油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張勝利，王麗娜，唐 濤，朱延慧，趙 非，李一凡，禤 東

1中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 滄州

2中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 滄州

3中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司生產(chǎn)運(yùn)行處，河北 滄州

1. 概述

2015 年12 月，中石油集團(tuán)公司啟動(dòng)了《能源管控建設(shè)指南研究》項(xiàng)目，組織制定集團(tuán)公司能源管控工作推進(jìn)意見，重點(diǎn)推進(jìn)集團(tuán)公司“十三五”能源管控工作。

能源管控平臺通過實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)系統(tǒng)的主要能源消耗數(shù)據(jù)，并借助計(jì)算機(jī)編程等手段，實(shí)現(xiàn)能源消耗量的在線統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)對比與圖形化展示。國外石油石化行業(yè)已采用較成熟的軟件實(shí)現(xiàn)上述功能，如：Monitor-Pro 5、Montage 等，具有數(shù)據(jù)采集、能源監(jiān)控及分析報(bào)告、基準(zhǔn)對比及指標(biāo)監(jiān)控等功能；國內(nèi)起步較晚，多根據(jù)企業(yè)節(jié)能管理要求定制開發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、在線統(tǒng)計(jì)分析、年度節(jié)能量分解與考核、裝置能耗定額管理、企業(yè)間能效對標(biāo)與評價(jià)等功能。

能源管控平臺需要耗能設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集更新，實(shí)現(xiàn)各級能源消耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及統(tǒng)計(jì)分析是油氣田企業(yè)開展能源管控的基礎(chǔ)，而根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)變化設(shè)定合理的能源使用目標(biāo)，并提供有效的優(yōu)化改進(jìn)方案，是企業(yè)科學(xué)控制用能、持續(xù)提高能效的關(guān)鍵。隨著能源管控系統(tǒng)功能的逐步細(xì)化和深入開發(fā)，能源管控系統(tǒng)已從最初的主要用于能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)對比、展示向能源使用的計(jì)劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化和在線優(yōu)化等多個(gè)生產(chǎn)層面擴(kuò)展。

隨著我國“碳中和”目標(biāo)的提出，油氣田企業(yè)新能源產(chǎn)能建設(shè)及應(yīng)用占比逐年增加，原有的能源管控系統(tǒng)功能已無法滿足實(shí)際能源管控的需求，多能互補(bǔ)、能效融合以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控必將與生產(chǎn)用能過程進(jìn)一步緊密結(jié)合，通過與流程模擬技術(shù)、運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等方面的集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)能效最優(yōu)化和能源使用全過程的智慧管理與控制。

華北油田前期也開展了相關(guān)研究，先后建立了山西樊莊能源管控示范區(qū)、哈南作業(yè)區(qū)能源管控示范區(qū)，具備了一定的研究和建設(shè)基礎(chǔ)，但至今仍并未形成華北油田完善的二級能效管理系統(tǒng)，油田公司的能源管控信息仍缺乏先進(jìn)、專業(yè)的軟件平臺支撐，因此，構(gòu)建油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)勢在必行。

2. 前期研究及建設(shè)基礎(chǔ)

2.1. 山西樊莊能源管控示范區(qū)

2017 年以山西煤層氣勘探開發(fā)分公司樊北作業(yè)區(qū)為試點(diǎn)，開展了分析級能源管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)。示范區(qū)建設(shè)在樊北作業(yè)區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合部分人工錄入的數(shù)據(jù)按照集團(tuán)公司規(guī)劃院相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完成了煤層氣分公司、作業(yè)區(qū)、集氣站、采氣井、中央處理廠等多層次的數(shù)據(jù)日報(bào)、統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等功能。

目前樊北站能源管控系統(tǒng)計(jì)量單元?jiǎng)澐譃椋簷C(jī)采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)及電力系統(tǒng)三大部分。機(jī)采系統(tǒng)按照電力變壓器所供電的單元具體細(xì)分；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。整體系統(tǒng)總體功能達(dá)到分析級，部分功能達(dá)到優(yōu)化級。

