海上油田設(shè)備設(shè)施智能化管理研究

張 葉

中國海洋石油國際有限公司 北京 100028

海上智能油田建設(shè)的總體目標(biāo)是通過提高海上平臺(tái)的生產(chǎn)監(jiān)測和優(yōu)化控制能力，對開發(fā)生產(chǎn)全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警診斷、主動(dòng)優(yōu)化、遠(yuǎn)程操控、協(xié)同運(yùn)營和輔助決策，實(shí)現(xiàn)一體化智能管控[1]。海上油田開發(fā)生產(chǎn)涉及不同類型的設(shè)備設(shè)施，受到空間局限影響，其管理相比陸地油田的難度更大。通過海上智能油田建設(shè)設(shè)備設(shè)施管理，可以有效較少海上平臺(tái)操作人員數(shù)量，降低設(shè)備設(shè)施故障發(fā)生率，為海上油田高效順利開發(fā)生產(chǎn)提供有效保障。

1 概述

設(shè)備設(shè)施管理智能化是海上油田智能化建設(shè)的重要內(nèi)容之一，具體包括設(shè)備健康管理、檢驗(yàn)維修管理、海管運(yùn)維管理、海纜狀態(tài)管理、庫存管理等，詳見圖1。海上油田設(shè)備設(shè)施管理智能化在引進(jìn)動(dòng)、靜、電、儀、控幾大類設(shè)備智能化管理新技術(shù)的同時(shí)，通過三維可視化、二三維聯(lián)動(dòng)貼近油田現(xiàn)場工作實(shí)際，為油田各類設(shè)備設(shè)施的數(shù)字化管理、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)警報(bào)警分析、綜合診斷評估提供全面化、可視化、一體化、智能化的管理手段[2]。設(shè)備設(shè)施管理智能化在實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備監(jiān)測等智能化功能的同時(shí)，通過本地化數(shù)據(jù)接入、后端前端微服務(wù)集成與調(diào)試、業(yè)務(wù)功能集成，形成面向用戶的功能，提升設(shè)備管理的便利性。

圖1 海上油田智能化建設(shè)設(shè)備設(shè)施管理框圖

2 海上智能油田設(shè)備設(shè)施管理具體內(nèi)容

2.1 動(dòng)設(shè)備監(jiān)測

動(dòng)設(shè)備監(jiān)測的主要功能包括兩個(gè)方面：一是具備設(shè)備振動(dòng)異常智能診斷功能，能夠自動(dòng)診斷振動(dòng)異常的原因，為設(shè)備故障處理提供判別依據(jù)；二是掌握設(shè)備發(fā)生故障之前的異常征兆與劣化信息，以便事前采取針對性措施控制和防止故障的發(fā)生。以注水泵為例，通過設(shè)備監(jiān)測，將注水泵狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和定位過濾，最終實(shí)現(xiàn)故障統(tǒng)計(jì)和預(yù)警推送，通過設(shè)施設(shè)備關(guān)聯(lián)展示實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息對象的精準(zhǔn)定位，讓數(shù)據(jù)更加高效準(zhǔn)確的服務(wù)于用戶，詳見圖2。

圖2 注水泵設(shè)備監(jiān)測流程圖

2.2 靜設(shè)備管理

靜設(shè)備管理的主要功能包括兩個(gè)方面：一是通過導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)對導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)的Ag 電極處電位、Zn 電極處電位、保護(hù)電流進(jìn)行監(jiān)測；二是通過超聲波無線無源壁厚監(jiān)測系統(tǒng)對工藝管線、壓力容器的壁厚進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測值超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警。設(shè)備健康管理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中積累了大量的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用靜設(shè)備健康管理系統(tǒng)中的靜設(shè)備故障分析數(shù)據(jù)，可以管理靜設(shè)備失效模式（局部腐蝕、均勻腐蝕、沖蝕等）、明確失效因素（硫化物開裂、微生物腐蝕、CO2腐蝕等），以及建議檢驗(yàn)的重點(diǎn)部位（應(yīng)力集中部位、緊固件部位、焊縫區(qū)、水相涂層破損處等），并設(shè)定檢驗(yàn)有效性級別和檢驗(yàn)方法等，顯著提升靜設(shè)備管理質(zhì)量和效率，確保各項(xiàng)靜設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。設(shè)備管理內(nèi)容見圖3。

