山西煤層氣能源管控系統的建設

才浩楠 王宇蒙 王兆琪 劉若兮 黃文才

1華北油田工程技術研究院

2華北油田天成公司

3華北油田第五采油廠

我國從2011 年開始逐漸加強石油化工等大型能耗高企業的能源管控工作。中石油集團公司提出到2020 年，能源管控能力建設基本達到國內先進水平，重點業務達到國際領先水平。依據集團公司要求，以華北油田山西煤層氣田為試點，進行能源管控系統的研發工作。目前，山西煤層氣分公司已經基本實現了表層參數（如流壓、套壓、管壓等）全覆蓋采集，但是針對反應能源利用率的間接參數，如機械采氣系統效率、集輸系統壓縮機組效率等，缺少系統化、智能化的采集與分析[1]。

華北油田煤層氣分公司通過抽油機等多種開采方式進行開采煤層氣，伴隨著采出煤間水降低了地層壓力[2]。現以煤層氣分公司先進的自動化系統為基礎，合理配備具有遠程功能的計量儀表，實現能源管控單元主要生產數據和能源數據的在線采集、分析，開發集參數監測、數據展示和優化分析為一體的能源管控系統[3]。

2 框架設計

2.1 監管層級

依照各管理層級縱向分為三個等級：集團公司是一級單元，華北油田公司是二級單元，所屬生產單位山西煤層氣分公司中是三級單元。針對能源消耗總量、關鍵績效指標、能效定額跟蹤進行監控與分析，實現企業對能源利用率的動態監控和有效管理[4]。能源監管層級分類見圖1。

圖1 能源監管層級分類Fig.1 Classification of energy management and control levels

2.2 能源績效參數選定

根據《油勘函〔2018〕294號_附件4 油氣田企業能源管控績效計算方法及采集要求》規定，選取了能反映管控單元實際用能水平且與生產過程密切相關的能源績效參數[5]，主要分為三個層次：第一層次是反映油氣田行業整體能源利用水平的宏觀綜合指標；第二層次是反映油氣田各生產系統、用能環節的工藝過程指標；第三層次是反映排采，集輸，電力三大系統耗能設備能效水平的終端設備指標。選取抽油機井采水單耗，機采系統效率，機械采氣系統效率等7個能源績效參數[6]。

（1）排采系統推薦指標為抽油機井采水單耗、機采系統效率、區塊系統效率，也可選取機采系統百米噸水單耗[7]。各參數在標準中的定義和說明如下：①抽油機井采水單耗為耗電量與產水量的比值；②單井的系統效率為抽油機有效功率與輸入功率的比值；③區塊系統效率，區塊系統效率采用加權平均計算，即區塊機采系統輸出功率與輸入功率的比值。

（2）集輸系統（不包括處理系統）的績效參數為氣田集輸綜合能耗、壓縮機組效率兩項指標。氣田集輸綜合能耗為統計期內氣田集輸生產能源消耗量與統計期內氣田產氣量的比值；壓縮機組效率為有效輸出與驅動壓縮機消耗能量的比值，以百分數表示。區塊的壓縮機組效率取壓縮機組效率的加權平均值。

（3）電力系統的績效參數為網損率、功率因數[8]。網損率為在統計期內電力網的損耗電量占供電量的百分比；功率因數為輸入視在功率與輸入有功功率之比。

2.3 能源管控系統的層級劃分

能源管控分為5個等級：計量級實現能源的有效計量；監測級實現能耗狀況的實施監測；分析級實現能效水平的有效分析和主要用能問題的合理解決；優化級實現能源消耗目標的科學設定和優化方案的在線計算；智能級實現能源使用全過程的閉環優化管理。

3 現場應用

3.1 計量級

按照標準要求，煤層氣能源管控系統計量單元依舊劃分為：排采系統、集輸系統及電力系統三大部分[9]。排采系統按照電力變壓器所供電的單元具體細分管控單元，集輸系統按照壓縮機細分管控單元，電力系統按照具體供電線路及變壓器劃分管控單元。通過配備、維護和檢定能源管控單元的能源計量器具，實現能源管控單元的主要能源實物消耗數據的準確計量。目前山西煤層氣現場幾乎實現了計算能耗參數所需數據的全覆蓋采集，在已有的自動化采集系統的基礎上，合理增設部分采集終端，并對接兼容煤層氣現有自動化系統。

