新疆油田能源管控系統(tǒng)的建設(shè)

吳早亮 程鴻萱 孫彥峰 賀三 李帥帥 周軍

（1.新疆油田公司實驗檢測研究院（西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院）

新疆油田自1981—2008年實現(xiàn)原油產(chǎn)量連續(xù)27 a穩(wěn)定增長，于2002年原油產(chǎn)量突破千萬噸，成為我國西部第一個千萬噸級大油田，2021年累計生產(chǎn)原油1 370×104t、生產(chǎn)天然氣34.8×108m3，分別超計劃12×104t、5.8×108m3，油氣當(dāng)量達(dá)到1 647×104t，均創(chuàng)歷史之最。新疆油田公司稠油產(chǎn)量比重大，由于稠油油藏地質(zhì)條件復(fù)雜，地層壓力低，原油黏度高，開采難度大，導(dǎo)致了超稠油和特稠油單位產(chǎn)品能耗長期居高不下[1]，為了進(jìn)一步響應(yīng)集團(tuán)公司提質(zhì)增效專項行動的號召，推進(jìn)能耗精細(xì)化管理，公司按照“先試驗，后推廣”的模式，充分結(jié)合數(shù)字化油田建設(shè)、節(jié)能專項投資項目等相關(guān)工作，綜合考慮能源管理體系、現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、政策和法規(guī)，結(jié)合新疆油田能源管理制度和業(yè)務(wù)流程，從基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、支撐平臺、應(yīng)用功能和信息發(fā)布等方面進(jìn)行能源管控系統(tǒng)的建設(shè)工作。

1 框架設(shè)計

能源管控是能源統(tǒng)計信息計算和監(jiān)測的基礎(chǔ)，是能源管理和決策的重要工具。近年來，新疆油田致力于推進(jìn)能源統(tǒng)計科學(xué)管理，將分級管理理念植入能源統(tǒng)計。

1.1 能源管控分級

依托《新疆油田公司能源管理體系》，遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、政策法規(guī)，按照公司各項管理制度與業(yè)務(wù)流程開展能源管控，將能源管控分為計量級、監(jiān)測級、分析級、優(yōu)化級4個等級[2]。

1）計量級。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，計量級能源計量器具配備應(yīng)符合GB/T 20901—2017《石油石化行業(yè)能源計量器具配備和管理要求》和Q/SY 1212—2009《能源計量器具配備規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。能源管控單元的主要能源實物消耗應(yīng)分主要生產(chǎn)系統(tǒng)計量，重點耗能設(shè)備宜實現(xiàn)單獨計量。

2）監(jiān)測級。監(jiān)測級在計量級能源管控系統(tǒng)基礎(chǔ)上建設(shè)監(jiān)測級能源管控系統(tǒng)，主要開展以下工作：選擇能源績效參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)傳、能源績效參數(shù)在線計算、設(shè)定能源績效參數(shù)基準(zhǔn)值、能源績效參數(shù)在線監(jiān)測和報警以及監(jiān)測級能源管控信息系統(tǒng)開發(fā)。

3）分析級。分析級主要功能是在監(jiān)測級能源管控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，主要開展能源績效參數(shù)縱向分析和橫向?qū)?biāo)，提出節(jié)能增效建議[3]。

4）優(yōu)化級。優(yōu)化級在分析級能源管控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，主要開展利用油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化軟件及優(yōu)化運行管理平臺，建立主要生產(chǎn)系統(tǒng)如機(jī)采、集輸、處理及注水等系統(tǒng)的模擬優(yōu)化模型，在線優(yōu)化以及優(yōu)化級能源管控信息平臺。

1.2 實施路線

能源管控建設(shè)的總體思路為自上而下的管控，通過總體定額管控，通過各系統(tǒng)單耗指標(biāo)的對比，監(jiān)測效率的預(yù)警，分析存在的問題，指導(dǎo)現(xiàn)場對管控單元進(jìn)行工況的及時調(diào)整，從而實現(xiàn)管控能源績效指標(biāo)達(dá)標(biāo)[4]。

能源管控系統(tǒng)建設(shè)主要分為基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、支持平臺、應(yīng)用系統(tǒng)和信息發(fā)布6個部分，能源管控平臺建設(shè)技術(shù)路線見圖1。

