海上油氣田用能管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用實(shí)踐

李平 張龍

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司；2.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心）

1 概述

隨著我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)，能源需求呈剛性增長(zhǎng)，節(jié)能工作形勢(shì)嚴(yán)峻。能耗是企業(yè)生產(chǎn)成本的重要組成部分，節(jié)能降耗涉及企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程。多年以來(lái)，我國(guó)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)收集，大多采用企業(yè)定期上報(bào)耗能報(bào)表方式，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、時(shí)間滯后等問(wèn)題較為嚴(yán)重，而且能耗數(shù)據(jù)太籠統(tǒng)，已成為制約節(jié)能工作推進(jìn)的一個(gè)重要問(wèn)題。在以上背景下，國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳印發(fā)了《重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》。通知加快推廣建設(shè)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，健全能源計(jì)量體系，加強(qiáng)能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度“雙控”形勢(shì)分析和預(yù)測(cè)預(yù)警，推動(dòng)完成“雙控”目標(biāo)任務(wù)[1]。

海上油氣田作為我國(guó)最大的海洋能源生產(chǎn)供應(yīng)單元，對(duì)能源使用有著較高的依賴度，屬于國(guó)家管控的重點(diǎn)耗能單位。海上生產(chǎn)單元相較于陸地生產(chǎn)單位具有其天然特殊性，受地理位置、生產(chǎn)環(huán)境的等多方面因素的限制，可供海上設(shè)施調(diào)配的資源非常有限，其生產(chǎn)工藝和管理模式與陸地石油行業(yè)有著較大區(qū)別。

2 石化行業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

國(guó)外企業(yè)在能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方面起步較早，很多大型石油、化工企業(yè)都圍繞著能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立了自己的能源管理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，可以精確管控能源的有效、合理利用[2]。

Exxon Mobil（?？松梨冢╅_(kāi)發(fā)的的全球能源管理系統(tǒng)（GEMS）從管理和技術(shù)兩方面進(jìn)行能源管理[2]，統(tǒng)一了節(jié)能績(jī)效衡量方法，并建立了一套挖潛增效的最佳實(shí)踐庫(kù)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，發(fā)現(xiàn)企業(yè)潛在的15%～20%節(jié)能改進(jìn)空間。

Valero（美國(guó)瓦萊羅能源公司）對(duì)其旗下經(jīng)營(yíng)煉廠的公用工程系統(tǒng)進(jìn)行了能源管控優(yōu)化，結(jié)合先進(jìn)控制技術(shù)對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控，降低其能耗運(yùn)營(yíng)成本[3]。項(xiàng)目實(shí)施后，系統(tǒng)運(yùn)行后減少蒸汽排放7%，鍋爐熱效率提高了0.6%，減少燃料氣成本1%，產(chǎn)生年效益約270萬(wàn)美元。

雖然國(guó)際公司（如AspenTech，Honeywell）開(kāi)發(fā)出能源管控方面的工程軟件產(chǎn)品通用性很高，但對(duì)國(guó)內(nèi)的企業(yè)裝置適用性一般，直接利用存在誤差較大。

國(guó)外油田企業(yè)普遍開(kāi)始了智能油田的探索與建設(shè)，其追求的不再是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)過(guò)程的扁平化管理，而是對(duì)整個(gè)上游業(yè)務(wù)流程的整合與再造。為此，它需實(shí)現(xiàn)四個(gè)層級(jí)的突破，即在完善油氣田信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，依次達(dá)成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)優(yōu)化和經(jīng)營(yíng)模式的轉(zhuǎn)變[4]。挪威海域的斯塔特福約爾得油田為實(shí)現(xiàn)油田的綠色可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)對(duì)海上油田的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、生產(chǎn)過(guò)程信息化控制進(jìn)行了嘗試與摸索[5]。

2.2 國(guó)內(nèi)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

國(guó)內(nèi)石油石化企業(yè)正在積極推動(dòng)能源管控工作，對(duì)能源管控技術(shù)的研究仍處于嘗試和探索階段。為更好地開(kāi)展油氣田生產(chǎn)能源管控技術(shù)的研究，中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司進(jìn)行了自動(dòng)化改造及及網(wǎng)絡(luò)改造，建立能源監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)；中石油進(jìn)行了專項(xiàng)課題研究，并編制了《能源管控技術(shù)通則》、《油氣田企業(yè)能源管控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[6]，并提出了“四個(gè)清楚（能耗總量計(jì)量清楚、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)清楚、重點(diǎn)設(shè)備能耗清楚、重點(diǎn)控制清楚）、三個(gè)實(shí)時(shí)（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警、實(shí)時(shí)調(diào)整）、以及“分級(jí)管控”的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)警等功能[7]。

