油田主要耗能設備能效在線監測信息系統建設

葛蘇鞍 葉紅 馬中山

摘要：新疆油田公司為了加強能源管控力度、提高節能監測效率、減少人員投入和勞動強度，大力推進油田主要能耗設備能效在線監測系統建設。結合油田耗能設備能效監測業務的特點，對系統業務功能進行劃分，從系統服務架構設計、數據采集方式以及系統功能各方面介紹主要耗能設備能效在線監測信息系統。提供了全面、規范的標準化能效在線監測數據結構，實現監測數據實時自動采集、傳輸、儲存、分析，關鍵能效參數的診斷、預警，及時為設備經濟運行提出整改建議，指導油田主要耗能設備運行參數的調整，實質性提高油田耗能設備能效監測效率，降低生產成本。

關鍵詞：耗能設備；物聯網；節能監測；能源管控；診斷分析

一、前言

面對國內外環境的深刻復雜變化，國家推出能耗及碳排放雙控指標、定額與限額指標等硬約束要求。節能作為“第一能源”，是實現綠色低碳發展和“雙碳”目標的重要舉措[1]，節能監測是提升企業用能水平的重要手段，對加強能源管理、挖掘節能潛力、提高經濟效益具有重要意義[2]。新疆油田公司根據節能減排、提高能源利用效率的應用需求，對油田主要耗能設備提出了全覆蓋、全系統、全天候、實時化開展節能監測與診斷分析的要求。新疆油田生產的重點耗能環節包括采油、注水、集輸、供熱等系統，重點耗能設備主要為抽油機、注水泵、輸油泵、加熱爐、注汽鍋爐等，具有耗能設備多、種類復雜、分布廣泛的特點。現階段節能監測的主要方式是節能技術人員攜帶多種測試儀器到現場，利用分散的測試設備在多測點協作完成現場測試數據的采集，然后依靠技術人員進行數據整合和處理計算，工作效率低，節能監測和診斷分析規范性不強、指導設備經濟運行時效性差[3]。監測隊伍受技術服務能力、安全條件限制，監測工作呈單點、瞬時、分散的特點，難以滿足節能監測覆蓋率的要求；存在節能監測數據來源分散、格式不統一、數字化油田現有系統能效數據不完整等問題，無法滿足企業能源管控的要求。

二、油田主要耗能設備能效在線監測關鍵技術研究

節能監測是油氣田企業加強能源管控、實施精細管理的重要技術支撐[3]。歐美發達國家先進企業除了生產過程中廣泛采用計算機監測、控制系統（DCS，SCADA）外，能源數據的在線監測、分析和優化系統占有重要的位置。通過現代計算機技術、網絡通信技術和分布式控制技術，建立完善的能耗監測、管理體系，實現能源消耗動態過程的信息化、可視化、可控化，對企業生產過程中能源消耗的結構、過程及要素進行管理、控制和優化，提高能源使用效率。中國石油從“十五”起大力開展數字化建設，實現了生產運行數據自動采集、生產過程自動監控，為油田主要耗能設備能效在線監測信息系統的建設奠定了基礎。GB/T 33653《油田生產系統能耗測試和計算方法》、GB/T 31453《油田生產系統節能監測規范》的發布，為油田企業開展各生產系統和主要耗能設備能效測試和計算提供了技術規范，對油田節能監測和評價起到了重要的技術支撐作用。結合國家《重點用能單位節能管理辦法》及中國石油Q/SY 09004.3《能源管控 第3部分 油氣田技術規范》等規范的相關要求，新疆油田開展了油田主要耗能設備能效在線監測技術研究，提出了建設一套示范性油田主要耗能設備能效在線監測管理系統、實現油田主要耗能設備“全覆蓋、全系統、全天候、實時化節能監測與診斷分析”的技術攻關目標，重點開展了3個方面的技術研究。

（一）油田主要耗能設備生產運行能效數據自動采集、實時分析、及時給出提效建議，用于指導主要耗能設備經濟運行，降低生產成本。以實時監測油田主要耗能設備能效數據，準確掌握能耗設備運行狀況、高效分析用能水平、及時提供運行調整建議、科學制定節能降耗措施、提升油田生產現場管理及智能化水平，最大限度降低能源消耗成本為目的，開展多元數據自動采集傳輸技術、工程數據處理技術、設備能效水平分析診斷技術、設備能效提升技術等研究，研發一套示范性的油田主要耗能設備能效在線監測管理系統，形成一套油田主要耗能設備能效在線監測系統建設關鍵技術。

