海上多平臺(tái)互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)研究

婁清輝,牛洪海，陳 俊，歐陽(yáng)俊，魏 澈，邱銀峰

(1.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司研究院，江蘇省 南京市 211102；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津市 濱海新區(qū) 300459；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京市 朝陽(yáng)區(qū) 100028)

0 引言

海上石油平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，用能獨(dú)立，不與陸地電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，能量大多自給自足，其燃料輸入主要是生產(chǎn)平臺(tái)產(chǎn)生的天然氣[1]。海上油氣田開(kāi)發(fā)運(yùn)行過(guò)程中主要耗能集中在機(jī)采系統(tǒng)、油氣處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、供熱發(fā)電系統(tǒng)、注水系統(tǒng)和維持平臺(tái)運(yùn)行所必需的公用系統(tǒng)[2-3]。由于平臺(tái)空間限制，通訊條件限制，目前在能耗監(jiān)測(cè)、能源計(jì)量器具配置等能源精細(xì)化管理上仍存在一定的不足，同時(shí)能源利用環(huán)節(jié)存在余熱回收率不高、天然氣放空等情況，整體能源利用水平相對(duì)較低。目前，針對(duì)海洋石油平臺(tái)能效評(píng)估的應(yīng)用和研究均較少，未形成有效的評(píng)估方法和指標(biāo)體系，從而無(wú)法定量分析平臺(tái)的用能水平和用能薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 獨(dú)立海上平臺(tái)能源及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

能源的利用效率，指的是系統(tǒng)有效利用的能量與外部輸入能量的比值，本文簡(jiǎn)稱(chēng)為能效[4]。能效評(píng)估是指通過(guò)直接或間接的一些指標(biāo)反應(yīng)出能源利用效率的水平[5-6]。對(duì)于復(fù)雜能源系統(tǒng)，能源輸入輸出品類(lèi)較多，需要用能源綜合利用效率來(lái)描述，簡(jiǎn)稱(chēng)為綜合能效。本文依照熱力學(xué)第一定律，按能量平衡評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，通過(guò)系統(tǒng)的綜合能耗、單位產(chǎn)品綜合能耗、單位產(chǎn)品綜合電耗等對(duì)海上平臺(tái)互聯(lián)能源系統(tǒng)進(jìn)行能效評(píng)估分析，提出適合該系統(tǒng)的指標(biāo)評(píng)估體系，并結(jié)合渤海某油田群數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析。

1 海上平臺(tái)群綜合能源系統(tǒng)模型

1.1 獨(dú)立平臺(tái)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上平臺(tái)的主要產(chǎn)品是原油和天然氣，海上平臺(tái)的主要能源需求為電力、柴油、天然氣[7]。對(duì)于產(chǎn)品端，通過(guò)氣井和油井，從地下油藏抽取原液和天然氣，經(jīng)過(guò)海上平臺(tái)的處理，最終形成合格的原油和天然氣外送[8-9]。為了完成原油和天然氣的處理，平臺(tái)通過(guò)復(fù)雜的能源轉(zhuǎn)換關(guān)系，滿(mǎn)足平臺(tái)的動(dòng)力供應(yīng)。電力主要來(lái)源為天然氣透平發(fā)電機(jī)機(jī)組和其他臨近平臺(tái)的電網(wǎng)輸送，柴油通過(guò)陸地運(yùn)輸，用于柴油發(fā)電機(jī)提供安保電源，水通過(guò)陸地運(yùn)輸，用于平臺(tái)的生活用水和工藝沖洗。原油在平臺(tái)中只是作為產(chǎn)品，不參與能源轉(zhuǎn)換。冷、熱能源主要通過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，能源的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖1。

1.2 多平臺(tái)互聯(lián)系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)

圖2 海上多平臺(tái)互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)

海上平臺(tái)能效評(píng)估指標(biāo)體系目前還比較缺乏[11-12]，本文參照能源審計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]、中海油相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及石油行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，梳理適用于海上平臺(tái)群的相關(guān)能效評(píng)估基礎(chǔ)指標(biāo)[15]，并提出了氣電比和單位產(chǎn)品綜合氣耗改進(jìn)指標(biāo)，為海上平臺(tái)群能效評(píng)估指標(biāo)體系的建立提供參考。

2.1 基礎(chǔ)指標(biāo)

2.1.1 獨(dú)立平臺(tái)綜合能耗

從圖1可知，能源的輸入為天然氣、柴油和水、以及電網(wǎng)向該平臺(tái)輸送電量，根據(jù)能量當(dāng)量折標(biāo)計(jì)算，平臺(tái)綜合能耗為

(1)

