歐陽俊

(中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459)

海上油田行業(yè)特征明顯，主要能源自給自足，同時(shí)由于生產(chǎn)的復(fù)雜性，導(dǎo)致能源及其消耗比較復(fù)雜。長久以來，海上油氣田能耗信息處于一種孤島狀態(tài)，缺乏一套系統(tǒng)來整合油田群的能效現(xiàn)狀以及評(píng)估關(guān)鍵耗能設(shè)備的能源效率。隨著海上油田信息化的發(fā)展，能源大數(shù)據(jù)建設(shè)對(duì)海上油田的可持續(xù)發(fā)展來說勢(shì)在必行，能效綜合管理是能源大數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)。

海上油田能效管理系統(tǒng)基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立集中管理系統(tǒng)，遵循分散采集、集中監(jiān)視、資源與信息共享的原則，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各油氣生產(chǎn)單元地柴油、天然氣、淡水等一次能源與油田群電能的發(fā)、輸、變、配等各環(huán)節(jié)能效與電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、對(duì)標(biāo)和管理。

海上油田能效管理系統(tǒng)以多維度能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)能耗統(tǒng)計(jì)、能效對(duì)標(biāo)和設(shè)備效能分析等功能，從時(shí)間和空間的角度進(jìn)行多樣化能效數(shù)據(jù)展示和分析。系統(tǒng)功能涉及監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、對(duì)標(biāo)、分析、預(yù)警、預(yù)測(cè)等方面，在滿足能效管理系統(tǒng)建設(shè)指南的基礎(chǔ)上，貼合海上油田的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

海上油田能效管理系統(tǒng)主要依托于海洋石油平臺(tái)，其信息化建設(shè)受限了很多客觀原因，為了提高系統(tǒng)建設(shè)后的可用性，系統(tǒng)針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，使其符合油田能效管理地要求。

1.1 能效分析與對(duì)標(biāo)策略

系統(tǒng)功能涉及能源監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)警、預(yù)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、對(duì)標(biāo)等方面，提出了能效分析的“三條線”策略，即同比線、環(huán)比線和目標(biāo)線。系統(tǒng)從空間和時(shí)間的不同維度，對(duì)能源的使用、流向、分布等進(jìn)行分析展示，各作業(yè)單元及耗能設(shè)備進(jìn)行橫向?qū)?biāo)，同時(shí)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，得到能耗關(guān)鍵點(diǎn)并預(yù)測(cè)能源消耗，為作業(yè)公司能源策略提供可參考依據(jù)。

1.2 設(shè)備能效分析方法驗(yàn)證

系統(tǒng)以能效分析符合能效分析的專業(yè)要求，對(duì)油田關(guān)心的主要問題進(jìn)行了方法驗(yàn)證和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，尤其是關(guān)鍵設(shè)備能效分析方面，以發(fā)電機(jī)組的能效分析方法為例。

1.3 符合油田實(shí)際地系統(tǒng)搭建原則

系統(tǒng)以油田公司現(xiàn)有資源為基礎(chǔ)，搭建一套符合數(shù)據(jù)資源分布、軟硬件最大化利用的能效管理系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)遵循“Web集中，數(shù)據(jù)分布式”的原則，在完成系統(tǒng)可用性前提下，極大地提高了系統(tǒng)的建設(shè)成本。系統(tǒng)滿足從實(shí)時(shí)OPC數(shù)據(jù)流、PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫以及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫高效抓取數(shù)據(jù)的能力，能對(duì)抓取的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、規(guī)整和統(tǒng)計(jì)，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的效率。同時(shí)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)上傳提供了支持標(biāo)準(zhǔn)編碼的數(shù)據(jù)接口。

