海上油田能效管理系统研究及应用①

欧阳俊

(中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300459)

海上油田行业特征明显，主要能源自给自足，同时由于生产的复杂性，导致能源及其消耗比较复杂。长久以来，海上油气田能耗信息处于一种孤岛状态，缺乏一套系统来整合油田群的能效现状以及评估关键耗能设备的能源效率。随着海上油田信息化的发展，能源大数据建设对海上油田的可持续发展来说势在必行，能效综合管理是能源大数据建设的基础。

海上油田能效管理系统基于以太网结构建立集中管理系统，遵循分散采集、集中监视、资源与信息共享的原则，是一个标准的工业互联网系统。系统实现对各油气生产单元地柴油、天然气、淡水等一次能源与油田群电能的发、输、变、配等各环节能效与电能质量进行监测、分析、对标和管理。

海上油田能效管理系统以多维度能耗数据为基础，实现能耗统计、能效对标和设备效能分析等功能，从时间和空间的角度进行多样化能效数据展示和分析。系统功能涉及监测、统计、对标、分析、预警、预测等方面，在满足能效管理系统建设指南的基础上，贴合海上油田的特点。

1 系统的主要技术创新点

海上油田能效管理系统主要依托于海洋石油平台，其信息化建设受限了很多客观原因，为了提高系统建设后的可用性，系统针对以下几个方面进行了技术攻关，使其符合油田能效管理地要求。

1.1 能效分析与对标策略

系统功能涉及能源监测、分析、预警、预测、历史数据统计、对标等方面，提出了能效分析的“三条线”策略，即同比线、环比线和目标线。系统从空间和时间的不同维度，对能源的使用、流向、分布等进行分析展示，各作业单元及耗能设备进行横向对标，同时根据历史数据分析，得到能耗关键点并预测能源消耗，为作业公司能源策略提供可参考依据。

1.2 设备能效分析方法验证

系统以能效分析符合能效分析的专业要求，对油田关心的主要问题进行了方法验证和系统实现，尤其是关键设备能效分析方面，以发电机组的能效分析方法为例。

1.3 符合油田实际地系统搭建原则

系统以油田公司现有资源为基础，搭建一套符合数据资源分布、软硬件最大化利用的能效管理系统，系统架构遵循“Web集中，数据分布式”的原则，在完成系统可用性前提下，极大地提高了系统的建设成本。系统满足从实时OPC数据流、PI实时数据库以及关系型数据库高效抓取数据的能力，能对抓取的数据进行清洗、规整和统计，提高了系统数据访问的效率。同时系统为数据上传提供了支持标准编码的数据接口。

1.4 提升系统能力的软件方法

系统软件基于分布式数据库开发，支持数据库更换、升级时的无缝自动兼容，减少程序升级维护工作量。支持海量数据存储，并通过数据预处理等技术实现海量数据存储下的优秀的数据查询性能。数据库服务器中数据存储不少于5～8年，单监测点月报表数据查询响应时间不超过30s。为了实现能源监测系统的系统功能，满足系统建设的目标，系统采用了目前最先进的Web技术，主要包括：分布式服务RPC框架技术、Nginx负载均衡技术、RabbitMQ消息队列技术、WebSocket多线程并发技术、Quartz定时任务调度技术、Oracle集群和分区技术、Redis缓存、主从复制技术以及基于PI和OPC的Web实时技术等。

2 系统功能介绍

能效管理系统是基于B/S架构的Web系统，在进行系统的开发中，遵循标准化原则，具有集成性、完整性、开放性、可扩展性、可靠性和可维护性的特点，系统针对海上油田特点，提出符合海上油田的数据管理和系统通用接口的实现方法，有效地提高了系统的可用性。能效管理系统实际应用中主要实现了以下功能。

2.1 多维立体化能效数据展示

能效管理系统采用多种先进的Web展示技术，从时间和空间的维度进行整个油气田能效数据的立体化展示，轮播展示油气田群关键能效KPI。通过时间维度切换，统计数据依照时间选择进行更新。基于动态地图的能源分布和能流图，直观展示汇总的能耗及能效参数，并按类进行排序。

