煤層氣企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王永昌，盧迪，張龍，盧鴻飛，張海濱

（中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心，天津 300452）

隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細(xì)化、信息化方向發(fā)展，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)手段深挖、細(xì)挖節(jié)能潛力成為必然趨勢(shì)。為此國家從“十二五”開始建設(shè)覆蓋全國一萬多家重點(diǎn)用能單位的能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可全面、準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握全國和分地區(qū)、分行業(yè)能源消費(fèi)總量及其構(gòu)成，提高節(jié)能宏觀調(diào)控的針對(duì)性和有效性。2017年9月和2021年9月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、市場(chǎng)監(jiān)管總局先后印發(fā)《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》[1]、《關(guān)于加快推進(jìn)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的通知》[2]、《完善能源消費(fèi)強(qiáng)度和總量雙控制度方案》[3]，要求采用“國家平臺(tái)＋省級(jí)平臺(tái)＋重點(diǎn)用能單位接入端系統(tǒng)”的架構(gòu)，加快推進(jìn)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)[4，5]，是推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、深化創(chuàng)新節(jié)能工作的必然選擇，是企業(yè)進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力、提高能源管理精細(xì)化水平的客觀需要，也有利于培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 案例企業(yè)能耗現(xiàn)狀及問題

案例企業(yè)所消耗的能源包括煤層氣、電力、柴油、汽油和新水；其中，電力和新水是公司購入的主要能源。煤層氣全部是自產(chǎn)自用，主要用于氣動(dòng)機(jī)及燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；柴油主要用于柴油發(fā)電機(jī)組；電力大部分為外購所得，主要為生產(chǎn)生活供電，少部分通過燃?xì)獍l(fā)電獲得；新水通過市政管網(wǎng)供應(yīng)；汽油為日常辦公車輛所使用。用能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 用能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前案例企業(yè)能源管理相對(duì)粗放，在能源管理過程中存在一些問題：1）時(shí)間數(shù)據(jù)以月度為主，粒度不足。部分能流數(shù)據(jù)未進(jìn)行時(shí)間精細(xì)化分析，且受人為因素影響顯著，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)管。2）空間數(shù)據(jù)以全廠級(jí)為主，粒度不足。案例企業(yè)上報(bào)的數(shù)據(jù)多為全廠級(jí)別的能耗數(shù)據(jù)，重點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)無法精確到采氣廠和單井，不能滿足能耗對(duì)比對(duì)標(biāo)分析。3）數(shù)據(jù)采集質(zhì)量問題。手工填報(bào)可能存在錄入錯(cuò)誤、月度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，缺少指標(biāo)優(yōu)劣評(píng)估依據(jù)。

2 需求分析

2.1 國家要求

根據(jù)《重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（實(shí)行）》[4，5]，全國重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括國家、區(qū)域兩級(jí)數(shù)據(jù)中心，將同時(shí)接收用能單位上傳的能耗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。能源總量指標(biāo)等逐日采集上傳的數(shù)據(jù)包括日指標(biāo)和實(shí)時(shí)指標(biāo)兩類。每日指標(biāo)為00:00～24:00企業(yè)的能源總量指標(biāo)；對(duì)于在線采集的數(shù)據(jù)，一般要求同時(shí)采集上傳實(shí)時(shí)指標(biāo)，實(shí)時(shí)指標(biāo)為每間隔15分鐘采集一次的能源消耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并保存在本地，在指定的數(shù)據(jù)上傳時(shí)間與每日上報(bào)數(shù)據(jù)打包后一同上傳到政府系統(tǒng)平臺(tái)。

2.2 企業(yè)需求

目前案例企業(yè)能源管理相對(duì)粗放，因此需要建設(shè)自身的能源管理系統(tǒng)，采用信息化、自動(dòng)化技術(shù)集成企業(yè)能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分析處理和管理等功能，從而提高能源利用效率完成節(jié)能任務(wù)目標(biāo)。

3 設(shè)計(jì)要求

3.1 可用性

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮整個(gè)工程環(huán)境中的不同因素，以保證在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后系統(tǒng)能夠立即穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.2 可維護(hù)性

系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)備便于維護(hù)，各部件都具有自檢和聯(lián)機(jī)診斷校驗(yàn)的能力。軟件有備份，便于工程師安裝啟動(dòng)，應(yīng)用程序易于擴(kuò)充，數(shù)據(jù)庫存取為用戶程序留有接口并提供二次開發(fā)的數(shù)據(jù)庫資料，便于用戶自行編制的程序加入系統(tǒng)中運(yùn)行。

