海上平臺電站方案優選研究與實踐

馬金喜 陳豐波 郝銘 鄒昌明 周新剛 高國強

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

電站在海上平臺工程投資中占比較大，對桶油操作成本也影響較大，電站方案的優快比選不僅影響開發的大思路和經濟評價，而且也是項目從源頭降本的必要途徑。電站方案比選考慮因素多，涉及較多無法量化的影響因素，計算內容繁瑣，方案交叉比選數據量大；尤其是多機型，需與熱站組合研究，工況復雜，當前的傳統計算分析方法越發突顯耗時長、效率低、易出錯的不足。面對海上油田開發越來越復雜的形勢和狀況，前期進行電站多機型的組合方案比選研究已成為常態，而傳統的人工計算模式無法滿足前期研究方案篩選的高效性和準確性需求。目前電站方案優快比選技術尚屬空白，為在前期研究階段，能把復雜問題簡單化，快速篩選方案，支持工程大思路的判斷，亟待建立電站方案優快比選技術方法體系。

1 研究思路及主要技術內容

為了更加高效、準確地進行電站方案比選研究，利用已建電站的設計、運行信息資源，同時收集、整理和歸納主流供應商的各類常用機型技術信息，通過深入分析各種機型組合工況，系統研究燃料消耗及操作費計算方法，研發出電站、熱站燃料消耗及操作費優快計算平臺，填補了前期階段電站、熱站優快設計研究的空白，實現了多方案篩選的高效性和準確性。

另外，將選型時需考慮的各因素樣本數據作為基礎，利用灰色關聯度分析方法描述因素間關系的強弱、大小和次序，均值量化選型影響因素，定量地計算出不同電站方案的關聯度并對其進行排序，進而快速篩選最優方案。建立基于灰色關聯度分析方法的海上平臺電站方案優快比選技術，為電站方案的優選提供新的量化分析方法，提高前期研究階段電站方案篩選的準確性。

2 技術路線及關鍵方法

電站、熱站方案優選研究的基本原則是合理配置，兼顧操作管理，選用技術成熟、可靠的機組[1-4]。電站配置方案優快比選的關鍵是電站、熱站一體化燃料利用方案研究及各方案的綜合高效比選。

2.1 燃料消耗及操作費優快計算平臺研發

2.1.1 研發背景

燃料利用的基本原則是充分利用自產伴生氣，最大限度地減少原油消耗，尤其是成品柴油的消耗，節約操作成本，降低投資，提高油田整體開發收益[1，5]。

（1）計算效率。當前每一套方案的燃料消耗及操作費研究需要計算約38 項不同的逐年數據，而各項計算的輸入、輸出數據量大，需要查閱規范及引用機組不同參數的次數多，工作效率低下。在前期研究階段，基礎參數變化頻繁，計算的低效和反復計算嚴重制約了電站、熱站方案優選的高效性和準確性。因此，統一的數據計算平臺可以降低輸入數據的次數，提高結果計算精度，保證計算工作效率。

（2）計算參數的統一性和準確性。目前電站、熱站燃料消耗及操作費計算過程中數據變化頻繁、版次更新信息溝通不暢，導致各部分輸入數據自相矛盾。建立統一的數據平臺，通過數據參數集中輸入和程序自動選取調用，可以從根本上避免以上問題的發生，提升計算參數的統一性和準確性。

（3）智能輸出計算結果。目前的設計計算中，計算表格格式不統一，深度也不同，造成輸出結果差異較大。針對以上問題，建立統一計算平臺，定義各類機型和組合方案的分析研究計算深度，規范輸出結果，能夠有效彌補不足。

從以上分析中可以看出，統一、規范的數據計算平臺能夠有效保證設計研究工作的高效性和準確性。

2.1.2 技術路線及計算方法

燃料消耗及操作費優快計算平臺由基本參數輸入模塊、核心計算模塊、結果輸出模塊三部分構成。計算平臺的技術路線如圖1所示。

（1）前置參數和計算原則。選擇需要的電站、熱站計算方案并在輸入模塊中按照要求輸入相應的參數，如逐年電負荷、逐年產氣量、燃料參數、機型參數等。計算平臺自動將輸入模塊中的數據導入核心計算模塊，并按以下三個原則進行計算：電站、熱站優先使用伴生氣；伴生氣不足時優先供給電站；如有透平并配有余熱回收裝置，熱站則優先使用余熱回收裝置。

