海上油氣田用能管理系統的研究與應用實踐

李平 張龍

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司；2.中國海洋石油集團有限公司節能減排監測中心）

1 概述

隨著我國工業化、城鎮化進程加快和消費結構持續升級，能源需求呈剛性增長，節能工作形勢嚴峻。能耗是企業生產成本的重要組成部分，節能降耗涉及企業生產全過程。多年以來，我國企業能耗數據收集，大多采用企業定期上報耗能報表方式，數據不準確、時間滯后等問題較為嚴重，而且能耗數據太籠統，已成為制約節能工作推進的一個重要問題。在以上背景下，國家發展改革委辦公廳印發了《重點用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》。通知加快推廣建設重點用能單位能耗在線監測系統，健全能源計量體系，加強能源消費總量和強度“雙控”形勢分析和預測預警，推動完成“雙控”目標任務[1]。

海上油氣田作為我國最大的海洋能源生產供應單元，對能源使用有著較高的依賴度，屬于國家管控的重點耗能單位。海上生產單元相較于陸地生產單位具有其天然特殊性，受地理位置、生產環境的等多方面因素的限制，可供海上設施調配的資源非常有限，其生產工藝和管理模式與陸地石油行業有著較大區別。

2 石化行業能耗在線監測現狀

2.1 國外能耗在線監測系統建設

國外企業在能耗在線監測系統建設方面起步較早，很多大型石油、化工企業都圍繞著能耗在線監測系統建立了自己的能源管理系統，通過數據的實時監測、分析，對生產工藝進行調整、優化，可以精確管控能源的有效、合理利用[2]。

Exxon Mobil（埃克森美孚）開發的的全球能源管理系統（GEMS）從管理和技術兩方面進行能源管理[2]，統一了節能績效衡量方法，并建立了一套挖潛增效的最佳實踐庫。通過項目的實施，發現企業潛在的15%～20%節能改進空間。

Valero（美國瓦萊羅能源公司）對其旗下經營煉廠的公用工程系統進行了能源管控優化，結合先進控制技術對關鍵指標進行實時過程監控，降低其能耗運營成本[3]。項目實施后，系統運行后減少蒸汽排放7%，鍋爐熱效率提高了0.6%，減少燃料氣成本1%，產生年效益約270萬美元。

雖然國際公司（如AspenTech，Honeywell）開發出能源管控方面的工程軟件產品通用性很高，但對國內的企業裝置適用性一般，直接利用存在誤差較大。

國外油田企業普遍開始了智能油田的探索與建設，其追求的不再是簡單的數據采集和生產過程的扁平化管理，而是對整個上游業務流程的整合與再造。為此，它需實現四個層級的突破，即在完善油氣田信息化建設的基礎上，依次達成實時監測、實時分析、實時優化和經營模式的轉變[4]。挪威海域的斯塔特福約爾得油田為實現油田的綠色可持續發展，已經對海上油田的數據實時傳輸、生產過程信息化控制進行了嘗試與摸索[5]。

2.2 國內能耗在線監測系統建設

國內石油石化企業正在積極推動能源管控工作，對能源管控技術的研究仍處于嘗試和探索階段。為更好地開展油氣田生產能源管控技術的研究，中國石化鎮海煉化公司進行了自動化改造及及網絡改造，建立能源監控與優化調度平臺；中石油進行了專項課題研究，并編制了《能源管控技術通則》、《油氣田企業能源管控系統建設技術規范》[6]，并提出了“四個清楚（能耗總量計量清楚、關鍵技術指標清楚、重點設備能耗清楚、重點控制清楚）、三個實時（實時監測、實時預警、實時調整）、以及“分級管控”的技術手段，實現能耗數據的統計、分析和預警等功能[7]。

中石油在長慶油田開展了能源管理系統試點建設工作，其建設依據“總體構架、分步實施、管理與技術并重”的原則，以油田數字化網路為依托、能源計量器具完善升級為抓手、能源管控軟件開發為手段[8]。建設的能源管控示范長區，實現了能耗的實時監測與控制，達到了能耗數據的扁平化管理，提高了廠區的能源管理水平[9]。