2.2. 哈南作業(yè)區(qū)能源管控示范

哈南作業(yè)區(qū)發(fā)揮二連油田數(shù)字化硬件基礎(chǔ)，完成了“分公司–作業(yè)區(qū)”兩級的能源管控系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)，實(shí)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、調(diào)控。

能源管控系統(tǒng)結(jié)合A2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)、A11 生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、E7 相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)耗電量、天然氣能耗情況，展示不同時(shí)間段、不同系統(tǒng)、不同設(shè)備的耗電量數(shù)據(jù)及其設(shè)備運(yùn)行情況，通過表格、圖形及曲線圖展示運(yùn)行能耗、能耗占比和變化趨勢，實(shí)現(xiàn)管控區(qū)域內(nèi)各類大型設(shè)備節(jié)點(diǎn)的能耗監(jiān)控。

采油系統(tǒng)是基于工藝流程實(shí)現(xiàn)對采油系統(tǒng)耗能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要采集示功圖、實(shí)時(shí)功率等參數(shù)，監(jiān)控舉升系統(tǒng)工況及舉升設(shè)備的耗電情況。

注水系統(tǒng)是基于工藝流程實(shí)現(xiàn)對注水系統(tǒng)耗能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集大站注水泵電量、壓力、流量；各水井的壓力、流量，計(jì)算注水設(shè)備及系統(tǒng)能耗情況。

集輸系統(tǒng)是基于工藝流程實(shí)現(xiàn)對集輸系統(tǒng)耗能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及能耗日度監(jiān)控，監(jiān)測站內(nèi)站外耗能設(shè)備的運(yùn)行情況。

上述能源管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)，基本上是基于集團(tuán)公司統(tǒng)建系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，且均停留在分析級以下水平，且集團(tuán)公司已立項(xiàng)開展了統(tǒng)建系統(tǒng)的統(tǒng)一開發(fā)，所以上述系統(tǒng)并不具備普遍性和統(tǒng)一性，難以推廣應(yīng)用。

3. 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Figure 1. Smart integrated energy management and control system for oil gas fields圖1. 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)

以能效數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)的智慧綜合能源管控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，在辦公網(wǎng)統(tǒng)建生產(chǎn)系統(tǒng)能源管控標(biāo)準(zhǔn)功能的基礎(chǔ)上，自建生產(chǎn)網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化及清潔替代功能模塊。圖1 為油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)各模塊，分別展示了油田辦公網(wǎng)及生產(chǎn)網(wǎng)各系統(tǒng)。

主要設(shè)計(jì)思想是保持集團(tuán)公司統(tǒng)建系統(tǒng)的規(guī)范性和統(tǒng)一性，同時(shí)針對生產(chǎn)網(wǎng)注、采、輸、電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控和智慧管控功能。由于生產(chǎn)信息保密及安全的要求，辦公網(wǎng)和生產(chǎn)網(wǎng)是分開獨(dú)立運(yùn)行的，所以，智慧綜合能源管控系統(tǒng)也進(jìn)行了分開設(shè)計(jì)，以保證兩個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性和統(tǒng)一性。圖2 為油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，主要標(biāo)明了該設(shè)計(jì)主要的功能模塊及主要模塊實(shí)現(xiàn)的功能。

Figure 2. The top of design on the smart integrated energy management and control system for oil gas fields圖2. 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

3.1. 系統(tǒng)主要功能

3.1.1. 統(tǒng)建系統(tǒng)

統(tǒng)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息融合，構(gòu)建涉及A2、A5、A11、E7、勘探開發(fā)夢想云等多個(gè)系統(tǒng)12 大類16 個(gè)專業(yè)1066 個(gè)指標(biāo)維度、可逐層匯總、按需配置的層級化數(shù)據(jù)管理體系；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)湖關(guān)聯(lián)的注水站、轉(zhuǎn)油站、站內(nèi)機(jī)泵等48 個(gè)生產(chǎn)單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的抽取、數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。

能耗數(shù)據(jù)圖形展示設(shè)計(jì)以大數(shù)據(jù)圖形化展示方式為主，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)聚類分析、評價(jià)，對標(biāo)輔助等功能。

