劉長富

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

石油加工業(yè)是六大高耗能行業(yè)之一，是 CO2的主要排放源[1]。圍繞中國碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，中國海油作為石油加工行業(yè)的重要企業(yè)之一，承載著節(jié)能降碳的重要任務(wù)。近幾年，中國海油通過加速能源轉(zhuǎn)型、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動低碳轉(zhuǎn)型等舉措努力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，取得了一些成效。

對于減少二氧化碳的排放，一方面，可以開發(fā)與利用成本更低、更靈活的風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，采用清潔能源替代；另一方面，對于高耗能行業(yè)碳排放增加的因素，通過積極推動設(shè)備高耗能問題治理，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[2]。

海洋石油平臺碳排放是中國海油需要解決的重要問題之一，海洋石油平臺因其自身所處環(huán)境特點，發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等各個環(huán)節(jié)都在油田群內(nèi)部完成。目前設(shè)備老舊是海洋石油平臺電力設(shè)備的主要特點，設(shè)備老舊帶來的能耗高，制約了海洋石油平臺碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。解決這些問題，需要加強(qiáng)對碳排放過程的監(jiān)控，找到高能耗的源頭，實施節(jié)能管理和技術(shù)改造，進(jìn)而降低二氧化碳的排放。

1 海洋石油平臺碳排放現(xiàn)狀

海上石油平臺碳排放來源于原油、天然氣等介質(zhì)的消耗。油田所消耗的一次能源包括柴油、天然氣和水，油田用電由位于終端或部分海上平臺電站的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組直接利用開采的天然氣發(fā)電，而水和柴油等資源直接由陸地運(yùn)往海上油田。

海洋石油平臺一直以來都缺少一套有效的評估手段來評估油田的能效現(xiàn)狀。一方面，落后產(chǎn)能電氣設(shè)備的確定，除了根據(jù)國家下發(fā)的淘汰設(shè)備清單外，僅能靠運(yùn)維人員日常判斷來確定，并根據(jù)年度維修改造計劃逐步進(jìn)行升級或淘汰，缺乏工作精準(zhǔn)度；另一方面，運(yùn)維人員不能根據(jù)設(shè)備的能耗特點科學(xué)有效地確定設(shè)備出力，致使電氣設(shè)備運(yùn)行在非最佳能效比狀態(tài)，能源利用率不足。

為了有效實現(xiàn)海洋石油平臺節(jié)能減排，必須對油田能效和碳排放進(jìn)行科學(xué)分析評估，必須經(jīng)過真實數(shù)據(jù)的采集、科學(xué)精準(zhǔn)的計算、詳細(xì)的分析判斷得出大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供管理和部署的科學(xué)依據(jù)[3]，進(jìn)而經(jīng)過研究，引入新技術(shù)、新應(yīng)用，探索開發(fā)海洋石油平臺的能效管控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)概述

海洋石油平臺能效管控系統(tǒng)采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式建立，進(jìn)行各類信息的采集和共享，實現(xiàn)了對整個油田群柴油、天然氣、原油等一次能源，以及油田群電能等二次能源的監(jiān)控和信息整合，通過大數(shù)據(jù)分析提供管理決策參考。

能效管控系統(tǒng)包括現(xiàn)場測控層、網(wǎng)絡(luò)通信層、系統(tǒng)管控層，系統(tǒng)架構(gòu)(以錦州 9-3油田群能效管控系統(tǒng)為例)如圖1所示。

圖1 單個油田群能效管控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of energy efficiency management and control system for a single oilfield group

當(dāng)前海洋石油平臺能效管控系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)了監(jiān)視關(guān)鍵設(shè)備能耗狀態(tài)、實時掌握系統(tǒng)能耗情況、能耗分解和能耗數(shù)據(jù)分?jǐn)偂⑻峁┠茉葱畔⒑蜑檫M(jìn)一步實施節(jié)能減排提供數(shù)據(jù)支撐等目標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、能效管理系統(tǒng)軟件3部分組成：數(shù)據(jù)采集層通過PCS(規(guī)程控制)系統(tǒng)和PMS(設(shè)備OPC管理)系統(tǒng)的OPC通道將主要能耗數(shù)據(jù)接入能耗在線系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用 RS-485總線、光纖、電話網(wǎng)絡(luò)、電力線載波、無線電等多種方式數(shù)據(jù)流；能效管理系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)采集、校驗、處理、分析等任務(wù)，并將現(xiàn)場運(yùn)行的能耗數(shù)據(jù)等信息傳送給運(yùn)維管理人員。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程Fig.2 Data acquisition process