中石油在長(zhǎng)慶油田開(kāi)展了能源管理系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)工作，其建設(shè)依據(jù)“總體構(gòu)架、分步實(shí)施、管理與技術(shù)并重”的原則，以油田數(shù)字化網(wǎng)路為依托、能源計(jì)量器具完善升級(jí)為抓手、能源管控軟件開(kāi)發(fā)為手段[8]。建設(shè)的能源管控示范長(zhǎng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，達(dá)到了能耗數(shù)據(jù)的扁平化管理，提高了廠區(qū)的能源管理水平[9]。

中石油慶新油田打破傳統(tǒng)油田開(kāi)發(fā)管理模式，通過(guò)“數(shù)字化建設(shè)”和“智能化提升”兩個(gè)階段逐步建立了油藏、井筒、地面的一體化智能管理模式，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)化、控制調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程化、生產(chǎn)站場(chǎng)無(wú)人化、告警分析智能化、產(chǎn)量計(jì)量自動(dòng)化、節(jié)能降耗精細(xì)化、機(jī)采措施一體化等功能。目前慶新初步建成智能油田雛形，實(shí)現(xiàn)了地面工程的全面感知、故障隱患的預(yù)警預(yù)測(cè)、生產(chǎn)活動(dòng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、眾多系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

中國(guó)石化選擇了燕山分公司、鎮(zhèn)海煉化、天津分公司、茂名分公司作為能源管理系統(tǒng)試點(diǎn)企業(yè)，企業(yè)端建設(shè)用能需求計(jì)劃和優(yōu)化的產(chǎn)能計(jì)劃，建立完善企業(yè)全口徑的能流管理，初步建設(shè)評(píng)價(jià)分析功能及對(duì)第三方能源優(yōu)化的支撐，并實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)能源管理中心建設(shè)及總部能源管理的業(yè)務(wù)支撐?？偛慷耍瑢⑵髽I(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)集中監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)總部對(duì)企業(yè)計(jì)劃的審批管理，初步建設(shè)企業(yè)間評(píng)價(jià)、分析功能。

3 海上油氣田能源管理現(xiàn)狀

海上油氣田消耗的能源包括原油、天然氣、柴油、電力以及新水，其中原油和天然氣由海上油氣開(kāi)采得到，電力由自采的原油、天然氣發(fā)電而來(lái)，柴油和新水是公司購(gòu)入的主要能源。

由于海上平臺(tái)的生產(chǎn)工藝較為單一，能源種類數(shù)量不多，主要是利用自己生產(chǎn)的天然氣或原油做燃料，而且為孤立能源消耗體系，現(xiàn)場(chǎng)能源管理精細(xì)化程度的較為粗放。其中能源計(jì)量多以一級(jí)和二級(jí)計(jì)量?jī)x表為主，三級(jí)計(jì)量（設(shè)備級(jí)）儀表較少，難以對(duì)單臺(tái)設(shè)備能耗及能效進(jìn)行監(jiān)測(cè)；能源管理多以統(tǒng)計(jì)和上報(bào)數(shù)據(jù)為主，與實(shí)際情況存在偏差；已建成的生產(chǎn)自動(dòng)化采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)部分能源數(shù)據(jù)的在線采集，但數(shù)據(jù)分散、缺乏集中的監(jiān)控平臺(tái)，缺乏系統(tǒng)性的節(jié)能手段和工具，缺少能源使用的深入分析和能源管理措施的制定實(shí)施。另外，海上油氣田的通信主要是通過(guò)海底光纜、微波和衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，現(xiàn)階段海上平臺(tái)和陸地之間的數(shù)據(jù)傳遞通信帶寬有限，數(shù)據(jù)傳遞的數(shù)量和頻率不宜過(guò)大過(guò)快，相對(duì)陸地而言數(shù)據(jù)傳輸成本較高，加大了能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)的實(shí)施難度。

