節(jié)的工藝過程指標(biāo)；第三層次是反映排采，集輸，電力三大系統(tǒng)耗能設(shè)備能效水平的終端設(shè)備指標(biāo)。選取抽油機(jī)井采水單耗，機(jī)采系統(tǒng)效率，機(jī)械采氣系統(tǒng)效率等7個能源績效參數(shù)[6]。

（1）排采系統(tǒng)推薦指標(biāo)為抽油機(jī)井采水單耗、機(jī)采系統(tǒng)效率、區(qū)塊系統(tǒng)效率，也可選取機(jī)采系統(tǒng)百米噸水單耗[7]。各參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)中的定義和說明如下：①抽油機(jī)井采水單耗為耗電量與產(chǎn)水量的比值；②單井的系統(tǒng)效率為抽油機(jī)有效功率與輸入功率的比值；③區(qū)塊系統(tǒng)效率，區(qū)塊系統(tǒng)效率采用加權(quán)平均計算，即區(qū)塊機(jī)采系統(tǒng)輸出功率與輸入功率的比值。

（2）集輸系統(tǒng)（不包括處理系統(tǒng)）的績效參數(shù)為氣田集輸綜合能耗、壓縮機(jī)組效率兩項指標(biāo)。氣田集輸綜合能耗為統(tǒng)計期內(nèi)氣田集輸生產(chǎn)能源消耗量與統(tǒng)計期內(nèi)氣田產(chǎn)氣量的比值；壓縮機(jī)組效率為有效輸出與驅(qū)動壓縮機(jī)消耗能量的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。區(qū)塊的壓縮機(jī)組效率取壓縮機(jī)組效率的加權(quán)平均值。

（3）電力系統(tǒng)的績效參數(shù)為網(wǎng)損率、功率因數(shù)[8]。網(wǎng)損率為在統(tǒng)計期內(nèi)電力網(wǎng)的損耗電量占供電量的百分比；功率因數(shù)為輸入視在功率與輸入有功功率之比。

2.3 能源管控系統(tǒng)的層級劃分

能源管控分為5個等級：計量級實現(xiàn)能源的有效計量；監(jiān)測級實現(xiàn)能耗狀況的實施監(jiān)測；分析級實現(xiàn)能效水平的有效分析和主要用能問題的合理解決；優(yōu)化級實現(xiàn)能源消耗目標(biāo)的科學(xué)設(shè)定和優(yōu)化方案的在線計算；智能級實現(xiàn)能源使用全過程的閉環(huán)優(yōu)化管理。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 計量級

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，煤層氣能源管控系統(tǒng)計量單元依舊劃分為：排采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)及電力系統(tǒng)三大部分[9]。排采系統(tǒng)按照電力變壓器所供電的單元具體細(xì)分管控單元，集輸系統(tǒng)按照壓縮機(jī)細(xì)分管控單元，電力系統(tǒng)按照具體供電線路及變壓器劃分管控單元。通過配備、維護(hù)和檢定能源管控單元的能源計量器具，實現(xiàn)能源管控單元的主要能源實物消耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確計量。目前山西煤層氣現(xiàn)場幾乎實現(xiàn)了計算能耗參數(shù)所需數(shù)據(jù)的全覆蓋采集，在已有的自動化采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，合理增設(shè)部分采集終端，并對接兼容煤層氣現(xiàn)有自動化系統(tǒng)。

在本區(qū)塊煤層氣供電線路二級變壓器處安裝175個電力計量裝置，數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸（GPRS）至電力中心現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中。裝置及安裝位置如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)計量裝置安裝Fig.2 Installation of power system metering device

在煤層氣3個集氣站10個壓縮機(jī)出口安裝氣體監(jiān)測計，采集出口氣體流量、壓力、溫度，數(shù)據(jù)經(jīng)Rs485通信協(xié)議傳輸至集氣站監(jiān)控系統(tǒng)。裝置及安裝位置如圖3所示。

圖3 集輸系統(tǒng)計量裝置安裝Fig.3 Installation of metering device in gathering and transportation system

3.2 監(jiān)測級

對計量級采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算和監(jiān)測。通過增加能源管控單元的能源計量數(shù)據(jù)自動采集功能，以及能源管控單元的能源績效參數(shù)在線計算和異常報警，實現(xiàn)了用能水平的及時監(jiān)測，確保快速定位能源管控單元在生產(chǎn)過程中的能耗超限環(huán)節(jié)，加快能源使用管理的響應(yīng)速度[10]。