在高速公路工程建設過程當中，中心試驗室通過對各項施工原材料進行合理的檢測，能夠將質量不過關的施工原材料及時淘汰，有效提升高速公路工程的施工質量。由于高速公路工程的施工規模比較大，工程中的各項施工原材料種類與數量不斷增多，為了保證各項施工原材料得到更加高效的使用，中心試驗室檢測人員要對各項原材料進行科學的檢測試驗，針對質量不過關的原材料，要及時更換原材料或者重新購買。

（2）計算流程和工況定義。當對燃氣電站選型時，平臺通過輸入的前置參數和電站負荷率，逐年計算燃氣電站在當年使用燃氣為主燃料情況下的負荷率，并自動判斷是否符合要求。如果滿足要求則按照燃氣電站使用伴生氣為燃料計算；如果不滿足要求則關閉1座燃氣電站，再進行電站負荷率的計算，直到伴生氣量不能滿足1座燃氣電站伴生氣量需求為止。此時如果所選電站方案中有能利用原油為燃料的電站，按照電站使用原油為燃料計算，否則按照該年電站不發電計算。

當所有年份的電站燃料消耗都計算完畢時，則按照指定的電站維修率及核心計算模塊中得出的燃料消耗進行操作費的計算（燃料費+維修費），并在輸出模塊中輸出不同電站的燃料消耗、燃氣電站發電量、伴生氣利用量曲線、電站負荷率曲線、電站操作費等用戶需要的數據。

圖1 燃料消耗及操作費優快計算平臺的技術路線Fig.1 Technical flow of the optimum and fast calculation platform of fuel consumption and operation cost

選擇相應的熱站方案，導入計算所得的電站方案的數據并輸入相應的熱站參數，進行熱站操作費計算。

當電站方案或電站、熱站方案計算完畢時，可以將本方案的計算結果直接輸入到“各方案綜合對比”模塊中進行方案的綜合比選，從而通過數據、曲線、柱狀圖直觀地選擇最有利的方案（圖2、圖3）。方案一：3臺5.5 MW透平+2臺7.6 MW原油發電機組（熱介質鍋爐）；方案二：2 臺9 MW 透平+2 臺7.6 MW 原油發電機組（熱介質鍋爐）；方案三：2 臺9 MW 透平+2 臺7.6 MW 原油發電機組（余熱回收鍋爐）；方案四：1 臺0.5 MW 透平+3 臺7.6 MW 原油發電機組（熱介質鍋爐）；方案五：2臺7.6 MW三燃料發電機組+2臺7.6 MW原油發電機組（熱介質鍋爐）；方案六：4 臺7.6 MW 原油發電機組（熱介質鍋爐）。

2.2 基于灰色關聯度分析方法的電站方案優快比選技術

2.2.1 電站方案比選的影響因素

確定電站選型方案影響因素的基本原則是綜合分析，著重經濟，兼顧燃料利用率，選擇能全面反映電站機組性能的因素，通常包括伴生氣利用率、機組最大負荷率、燃油消耗費用折現、操作費折現、初始投資、占地尺寸、機組質量、技術可靠性等[9-10]。

圖2 各方案逐年天然氣耗量曲線Fig.2 Comparison curves of natural gas consumption yearly for each proposal

圖3 各方案操作費折現比較Fig.3 Comparison of operation cost discounting for each proposal

2.2.2 技術路線及分析方法

基于灰色關聯度分析方法海上主電站選型的技術路線如圖4所示。其由數據輸入、影響因素無量綱量化、計算方案關聯系數、計算關聯度、各方案關聯度排序等組成[9]。

灰色關聯分析方法的具體計算步驟：

（1）確定分析數據。確定反映系統行為特征的參考數列和影響系統行為的比較數列，反映系統行為特征的數據序列稱為參考數列，影響系統行為的因素組成的數據序列稱為比較數列。

設參考數列為X0={X0(k)|k=1,2,…,n}，設比較數列為Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n;i=1,2,…,m}。