能效管控系統(tǒng)能效參數(shù)指標(biāo)為體現(xiàn)海洋石油平臺主要系統(tǒng)或裝置能效水平的典型指標(biāo)，包括能效監(jiān)測參數(shù)和能效評價參數(shù)，對能耗監(jiān)測能源品種進(jìn)行分類及滿足數(shù)值精度要求。能耗參數(shù)監(jiān)測項目包括輸入輸出能源總量、用能單元使用的能源及載能工質(zhì)、自產(chǎn)能源、低位發(fā)熱值等。具體能效監(jiān)測參數(shù)和能效評價參數(shù)如表1所示。

表1 能耗監(jiān)測及能耗評價主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of energy consumption monitoring and evaluation

續(xù)表1

2.2.2 數(shù)據(jù)采集方式

通過與油田群現(xiàn)場智能儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等進(jìn)行對接，將海洋石油平臺的能耗數(shù)據(jù)采集到能耗監(jiān)測端設(shè)備，數(shù)據(jù)采集器可對電能表、水表、燃?xì)獗淼饶茉幢O(jiān)控的智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸至能耗系統(tǒng)平臺。

海洋石油平臺能效管控系統(tǒng)可實時采集質(zhì)量、溫度、壓力、流量等生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)并加工處理，可進(jìn)行指標(biāo)計算或驗證。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，能耗監(jiān)測系統(tǒng)與外部GPS時鐘源的時鐘同步。

生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集可從油田群生產(chǎn)系統(tǒng)的Oracle數(shù)據(jù)庫中獲取，包括石油、天然氣、淡水、柴油等能源的產(chǎn)出和消耗情況。電力相關(guān)的數(shù)據(jù)采集從電網(wǎng) EMS系統(tǒng)中讀取，為了不影響 EMS上位機(jī)的性能，能管系統(tǒng)提供了一臺歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)的讀取和存儲，數(shù)據(jù)存儲模塊采用 FactoryTalk SE6.1進(jìn)行開發(fā)，然后利用 Datalog模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時存儲，如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲過程Fig.3 Grid data storage procedure

2.3 能效評估算法

根據(jù)能耗在線監(jiān)測指南提出的所需監(jiān)測的能耗參數(shù)及能效參數(shù)，可結(jié)合重點監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備的布置情況提出設(shè)施的能效計算模型或算法。能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)在實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上實現(xiàn)對各種能源生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)的動態(tài)實時監(jiān)測。

2.3.1 發(fā)電機(jī)的能效評估

發(fā)電機(jī)效率＝發(fā)電量折算標(biāo)準(zhǔn)煤÷(天然氣折算標(biāo)準(zhǔn)煤÷發(fā)電機(jī)數(shù)目)，發(fā)電機(jī)效率＝3600kJ/kW·h÷(ge×38931kJ/m3÷發(fā)電機(jī)數(shù)目)，其中 ge＝燃?xì)庀牧?m3)/發(fā)電量(kW·h)，發(fā)電量折標(biāo)系數(shù)(當(dāng)量值)為0.1229kgce/kW·h。

2.3.2 變壓器的能效評估

變壓器效率＝(傳輸總電能-損耗電能)÷傳輸總電能＝輸出有功(不同應(yīng)用類型變壓器計算有功所需要的功率因數(shù)見表2)÷(輸出有功+損耗電能)。

表2 變壓器功率因數(shù)指標(biāo)Tab.2 Power factor index of transformer

2.3.3 節(jié)能監(jiān)測相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

①綜合能耗的計算：E＝∑(e×P)，其中 e為實際消耗的能源實物量，P為能源的折算系數(shù)。綜合能耗中的各個能源數(shù)據(jù)需統(tǒng)一折算到一次能源進(jìn)行計算。

②監(jiān)測儀器、儀表應(yīng)在檢定周期內(nèi)，準(zhǔn)確度滿足以下要求：流量表不低于1.5級，壓力表不低于0.5級。泵揚(yáng)程≥100m 時，溫度差測試誤差≤0.005℃；泵揚(yáng)程＜100m 時，溫度差測試誤差≤0.002℃，交流功率表高于或等于1.0級，電流、電壓表高于或等于0.5級，溫度表高于或等于1.5級。

③折標(biāo)煤標(biāo)準(zhǔn)參考系數(shù)：1kgce(標(biāo)準(zhǔn)煤)＝29307kJ，其中原油為 1.4286kgce/kg，柴油為1.457kgce/kg，熱力(當(dāng)量值)為 0.03412kgce/MJ，電力(當(dāng)量值)為0.1229kgce/(kW·h)。

