海上油田能效管理系統研究及應用①

歐陽俊

(中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459)

海上油田行業特征明顯，主要能源自給自足，同時由于生產的復雜性，導致能源及其消耗比較復雜。長久以來，海上油氣田能耗信息處于一種孤島狀態，缺乏一套系統來整合油田群的能效現狀以及評估關鍵耗能設備的能源效率。隨著海上油田信息化的發展，能源大數據建設對海上油田的可持續發展來說勢在必行，能效綜合管理是能源大數據建設的基礎。

海上油田能效管理系統基于以太網結構建立集中管理系統，遵循分散采集、集中監視、資源與信息共享的原則，是一個標準的工業互聯網系統。系統實現對各油氣生產單元地柴油、天然氣、淡水等一次能源與油田群電能的發、輸、變、配等各環節能效與電能質量進行監測、分析、對標和管理。

海上油田能效管理系統以多維度能耗數據為基礎，實現能耗統計、能效對標和設備效能分析等功能，從時間和空間的角度進行多樣化能效數據展示和分析。系統功能涉及監測、統計、對標、分析、預警、預測等方面，在滿足能效管理系統建設指南的基礎上，貼合海上油田的特點。

1 系統的主要技術創新點

海上油田能效管理系統主要依托于海洋石油平臺，其信息化建設受限了很多客觀原因，為了提高系統建設后的可用性，系統針對以下幾個方面進行了技術攻關，使其符合油田能效管理地要求。

1.1 能效分析與對標策略

系統功能涉及能源監測、分析、預警、預測、歷史數據統計、對標等方面，提出了能效分析的“三條線”策略，即同比線、環比線和目標線。系統從空間和時間的不同維度，對能源的使用、流向、分布等進行分析展示，各作業單元及耗能設備進行橫向對標，同時根據歷史數據分析，得到能耗關鍵點并預測能源消耗，為作業公司能源策略提供可參考依據。

1.2 設備能效分析方法驗證

系統以能效分析符合能效分析的專業要求，對油田關心的主要問題進行了方法驗證和系統實現，尤其是關鍵設備能效分析方面，以發電機組的能效分析方法為例。

1.3 符合油田實際地系統搭建原則

系統以油田公司現有資源為基礎，搭建一套符合數據資源分布、軟硬件最大化利用的能效管理系統，系統架構遵循“Web集中，數據分布式”的原則，在完成系統可用性前提下，極大地提高了系統的建設成本。系統滿足從實時OPC數據流、PI實時數據庫以及關系型數據庫高效抓取數據的能力，能對抓取的數據進行清洗、規整和統計，提高了系統數據訪問的效率。同時系統為數據上傳提供了支持標準編碼的數據接口。

1.4 提升系統能力的軟件方法

系統軟件基于分布式數據庫開發，支持數據庫更換、升級時的無縫自動兼容，減少程序升級維護工作量。支持海量數據存儲，并通過數據預處理等技術實現海量數據存儲下的優秀的數據查詢性能。數據庫服務器中數據存儲不少于5～8年，單監測點月報表數據查詢響應時間不超過30s。為了實現能源監測系統的系統功能，滿足系統建設的目標，系統采用了目前最先進的Web技術，主要包括：分布式服務RPC框架技術、Nginx負載均衡技術、RabbitMQ消息隊列技術、WebSocket多線程并發技術、Quartz定時任務調度技術、Oracle集群和分區技術、Redis緩存、主從復制技術以及基于PI和OPC的Web實時技術等。

2 系統功能介紹

能效管理系統是基于B/S架構的Web系統，在進行系統的開發中，遵循標準化原則，具有集成性、完整性、開放性、可擴展性、可靠性和可維護性的特點，系統針對海上油田特點，提出符合海上油田的數據管理和系統通用接口的實現方法，有效地提高了系統的可用性。能效管理系統實際應用中主要實現了以下功能。

2.1 多維立體化能效數據展示

能效管理系統采用多種先進的Web展示技術，從時間和空間的維度進行整個油氣田能效數據的立體化展示，輪播展示油氣田群關鍵能效KPI。通過時間維度切換，統計數據依照時間選擇進行更新?；趧討B地圖的能源分布和能流圖，直觀展示匯總的能耗及能效參數，并按類進行排序。