圖4 基于灰色關聯度分析方法電站選型的技術路線Fig.4 Technical flow of power station selection based on the grey relational analysis method

（2）變量的無量綱化。由于系統中各因素列中的數據可能因量綱不同，不便于比較或在比較時難以得到正確的結論，因此在進行灰色關聯度分析時，一般都要進行數據的無量綱化處理。

對于技術可靠性不能數值量化的影響因素，采用專家判斷對其進行打分，評價打分的依據為不同電站方案選用的伴生氣利用率、最大負荷率、初始投資、燃料費折現、維修費折現以及占地等。

（3）計算關聯系數。X0(k)和Xi(k)的關聯系數為其比較數列和參考數列的差ξ∈(0,∞) 稱作分辨系數，一般ξ的取值區間為（0，1），具體可視情況而定，通常取ξ=0.5。

（4）計算關聯度。因為關聯系數是比較數列和參考數列在不同方案下的關聯程度值，信息過于分散不便于整體比較，因此有必要將各方案的關聯系數集中統一求出平均值。作為比較數列和參考數列間的關聯度為k=1,2,…,n;i=1,2…,m。

（5）關聯度排序。計算出X0(k)和Xi(k)的關聯系數后，計算不同方案下關聯系數的平均值并對其大小排序。如果r1＞r2，說明參考數列X0與比較數列X2更相似，即此方案下的電站方案選型最優。

3 技術創新與應用

經過技術研究和專題攻關，取得的一系列創新成果在渤海油田的前期研究項目中得到了應用和驗證，從設計源頭實現電站、熱站方案比選的優快設計研究，取得了較好的應用效果。

3.1 技術創新性

首次建立了基于成熟理論方法的電站、熱站燃料消耗及操作費優快計算平臺。將目前成熟的計算方法統一在準確可靠的數據計算平臺上，保證數據流動、傳遞的快速性和準確性，極大地提升了電站、熱站一體化多方案比選的高效性和準確性。

首次系統整理和集成了各類型發電機組及同一類型不同型號機組的關鍵技術參數，供計算選擇。對不同機型的組合電站和熱站進行結構分層，創建獨立計算模塊。設置基本參數的直接導入功能，實現機組燃料消耗和負荷率的逐年變化趨勢窗口顯示功能，同時可導出逐年數值計算結果，非常便于分析和比選方案。

采用MATLAB 工程計算開發平臺，具有可視化操作功能，簡單方便。在參數變化頻繁的前期研究階段，實現了各類方案計算結果的即輸即得，工效提升顯著。

傳統的電站方案優選往往需要專家判斷，進行多輪次定性和定量相結合的比選研究，消耗人力、物力；而基于灰色關聯度分析方法的海上電站優快比選技術，提供了新的量化分析方法，對電站方案定量優劣排序，把復雜問題簡單化，快速篩選方案，幫助前期研究尤其是可研階段工程大思路的及時判斷。

3.2 應用實踐

以渤海油田某新建項目為例，一套電站、熱站組合方案的比選時間從8 h 縮短為1.5 h；而六種方案進行了12 輪的比選工作，累計節約工時約470 h，提高工效顯著，也為前期研究工程大方案判斷的及時性爭取了時間。優快計算平臺使電站、熱站燃料消耗及操作費計算工作更為精細準確，為項目全生命周期操作費節省投資約500萬元，節省平臺面積約400 m2。

4 結束語

隨著國際石油價格低位徘徊，海洋石油開發面臨越來越大的挑戰，前期研究項目對各專業的研究效率、研究深度以及研究廣度提出了更高的要求。在低油價背景下，電站方案優快比選研究方法體系的創新是實現從方案源頭降本的重要舉措。燃料消耗及操作費優快計算平臺的建立和推廣，將燃料消耗分析計算、機組性能參數調用以及全生命周期操作費評估等工作集成為一體，為電站、熱站方案優快比選設計研究和集成管理提供了高效的平臺，對渤海油田電站、熱站運行管理也有著重要的意義。而基于灰色關聯度分析方法的海上電站優快比選技術，也提供了新的量化分析方法，把復雜問題簡單化，實現了電站方案篩選的高效性。