1.4 提升系統(tǒng)能力的軟件方法

系統(tǒng)軟件基于分布式數(shù)據(jù)庫開發(fā)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫更換、升級(jí)時(shí)的無縫自動(dòng)兼容，減少程序升級(jí)維護(hù)工作量。支持海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過數(shù)據(jù)預(yù)處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下的優(yōu)秀的數(shù)據(jù)查詢性能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不少于5～8年，單監(jiān)測(cè)點(diǎn)月報(bào)表數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時(shí)間不超過30s。為了實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，滿足系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)，系統(tǒng)采用了目前最先進(jìn)的Web技術(shù)，主要包括：分布式服務(wù)RPC框架技術(shù)、Nginx負(fù)載均衡技術(shù)、RabbitMQ消息隊(duì)列技術(shù)、WebSocket多線程并發(fā)技術(shù)、Quartz定時(shí)任務(wù)調(diào)度技術(shù)、Oracle集群和分區(qū)技術(shù)、Redis緩存、主從復(fù)制技術(shù)以及基于PI和OPC的Web實(shí)時(shí)技術(shù)等。

2 系統(tǒng)功能介紹

能效管理系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的Web系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)中，遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則，具有集成性、完整性、開放性、可擴(kuò)展性、可靠性和可維護(hù)性的特點(diǎn)，系統(tǒng)針對(duì)海上油田特點(diǎn)，提出符合海上油田的數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)通用接口的實(shí)現(xiàn)方法，有效地提高了系統(tǒng)的可用性。能效管理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中主要實(shí)現(xiàn)了以下功能。

2.1 多維立體化能效數(shù)據(jù)展示

能效管理系統(tǒng)采用多種先進(jìn)的Web展示技術(shù)，從時(shí)間和空間的維度進(jìn)行整個(gè)油氣田能效數(shù)據(jù)的立體化展示，輪播展示油氣田群關(guān)鍵能效KPI。通過時(shí)間維度切換，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)依照時(shí)間選擇進(jìn)行更新。基于動(dòng)態(tài)地圖的能源分布和能流圖，直觀展示匯總的能耗及能效參數(shù)，并按類進(jìn)行排序。

表1 發(fā)電機(jī)能效分析方法

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 多維能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

海上油氣田的主要能源包括天然氣、柴油、原油、淡水等一次能源和電力、余熱等二次能源。能效管理系統(tǒng)在完成能耗數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的展示、統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比和分解等功能。其中，電能數(shù)據(jù)包括：有功功率、無功功率、電度等數(shù)據(jù)；天然氣數(shù)據(jù)包括：天然氣消耗和天然氣放空數(shù)據(jù)等；柴油數(shù)據(jù)包括：柴油儲(chǔ)量、柴油輸入和柴油消耗等；淡水?dāng)?shù)據(jù)包括：淡水儲(chǔ)量、淡水輸入和淡水消耗（定員人數(shù)）等；時(shí)間維度可選擇日、周、月、年。能耗數(shù)據(jù)可按照油田群-作業(yè)區(qū)塊-作業(yè)平臺(tái)-設(shè)備進(jìn)行匯總展示。

2.3 電能質(zhì)量分析

電能質(zhì)量指標(biāo)是衡量用電質(zhì)量的主要依據(jù)，能效管理系統(tǒng)通過專業(yè)的電力測(cè)量儀表，進(jìn)行用電側(cè)（400V母線）的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，可得到以下結(jié)果。

（1）諧波失真率（IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)）；

（2）三相不平衡度；

（3）電壓偏差率；

（4）頻率偏差率；

（5）功率因數(shù)偏差率。

圖2 能效管理系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

2.4 能效指標(biāo)分析

能效指標(biāo)主要用來評(píng)價(jià)海上油氣田能耗及能效現(xiàn)狀，能效管理系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)，然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算能效指標(biāo)。系統(tǒng)展示能效指標(biāo)的同比和環(huán)比數(shù)據(jù)，并能與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行跟蹤對(duì)標(biāo)。能效指標(biāo)包括（不限于）：

（1）綜合能耗、單位產(chǎn)量綜合能耗、單位產(chǎn)液綜合能耗、單位產(chǎn)量電耗；

（2）碳排放總量、天然氣放空量、單位產(chǎn)量碳排放；

（3）發(fā)電機(jī)單位發(fā)電量能耗、發(fā)電機(jī)單位發(fā)電量天然氣消耗。

2.5 設(shè)備能效分析

設(shè)備效率分析是海上油氣田能效管理系統(tǒng)的重要功能之一，用戶可獲取關(guān)于關(guān)鍵耗能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和效能數(shù)據(jù)，通過選擇時(shí)間段，可進(jìn)行設(shè)備能效匯總統(tǒng)計(jì)。海上油氣田主要的耗能設(shè)備包括：發(fā)電機(jī)、變壓器、海纜、油井、電潛泵、注水泵、壓縮機(jī)、外輸泵等。

