碳中和目標下海洋石油平臺能效管控系統的開發和應用

劉長富

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

石油加工業是六大高耗能行業之一，是 CO2的主要排放源[1]。圍繞中國碳中和目標的實現，中國海油作為石油加工行業的重要企業之一，承載著節能降碳的重要任務。近幾年，中國海油通過加速能源轉型、優化產業結構、推動低碳轉型等舉措努力實現“雙碳”目標，取得了一些成效。

對于減少二氧化碳的排放，一方面，可以開發與利用成本更低、更靈活的風能、太陽能、生物質能等可再生能源，采用清潔能源替代；另一方面，對于高耗能行業碳排放增加的因素，通過積極推動設備高耗能問題治理，以實現節能減排的目的[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境特點，發電、輸電、變電、配電、用電等各個環節都在油田群內部完成。目前設備老舊是海洋石油平臺電力設備的主要特點，設備老舊帶來的能耗高，制約了海洋石油平臺碳達峰、碳中和目標的實現。解決這些問題，需要加強對碳排放過程的監控，找到高能耗的源頭，實施節能管理和技術改造，進而降低二氧化碳的排放。

1 海洋石油平臺碳排放現狀

海上石油平臺碳排放來源于原油、天然氣等介質的消耗。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氣發電機組直接利用開采的天然氣發電，而水和柴油等資源直接由陸地運往海上油田。

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狀。一方面，落后產能電氣設備的確定，除了根據國家下發的淘汰設備清單外，僅能靠運維人員日常判斷來確定，并根據年度維修改造計劃逐步進行升級或淘汰，缺乏工作精準度；另一方面，運維人員不能根據設備的能耗特點科學有效地確定設備出力，致使電氣設備運行在非最佳能效比狀態，能源利用率不足。

為了有效實現海洋石油平臺節能減排，必須對油田能效和碳排放進行科學分析評估，必須經過真實數據的采集、科學精準的計算、詳細的分析判斷得出大數據分析結果，提供管理和部署的科學依據[3]，進而經過研究，引入新技術、新應用，探索開發海洋石油平臺的能效管控系統。

2 系統的開發與應用

2.1 系統概述

海洋石油平臺能效管控系統采用局域網結構方式建立，進行各類信息的采集和共享，實現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控和信息整合，通過大數據分析提供管理決策參考。

能效管控系統包括現場測控層、網絡通信層、系統管控層，系統架構(以錦州 9-3油田群能效管控系統為例)如圖1所示。

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

當前海洋石油平臺能效管控系統建設實現了監視關鍵設備能耗狀態、實時掌握系統能耗情況、能耗分解和能耗數據分攤、提供能源信息和為進一步實施節能減排提供數據支撐等目標。

2.2 數據采集

2.2.1 系統構架

系統由數據采集層、數據傳輸網絡、能效管理系統軟件3部分組成：數據采集層通過PCS(規程控制)系統和PMS(設備OPC管理)系統的OPC通道將主要能耗數據接入能耗在線系統中，數據采集流程如圖2所示；數據傳輸網絡采用 RS-485總線、光纖、電話網絡、電力線載波、無線電等多種方式數據流；能效管理系統軟件完成數據采集、校驗、處理、分析等任務，并將現場運行的能耗數據等信息傳送給運維管理人員。

圖2 數據采集流程Fig.2 Data acquisition process

能效管控系統能效參數指標為體現海洋石油平臺主要系統或裝置能效水平的典型指標，包括能效監測參數和能效評價參數，對能耗監測能源品種進行分類及滿足數值精度要求。能耗參數監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、自產能源、低位發熱值等。具體能效監測參數和能效評價參數如表1所示。

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

續表1

2.2.2 數據采集方式

通過與油田群現場智能儀表、工業控制系統、生產管理系統、管理信息系統等進行對接，將海洋石油平臺的能耗數據采集到能耗監測端設備，數據采集器可對電能表、水表、燃氣表等能源監控的智能儀表進行數據采集，并將數據通過有線或無線方式傳輸至能耗系統平臺。

海洋石油平臺能效管控系統可實時采集質量、溫度、壓力、流量等生產過程數據并加工處理，可進行指標計算或驗證。為了保證數據的完整性和有效性，能耗監測系統與外部GPS時鐘源的時鐘同步。

生產相關的數據采集可從油田群生產系統的Oracle數據庫中獲取，包括石油、天然氣、淡水、柴油等能源的產出和消耗情況。電力相關的數據采集從電網 EMS系統中讀取，為了不影響 EMS上位機的性能，能管系統提供了一臺歷史數據服務器用于電網數據的讀取和存儲，數據存儲模塊采用 FactoryTalk SE6.1進行開發，然后利用 Datalog模塊實現數據的定時存儲，如圖3所示。