表1 發電機能效分析方法

圖1 系統架構圖

2.2 多維能耗數據統計分析

海上油氣田的主要能源包括天然氣、柴油、原油、淡水等一次能源和電力、余熱等二次能源。能效管理系統在完成能耗數據采集和存儲的基礎上，進行能耗數據的展示、統計、同比、環比和分解等功能。其中，電能數據包括：有功功率、無功功率、電度等數據；天然氣數據包括：天然氣消耗和天然氣放空數據等；柴油數據包括：柴油儲量、柴油輸入和柴油消耗等；淡水數據包括：淡水儲量、淡水輸入和淡水消耗（定員人數）等；時間維度可選擇日、周、月、年。能耗數據可按照油田群-作業區塊-作業平臺-設備進行匯總展示。

2.3 電能質量分析

電能質量指標是衡量用電質量的主要依據，能效管理系統通過專業的電力測量儀表，進行用電側（400V母線）的電能數據統計和分析，可得到以下結果。

（1）諧波失真率（IEEE和IEC標準）；

（2）三相不平衡度；

（3）電壓偏差率；

（4）頻率偏差率；

（5）功率因數偏差率。

圖2 能效管理系統系統運行效果圖

2.4 能效指標分析

能效指標主要用來評價海上油氣田能耗及能效現狀，能效管理系統通過統計某一時間段內的能耗數據，然后依據相關標準計算能效指標。系統展示能效指標的同比和環比數據，并能與預設目標值進行跟蹤對標。能效指標包括（不限于）：

（1）綜合能耗、單位產量綜合能耗、單位產液綜合能耗、單位產量電耗；

（2）碳排放總量、天然氣放空量、單位產量碳排放；

（3）發電機單位發電量能耗、發電機單位發電量天然氣消耗。

2.5 設備能效分析

設備效率分析是海上油氣田能效管理系統的重要功能之一，用戶可獲取關于關鍵耗能設備的能耗數據和效能數據，通過選擇時間段，可進行設備能效匯總統計。海上油氣田主要的耗能設備包括：發電機、變壓器、海纜、油井、電潛泵、注水泵、壓縮機、外輸泵等。

2.6 桶油成本分析

桶油成本分析基于各作業單元的油氣當量，可分別計算能耗桶油成本和生產桶油成本。同時實現的功能包括：油氣當量歷史趨勢和各單元油氣分布；桶油成本計算及同比、環比對標；基于油氣當量、單位產量耗電和單井效率的對標。

2.7 能效綜合評價

能效綜合評價從節能、排放、產能、效率等幾個方面進行生產單元的能效綜合評價，用戶可以自定義各因素的權重來修正能效評價值。能效評價以用戶定義的標準進行能耗和能效的打分，可隨時修正，且系統會提供評價結果以供參考，分別就油田群級、生產區塊級和平臺級進行能效評價。

2.8 能流網絡圖

將能源的購入（輸入）、傳輸、轉化、分配和終端使用等環節進行統計和換算，進而繪制能流網絡圖，能流網絡圖能直觀反映能源的使用過程和各環節的組成，能夠提供能量消耗值、能耗當量值（等價值）、效率、全局百分數等數據信息。

2.9 負荷和能源預測

通過歷史數據動態擬合產量和負荷的關系，再結合油藏數據來完成未來10年的負荷預測。然后通過油氣田電網各電站運行方式選擇，計算各透平發電機的耗氣量，完成能源預測。總負荷計算公式為：

其中，a為產液量，b為產氣量，c為產油量，d為注水量，M為常規負載，N為冬季負載。

3 系統應用效果

能效管理系統項目的成果實施，提供了具有實時能耗采集、能耗分析、能耗報表的能效管理平臺，解決了油田柴油、淡水、天然氣和電能的多維度能源缺乏統一有效實時管理的問題，此項目是海油內首套應用，積累了一定的管理及使用經驗，以后能為其他海域平臺或作業公司的使用提供幫助和支持。油田能效管理系統是在大力倡導節能減排戰略的背景下完成的。通過能效管理系統可以實時掌控油田的能源利用率、碳排放以及能耗情況，為后續油田群的節能減排和能源利用方法提供有效可靠的數據支撐，從而極大地提高油田生產的經濟效益。

4 結語

能效管理系統借助于油田群能量管理系統（EMS）、中控系統和生產管理系統獲取生產過程中的能耗和產能數據，實現了油田群對“電、天然氣、原油、淡水、柴油”等能源的集中、動態和數字化管理。并通過對能耗數據進行分析與評價，為制定能源優化調度策略和方案、消除油田群的能耗信息孤島、進一步提高資源利用、減少能耗、降低生產成本提供信息支持。能效管理系統提供了一套可行的能耗管控解決方案，在海上石油平臺類似的應用場合應大力推廣。