在本區塊煤層氣供電線路二級變壓器處安裝175個電力計量裝置，數據經無線傳輸（GPRS）至電力中心現有數據庫中。裝置及安裝位置如圖2所示。

圖2 電力系統計量裝置安裝Fig.2 Installation of power system metering device

在煤層氣3個集氣站10個壓縮機出口安裝氣體監測計，采集出口氣體流量、壓力、溫度，數據經Rs485通信協議傳輸至集氣站監控系統。裝置及安裝位置如圖3所示。

圖3 集輸系統計量裝置安裝Fig.3 Installation of metering device in gathering and transportation system

3.2 監測級

對計量級采集的生產數據進行存儲、計算和監測。通過增加能源管控單元的能源計量數據自動采集功能，以及能源管控單元的能源績效參數在線計算和異常報警，實現了用能水平的及時監測，確保快速定位能源管控單元在生產過程中的能耗超限環節，加快能源使用管理的響應速度[10]。

山西煤層氣目前實現了生產、能源等數據實時監控、報警、查詢等功能。針對設備運行情況及能耗績效指標，改變原有手觸、目測等人工操作方式，通過對排采、集輸、電力等生產系統用能過程的實時監控與分析，對各能耗超限進行報警，及時發現用能異常，系統監測與預警主系統界面如圖4所示。

圖4 系統監測與預警系統界面Fig.4 System monitoring and early warning system interface

3.3 分析級

針對能源管控單元的主要產用能環節、單元、區域等，開展能源績效參數的在線歷史趨勢分析和橫、縱向對標分析，定期研究和實施系統性的節能增效改造項目，實現能源管控單元能效水平的有效評估和主要用能問題的合理解決，促使其根據生產變化改進能源使用方式。

橫向對標分析：以采水單耗為例，選取本區塊煤層氣20 口單井，10 月某日為對標時間，針對單耗高于標桿值的單井進行平衡度、工作制度等參數的檢查與調整，在合理的范圍內降低采水單耗。20口單井采液單耗橫向對標分析見圖5。

圖5 20口單井采液單耗橫向對標分析Fig.5 Horizontal benchmarking analysis of fluid production unit consumption in 20 single wells

縱向對標分析：以華堯某單井為例，選取連續10 日的采液單耗進行監測分析，針對單耗突然增高（降低）的情況進行排查、分析。某單井10 日采液單耗縱向對標分析見圖6。

圖6 某單井10日采液單耗縱向對標分析Fig.6 Vertical benchmarking analysis of 10-day liquid production unit consumption of a single well

3.4 優化級

針對能源管控單元主要產（用）能環節、單元、區域等的模擬優化模型，完善能源優化管理制度，實現能源管控單元生產過程中能源使用的日常優化管理，確保能源管控單元可根據生產需求設定科學合理的能源消耗目標值，并及時提出能源使用的計劃、調度和操作優化方案，促進其用能水平的持續改進。

通過建立離線、在線優化診斷模型，對采氣井的工況進行遠程診斷及系統效率分析，提出每口井的工作制度調整、平衡調整，地面、地下工作參數調整以及其他維護性工作措施方案，發布到現場以指導現場及時對不合理的產氣井實施相應的調整措施，從而提高整個煤層氣田產氣井管理水平。系統優化建議界面見圖7。

圖7 系統優化建議界面Fig.7 System optimization suggestion interface

3.5 智能級

智能級是通過能源使用管理與主要生產過程閉環優化等的集成，實現對能源管控單元的全方位閉環管理，促進其生產全過程的能源使用科學化管理和精細化控制。

山西煤層氣排采復雜，絕大部分單井工況的制約條件很多，人工現場調節經驗占主導作用，未形成精準量化關系，所以還需要進一步的現場摸索和理論研究相結合，才能實現全方位的智能閉環控制。但本次能源管控建設已為智能級建設預留接口，為后續升級提供基礎。

4 結論

能源管控是針對能源生產、輸配和消耗等過程，以自動化、信息化技術為手段，通過能源計量和在線監測，運用對標分析和系統優化的方法，對能源利用實施動態監控和有效管理，以促進能源利用最優化和經濟效益最大化。

能源監控與管理系統的建設不僅從對標和優化的角度分析節約了能耗，更重要的是觀念的改變，在合理的工作制度下提高產量的同時，關注能耗利用率。