中石油慶新油田打破傳統油田開發管理模式，通過“數字化建設”和“智能化提升”兩個階段逐步建立了油藏、井筒、地面的一體化智能管理模式，基本實現了數據傳輸實時化、控制調節遠程化、生產站場無人化、告警分析智能化、產量計量自動化、節能降耗精細化、機采措施一體化等功能。目前慶新初步建成智能油田雛形，實現了地面工程的全面感知、故障隱患的預警預測、生產活動的數據驅動、眾多系統間的協調優化。

中國石化選擇了燕山分公司、鎮海煉化、天津分公司、茂名分公司作為能源管理系統試點企業，企業端建設用能需求計劃和優化的產能計劃，建立完善企業全口徑的能流管理，初步建設評價分析功能及對第三方能源優化的支撐，并實現對企業能源管理中心建設及總部能源管理的業務支撐。總部端，將企業運行數據集中監管，實現總部對企業計劃的審批管理，初步建設企業間評價、分析功能。

3 海上油氣田能源管理現狀

海上油氣田消耗的能源包括原油、天然氣、柴油、電力以及新水，其中原油和天然氣由海上油氣開采得到，電力由自采的原油、天然氣發電而來，柴油和新水是公司購入的主要能源。

由于海上平臺的生產工藝較為單一，能源種類數量不多，主要是利用自己生產的天然氣或原油做燃料，而且為孤立能源消耗體系，現場能源管理精細化程度的較為粗放。其中能源計量多以一級和二級計量儀表為主，三級計量（設備級）儀表較少，難以對單臺設備能耗及能效進行監測；能源管理多以統計和上報數據為主，與實際情況存在偏差；已建成的生產自動化采集系統，可實現部分能源數據的在線采集，但數據分散、缺乏集中的監控平臺，缺乏系統性的節能手段和工具，缺少能源使用的深入分析和能源管理措施的制定實施。另外，海上油氣田的通信主要是通過海底光纜、微波和衛星進行數據傳遞，現階段海上平臺和陸地之間的數據傳遞通信帶寬有限，數據傳遞的數量和頻率不宜過大過快，相對陸地而言數據傳輸成本較高，加大了能耗數據在線監測的實施難度。

4 海上油氣田用能管理系統方案研究

如上所述，目前海上平臺沒有相關系統對油氣田群能源的詳細使用情況進行長期監測，考慮到海上油氣田能源管理現狀的特殊性，不能直接照搬陸地石油石化企業的建設方式，需要探索出適合并具有海油特色的海上油氣田能源管理系統建設方案。幫助企業在擴大生產的同時，合理計劃和利用能源，保障能源供給和生產安全，降低單位產品能源消耗，提供科學的數據分析和關鍵指標。

4.1 系統整體架構

在海上油氣田，能源流向貫穿整套生產工藝，監測數據分散于多個子系統內，如注水系統、發電機系統、電力系統、鍋爐系統等。

為了節省網絡建設成本和簡化信息網絡結構，便于系統維護，在搭建數采網絡時，以“DCS中控系統”作為數據采集的主要數據源和匯聚點，對于不便于接入DCS的儀表和控制系統（如電表、電力系統），根據實際需求靈活的搭建采集通訊鏈路。

海上油氣田用能管理系統整體架構如圖1所示。

4.2 系統部署方式

綜合考慮海上油氣田的通訊方式特點，用能管理系統采用子站與主站相結合的方式進行部署。

系統子站包含監測子站和采集子站，主要部署于海上平臺、FPSO等海上生產設施內。因同一生產區塊內的海上生產設施之間通信較為便利，鋪有海底光纜，便于網絡交互、數據傳輸，系統可在此范圍內采用集中部署的方式，即在多個井口平臺部署采集服務，在中心平臺、FPSO等關鍵生產處理設施部署數據庫及應用服務供所有子站用戶訪問。子站的應用服務主要供現場用戶實時掌握能耗數據及相關能耗指標的動態變化，及時進行優化處理。

系統主站部署在陸地辦公地點，對多個監測子站的數據進行集成。綜合考慮海上與陸地之間的通信條件，受微波通訊波動、衛星帶寬等因素的限制，數據傳輸之前會進行壓縮、篩選處理。主站的應用服務偏向于管理、統計，實現主管部門對下級單位用能情況的對比和評價，支撐決策需求，海上油氣田用能管理系統如圖2所示。