圖3 電網數據存儲過程Fig.3 Grid data storage procedure

2.3 能效評估算法

根據能耗在線監測指南提出的所需監測的能耗參數及能效參數，可結合重點監測系統或設備的布置情況提出設施的能效計算模型或算法。能耗在線監測系統應在實時數據傳輸的基礎上實現對各種能源生產、輸配和消耗環節的動態實時監測。

2.3.1 發電機的能效評估

發電機效率＝發電量折算標準煤÷(天然氣折算標準煤÷發電機數目)，發電機效率＝3600kJ/kW·h÷(ge×38931kJ/m3÷發電機數目)，其中 ge＝燃氣消耗量(m3)/發電量(kW·h)，發電量折標系數(當量值)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(不同應用類型變壓器計算有功所需要的功率因數見表2)÷(輸出有功+損耗電能)。

表2 變壓器功率因數指標Tab.2 Power factor index of transformer

2.3.3 節能監測相關技術指標

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。綜合能耗中的各個能源數據需統一折算到一次能源進行計算。

②監測儀器、儀表應在檢定周期內，準確度滿足以下要求：流量表不低于1.5級，壓力表不低于0.5級。泵揚程≥100m 時，溫度差測試誤差≤0.005℃；泵揚程＜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折標煤標準參考系數：1kgce(標準煤)＝29307kJ，其中原油為 1.4286kgce/kg，柴油為1.457kgce/kg，熱力(當量值)為 0.03412kgce/MJ，電力(當量值)為0.1229kgce/(kW·h)。

④節能限定值為在標準定試條件下，用能設備或系統運行時所允許的最低保證值，簡稱限定值。節能評價值為在標準規定測試條件下，用能設備或系統達到節能運行的最低保證值，簡稱節能評價值。其中機組平均負載率(限定值)為 50%，變壓器功率因數(35、10.5、6.3kV 主變，限定值)≥0.80。

2.4 系統功能

2.4.1 能源消耗過程的信息化和可視化

能效管控系統實現了對海洋石油平臺的各項能耗動態信息的監測，為了提高辨識度，系統探索過程中選擇將能耗數據與生產系統或設備進行綁定。基于此，現場運維管理人員可實現對生產流程和關鍵設備能耗數據的實時監控和把握，以便于通過操作區分不同生產狀態下的能耗變化情況。

2.4.2 能耗/能效信息統計管理

為了便于后續數據的閱讀和存檔，以及能效管控系統在探索過程中可自動生成報表數據等功能，要求：一方面，系統按照時間維度進行數據統計和分析；另一方面，系統按照油田群、單一平臺、關鍵設備等不同層次進行統計和分析。

2.4.3 歷史能耗數據對比分析

基于系統自動生產報表功能，現場運維管理人員可以查閱任意時間段、任意關鍵設備的能耗曲線，方便進行不同時間維度、不同生產狀況下的能耗對比，以及為進一步調整運維策略提供依據。

2.4.4 電能質量及諧波監測分析

海上油田群電能質量監測的傳統方式是通過安裝專有諧波監測設備進行監測，一方面投入成本較大，另一方面配電盤柜安裝的空間有限，額外增添設備提高了故障風險。相比于傳統電能質量監測，能效管控系統在探索建立過程中努力實現對電能質量和諧波分量的實時監測，通過系統算法運算，諧波分量采用動態圖形的方式呈現，為現場運維管理人員提供可視化的電能質量監控，以便于分析和措施研究。

2.4.5 多維立體能效數據展示

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

圖4 多維度數據展示Fig.4 Multi dimensional data display

2.4.6 能耗數據實時監測

能效管控系統能夠實時監控發電機組、水泵機組、壓縮機組、變壓器等關鍵能耗設備的運行狀態，如功率、壓力、流量等，電耗實時監測如圖5所示。通過建立相關設備模型，分析設備運行狀態和能耗，并生成負荷曲線、運行效率圖、能效指數圖。

圖5 電耗實時監測Fig.5 Real time monitoring of power consumption

2.4.7 能耗數據統計分析

系統能夠顯示能源消費總量統計、分類能源消費統計、分項能源消費統計與比較、月度能源消費變化等能源消費統計與比較情況，可實現電能質量、設備能耗及效率監測、油氣田能效分析、能耗對比分析、能耗歸因分析、能量平衡與損耗統計分析、能源報告管理、能源消耗指數管理、能耗指數分解、能效指標考核和碳排放統計分析等多種功能。

3 結 論

為實現對整個油田群節能減排數據的監控和治理，探索和開發出適用于海洋石油平臺特點的能效管控系統，通過該系統實現油田群能耗數據的收集、整合和分析，以可視化的界面呈現生產系統和關鍵設備的能耗情況，為油田群現場運維管理人員科學調整生產模式和設備維修更換計劃提供了可靠的數據支持，有效推動了海上油田節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的完成。