3.3 容錯(cuò)能力

軟、硬件設(shè)備具有良好的容錯(cuò)能力。當(dāng)各軟、硬件功能與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的通訊出錯(cuò)，以及當(dāng)運(yùn)行人員或工程師在操作過程中發(fā)生一般性錯(cuò)誤時(shí)，均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；對(duì)意外情況引起的故障，系統(tǒng)具備恢復(fù)能力。

3.4 安全性

軟、硬件設(shè)備的運(yùn)行均不會(huì)危及變電所的安全穩(wěn)定運(yùn)行和工作人員的安全。軟件系統(tǒng)各程序模塊交互接口均采用參數(shù)編碼加密處理和參數(shù)有效性驗(yàn)證處理、防SQL注入檢測(cè)的技術(shù)確保系統(tǒng)安全正常運(yùn)行。通過加裝網(wǎng)絡(luò)防火墻對(duì)系統(tǒng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)及其通訊端口進(jìn)行集中管理，最大程序減低病毒入侵和破壞。用戶訪問系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)采用嚴(yán)格的用戶角色分級(jí)授權(quán)管理，登錄用戶僅能夠查看對(duì)應(yīng)的授權(quán)方案功能和數(shù)據(jù)。確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的安全性和合法性。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 總體架構(gòu)

如圖2所示，能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為四個(gè)層次，最底層為數(shù)據(jù)采集層，包括OPC協(xié)議、Modbus協(xié)議、串口協(xié)議、數(shù)據(jù)庫采集或第三方系統(tǒng)采集等。在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)清洗及數(shù)據(jù)治理使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)加工計(jì)算，形成方便應(yīng)用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、時(shí)序數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立微服務(wù)平臺(tái)，提供統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)入口，進(jìn)行統(tǒng)一的認(rèn)證，注冊(cè)中心對(duì)所有的API統(tǒng)一管理，配置中心保存所有的配置數(shù)據(jù)，提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)，為應(yīng)用層提供支持。在平臺(tái)服務(wù)層上為應(yīng)用服務(wù)層，創(chuàng)建了豐富的應(yīng)用服務(wù)，包括用戶登錄，權(quán)限管理，設(shè)備管理，數(shù)據(jù)可視化服務(wù)綜合展示，能源綜合管理，能耗實(shí)績管理，能源報(bào)表管理等等。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

如圖3所示，整個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)主要包含工控網(wǎng)、數(shù)采網(wǎng)、辦公網(wǎng)、政府專線。工控網(wǎng)主要負(fù)責(zé)電力、DCS等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊，無法接入現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)的儀表、未連入電力后臺(tái)的電能表、地理位置偏僻不方便聯(lián)網(wǎng)的儀表，通過DTU連接儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)采網(wǎng)包含WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站等硬件設(shè)施，主要負(fù)責(zé)工控網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用等數(shù)據(jù)服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)部署在辦公網(wǎng)上，通過Web應(yīng)用服務(wù)器以B/S架構(gòu)形式進(jìn)行發(fā)布，上級(jí)公司和公司用戶通過瀏覽器連接辦公網(wǎng)進(jìn)行訪問和使用。為保證數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的安全性，公司通過端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)專線向國家平臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)，并根據(jù)政府要求與政府平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，滿足國家和地方政府能源監(jiān)管需求。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

4.3 功能架構(gòu)

如圖4所示，能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于過程信息集成平臺(tái)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，可以方便地配置所需要的功能和特性，能最大限度地開發(fā)適應(yīng)企業(yè)自身特點(diǎn)的系統(tǒng)。其功能架構(gòu)主要分為儀表采集層、第三方系統(tǒng)層、應(yīng)用層、管理層。儀表采集層由流量計(jì)、電能表、壓力表等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)施組成，主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)的采集工作；第三方系統(tǒng)層主要由中控DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)施等組成，主要實(shí)現(xiàn)第三方系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接口、傳輸協(xié)議、維持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定；應(yīng)用層為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息、計(jì)量數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與歸檔，報(bào)表、圖形等數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測(cè)、信息管理等功能，支持能源及生產(chǎn)調(diào)度人員、管理人員、決策人員的業(yè)務(wù)需求；管理層用戶為上級(jí)公司和國家管理平臺(tái)，為其能源監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 系統(tǒng)功能架構(gòu)