圖3 靜設(shè)備管理內(nèi)容示意圖

2.3 電氣設(shè)備管理

電氣設(shè)備管理通過整合變壓器、海纜等各類在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建設(shè)統(tǒng)一、智能化的電氣設(shè)備監(jiān)測診斷中心，反映設(shè)備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，評價(jià)設(shè)備當(dāng)前健康狀況，預(yù)測缺陷發(fā)展趨勢，以實(shí)現(xiàn)海上油氣田主要電氣系統(tǒng)及設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。通過可靠的數(shù)據(jù)管理方法，利用多種高效的數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)及設(shè)備的一體化管理、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評估等，為海上油氣田生產(chǎn)以及運(yùn)維決策提供有效支持。電氣設(shè)備管理示意圖如圖4 所示。電氣設(shè)備管理人員通過對各種監(jiān)測信息、實(shí)驗(yàn)信息和基本信息的綜合考慮，最終對電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評估，將評估結(jié)果劃分為正常、注意、異常和嚴(yán)重四個(gè)等級，基于不同等級采取不同的應(yīng)對措施。

圖4 電氣設(shè)備管理示意圖

2.3.1 主要功能

電氣設(shè)備管理的主要功能包括三個(gè)方面：

（1）實(shí)現(xiàn)對變壓器的故障診斷功能，包含局部放電診斷、振動(dòng)信號診斷功能；

（2）基于布里淵散射的光時(shí)域反射法(BOTDR)實(shí)現(xiàn)對海底電纜光纖溫度的監(jiān)測，結(jié)合光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對海底電纜溫度、應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測；

（3）主動(dòng)對設(shè)備周圍或內(nèi)部空氣進(jìn)行采樣探測，如果發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒，立即定位并發(fā)出報(bào)警。火情發(fā)展的不同階段（不可見煙階段、可見煙階段、可見火光階段和劇烈燃燒階段）對應(yīng)不同的報(bào)警等級，并用紅、橙、黃、藍(lán)四色標(biāo)注。

2.3.2 重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容

（1）高壓電機(jī)局放監(jiān)測：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電機(jī)局放信息，提早發(fā)現(xiàn)重大資產(chǎn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的定子繞組絕緣是否老化，以及老化嚴(yán)重程度，避免電機(jī)因?yàn)榻^緣失效導(dǎo)致突發(fā)性故障。同時(shí)大電機(jī)增加一個(gè)視野角度來判斷發(fā)熱、振動(dòng)等是電氣還是機(jī)械原因所致。

（2）GIS 狀態(tài)監(jiān)測：監(jiān)測系統(tǒng)能夠自適應(yīng)實(shí)時(shí)獲取GIS 的局部放電信息、SF6、微水含量等作為綜合特征量，利用多源信息融合的方法對GIS 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合量化評估與故障診斷分析。同時(shí)結(jié)合不同部件的影響程度，得出GIS 設(shè)備整體健康狀態(tài)等級，并智能推薦維修決策。

（3）中高壓配電盤絕緣監(jiān)測：監(jiān)測系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集所監(jiān)測母排的對地絕緣電阻值，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過內(nèi)置算法，進(jìn)行閾值比較。若低于所設(shè)最低閾值，則判定為絕緣故障，系統(tǒng)發(fā)出告警信息，絕緣故障定位儀發(fā)射定位電流、定位故障支路，在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示具體的故障支路位置，并提醒檢修人員檢修。

（4）低壓配電盤在線監(jiān)測：利用安裝在配電柜紅外測溫儀對配電柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)行閾值判斷，從而感知當(dāng)前配電盤的溫度狀態(tài)。針對柜內(nèi)已經(jīng)存在的異常溫升問題，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提示工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修，保證配電柜正常運(yùn)行，提高供電的可靠性。

2.4 電力容量分析

利用在線數(shù)據(jù)，進(jìn)行潮流分析與短路計(jì)算，獲得各系統(tǒng)與設(shè)備的額定裕量與短路裕量，輔助判斷平臺(tái)新增用電設(shè)備的供電可行性，為在役油田滾動(dòng)開發(fā)與區(qū)域聯(lián)產(chǎn)可行性提供供電方案的理論依據(jù)。具體應(yīng)用場景包括調(diào)度需求、啟動(dòng)大電機(jī)、電網(wǎng)規(guī)劃等。在調(diào)度需求方面，利用在線數(shù)據(jù)，預(yù)測仿真計(jì)算即將投入運(yùn)行的工況和發(fā)電機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)在線決策支持。在啟動(dòng)大電機(jī)方面，加入即將啟動(dòng)大電機(jī)模型及接入點(diǎn)位置，仿真大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)的電氣量特征，判斷大電機(jī)能否接入，以及接入后對電網(wǎng)的沖擊會(huì)不會(huì)導(dǎo)致潰網(wǎng)。在電網(wǎng)規(guī)劃方面，在區(qū)域油田滾動(dòng)開發(fā)后期因不斷有新的負(fù)荷平臺(tái)接入，此時(shí)需要對負(fù)荷接入點(diǎn)進(jìn)行全面評估，同時(shí)加入保護(hù)限值的評估，保護(hù)報(bào)警。