能效對標(biāo)[1]主要是各生產(chǎn)單位對其能源效率及能源利用的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行收集整理并上傳，通過與其他單位的先進(jìn)能效標(biāo)桿進(jìn)行橫向、縱向?qū)Ρ确治觥⒚鞔_自身差距、制訂改進(jìn)方案并現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)施，促進(jìn)各單位持續(xù)提升改進(jìn)能耗指標(biāo)。

能耗定額[2]根據(jù)各生產(chǎn)單位能耗現(xiàn)狀，分析采油、注水和集輸系統(tǒng)中工藝和設(shè)備的能耗影響因素，確定能耗指標(biāo)動(dòng)態(tài)測算方法，建立公司、采油廠、站三級能耗定額指標(biāo)體系及管理辦法。合理界定油氣生產(chǎn)中能源消耗指標(biāo)、提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.2. 生產(chǎn)網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)

生產(chǎn)網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)主要是通過對生產(chǎn)網(wǎng)采集的注、采、輸系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化，及時(shí)反饋運(yùn)行參數(shù)調(diào)整結(jié)果，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化功能和清潔能源的智慧調(diào)控、動(dòng)態(tài)分配功能，見表1。

Table 1. Specific implementation contents of saving energy optimization system in production network表1. 生產(chǎn)網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)具體實(shí)施內(nèi)容

1) 生產(chǎn)系統(tǒng)主要耗能設(shè)備能耗計(jì)量

目前油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)耗電計(jì)量單元基本上是在35 kV 以上供配電線路終端，對于生產(chǎn)系統(tǒng)中單井、單設(shè)備的能耗計(jì)量尚不完善，建設(shè)智慧綜合能源管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)需要獲取單井、單設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，因此，統(tǒng)一安裝具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的單井及站內(nèi)耗能設(shè)備計(jì)量儀表，動(dòng)態(tài)監(jiān)測主要耗能設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，為智慧綜合能源管控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2) 機(jī)采系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)節(jié)能優(yōu)化

機(jī)采舉升系統(tǒng)是油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中耗電大戶，且在生產(chǎn)過程中隨著油井供液能力的變化，系統(tǒng)工況將會發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，依靠人工調(diào)節(jié)機(jī)采井生產(chǎn)參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，隨著機(jī)采井變頻控制技術(shù)的推廣應(yīng)用，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)采井生產(chǎn)參數(shù)及實(shí)施智能間抽控制已成為可能，但其調(diào)整頻率及調(diào)整幅度仍存在優(yōu)化空間，且不同的目標(biāo)函數(shù)所對應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)也不盡相同，因此，應(yīng)用機(jī)采井工況仿真及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)效率分析優(yōu)化算法，編制基于最優(yōu)能耗目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化軟件模塊可以解決機(jī)采井實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)節(jié)能優(yōu)化的技術(shù)需求[3]。

3) 注水系統(tǒng)管網(wǎng)分壓仿真優(yōu)化

注水系統(tǒng)分壓注水技術(shù)在油田應(yīng)用中的形式主要分為三種：一是，單井增壓形式，對于個(gè)別注水井注水壓力超過了系統(tǒng)設(shè)計(jì)注水壓力，應(yīng)采用該形式對該注水井進(jìn)行單獨(dú)增壓，以滿足生產(chǎn)要求，并減小能耗。二是，區(qū)域分壓注水形式，單獨(dú)對油田某一區(qū)域(油田過渡帶比其他純油區(qū)注水壓力高)進(jìn)行單獨(dú)注水。這種分壓注水形式的注水井、主水管網(wǎng)和注水站都是獨(dú)立的系統(tǒng)，高壓和低壓處在相同的區(qū)域但互不影響。三是，整體分壓形式，是對整個(gè)油田范圍內(nèi)的注水井按照壓力進(jìn)行劃分，由于注水井?dāng)?shù)量較多，且互相之間存在聯(lián)系，所以，注水量和注水工作難度也相對較大。分壓前后系統(tǒng)內(nèi)注水井的油壓和注水量是不變的，分壓后由于降低了注水系統(tǒng)注水泵的輸入功率，所以整個(gè)注水系統(tǒng)的效率提高了。

