海上油氣田能耗在線監測系統的設計與探討

付勃昌，李 季，鄧 銳，王 飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

為積極響應國家節能減排政策要求，中國海洋石油集團有限公司要求新建項目要建設能耗在線監測系統，已有項目要逐漸完善，并于2018 年發布了《海上油氣田能耗在線監測系統建設指南》。基于上述要求，同時為了建設一套適合海上油氣田的能耗在線監測系統，需要做到以下三點：一要深刻理解建設能耗在線監測系統的目的和意義；二要結合海上油氣田自身生產狀況，掌握能耗監測的切實需求；三要考慮海上油氣田未來智能化發展的需求。陸豐油田能耗在線監測系統是按照“整體規劃、資源整合、安全適用”的原則進行設計和統籌的，滿足當前海上油氣田的生產狀況和上級單位對能源管控的相關要求，其系統設計包括計量儀表配備、數據采集與傳輸、系統架構與安全，以及系統功能這幾個部分。

1 計量儀表配備

目前，海上油田能源計量的一級計量儀表較為完善，二級計量儀表配備率有一定缺失，三級計量（設備級）儀表較少，難以對單臺設備能耗及能效進行監測。陸豐油田按照《海上油氣田能耗在線監測系統建設指南》中對能耗/能效參數監測范圍的要求，在常規工藝流程圖的基礎上，合理選取監測點，完善計量儀表。其中，對于可以通過其它計量數據間接獲得的能耗/能效數據，對其計量儀表也進行了合理取舍。能耗在線監測系統的建設，除了考慮能源總消耗量外，為了深入挖掘節能點，還需進一步完善大型設備的計量條件，做到設備的能耗和運行效率在線監測。陸豐油田重點監測設備/系統在線監測計量儀表配備要求見表1。

表1 陸豐油田重點監測設備/系統在線監測計量儀表配備要求[1]Table 1 Requirements for online monitoring and measuring instruments of key monitoring equipment/system in Lufeng oilfield[1]

2 數據采集與傳輸

2.1 在線直接采集

在線直接采集應充分考慮能耗在線監測系統和現有設備/系統的整合，從不同渠道獲取能耗/能效數據。目前，海上油氣田主要有兩大監控系統：DCS 和PMS 系統，分別負責生產和電源的監測與控制。通過完善計量儀表的配備，增加DCS 和PMS 系統對能耗/能效數據的采集，間接地將數據傳輸至能耗在線監測系統和上級單位如圖1 所示[2]。

為保障系統間無縫連接、數據快速傳輸，需合理選擇數據采集與傳輸協議。對比當前海上油氣田現狀，圖1 所示的數據采集與傳輸流程，在DCS 和PMS 系統以下，其數據傳輸鏈路沒有改變，且傳輸協議仍以常規的4mA～20mA 模擬量信號和Modbus 通訊為主，不但降低了底層能耗數據采集的成本投入，而且使得底層能耗數據傳輸建立在了可靠且應用廣泛的通訊鏈路基礎之上。而DCS和PMS 系統以上的系統間通訊，選擇了OPC 協議。OPC協議可以為工業控制領域提供標準的數據訪問機制，具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的幾大優勢。目前，OPC 協議已經成為工業控制領域內大多數設備/系統的標準配置，通過采用OPC 協議，不僅使能耗在線監測系統網絡上的任何客戶端可以與不同系統的服務器連接，形成統一的接口標準和即插即用的互操作性，而且還能夠讓任何基于OPC 標準的第三方設備/系統無縫接入平臺現有網絡上的所有系統實現數據通訊，為海上油氣田數字化、智能化發展需求提供了便利接口。

圖1 陸豐油田能耗/能效數據采集與傳輸流程圖Fig.1 Flow chart of energy consumption/ energy efficiency data acquisition and transmission in Lufeng Oilfield

2.2 人工填報

部分能源品種能耗量、產品產量、部分能效指標等無法通過在線直接采集方式獲得的企業，應通過人工填報的方式，由相關人員直接向系統平臺填報數據[1]。比如在計算燃氣透平/原油發電機組效率時，就需要定期進行燃料的組分測量，人工輸入熱值，結合燃料消耗和發電量計算獲得機組效率。

3 系統架構與安全

海上油氣田通常以平臺群的形式存在，每個平臺在平臺群所擔當的角色以及它們之間的通訊關系將影響整個平臺群系統架構的設計。因此，必須從整體考慮其系統架構的適用性和安全性。

1）陸豐油田新建平臺包括一座中心平臺（可通過衛星對地通訊）和一座井口平臺，兩個平臺通過海底光纜通訊。未簡化系統流程，由中心平臺集中管理兩個平臺的能耗/能效數據，并統一傳輸至上級單位。陸豐油田能耗在線監測系統網絡架構如圖2 所示。

①在井口平臺部署智能儀表采集設備、網路交換機、工作站。智能儀表負責數據采集，經過DCS 系統和PMS 系統將數據傳輸至中心平臺的能源管理服務器。運行人員通過工作站進行系統的訪問和應用。