（二）開展大數據應用技術、物聯網共享技術研究，確定油田主要耗能設備能效在線監測管理系統整體軟件架構，采用實時分析計算新技術，實現系統全覆蓋、全系統、全天候、實時化的數據采集、分析、診斷，運用新技術新知識開發主要耗能設備節能監測與診斷系統，提高節能監測率。首先，通過甄別篩選油田各類統建系統及自建系統等數據源采集到的節能監測數據，確認抽油機、加熱爐、注汽鍋爐、輸油泵和變壓器等油田主要耗能設備節能監測數據源；其次，依據節能監測及能源管控技術規范要求，結合物聯網數據采集、網絡傳輸及數據存儲能力，合理確定數據采集周期，保證數據的合規性；最后，利用標準對照、對標分析、專家判斷等手段，采用要素分析、節點分析、經驗分析等方法，合理評價設備能效水平，科學診斷存在問題，及時提供有效可行的整改建議。

（三）確立采集數據的類型，采用統一的通信方式和通信協議的遠端設備，實現不同協議傳輸的融合，實現采集數據齊全、格式一致，通信協議統一，確保能效計算規范嚴謹化，提高主要耗能設備能效監測技術水平。油田主要耗能設備越多，節能監測數據的體量也就越大，要將設備的運行參數及時接入到節能在線監測管理系統中，就要求系統應具有統一的網絡傳輸、無線通信、數據命名與編碼、數據存儲等規范。為充分應用現有物聯網建設成果，節能在線監測管理系統的建設充分依據了國家發展改革委環資司指導編制的《重點用能單位能耗在線監測系統技術規范》、中國石油Q/SY 10722《油氣生產物聯網系統建設規范》等要求，從而保障了系統的規范、高效開發，為后期資源共享與大數據的應用奠定了基礎。

三、油田主要耗能設備能效在線監測管理系統建設

油田主要耗能設備能效在線監測管理系統建設目標是實現耗能數據的自動化采集，提高能效監測業務的安全性、系統性、連續性，為智能級能源管控系統建設奠定基礎。充分利用新疆油田已建系統中的油田主要能耗設備能效監測數據，形成大數據利用模式，提升數據的及時性和準確性，挖掘數據規律，為更好開展油田設備能耗分析工作提供數據支撐。在數字化油田建設成果的基礎上，遵循實用、經濟、安全的原則，充分利用物聯網管理系統（A11）、油氣水井生產管理系統（A2）等軟硬件資源，進行頂層統一設計、系統統一部署；在開放、可擴展、安全穩定基礎上，兼容系統軟硬件差異，應用分層和組件化結構，滿足不同管理層次的業務需求。

系統在軟件應用開發實現方面，整體采用微服務多層架構設計的云化方案，使各個層次的內部分工更加細致、明確和標準化，以利于軟件開發團隊化實施和合作，利于軟件的擴展和復用，降低軟件維護成本，提高數據的共享和安全性，很好地滿足基礎平臺部件模塊化、協同化、一體化的要求。

（一）總體架構

油田主要耗能設備能效在線監測系統從總體架構上滿足油氣企業生產實時數據采集、傳輸、集成、分析、診斷、預警等關鍵技術需求，在業務應用上為企業提供實時監測、數據統計、指標預警、調整建議、安全管理等服務。在技術體系方面，主要采用油氣生產業務數據集成和處理技術、油氣生產業務數據建模和分析技術、大數據計算技術等。

數據采集部分：用戶可以通過傳感器采集模塊、計量儀表及各類油田業務系統數據接口等方式接入到系統平臺，并通過統一身份認證最終實現系統的信息安全傳遞。

數據中心：包括歷史數據庫、應用數據庫和資源信息庫。歷史數據庫存儲各類油田主要耗能設備能效監測歷史數據，用于數據統計、分析。應用數據庫存儲能效實時數據，用于監測油田主要耗能設備運行情況，提出優化改進建議。資源信息庫存儲應用系統資源，用于系統管理。

基礎服務部分：由網絡安全管理、計算存儲、容災管理、預警管理等各類基礎服務，確保系統的安全穩定運行。

業務中臺部分：通過系統提供的實時監測、數據統計、指標預警、分析診斷等功能模塊，通過可視化的構建方式，快速構建面向前端的業務應用中心，同時還可以連接后臺專業系統，實現整體信息化建設。

信息展示部分：系統通過統一工作臺、報表查詢、統計分析圖等多種方式，實現節能監測的自動更新，保持信息的實時性，避免了人力資源和時間的浪費，更適應信息化管理的要求。

在整個系統平臺的建設中，除了基本的功能構架外，遵循相關政策法規、標準規范，按照公司各項管理制度與業務流程開展能源管控，系統建設管理遵循新疆油田公司系統建設標準，系統的安全管理依托油田公司的統一認證進行專項管理維護，最終保證項目的建設能夠持續穩定地為企業信息化建設提供支撐。