山西煤層氣目前實現(xiàn)了生產(chǎn)、能源等數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、報警、查詢等功能。針對設(shè)備運行情況及能耗績效指標(biāo)，改變原有手觸、目測等人工操作方式，通過對排采、集輸、電力等生產(chǎn)系統(tǒng)用能過程的實時監(jiān)控與分析，對各能耗超限進(jìn)行報警，及時發(fā)現(xiàn)用能異常，系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警主系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)界面Fig.4 System monitoring and early warning system interface

3.3 分析級

針對能源管控單元的主要產(chǎn)用能環(huán)節(jié)、單元、區(qū)域等，開展能源績效參數(shù)的在線歷史趨勢分析和橫、縱向?qū)?biāo)分析，定期研究和實施系統(tǒng)性的節(jié)能增效改造項目，實現(xiàn)能源管控單元能效水平的有效評估和主要用能問題的合理解決，促使其根據(jù)生產(chǎn)變化改進(jìn)能源使用方式。

橫向?qū)?biāo)分析：以采水單耗為例，選取本區(qū)塊煤層氣20 口單井，10 月某日為對標(biāo)時間，針對單耗高于標(biāo)桿值的單井進(jìn)行平衡度、工作制度等參數(shù)的檢查與調(diào)整，在合理的范圍內(nèi)降低采水單耗。20口單井采液單耗橫向?qū)?biāo)分析見圖5。

圖5 20口單井采液單耗橫向?qū)?biāo)分析Fig.5 Horizontal benchmarking analysis of fluid production unit consumption in 20 single wells

縱向?qū)?biāo)分析：以華堯某單井為例，選取連續(xù)10 日的采液單耗進(jìn)行監(jiān)測分析，針對單耗突然增高（降低）的情況進(jìn)行排查、分析。某單井10 日采液單耗縱向?qū)?biāo)分析見圖6。

圖6 某單井10日采液單耗縱向?qū)?biāo)分析Fig.6 Vertical benchmarking analysis of 10-day liquid production unit consumption of a single well

3.4 優(yōu)化級

針對能源管控單元主要產(chǎn)（用）能環(huán)節(jié)、單元、區(qū)域等的模擬優(yōu)化模型，完善能源優(yōu)化管理制度，實現(xiàn)能源管控單元生產(chǎn)過程中能源使用的日常優(yōu)化管理，確保能源管控單元可根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定科學(xué)合理的能源消耗目標(biāo)值，并及時提出能源使用的計劃、調(diào)度和操作優(yōu)化方案，促進(jìn)其用能水平的持續(xù)改進(jìn)。

通過建立離線、在線優(yōu)化診斷模型，對采氣井的工況進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷及系統(tǒng)效率分析，提出每口井的工作制度調(diào)整、平衡調(diào)整，地面、地下工作參數(shù)調(diào)整以及其他維護(hù)性工作措施方案，發(fā)布到現(xiàn)場以指導(dǎo)現(xiàn)場及時對不合理的產(chǎn)氣井實施相應(yīng)的調(diào)整措施，從而提高整個煤層氣田產(chǎn)氣井管理水平。系統(tǒng)優(yōu)化建議界面見圖7。

圖7 系統(tǒng)優(yōu)化建議界面Fig.7 System optimization suggestion interface

3.5 智能級

智能級是通過能源使用管理與主要生產(chǎn)過程閉環(huán)優(yōu)化等的集成，實現(xiàn)對能源管控單元的全方位閉環(huán)管理，促進(jìn)其生產(chǎn)全過程的能源使用科學(xué)化管理和精細(xì)化控制。

山西煤層氣排采復(fù)雜，絕大部分單井工況的制約條件很多，人工現(xiàn)場調(diào)節(jié)經(jīng)驗占主導(dǎo)作用，未形成精準(zhǔn)量化關(guān)系，所以還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場摸索和理論研究相結(jié)合，才能實現(xiàn)全方位的智能閉環(huán)控制。但本次能源管控建設(shè)已為智能級建設(shè)預(yù)留接口，為后續(xù)升級提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

能源管控是針對能源生產(chǎn)、輸配和消耗等過程，以自動化、信息化技術(shù)為手段，通過能源計量和在線監(jiān)測，運用對標(biāo)分析和系統(tǒng)優(yōu)化的方法，對能源利用實施動態(tài)監(jiān)控和有效管理，以促進(jìn)能源利用最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

能源監(jiān)控與管理系統(tǒng)的建設(shè)不僅從對標(biāo)和優(yōu)化的角度分析節(jié)約了能耗，更重要的是觀念的改變，在合理的工作制度下提高產(chǎn)量的同時，關(guān)注能耗利用率。