② 中心平臺比井口平臺多部署一套服務器，集中管理兩個平臺的數據，并提供應用訪問。

③上級單位與中心平臺部署的硬件基本相同，但同時會接入多個其它油田群的中心平臺的數據進行展示分析。

2）在建設能耗在線監測系統之前，海上油氣田的信息網絡比較封閉，基本處于“信息孤島”的狀態，而能耗在線監測系統的建設改變了這種局面。由于能耗/能效數據最終被傳輸至上級單位，這就使得平臺上的DCS 和PMS 系統網絡間接地與陸地辦公網絡連接在一起，增加了受到網絡攻擊而導致停產事故的風險。為此，該系統網絡架構的設計按照網絡安全等級保護2.0（等保2.0）的要求，引入了安全區域邊界的設計思路。如圖2 所示，在DCS 和PMS兩大關鍵系統的數據出口以及平臺與陸地通訊數據出口分別設置了界面防火墻和IT 防火墻，對關鍵系統實施網絡安全隔離，為網絡上的關鍵系統提供了多重防護。通過增加符合等保2.0 要求的網絡安全硬件以及不斷完善網絡安全機制和黑白名單，該系統可以做到整體防御、分區隔離；積極防護、內外兼防；自身防御、主動免疫；縱深防御、技管并重。

圖2 陸豐油田能耗在線監測系統架構Fig.2 Energy consumption online monitoring system architecture of Lufeng Oilfield

4 系統功能

4.1 設計思路

1）鑒于該系統為海上平臺首次應用，且平臺上能耗/能效數據獲取較難、生產工藝單一及安全需求等特點，海上油氣田能耗在線監測系統的主要功能以能源數據的監測和自動統計為主，但要輔以能耗的深入分析功能，如能耗數據異常管理、設備效率異常監控、能源指標跟蹤、能源績效評估等。這些功能為能源管理工作提供指導建議，提升系統的有效性和及時性。

2）系統功能應該針對不同層級的崗位進行角色劃分，改變現階段能源管理以統計和上報數據為主的模式。

①現場：需要實現能源數據的實時監測和能耗異常管理。

② 陸地：實現能源計劃（定額）管理、能源指標跟蹤、能源統計分析等；實現能源效率監測、能源實績管理、能源績效評估和考核等功能。

3）結合能源管理體系，體現全員參與，實現能源精細化管理的目標。

4.2 陸豐油田能耗在線監測系統功能設計

陸豐油田能耗在線監測系統以多維度能耗數據為基礎，主要實現能耗統計、能效對標和設備效能分析等功能，從時間和空間的角度進行多樣化能效數據展示和分析。系統功能涉及監測、統計、對標、分析、預警、預測等方面，在滿足能效管理系統建設指南的基礎上，盡可能地貼合海上油氣田的特點。主要功能如下：

1）采用多種先進的Web 展示技術，從時間和空間的維度進行整個油氣田能效數據的立體化展示。

2）可進行能耗數據的展示、統計、同比、環比和分解等功能，實現能耗數據的統計和分析。

3）通過統計某一時間段內的能耗數據，然后依據相關標準計算能效指標。系統展示能效指標的同比和環比數據，并能與預設目標值進行跟蹤對標。

4）從節能、排放、產能、效率等幾個方面進行生產單元的能效綜合評價，用戶可以自定義各因素的權重來修正能效評價值。

5）根據作業公司—作業區塊—平臺—關鍵耗能設備進行能效數據（能耗數據）的樹形分解，可以很直觀地發現能耗問題，并將查詢結果導出。

6）用戶可獲取關于關鍵耗能設備的能耗數據和效能數據，通過選擇時間段，可進行設備能效匯總統計。

7）基于各作業單元的油氣當量，可分別計算能耗桶油成本和生產桶油成本。

8）通過專業的電力測量儀表，進行用電側（400V 母線）的電能數據統計和分析。

9）通過歷史數據動態擬合產量和負荷的關系，再結合油藏數據來完成未來10 年的負荷預測。

10）將能源的輸入、傳輸、轉化、分配和終端使用等環節進行統計和換算，進而繪制能流網絡圖。

11）通過日歷形式直觀展示所選區域的能耗情況，越限值會有特殊顏色標識，用戶能第一時間發現能耗點。

12）能耗報表以時間、位置、指標為基本統計維度，用戶查詢報表后，可以進行報表的導入和保存。

5 結束語

現階段海上油氣田能耗在線監測系統還是以能耗的監測統計為主，用以滿足企業自身和政府的用能監管要求。要想實現系統對生產工藝、設備運行等的優化作用，還需通過長期的實踐應用推動其不斷發展。相信未來的能耗在線監測系統將以能源管控為切入點，有效監控，及時發現能源系統故障，提升企業能源系統安全穩定運行水平；提升能源數據的使用水平，建立能源系統對生產工藝系統的有效支撐；利用先進的數據預測技術和控制優化技術，實現對能源系統的先進控制[3]。