（二）系統功能

油田主要耗能設備能效在線監測系統以實時采集的能耗數據為基礎，能夠綜合顯示油田主要耗能設備運行情況，對各類設備的關鍵能效參數以實時報表、趨勢圖等形式實時監控呈現，可隨時了解各類設備的能源使用狀況，實現各類耗能設備的數據動態監控、能耗統計分析、系統診斷、預警等功能，進行多角度、多樣化能效數據展示和分析，真正達到智能化。主要功能如下：

1.數據采集傳輸：基于已有的物聯網管理系統（A11）、現場SCADA實時監控系統、油氣水井生產管理系統（A2），通過數據質量檢驗保證數據的準確性，及時獲取油田主要能耗設備的能效數據，實現數據的自動加載；針對新增加硬件模塊存儲的數據，能夠正確接收數據并加載入庫，為數據分析提供數據支持；該系統主要對油田主要耗能設備抽油機、鍋爐、加熱爐、泵機組、壓縮機及變壓器等能效數據進行自動采集。

2.診斷預警報警： 能效在線監測管理系統可對油田主要耗能設備設置能耗關鍵參數預警及報警值通過人機界面的設置，實時調整指標。系統通過實時采集數據與參數指標值進行對比分析，對正常范圍之內的參數，繼續實施監控；對于異常的指標，系統自動提示報警，及時彈出越限值報警信息（通過特殊顏色標識），實現關鍵能效參數的實時預警和報警，便于用戶在第一時間發現和處理相應問題，并能直觀展示用戶自選時間段內的被監測設備的能效參數變化情況，通過“大數據”分析技術、周期性預警和自動推送異常信息等手段，強化異常問題處置的及時性，確保能源管控精準可控。

3.提效建議：建立節能監測能效分析專家知識庫，針對主要耗能設備的實時運行參數，通過大數據分析預警、報警實時數據進行診斷分析，發現耗能重點環節和能效管理的薄弱環節，針對能效水平低的環節查找問題，結合技術先進、應用成熟、效果良好的節能技術實踐，提出切實有效的節能改進措施和專家提效建議，指導生產運行部門制定改進措施，提高節能監測結果利用效率。

四、結果分析

油田主要耗能設備能效在線監測管理系統實現了節能監測模式的根本轉變，實現了節能監測全覆蓋、全系統、全天候、實時化，監測現場零用工，降低測試現場安全危險，能夠將能效數據自動采集、實時分析、結果反饋周期控制在 30 分鐘之內，可提高主要耗能設備運行效率 1%～3%，大幅提高能效監測工作效率和覆蓋面，提升結果反饋及運行調整的時效性，滿足節能減排在線管控、能效對標等工作要求，為企業節能降耗、實現可持續發展提供技術支撐。提高了能源管理水平，降低能源消耗，實現了節能增效的目的。

某注汽聯合站對46臺注汽鍋爐開展能效在線監測實施能源管控，依據系統分析結果及優化建議精準施策，半年內開展鍋爐爐管酸洗4臺次，對流段積灰清洗3臺次，燃氣配風比調整46臺次，鍋爐運行熱效率平均提高了0.6個百分點，熱效率評價合格率提升2.83%。根據中國石油天然氣集團公司西北油田監測中心《節能核查報告（報告編號：JNJC-452-2021）》數據顯示，該系統投用后實現年節約天然氣417.5萬方，可節約燃料成本304.8萬元。

五、結語

通過對數據傳感技術、物聯網、大數據、人工智能等技術的集成和優化應用，完善能源計量器具、構建能源物聯網絡，構建油田主要耗能設備能效在線監測系統信息管理平臺。本系統打破了原有油田生產相關系統間“各自為政”“信息孤島”現象，充分利用已有系統中的油田主要能耗設備能效監測數據，形成大數據利用模式，提升數據的及時性和準確性，挖掘數據規律，實現耗能數據的自動化采集、分析，提高能效監測業務的安全性、系統性、連續性，為更好地開展油田設備能耗分析工作提供數據支撐，為智能級能源管控系統建設奠定基礎。《油田主要耗能設備能效在線監測信息系統》的推廣應用可以實現節能監測模式的根本轉變，做到節能監測現場零用工，降低測試現場安全危險。這一技術在各油田有著廣泛的應用前景和良好的經濟效益，有望在各油田推廣應用，助力油田企業降本增效，增強企業競爭力，提高企業信息化水平。

參考文獻

[1]陳由旺，吳浩，朱英如，等.“雙碳”背景下油氣田節能技術發展與展望[J].油氣與新能源，2021，33（5）：8.

[2]黃飛，徐英俊，王學文，等.中國石油的節能實踐[M].北京：石油工業出版社，2018：65.

[3]馬建國，田春雨，周勝利，等.油氣田節能監測能力提升途徑[M].成都：四川大學出版社，2022：191.

作者單位：葛蘇鞍、馬中山，新疆油田公司實驗檢測研究院；葉紅，紅有軟件股份有限公司