海上油田設備設施智能化管理研究

張 葉

中國海洋石油國際有限公司 北京 100028

海上智能油田建設的總體目標是通過提高海上平臺的生產監測和優化控制能力，對開發生產全過程進行實時監測、預警診斷、主動優化、遠程操控、協同運營和輔助決策，實現一體化智能管控[1]。海上油田開發生產涉及不同類型的設備設施，受到空間局限影響，其管理相比陸地油田的難度更大。通過海上智能油田建設設備設施管理，可以有效較少海上平臺操作人員數量，降低設備設施故障發生率，為海上油田高效順利開發生產提供有效保障。

1 概述

設備設施管理智能化是海上油田智能化建設的重要內容之一，具體包括設備健康管理、檢驗維修管理、海管運維管理、海纜狀態管理、庫存管理等，詳見圖1。海上油田設備設施管理智能化在引進動、靜、電、儀、控幾大類設備智能化管理新技術的同時，通過三維可視化、二三維聯動貼近油田現場工作實際，為油田各類設備設施的數字化管理、運行狀態監測、預警報警分析、綜合診斷評估提供全面化、可視化、一體化、智能化的管理手段[2]。設備設施管理智能化在實現電氣設備監測等智能化功能的同時，通過本地化數據接入、后端前端微服務集成與調試、業務功能集成，形成面向用戶的功能，提升設備管理的便利性。

圖1 海上油田智能化建設設備設施管理框圖

2 海上智能油田設備設施管理具體內容

2.1 動設備監測

動設備監測的主要功能包括兩個方面：一是具備設備振動異常智能診斷功能，能夠自動診斷振動異常的原因，為設備故障處理提供判別依據；二是掌握設備發生故障之前的異常征兆與劣化信息，以便事前采取針對性措施控制和防止故障的發生。以注水泵為例，通過設備監測，將注水泵狀態監測、故障診斷信息進行統計分析和定位過濾，最終實現故障統計和預警推送，通過設施設備關聯展示實現數據信息對象的精準定位，讓數據更加高效準確的服務于用戶，詳見圖2。

圖2 注水泵設備監測流程圖

2.2 靜設備管理

靜設備管理的主要功能包括兩個方面：一是通過導管架陰極保護監測系統對導管架陰極保護系統的Ag 電極處電位、Zn 電極處電位、保護電流進行監測；二是通過超聲波無線無源壁厚監測系統對工藝管線、壓力容器的壁厚進行監測。監測值超過設定值時，系統會發出預警。設備健康管理系統在運行過程中積累了大量的數據，通過調用靜設備健康管理系統中的靜設備故障分析數據，可以管理靜設備失效模式（局部腐蝕、均勻腐蝕、沖蝕等）、明確失效因素（硫化物開裂、微生物腐蝕、CO2腐蝕等），以及建議檢驗的重點部位（應力集中部位、緊固件部位、焊縫區、水相涂層破損處等），并設定檢驗有效性級別和檢驗方法等，顯著提升靜設備管理質量和效率，確保各項靜設備安全平穩運行。設備管理內容見圖3。

圖3 靜設備管理內容示意圖

2.3 電氣設備管理

電氣設備管理通過整合變壓器、海纜等各類在線監測系統數據，建設統一、智能化的電氣設備監測診斷中心，反映設備健康狀態的特征參數，評價設備當前健康狀況，預測缺陷發展趨勢，以實現海上油氣田主要電氣系統及設備的實時數據采集和監測。通過可靠的數據管理方法，利用多種高效的數據分析方法，實現電氣系統及設備的一體化管理、狀態評估、故障診斷、故障預警和風險評估等，為海上油氣田生產以及運維決策提供有效支持。電氣設備管理示意圖如圖4 所示。電氣設備管理人員通過對各種監測信息、實驗信息和基本信息的綜合考慮，最終對電氣設備狀態進行評估，將評估結果劃分為正常、注意、異常和嚴重四個等級，基于不同等級采取不同的應對措施。

圖4 電氣設備管理示意圖

2.3.1 主要功能

電氣設備管理的主要功能包括三個方面：

（1）實現對變壓器的故障診斷功能，包含局部放電診斷、振動信號診斷功能；

（2）基于布里淵散射的光時域反射法(BOTDR)實現對海底電纜光纖溫度的監測，結合光時域布里淵散射光纖傳感器實現對海底電纜溫度、應變的實時監測；

（3）主動對設備周圍或內部空氣進行采樣探測，如果發現煙霧顆粒，立即定位并發出報警。火情發展的不同階段（不可見煙階段、可見煙階段、可見火光階段和劇烈燃燒階段）對應不同的報警等級，并用紅、橙、黃、藍四色標注。

2.3.2 重點關注內容

（1）高壓電機局放監測：系統能夠實時監測電機局放信息，提早發現重大資產旋轉設備的定子繞組絕緣是否老化，以及老化嚴重程度，避免電機因為絕緣失效導致突發性故障。同時大電機增加一個視野角度來判斷發熱、振動等是電氣還是機械原因所致。