4 海上油氣田用能管理系統(tǒng)方案研究

如上所述，目前海上平臺(tái)沒(méi)有相關(guān)系統(tǒng)對(duì)油氣田群能源的詳細(xì)使用情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，考慮到海上油氣田能源管理現(xiàn)狀的特殊性，不能直接照搬陸地石油石化企業(yè)的建設(shè)方式，需要探索出適合并具有海油特色的海上油氣田能源管理系統(tǒng)建設(shè)方案。幫助企業(yè)在擴(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，合理計(jì)劃和利用能源，保障能源供給和生產(chǎn)安全，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提供科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和關(guān)鍵指標(biāo)。

4.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

在海上油氣田，能源流向貫穿整套生產(chǎn)工藝，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散于多個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)，如注水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)等。

為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和簡(jiǎn)化信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)，在搭建數(shù)采網(wǎng)絡(luò)時(shí)，以“DCS中控系統(tǒng)”作為數(shù)據(jù)采集的主要數(shù)據(jù)源和匯聚點(diǎn)，對(duì)于不便于接入DCS的儀表和控制系統(tǒng)（如電表、電力系統(tǒng)），根據(jù)實(shí)際需求靈活的搭建采集通訊鏈路。

海上油氣田用能管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)部署方式

綜合考慮海上油氣田的通訊方式特點(diǎn)，用能管理系統(tǒng)采用子站與主站相結(jié)合的方式進(jìn)行部署。

系統(tǒng)子站包含監(jiān)測(cè)子站和采集子站，主要部署于海上平臺(tái)、FPSO等海上生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)。因同一生產(chǎn)區(qū)塊內(nèi)的海上生產(chǎn)設(shè)施之間通信較為便利，鋪有海底光纜，便于網(wǎng)絡(luò)交互、數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)可在此范圍內(nèi)采用集中部署的方式，即在多個(gè)井口平臺(tái)部署采集服務(wù)，在中心平臺(tái)、FPSO等關(guān)鍵生產(chǎn)處理設(shè)施部署數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用服務(wù)供所有子站用戶訪問(wèn)。子站的應(yīng)用服務(wù)主要供現(xiàn)場(chǎng)用戶實(shí)時(shí)掌握能耗數(shù)據(jù)及相關(guān)能耗指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理。

系統(tǒng)主站部署在陸地辦公地點(diǎn)，對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)子站的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。綜合考慮海上與陸地之間的通信條件，受微波通訊波動(dòng)、衛(wèi)星帶寬等因素的限制，數(shù)據(jù)傳輸之前會(huì)進(jìn)行壓縮、篩選處理。主站的應(yīng)用服務(wù)偏向于管理、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主管部門對(duì)下級(jí)單位用能情況的對(duì)比和評(píng)價(jià)，支撐決策需求，海上油氣田用能管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 海上油氣田用能管理系統(tǒng)

4.3 系統(tǒng)主要作用

海上油氣田用能管理系統(tǒng)，旨在通過(guò)數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體能源動(dòng)力系統(tǒng)的全面監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)海上油氣田各種能源的（水、燃?xì)?、原油、電、蒸汽等）?dòng)態(tài)消耗，實(shí)時(shí)進(jìn)行能耗計(jì)算和分析，識(shí)別重要能耗區(qū)域，快速發(fā)現(xiàn)用能環(huán)節(jié)的無(wú)效用能盲點(diǎn)；統(tǒng)一監(jiān)測(cè)方法和規(guī)范，建立客觀的能源消耗體系，明確能耗基準(zhǔn)線，從粗放的能源管理模式轉(zhuǎn)變到科學(xué)的能源管理模式；減少能源系統(tǒng)運(yùn)行管理成本，提能源利用效率，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化能源運(yùn)行管理方式，減少日常管理的人工投入，節(jié)約人力資源成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[10]；實(shí)時(shí)分析關(guān)鍵設(shè)備和工藝的能效情況，建立能效檔案，實(shí)施全生命周期能效對(duì)比，持續(xù)改善運(yùn)行狀況。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。海上油氣田用能管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體能源動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確獲取能源信息數(shù)據(jù)，全面快速準(zhǔn)確的獲取實(shí)際能源消耗情況。