圖2 海上油氣田用能管理系統

4.3 系統主要作用

海上油氣田用能管理系統，旨在通過數字化手段，實現對整體能源動力系統的全面監測，在線監測海上油氣田各種能源的（水、燃氣、原油、電、蒸汽等）動態消耗，實時進行能耗計算和分析，識別重要能耗區域，快速發現用能環節的無效用能盲點；統一監測方法和規范，建立客觀的能源消耗體系，明確能耗基準線，從粗放的能源管理模式轉變到科學的能源管理模式；減少能源系統運行管理成本，提能源利用效率，可實現遠程抄表統一監測，簡化能源運行管理方式，減少日常管理的人工投入，節約人力資源成本，提高勞動生產率[10]；實時分析關鍵設備和工藝的能效情況，建立能效檔案，實施全生命周期能效對比，持續改善運行狀況。

1）實時監測。海上油氣田用能管理系統能夠實現對整體能源動力系統的實時監測，準確獲取能源信息數據，全面快速準確的獲取實際能源消耗情況。

2）電能質量分析。系統通過對電網的電能質量和電能可靠性狀況進行持續的監測，幫助運行管理人員發現和定位電能質量問題來源，改善電能質量并提高用電設備運行可靠性。實現電壓偏差、頻率偏差、諧波和間諧波監測、電壓不平衡和序分量測量、電壓閃變、電壓暫升暫降、瞬態過電壓捕捉、電壓合格率統計。

3）設備能效分析。針對海上油氣田重點設備（電站、熱站、壓縮機和機泵等），系統通過對設備用能效率、待機能耗、用電負荷趨勢曲線的統計，分析識別當前設備的用能是否合理，識別有無節能改造空間。

4）故障告警。針對系統運行過程中產生的運行參數越限(流量、溫度、電流、功率、壓力等)、能耗超標越限、系統故障（表計通信鏈路異常、表計/設備自檢故障等）等異常告警類型情況進行實時告警。

5）能源平衡分析。系統通過海上平臺的水、電、油氣等各項能源在使用過程中的各個環節進行平衡分析，及時的發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常能源損失等能源浪費的問題，提醒相關人員進行干預。

6）歸因分析。通過對重點耗能設備和單元的運行狀態監測，結合典型的影響因子，對能耗較高的設備和單元進行多維度分析，從而找出對能耗影響最大的因素，判斷引發高能耗的原因。

7）工藝系統優化。結合數據和狀態監測，對海上油氣田機采系統、集輸系統和油氣處理系統進行優化分析。通過優化分析和先進控制的共同實施，可使得關鍵工藝參數波動幅度顯著下降，達到平穩裝置生產、減少質量波動、降低裝置能耗的目標。

5 應用實例

南海東部某油田位于我國南海珠江口盆地，該油田在建設期間同步開展了用能管理系統的建設，以能源動力系統環節為切入點，采用自動化、信息化技術，基于數據傳輸實時化，對各類能源的生產、輸配和消耗環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理，可顯著提升油田的源管理水平。

該油田的用能管理系統建設，首先實現了基礎數據的采集和在線監測，通過綜合展示功能，現場運行管理人員能夠直觀地監視目前的油田各類能源的消耗情況、碳排放情況、發電機等關鍵設備的運行狀態以及各類關鍵指標使用情況。

系統通過對現場儀表數據的采集，實現了對各工藝流程中的能源流動情況的實時監測、以及各重點耗能設備運行參數及能效參數的實時監測，并可針對某塊儀表數據進行快速定位查詢，大大減小了現場人員抄表的勞動強度和翻閱歷史記錄數據的查詢時間。

其次，通過各類能耗數據、監測參數進行數據的整理，為運營管理者提供全面、詳細、準確的用能分布和流向數據，并對數據進行挖掘和二次加工，對重點耗能設備的能效評價參數進行橫向及縱向對標，建立能源數字化的客觀評價體系，對該油田當前運行模式下的的能效水平進行評估，及時發現能源浪費和異常使用現象，促進現場人員進行節能管理。

6 結束語

海上油氣田用能管理系統的研究與應用充分考慮了海上平臺的生產運行特點，符合海上油氣田的能源管理特色，雖然過程相較于陸地傳統石油石化企業較為復雜緩慢，但也在逐步進行優化和推廣，為海上油氣田的綠色發展提供保障。