式中：Ecep(i)為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)的綜合能耗，本文用標(biāo)煤來(lái)衡量綜合能耗，kg；Qin(i,t)為第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)t時(shí)刻透平燃燒的天然氣量，m3/s；qin(i,t) 為t時(shí)刻第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)透平燃燒天然氣的熱值測(cè)量值，kJ/m3；Qdis(i,t)為第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)t時(shí)刻天然氣放空量， m3/s；qdis(i,t)為t時(shí)刻第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)防空天然氣的熱值測(cè)量值，kJ/m3；PΔe(i)為臨近平臺(tái)的供電功率，kW；Qf(i,t)為第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)t時(shí)刻柴油用量，m3/s；qf(i,t)為t時(shí)刻第i個(gè)獨(dú)立平臺(tái)柴油的熱值測(cè)量值，kJ/kg；qcal為標(biāo)煤熱值，本文取29 307 kJ/kg。

由于天然氣的外送流量、天然氣的回收量均未在平臺(tái)上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換不計(jì)入綜合能耗，同時(shí)綜合能耗采用能量平衡分析，均為能源的當(dāng)量折標(biāo)，不考慮淡水的能量。

2.1.2 平臺(tái)群綜合能耗

從圖2可知，能源的輸入為天然氣、柴油和水，由于電網(wǎng)功率在平臺(tái)間的平衡，對(duì)平臺(tái)群來(lái)說(shuō)，電能不再是外部輸入能源，平臺(tái)群的消耗為各獨(dú)立平臺(tái)的總和為

(2)

式中：Ecep為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)平臺(tái)群的綜合能耗，kg；n為平臺(tái)群的獨(dú)立平臺(tái)數(shù)量。

針對(duì)圖2的海上平臺(tái)群，對(duì)近5年的綜合能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到綜合能耗結(jié)算如表1。

從表1可以看出，綜合能耗能夠反應(yīng)平臺(tái)群統(tǒng)計(jì)期內(nèi)總能耗情況和能源使用比重，通過(guò)不同統(tǒng)計(jì)期的對(duì)標(biāo)，對(duì)平臺(tái)群能源的總量控制和能源介質(zhì)的使用量控制有重要指導(dǎo)意義。

2.1.3 單位油氣當(dāng)量綜合能耗

海上平臺(tái)群的能源投入和產(chǎn)出關(guān)系可以通過(guò)單位產(chǎn)品綜合能耗來(lái)反映。平臺(tái)群的產(chǎn)品包含不同品質(zhì)的油品和天然氣，油氣當(dāng)量就是將天然氣產(chǎn)量和不同品質(zhì)的油品按熱值折算為標(biāo)準(zhǔn)油品，本文中的原油產(chǎn)量和天然氣產(chǎn)量已完成折算，因此，僅考慮天然氣和原油的折算關(guān)系，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)油氣當(dāng)量，折標(biāo)系數(shù)取7.978×10-4t/m3。單位油氣當(dāng)量綜合能耗為

表1 平臺(tái)群近5年綜合能耗計(jì)算結(jié)果

(3)

式中：?cep為統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)單位油氣產(chǎn)量綜合能耗(折算為標(biāo)煤)，kg/t；Go(t)為各油品折標(biāo)后的標(biāo)準(zhǔn)原油產(chǎn)量，t/h；Qg(t)為天然氣產(chǎn)量，m3/h；ry為天然氣折原油系數(shù)，t/m3。

2.1.4 單位原液綜合能耗

由于原油的開(kāi)采過(guò)程消耗的能源總量與地下油藏的狀態(tài)、原油的含水量均有較大關(guān)系，為了更客觀反映原油開(kāi)采的工藝水平和能耗水平，使用單位原液的綜合能耗，即

(4)

式中：θcep為統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)單位原液綜合能耗(折算為標(biāo)煤)，kg/t；Gs(t)為油氣生產(chǎn)用能單位的油氣井產(chǎn)出液中產(chǎn)水量， t/h。

2.1.5 單位油氣當(dāng)量電耗

單位油氣當(dāng)量電耗如式(5)所示，反映了單位產(chǎn)品的二次能源消耗量，能夠比較直觀反映產(chǎn)品對(duì)電能的需求。

(5)

式中：φcep為統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)單位油氣產(chǎn)量綜合能耗，kW·h/t；Pcep為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)平臺(tái)群的電耗量kW·h。

2.1.6 單位原液電耗

單位原液電耗如式(6)所示，反映了單位產(chǎn)品的二次能源消耗量，能夠比較直觀反映平臺(tái)工藝、采油技術(shù)對(duì)電耗的需求，便于不同平臺(tái)對(duì)比。

(6)

式中φcep為統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)單位原液綜合能耗，kW·h/t。

2.2 改進(jìn)指標(biāo)