表1 发电机能效分析方法

图1 系统架构图

2.2 多维能耗数据统计分析

海上油气田的主要能源包括天然气、柴油、原油、淡水等一次能源和电力、余热等二次能源。能效管理系统在完成能耗数据采集和存储的基础上，进行能耗数据的展示、统计、同比、环比和分解等功能。其中，电能数据包括：有功功率、无功功率、电度等数据；天然气数据包括：天然气消耗和天然气放空数据等；柴油数据包括：柴油储量、柴油输入和柴油消耗等；淡水数据包括：淡水储量、淡水输入和淡水消耗（定员人数）等；时间维度可选择日、周、月、年。能耗数据可按照油田群-作业区块-作业平台-设备进行汇总展示。

2.3 电能质量分析

电能质量指标是衡量用电质量的主要依据，能效管理系统通过专业的电力测量仪表，进行用电侧（400V母线）的电能数据统计和分析，可得到以下结果。

（1）谐波失真率（IEEE和IEC标准）；

（2）三相不平衡度；

（3）电压偏差率；

（4）频率偏差率；

（5）功率因数偏差率。

图2 能效管理系统系统运行效果图

2.4 能效指标分析

能效指标主要用来评价海上油气田能耗及能效现状，能效管理系统通过统计某一时间段内的能耗数据，然后依据相关标准计算能效指标。系统展示能效指标的同比和环比数据，并能与预设目标值进行跟踪对标。能效指标包括（不限于）：

（1）综合能耗、单位产量综合能耗、单位产液综合能耗、单位产量电耗；

（2）碳排放总量、天然气放空量、单位产量碳排放；

（3）发电机单位发电量能耗、发电机单位发电量天然气消耗。

2.5 设备能效分析

设备效率分析是海上油气田能效管理系统的重要功能之一，用户可获取关于关键耗能设备的能耗数据和效能数据，通过选择时间段，可进行设备能效汇总统计。海上油气田主要的耗能设备包括：发电机、变压器、海缆、油井、电潜泵、注水泵、压缩机、外输泵等。

2.6 桶油成本分析

桶油成本分析基于各作业单元的油气当量，可分别计算能耗桶油成本和生产桶油成本。同时实现的功能包括：油气当量历史趋势和各单元油气分布；桶油成本计算及同比、环比对标；基于油气当量、单位产量耗电和单井效率的对标。

2.7 能效综合评价

能效综合评价从节能、排放、产能、效率等几个方面进行生产单元的能效综合评价，用户可以自定义各因素的权重来修正能效评价值。能效评价以用户定义的标准进行能耗和能效的打分，可随时修正，且系统会提供评价结果以供参考，分别就油田群级、生产区块级和平台级进行能效评价。

2.8 能流网络图

将能源的购入（输入）、传输、转化、分配和终端使用等环节进行统计和换算，进而绘制能流网络图，能流网络图能直观反映能源的使用过程和各环节的组成，能够提供能量消耗值、能耗当量值（等价值）、效率、全局百分数等数据信息。

2.9 负荷和能源预测

通过历史数据动态拟合产量和负荷的关系，再结合油藏数据来完成未来10年的负荷预测。然后通过油气田电网各电站运行方式选择，计算各透平发电机的耗气量，完成能源预测。总负荷计算公式为：

其中，a为产液量，b为产气量，c为产油量，d为注水量，M为常规负载，N为冬季负载。

3 系统应用效果

能效管理系统项目的成果实施，提供了具有实时能耗采集、能耗分析、能耗报表的能效管理平台，解决了油田柴油、淡水、天然气和电能的多维度能源缺乏统一有效实时管理的问题，此项目是海油内首套应用，积累了一定的管理及使用经验，以后能为其他海域平台或作业公司的使用提供帮助和支持。油田能效管理系统是在大力倡导节能减排战略的背景下完成的。通过能效管理系统可以实时掌控油田的能源利用率、碳排放以及能耗情况，为后续油田群的节能减排和能源利用方法提供有效可靠的数据支撑，从而极大地提高油田生产的经济效益。

4 结语

能效管理系统借助于油田群能量管理系统（EMS）、中控系统和生产管理系统获取生产过程中的能耗和产能数据，实现了油田群对“电、天然气、原油、淡水、柴油”等能源的集中、动态和数字化管理。并通过对能耗数据进行分析与评价，为制定能源优化调度策略和方案、消除油田群的能耗信息孤岛、进一步提高资源利用、减少能耗、降低生产成本提供信息支持。能效管理系统提供了一套可行的能耗管控解决方案，在海上石油平台类似的应用场合应大力推广。