2.6 桶油成本分析

桶油成本分析基于各作業(yè)單元的油氣當(dāng)量，可分別計(jì)算能耗桶油成本和生產(chǎn)桶油成本。同時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能包括：油氣當(dāng)量歷史趨勢(shì)和各單元油氣分布；桶油成本計(jì)算及同比、環(huán)比對(duì)標(biāo)；基于油氣當(dāng)量、單位產(chǎn)量耗電和單井效率的對(duì)標(biāo)。

2.7 能效綜合評(píng)價(jià)

能效綜合評(píng)價(jià)從節(jié)能、排放、產(chǎn)能、效率等幾個(gè)方面進(jìn)行生產(chǎn)單元的能效綜合評(píng)價(jià)，用戶可以自定義各因素的權(quán)重來修正能效評(píng)價(jià)值。能效評(píng)價(jià)以用戶定義的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行能耗和能效的打分，可隨時(shí)修正，且系統(tǒng)會(huì)提供評(píng)價(jià)結(jié)果以供參考，分別就油田群級(jí)、生產(chǎn)區(qū)塊級(jí)和平臺(tái)級(jí)進(jìn)行能效評(píng)價(jià)。

2.8 能流網(wǎng)絡(luò)圖

將能源的購入（輸入）、傳輸、轉(zhuǎn)化、分配和終端使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和換算，進(jìn)而繪制能流網(wǎng)絡(luò)圖，能流網(wǎng)絡(luò)圖能直觀反映能源的使用過程和各環(huán)節(jié)的組成，能夠提供能量消耗值、能耗當(dāng)量值（等價(jià)值）、效率、全局百分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)信息。

2.9 負(fù)荷和能源預(yù)測(cè)

通過歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)擬合產(chǎn)量和負(fù)荷的關(guān)系，再結(jié)合油藏?cái)?shù)據(jù)來完成未來10年的負(fù)荷預(yù)測(cè)。然后通過油氣田電網(wǎng)各電站運(yùn)行方式選擇，計(jì)算各透平發(fā)電機(jī)的耗氣量，完成能源預(yù)測(cè)。總負(fù)荷計(jì)算公式為：

其中，a為產(chǎn)液量，b為產(chǎn)氣量，c為產(chǎn)油量，d為注水量，M為常規(guī)負(fù)載，N為冬季負(fù)載。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

能效管理系統(tǒng)項(xiàng)目的成果實(shí)施，提供了具有實(shí)時(shí)能耗采集、能耗分析、能耗報(bào)表的能效管理平臺(tái)，解決了油田柴油、淡水、天然氣和電能的多維度能源缺乏統(tǒng)一有效實(shí)時(shí)管理的問題，此項(xiàng)目是海油內(nèi)首套應(yīng)用，積累了一定的管理及使用經(jīng)驗(yàn)，以后能為其他海域平臺(tái)或作業(yè)公司的使用提供幫助和支持。油田能效管理系統(tǒng)是在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排戰(zhàn)略的背景下完成的。通過能效管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌控油田的能源利用率、碳排放以及能耗情況，為后續(xù)油田群的節(jié)能減排和能源利用方法提供有效可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而極大地提高油田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

能效管理系統(tǒng)借助于油田群能量管理系統(tǒng)（EMS）、中控系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取生產(chǎn)過程中的能耗和產(chǎn)能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了油田群對(duì)“電、天然氣、原油、淡水、柴油”等能源的集中、動(dòng)態(tài)和數(shù)字化管理。并通過對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為制定能源優(yōu)化調(diào)度策略和方案、消除油田群的能耗信息孤島、進(jìn)一步提高資源利用、減少能耗、降低生產(chǎn)成本提供信息支持。能效管理系統(tǒng)提供了一套可行的能耗管控解決方案，在海上石油平臺(tái)類似的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)大力推廣。