圖1 能源管控平臺建設(shè)技術(shù)路線Fig.1 Construction technology route of energy control platform

2 現(xiàn)場應(yīng)用

以K聯(lián)合站為例，位于克拉瑪依附近，管轄5個供熱站和20個簡配站以及3套軟化水處理系統(tǒng)，K聯(lián)合站鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)及水處理系統(tǒng)見圖2。根據(jù)Q/SY 09004.3《能源管控第3部分油氣田技術(shù)規(guī)范》，鍋爐的能源績效指標(biāo)包括產(chǎn)汽單耗、軟化水處理單耗、噸蒸汽耗氣、噸蒸汽耗電和泵效率，為了便于現(xiàn)場參數(shù)調(diào)控，依據(jù)GB/T 31453—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》增加過程管控指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗，確定鍋爐的能源績效指標(biāo)有鍋爐爐體外表面溫度、熱效率、排煙溫度和過剩空氣系數(shù)[5]。

圖2 K聯(lián)合站鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)及水處理系統(tǒng)Fig.2 Boiler steam production system and water treatment system of K combined station

目前K聯(lián)合站主要是人工根據(jù)運行經(jīng)驗，觀察火焰顏色進(jìn)行燃料量、進(jìn)風(fēng)量等工況調(diào)節(jié)，依照手工報表，定期開展煙氣含氧分析、鍋爐除灰、定期水質(zhì)監(jiān)測等優(yōu)化工作，處于不完全的計量級水平。補(bǔ)充部分能耗數(shù)據(jù)采集設(shè)施，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上完善SCADA系統(tǒng)，開發(fā)監(jiān)測級、分析級和優(yōu)化級能源管控功能，可實現(xiàn)分析級，部分實現(xiàn)優(yōu)化級。

在生產(chǎn)集中監(jiān)控處的機(jī)房內(nèi)，建設(shè)一套可以管控46臺注汽鍋爐的能效管理集控裝置模型見圖3，該裝置可實現(xiàn)監(jiān)測柱塞泵效、鍋爐運行爐效、煙氣散熱損失占比等功能，結(jié)合能效指標(biāo)、設(shè)備老舊等情況，通過相應(yīng)的模型分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷異常并發(fā)送報警提示，裝置建設(shè)后可實現(xiàn)注氣鍋爐系統(tǒng)各類能效管控與優(yōu)化分析功能。

圖3 鍋爐能效管理集控裝置模型Fig.3 Model of boiler energy efficiency management central control device

1）爐效實時監(jiān)測分析功能。裝置內(nèi)設(shè)置的算法與模型可分析出影響爐效不達(dá)標(biāo)的各項因素，針對各項因素指標(biāo)要求，對于不達(dá)標(biāo)的通過數(shù)據(jù)分析引發(fā)原因，發(fā)送報警信息，提示現(xiàn)場用戶處理；通過反平衡熱效率計算原理，展示分析出影響爐效的因素有排煙熱損失、未完全燃燒熱損失、散熱損失[4]。

2）各設(shè)備定水配比燃?xì)鈨?yōu)化設(shè)置功能。現(xiàn)場調(diào)整工況的情況很多，歸根結(jié)底要做到干度達(dá)標(biāo)前提下，保證爐效使單耗達(dá)到最優(yōu)值；基于定水調(diào)火的原則，系統(tǒng)需針對每臺鍋爐設(shè)備的實際情況，配置一定量水對應(yīng)在運行爐效優(yōu)良狀態(tài)的燃?xì)庀牧浚炊ㄋ細(xì)馀浔惹€的生成，裝置可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容控制燃?xì)饬浚o出工況調(diào)整建議，從而在保障干度、穩(wěn)定爐效在良好狀態(tài)，使單耗降下來[6]。