2）電能質(zhì)量分析。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)，幫助運(yùn)行管理人員發(fā)現(xiàn)和定位電能質(zhì)量問(wèn)題來(lái)源，改善電能質(zhì)量并提高用電設(shè)備運(yùn)行可靠性。實(shí)現(xiàn)電壓偏差、頻率偏差、諧波和間諧波監(jiān)測(cè)、電壓不平衡和序分量測(cè)量、電壓閃變、電壓暫升暫降、瞬態(tài)過(guò)電壓捕捉、電壓合格率統(tǒng)計(jì)。

3）設(shè)備能效分析。針對(duì)海上油氣田重點(diǎn)設(shè)備（電站、熱站、壓縮機(jī)和機(jī)泵等），系統(tǒng)通過(guò)對(duì)設(shè)備用能效率、待機(jī)能耗、用電負(fù)荷趨勢(shì)曲線的統(tǒng)計(jì)，分析識(shí)別當(dāng)前設(shè)備的用能是否合理，識(shí)別有無(wú)節(jié)能改造空間。

4）故障告警。針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)越限(流量、溫度、電流、功率、壓力等)、能耗超標(biāo)越限、系統(tǒng)故障（表計(jì)通信鏈路異常、表計(jì)/設(shè)備自檢故障等）等異常告警類型情況進(jìn)行實(shí)時(shí)告警。

5）能源平衡分析。系統(tǒng)通過(guò)海上平臺(tái)的水、電、油氣等各項(xiàng)能源在使用過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行平衡分析，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)能量在使用過(guò)程中的跑冒滴漏和異常能源損失等能源浪費(fèi)的問(wèn)題，提醒相關(guān)人員進(jìn)行干預(yù)。

6）歸因分析。通過(guò)對(duì)重點(diǎn)耗能設(shè)備和單元的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合典型的影響因子，對(duì)能耗較高的設(shè)備和單元進(jìn)行多維度分析，從而找出對(duì)能耗影響最大的因素，判斷引發(fā)高能耗的原因。

7）工藝系統(tǒng)優(yōu)化。結(jié)合數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)海上油氣田機(jī)采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)和油氣處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。通過(guò)優(yōu)化分析和先進(jìn)控制的共同實(shí)施，可使得關(guān)鍵工藝參數(shù)波動(dòng)幅度顯著下降，達(dá)到平穩(wěn)裝置生產(chǎn)、減少質(zhì)量波動(dòng)、降低裝置能耗的目標(biāo)。

5 應(yīng)用實(shí)例

南海東部某油田位于我國(guó)南海珠江口盆地，該油田在建設(shè)期間同步開(kāi)展了用能管理系統(tǒng)的建設(shè)，以能源動(dòng)力系統(tǒng)環(huán)節(jié)為切入點(diǎn)，采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，基于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)化，對(duì)各類能源的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，可顯著提升油田的源管理水平。

該油田的用能管理系統(tǒng)建設(shè)，首先實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)綜合展示功能，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員能夠直觀地監(jiān)視目前的油田各類能源的消耗情況、碳排放情況、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及各類關(guān)鍵指標(biāo)使用情況。

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各工藝流程中的能源流動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、以及各重點(diǎn)耗能設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及能效參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可針對(duì)某塊儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行快速定位查詢，大大減小了現(xiàn)場(chǎng)人員抄表的勞動(dòng)強(qiáng)度和翻閱歷史記錄數(shù)據(jù)的查詢時(shí)間。

其次，通過(guò)各類能耗數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，為運(yùn)營(yíng)管理者提供全面、詳細(xì)、準(zhǔn)確的用能分布和流向數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和二次加工，對(duì)重點(diǎn)耗能設(shè)備的能效評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行橫向及縱向?qū)?biāo)，建立能源數(shù)字化的客觀評(píng)價(jià)體系，對(duì)該油田當(dāng)前運(yùn)行模式下的的能效水平進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源浪費(fèi)和異常使用現(xiàn)象，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行節(jié)能管理。

6 結(jié)束語(yǔ)

海上油氣田用能管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用充分考慮了海上平臺(tái)的生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，符合海上油氣田的能源管理特色，雖然過(guò)程相較于陸地傳統(tǒng)石油石化企業(yè)較為復(fù)雜緩慢，但也在逐步進(jìn)行優(yōu)化和推廣，為海上油氣田的綠色發(fā)展提供保障。