5 功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

5.1 綜合展示

綜合展示基于各類指標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為用戶提供全過程多維度、多角度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)綜合展示。通過該模塊，上級(jí)公司用戶能夠方便直觀地瀏覽目前的能源消耗總量、各類能源消耗量以及下屬分公司關(guān)鍵指標(biāo)使用情況。包括當(dāng)月累計(jì)和全年時(shí)間粒度的油氣總產(chǎn)量、累計(jì)綜合能耗和累計(jì)碳排放量的數(shù)據(jù)展示，以及基于GIS地圖的各下屬分公司的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比。

5.2 能源計(jì)劃與實(shí)績

根據(jù)年度節(jié)能計(jì)劃，將能耗指標(biāo)逐級(jí)分解、落實(shí)到下屬各分公司。上級(jí)公司結(jié)合政府和自有要求配置目標(biāo)指標(biāo)并輸入系統(tǒng)。能源指標(biāo)參數(shù)包括綜合能耗、碳排放量、新水用量、節(jié)能量、節(jié)水量、單位油氣生產(chǎn)能耗、單位油氣生產(chǎn)水耗七個(gè)指標(biāo)。能源實(shí)績管理指標(biāo)參數(shù)包括綜合能耗、碳排放量、新水用量、節(jié)能量、節(jié)水量、單位油氣生產(chǎn)能耗、單位油氣生產(chǎn)水耗七個(gè)指標(biāo)。

5.3 能耗統(tǒng)計(jì)管理

集中展示公司的總能耗產(chǎn)量、節(jié)能/節(jié)水量統(tǒng)計(jì)、分類能耗統(tǒng)計(jì)，并可按照時(shí)間、介質(zhì)種類、分公司構(gòu)成等多個(gè)維度需求生成表格、餅圖等合理的可視化展示內(nèi)容。頁面可按照年度和月度選擇查詢并進(jìn)行可視化展示和對(duì)比。

5.4 能耗數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

基于能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，選用合理的時(shí)間序列建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，并根據(jù)實(shí)際情況不斷學(xué)習(xí)修正。

5.5 對(duì)標(biāo)分析

如圖5所示，以采氣廠為單位，橫向?qū)?biāo)“單位開采量電耗”、“單位外輸量電耗”、“單位開采量綜合能耗”、“單位外輸量綜合能耗”等關(guān)鍵指標(biāo)。

圖5 采氣廠對(duì)標(biāo)

以同類重點(diǎn)耗能設(shè)備為主體，橫向?qū)?biāo)設(shè)備的運(yùn)行效率和主要能效參數(shù)，并可根據(jù)相似工況設(shè)置各區(qū)域的“先進(jìn)值”、“最優(yōu)值”等標(biāo)桿數(shù)值的方式與實(shí)際情況形成對(duì)比。

5.6 集氣站監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)集氣站內(nèi)煤層氣關(guān)鍵點(diǎn)處溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)集氣站內(nèi)透平壓縮機(jī)能效參數(shù)及能耗參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6 應(yīng)用成效

（1）提升了能源數(shù)據(jù)時(shí)間顆粒度。案例企業(yè)能耗數(shù)據(jù)顆粒度由月度數(shù)據(jù)精細(xì)到分鐘級(jí)，重點(diǎn)耗能設(shè)備甚至到秒級(jí)，能耗數(shù)據(jù)采集更加高效，提高了案例企業(yè)節(jié)能工作的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

（2）提升了能耗數(shù)據(jù)空間粒度。案例企業(yè)能耗數(shù)據(jù)空間粒度大大提升，數(shù)據(jù)最大采集粒度可到單井，擴(kuò)大了案例企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)范圍。

（3）提高了能耗數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。案例企業(yè)通過自動(dòng)采集大部分實(shí)物量并相應(yīng)計(jì)算能耗數(shù)據(jù)，提升了能耗數(shù)據(jù)時(shí)效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

7 后續(xù)改進(jìn)思路

案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身用能監(jiān)管要求，但生產(chǎn)工藝、耗能設(shè)備等能量優(yōu)化還存在空白，仍需長期的實(shí)踐應(yīng)用和不斷完善。案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)二期建設(shè)將以能量優(yōu)化為抓手，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)技術(shù)和控制優(yōu)化技術(shù)，提升能源數(shù)據(jù)的使用水平，建立能源系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的有效支撐，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

8 結(jié)論

案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了煤層氣田用能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能源綜合管理、多維指標(biāo)對(duì)標(biāo)、報(bào)表管理等功能，滿足地方政府和上級(jí)公司要求。未來能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要與國家“碳達(dá)峰、碳中和”國家戰(zhàn)略深度融合，深挖數(shù)據(jù)價(jià)值，科學(xué)合理配置能源，助力國家“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。