3）燃燒曲線優(yōu)化設(shè)置功能。燃燒器在出廠時有設(shè)置一條風(fēng)氣配比曲線，初始風(fēng)氣配比值可能在投產(chǎn)運行中不能適應(yīng)一些工況的變化，往往都是由廠家對燃燒曲線持續(xù)維護(hù)，通過現(xiàn)場調(diào)整各負(fù)荷下的風(fēng)氣配比保證運行良好，這種方式存在最大的問題是時效性慢，不能滿足現(xiàn)場工況實時變化的調(diào)整需求，而且隨著投產(chǎn)時間的長久運行，廠家維護(hù)頻率也會降低；因此，可通過裝置植入運行曲線數(shù)據(jù)，并對各變化條件下的良好運行工況數(shù)據(jù)存儲，根據(jù)廠家燃燒曲線調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)及結(jié)合現(xiàn)場煙氣排放數(shù)據(jù)給出微調(diào)建議，針對不同鍋爐燃燒器，做出充分的分析計算后，給與配置相應(yīng)的燃燒曲線及微調(diào)范圍，以保證給出的優(yōu)化配置安全合理[7-8]。

4）調(diào)火控制流程優(yōu)化建議功能。現(xiàn)場鍋爐運行中，在啟動爐子穩(wěn)定后，可能會是水量波動、天然氣量波動、空氣溫度變化導(dǎo)致干度不合格、燃燒工況變差，裝置可根據(jù)內(nèi)部建立的模型提示調(diào)火控制流程如何最優(yōu)操作，同時可結(jié)合鍋爐燃燒器設(shè)備情況，給出燃燒負(fù)荷調(diào)整操作建議。

5）風(fēng)門開度調(diào)整建議功能。裝置可根據(jù)鍋爐運行狀態(tài)、燃燒狀況以及負(fù)荷變化等情況，通過內(nèi)部模型或算法進(jìn)行分析后建議現(xiàn)場用戶調(diào)整風(fēng)門開度，裝置內(nèi)也設(shè)置相應(yīng)計算原理，充分利用影響空燃比的各類因素的數(shù)據(jù)，建立模型計算出結(jié)果，給出用戶風(fēng)門開度調(diào)整建議[9-10]。

3 節(jié)能效益計算

按照K聯(lián)合站2018年產(chǎn)汽357×104t，耗電2 478×104kWh，耗氣26 890×104Nm3為基準(zhǔn)，噸蒸汽耗氣為66.45 Nm3，根據(jù)能效監(jiān)測結(jié)果，鍋爐熱效率達(dá)標(biāo)率僅為64%；噸蒸汽耗電為6.1 kWh。2019年計劃產(chǎn)汽量404.66×104t，效益預(yù)測曲線見圖4。天然氣單價1.15元/Nm3，電單價0.679元/kWh。

圖4 效益預(yù)測曲線Fig.4 Benefit forecast curve

2019年能源管控后，可將該站注汽鍋爐熱效率達(dá)標(biāo)率由現(xiàn)階段的64%提高至75%，噸蒸汽耗氣下降至66.1 Nm3，則產(chǎn)汽相同的情況下可節(jié)約天然氣量為141.97×104Nm3；噸蒸汽耗電降到6.05 kWh，則產(chǎn)汽相同情況下可節(jié)約電量為29.81×104kWh；節(jié)能效益183.51萬元。

2020年達(dá)到優(yōu)化級后，在減少人工投入的前提下，可將該站注汽鍋爐熱效率達(dá)標(biāo)率提高至80%，噸蒸汽耗氣下降至65.7 Nm3，則產(chǎn)汽相同的情況下可節(jié)約天然氣量為161.86×104Nm3；噸蒸汽耗電降到6.0 kWh，則產(chǎn)汽相同情況下可節(jié)約電量為20.24×104kWh；節(jié)能效益199.882萬元。

4 總結(jié)

能源管控是針對能源生產(chǎn)、輸配和消耗等過程，以自動化、信息化技術(shù)為手段，通過能源計量和在線監(jiān)測，運用對標(biāo)分析和系統(tǒng)優(yōu)化的方法，對能源利用實施動態(tài)監(jiān)控和有效管理，以促進(jìn)能源利用最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)效益最大化。文中分析了能源管控建設(shè)的目標(biāo)，建立了能源管控系統(tǒng)的基本實施路線。以K聯(lián)合站為例，分析模型數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)注氣鍋爐系統(tǒng)各類能效管控與優(yōu)化分析功能。計算了能源管控方案的經(jīng)濟(jì)效益，2020年達(dá)到優(yōu)化級后，在減少人工投入的前提下，可將該站注汽鍋爐熱效率達(dá)標(biāo)率提高至80%，節(jié)能效益199.882萬元，為企業(yè)進(jìn)行能源管控提供了參考。