2.5 電氣系統(tǒng)監(jiān)測

建設(shè)海上電網(wǎng)全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、潮流分布、電壓降預(yù)警、負(fù)荷邏輯卸載(優(yōu)先脫扣)等信息的集成顯示，滿足生產(chǎn)操控中心掌握海上電網(wǎng)的運(yùn)行情況和遠(yuǎn)程決策的需要。電氣系統(tǒng)監(jiān)測的主要功能是進(jìn)行不良數(shù)據(jù)辨識預(yù)警，對CIM 模型解析，并與量測值文件關(guān)聯(lián)。在靜態(tài)斷面的基礎(chǔ)上系統(tǒng)即可進(jìn)行潮流計(jì)算和最優(yōu)潮流計(jì)算，生成最優(yōu)潮流的控制信息指導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行，達(dá)到智能控制的目標(biāo)，詳見圖5。

圖5 電氣設(shè)備監(jiān)測功能架示意圖

2.6 智能儀表管理

智能儀表管理（AMS）是集成智能儀表、調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥的實(shí)時(shí)信息，對智能儀表及控制閥門進(jìn)行在線診斷和預(yù)防預(yù)測性維護(hù)，提高智能儀表閥門的可靠性和可利用率，避免儀表閥門故障引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)，優(yōu)化備品備件的儲(chǔ)備和使用[3]。智能儀表管理的主要功能包括四個(gè)方面：

（1）智能儀表統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)資產(chǎn)類型分布、實(shí)時(shí)報(bào)警分布及風(fēng)險(xiǎn)資產(chǎn)占比；

（2）智能儀表綜合評價(jià)，通過獲取的實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)測信息，建立設(shè)備健康狀態(tài)綜合評估模型，整體評估智能儀表的健康狀況；

（3）實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場智能儀表的報(bào)警診斷信息，并提供報(bào)警處理的維護(hù)指導(dǎo)建議；

（4）報(bào)警歷史追蹤，追蹤單個(gè)智能儀表具體報(bào)警時(shí)間、原因，并進(jìn)行分析，讓操作者了解更多報(bào)警細(xì)節(jié)，為故障分析及管理決策提供依據(jù)。

2.7 中控健康管理

中控健康管理主要為系統(tǒng)硬件診斷和軟件組態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)的智能預(yù)警和綜合性診斷，評價(jià)中控系統(tǒng)當(dāng)前的健康狀況，實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)預(yù)防預(yù)測性維護(hù)和健康管理。中控健康管理的系統(tǒng)功能包括四個(gè)方面：

（1）中控系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫解析；

（2）實(shí)時(shí)采集中控系統(tǒng)診斷信息；

（3）診斷數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)防與預(yù)測性維；

（4）數(shù)據(jù)庫修改跟蹤。

通過中控健康管理，可以實(shí)現(xiàn)對工作站狀態(tài)、控制器、IO 卡件、SIS Logic Slover、電源系統(tǒng)和工作溫度等多狀態(tài)的感知。此外，還可以對中控設(shè)備級報(bào)警故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而深入挖掘運(yùn)行負(fù)荷、工作溫度等與故障發(fā)生率之間的關(guān)系，為中控健康管理提供依據(jù)，有效降低故障發(fā)生率。

3 結(jié)語

海上智能油田設(shè)備設(shè)施管理主要為利用三維模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)輔助、施工模擬、空間干涉、路徑規(guī)劃；通過集成各類設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確共享；通過建立設(shè)備健康分析模型和故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維修和庫存科學(xué)管理。以上在對海上智能油田設(shè)備設(shè)施管理進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對設(shè)備設(shè)施管理具體內(nèi)容進(jìn)行論述，以期為海上智能油田設(shè)備設(shè)施管理提供借鑒。