④節(jié)能限定值為在標(biāo)準(zhǔn)定試條件下，用能設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行時所允許的最低保證值，簡稱限定值。節(jié)能評價值為在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試條件下，用能設(shè)備或系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的最低保證值，簡稱節(jié)能評價值。其中機(jī)組平均負(fù)載率(限定值)為 50%，變壓器功率因數(shù)(35、10.5、6.3kV 主變，限定值)≥0.80。

2.4 系統(tǒng)功能

2.4.1 能源消耗過程的信息化和可視化

能效管控系統(tǒng)實現(xiàn)了對海洋石油平臺的各項能耗動態(tài)信息的監(jiān)測，為了提高辨識度，系統(tǒng)探索過程中選擇將能耗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行綁定?；诖耍F(xiàn)場運(yùn)維管理人員可實現(xiàn)對生產(chǎn)流程和關(guān)鍵設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和把握，以便于通過操作區(qū)分不同生產(chǎn)狀態(tài)下的能耗變化情況。

2.4.2 能耗/能效信息統(tǒng)計管理

為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)的閱讀和存檔，以及能效管控系統(tǒng)在探索過程中可自動生成報表數(shù)據(jù)等功能，要求：一方面，系統(tǒng)按照時間維度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析；另一方面，系統(tǒng)按照油田群、單一平臺、關(guān)鍵設(shè)備等不同層次進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

2.4.3 歷史能耗數(shù)據(jù)對比分析

基于系統(tǒng)自動生產(chǎn)報表功能，現(xiàn)場運(yùn)維管理人員可以查閱任意時間段、任意關(guān)鍵設(shè)備的能耗曲線，方便進(jìn)行不同時間維度、不同生產(chǎn)狀況下的能耗對比，以及為進(jìn)一步調(diào)整運(yùn)維策略提供依據(jù)。

2.4.4 電能質(zhì)量及諧波監(jiān)測分析

海上油田群電能質(zhì)量監(jiān)測的傳統(tǒng)方式是通過安裝專有諧波監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，一方面投入成本較大，另一方面配電盤柜安裝的空間有限，額外增添設(shè)備提高了故障風(fēng)險。相比于傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測，能效管控系統(tǒng)在探索建立過程中努力實現(xiàn)對電能質(zhì)量和諧波分量的實時監(jiān)測，通過系統(tǒng)算法運(yùn)算，諧波分量采用動態(tài)圖形的方式呈現(xiàn)，為現(xiàn)場運(yùn)維管理人員提供可視化的電能質(zhì)量監(jiān)控，以便于分析和措施研究。

2.4.5 多維立體能效數(shù)據(jù)展示

能效管理系統(tǒng)在探索應(yīng)用過程中，致力于將無形的數(shù)據(jù)信息變成可視化可感受的信息呈現(xiàn)，從時間維度、空間維度、歷史維度等各個層面實現(xiàn)對油田能耗數(shù)據(jù)的展示。展示界面如圖4所示。

圖4 多維度數(shù)據(jù)展示Fig.4 Multi dimensional data display

2.4.6 能耗數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

能效管控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控發(fā)電機(jī)組、水泵機(jī)組、壓縮機(jī)組、變壓器等關(guān)鍵能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如功率、壓力、流量等，電耗實時監(jiān)測如圖5所示。通過建立相關(guān)設(shè)備模型，分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和能耗，并生成負(fù)荷曲線、運(yùn)行效率圖、能效指數(shù)圖。

圖5 電耗實時監(jiān)測Fig.5 Real time monitoring of power consumption

2.4.7 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

系統(tǒng)能夠顯示能源消費(fèi)總量統(tǒng)計、分類能源消費(fèi)統(tǒng)計、分項能源消費(fèi)統(tǒng)計與比較、月度能源消費(fèi)變化等能源消費(fèi)統(tǒng)計與比較情況，可實現(xiàn)電能質(zhì)量、設(shè)備能耗及效率監(jiān)測、油氣田能效分析、能耗對比分析、能耗歸因分析、能量平衡與損耗統(tǒng)計分析、能源報告管理、能源消耗指數(shù)管理、能耗指數(shù)分解、能效指標(biāo)考核和碳排放統(tǒng)計分析等多種功能。

3 結(jié) 論

為實現(xiàn)對整個油田群節(jié)能減排數(shù)據(jù)的監(jiān)控和治理，探索和開發(fā)出適用于海洋石油平臺特點的能效管控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)油田群能耗數(shù)據(jù)的收集、整合和分析，以可視化的界面呈現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備的能耗情況，為油田群現(xiàn)場運(yùn)維管理人員科學(xué)調(diào)整生產(chǎn)模式和設(shè)備維修更換計劃提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，有效推動了海上油田節(jié)能減排工作的深度和廣度，極大助力了海洋石油平臺碳中和目標(biāo)的完成。