4) 集輸系統(tǒng)用能清潔替代

集輸系統(tǒng)主要對聯(lián)合站系統(tǒng)、泵和加熱爐等主要設(shè)備進(jìn)行用能評價(jià)分析，得出聯(lián)合站整體和各環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)，分析聯(lián)合站用能的薄弱環(huán)節(jié)，明確提高泵和加熱爐的熱效率、改工藝流程是降低聯(lián)合站能耗的有效途徑。以聯(lián)合站為研究對象，以年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，以預(yù)分水器內(nèi)的油水界面高度、油氣分離器的操作壓力、加藥濃度、沉降罐的沉降時(shí)間、電脫水器的脫水溫度、電脫水器內(nèi)的油水界面高度和外輸壓力以及工藝運(yùn)行條件為優(yōu)化變量，建立了聯(lián)合站運(yùn)行的能耗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用最優(yōu)化方法進(jìn)行了求解，得到了一定生產(chǎn)條件下的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的敏感性分析。通過運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

5) 電力系統(tǒng)多能互補(bǔ)雙效融合

隨著綠電產(chǎn)能和清潔替代項(xiàng)目的不斷建設(shè)，油田生產(chǎn)系統(tǒng)原有的網(wǎng)電供能系統(tǒng)將會發(fā)生相應(yīng)的改變。分布式光伏、風(fēng)電、地?zé)岚l(fā)電、余壓、余熱發(fā)電等清潔電力以自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的形式加入油田生產(chǎn)供能系統(tǒng)，多種不穩(wěn)定、不平衡的電力產(chǎn)能需要智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，平衡產(chǎn)能與需求的動(dòng)態(tài)關(guān)系，建立以直、柔配電為核心的新型分布式智能電網(wǎng)，光伏直流優(yōu)先利用為主，余電上網(wǎng)、智能優(yōu)化無功潮流為輔，降低配網(wǎng)系統(tǒng)損耗，利用抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“源、網(wǎng)、荷”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，提高油田新能源消納率、降低線路損耗、提高負(fù)載適應(yīng)性、提升系統(tǒng)整體效率。

3.1.3. 融合清潔替代及碳排管理

習(xí)近平總書記指出：“要把促進(jìn)新能源和清潔能源發(fā)展放在更加突出的位置”。近年來，我國以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)展成效顯著，發(fā)電量占比穩(wěn)步提升，成本快速下降，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和減碳效果逐步顯現(xiàn)。結(jié)合新能源替代產(chǎn)能建設(shè)的管理需求，智慧能源管控系統(tǒng)在傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了清潔能源替代以及碳埋存碳交易部分需求內(nèi)容，形成二級新能源及油氣生產(chǎn)單位智慧綜合能源管控系統(tǒng)的最新架構(gòu)。

清潔能源替代，見表2，主要是引入光伏、風(fēng)電等清潔能源產(chǎn)能管理，分析評價(jià)綠電替代及儲能配比；碳排放管理，主要包括碳排放監(jiān)測、核算、交易、CCUS/CCS 應(yīng)用管理評價(jià)等。

Table 2. List of methodologies applicable to oil and gas field engineering表2. 適用于油氣田工程的方法學(xué)列表

4. 結(jié)論

1) 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能源管控成熟度的優(yōu)化級向智能級飛躍，即能源消耗目標(biāo)的科學(xué)設(shè)定和優(yōu)化方案的在線計(jì)算，轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉词褂萌^程的閉環(huán)優(yōu)化管理。

2) 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了清潔替代及碳排管理功能，為油田重上千萬噸級油氣當(dāng)量創(chuàng)造新引擎、增強(qiáng)新動(dòng)能。

3) 油氣田智慧綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)助力新能源產(chǎn)業(yè)，將成為油田公司創(chuàng)效的“半壁江山”，實(shí)現(xiàn)油田公司未來能源結(jié)構(gòu)的低碳化、分布式、協(xié)同開放發(fā)展。