（2）GIS 狀態監測：監測系統能夠自適應實時獲取GIS 的局部放電信息、SF6、微水含量等作為綜合特征量，利用多源信息融合的方法對GIS 的運行狀態進行綜合量化評估與故障診斷分析。同時結合不同部件的影響程度，得出GIS 設備整體健康狀態等級，并智能推薦維修決策。

（3）中高壓配電盤絕緣監測：監測系統通過實時采集所監測母排的對地絕緣電阻值，監測數據通過內置算法，進行閾值比較。若低于所設最低閾值，則判定為絕緣故障，系統發出告警信息，絕緣故障定位儀發射定位電流、定位故障支路，在線監測系統顯示具體的故障支路位置，并提醒檢修人員檢修。

（4）低壓配電盤在線監測：利用安裝在配電柜紅外測溫儀對配電柜溫度實時監測，進行閾值判斷，從而感知當前配電盤的溫度狀態。針對柜內已經存在的異常溫升問題，進行實時報警，提示工作人員及時進行檢修，保證配電柜正常運行，提高供電的可靠性。

2.4 電力容量分析

利用在線數據，進行潮流分析與短路計算，獲得各系統與設備的額定裕量與短路裕量，輔助判斷平臺新增用電設備的供電可行性，為在役油田滾動開發與區域聯產可行性提供供電方案的理論依據。具體應用場景包括調度需求、啟動大電機、電網規劃等。在調度需求方面，利用在線數據，預測仿真計算即將投入運行的工況和發電機出力，實現在線決策支持。在啟動大電機方面，加入即將啟動大電機模型及接入點位置，仿真大電機啟動時電網的電氣量特征，判斷大電機能否接入，以及接入后對電網的沖擊會不會導致潰網。在電網規劃方面，在區域油田滾動開發后期因不斷有新的負荷平臺接入，此時需要對負荷接入點進行全面評估，同時加入保護限值的評估，保護報警。

2.5 電氣系統監測

建設海上電網全方位的實時監測功能，實現發電機運行狀態、潮流分布、電壓降預警、負荷邏輯卸載(優先脫扣)等信息的集成顯示，滿足生產操控中心掌握海上電網的運行情況和遠程決策的需要。電氣系統監測的主要功能是進行不良數據辨識預警，對CIM 模型解析，并與量測值文件關聯。在靜態斷面的基礎上系統即可進行潮流計算和最優潮流計算，生成最優潮流的控制信息指導系統的運行，達到智能控制的目標，詳見圖5。

圖5 電氣設備監測功能架示意圖

2.6 智能儀表管理

智能儀表管理（AMS）是集成智能儀表、調節閥、關斷閥的實時信息，對智能儀表及控制閥門進行在線診斷和預防預測性維護，提高智能儀表閥門的可靠性和可利用率，避免儀表閥門故障引發的非計劃停機，優化備品備件的儲備和使用[3]。智能儀表管理的主要功能包括四個方面：

（1）智能儀表統計，統計資產類型分布、實時報警分布及風險資產占比；

（2）智能儀表綜合評價，通過獲取的實時報警監測信息，建立設備健康狀態綜合評估模型，整體評估智能儀表的健康狀況；

（3）實時報警監測，實時監控現場智能儀表的報警診斷信息，并提供報警處理的維護指導建議；

（4）報警歷史追蹤，追蹤單個智能儀表具體報警時間、原因，并進行分析，讓操作者了解更多報警細節，為故障分析及管理決策提供依據。

2.7 中控健康管理

中控健康管理主要為系統硬件診斷和軟件組態管理，實現中控系統的智能預警和綜合性診斷，評價中控系統當前的健康狀況，實現中控系統預防預測性維護和健康管理。中控健康管理的系統功能包括四個方面：

（1）中控系統組態數據庫解析；

（2）實時采集中控系統診斷信息；

（3）診斷數據驅動預防與預測性維；

（4）數據庫修改跟蹤。

通過中控健康管理，可以實現對工作站狀態、控制器、IO 卡件、SIS Logic Slover、電源系統和工作溫度等多狀態的感知。此外，還可以對中控設備級報警故障率進行統計，進而深入挖掘運行負荷、工作溫度等與故障發生率之間的關系，為中控健康管理提供依據，有效降低故障發生率。

3 結語

海上智能油田設備設施管理主要為利用三維模型，實現生產設施的設計輔助、施工模擬、空間干涉、路徑規劃；通過集成各類設備設施的監測系統，實現設備數據完整準確共享；通過建立設備健康分析模型和故障診斷模型，實現設備預測性維修和庫存科學管理。以上在對海上智能油田設備設施管理進行概述的基礎上，重點對設備設施管理具體內容進行論述，以期為海上智能油田設備設施管理提供借鑒。