由于綜合能耗的計(jì)算涉及多種能源介質(zhì)的折標(biāo)，需要測(cè)量各種能源介質(zhì)的熱值，計(jì)算過(guò)程繁瑣，不便于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算。

本文通過(guò)對(duì)海上平臺(tái)群的能源結(jié)構(gòu)分析，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出單位產(chǎn)品綜合氣耗和氣電比指標(biāo)，指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算。

2.2.1 單位油氣當(dāng)量綜合氣耗

從表1平臺(tái)群能源結(jié)構(gòu)可以，2014—2018年平臺(tái)群柴油折標(biāo)后占比最高不到0.50%，對(duì)平臺(tái)群的單位產(chǎn)品綜合能耗影響較小。式(1)可以簡(jiǎn)化為

(7)

同時(shí)在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，天然氣的組分變化較小，將天然氣熱值看作常數(shù)，式(3)可以簡(jiǎn)化為

(8)

式中K為常數(shù)。定義ξcep為單位油氣當(dāng)量綜合氣耗，即

(9)

2.2.2 氣電比

單位產(chǎn)品電耗能夠反應(yīng)海上平臺(tái)群二次能源的能效水平，但是缺乏評(píng)估平臺(tái)一次二次能源的轉(zhuǎn)換關(guān)系的指標(biāo)。從圖1可以知道，二次能源主要為電力和熱，透平機(jī)組通過(guò)發(fā)電和余熱回收實(shí)現(xiàn)平臺(tái)群一二次能源轉(zhuǎn)換，且余熱回收量也與燃?xì)馔钙桨l(fā)電量成比例。為反映一二次能源轉(zhuǎn)換關(guān)系，定義氣電比指標(biāo)為

(10)

式中：dg表示氣電比，m3/(kW·h)；Pcep為平臺(tái)群統(tǒng)計(jì)期內(nèi)透平發(fā)電量，kW·h。

根據(jù)定義，氣電比不僅能反應(yīng)透平氣電轉(zhuǎn)換效率，還能反應(yīng)出平臺(tái)群的放空量，氣電比越小說(shuō)明透平的轉(zhuǎn)換效率越高且放空量越小，平臺(tái)整體的一二次能源的轉(zhuǎn)換效率越高。

3 綜合能效評(píng)估指標(biāo)體系

為了全面反映海上油氣平臺(tái)群的一次能源轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)，二次能源轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)和綜合能源效率，且方便實(shí)現(xiàn)能效的在線(xiàn)計(jì)算，提出海上平臺(tái)綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表2。

表2 海上互聯(lián)平臺(tái)綜合能效評(píng)估指標(biāo)體系

一級(jí)能效指標(biāo)通過(guò)氣電比反映了海上平臺(tái)群從一次能源轉(zhuǎn)換為二次能源的轉(zhuǎn)換效率，二級(jí)能效指標(biāo)通過(guò)單位油氣當(dāng)量電耗反映了海上平臺(tái)群二次能源的使用效率，單位油氣當(dāng)量綜合氣耗反映平臺(tái)群的綜合能源使用效率，通過(guò)指標(biāo)體系全面客觀的反應(yīng)的平臺(tái)群的能效水平。3個(gè)指標(biāo)的物理意義各不相同，但是有相互關(guān)聯(lián)，體系化的反映了海上互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的能效水平。

將式(5)(10)帶入式(9)得到：

ξcep=φcepdg

(11)

4 算例分析

針對(duì)圖2所示的油田群2014—2018年的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展開(kāi)分，分別對(duì)基礎(chǔ)指標(biāo)，改進(jìn)指標(biāo)進(jìn)行算例計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 基礎(chǔ)指標(biāo)計(jì)算

分別計(jì)算了平臺(tái)群近5年的單位產(chǎn)品綜合能耗和單位產(chǎn)品電耗，結(jié)果如表3—4所示。

表3 平臺(tái)群近5年單位產(chǎn)品綜合能耗

表4 平臺(tái)群近5年單位產(chǎn)品電耗

從表3—4可以看出，單位原液能耗低于單位油氣當(dāng)量綜合能耗，單位原液能耗間接反映了油品的含水率，但單位油氣當(dāng)量能耗是平臺(tái)群最終產(chǎn)品所消耗的能源單耗，體現(xiàn)了海上平臺(tái)群能源系統(tǒng)的最終投入產(chǎn)出關(guān)系，更能反映平臺(tái)群的綜合能源利用效率。

4.2 改進(jìn)指標(biāo)計(jì)算

結(jié)合表3，本文分別采用單位油氣當(dāng)量綜合能耗和單位油氣當(dāng)量綜合氣耗進(jìn)行單位產(chǎn)品綜合能耗的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5和圖3所示。

表5 平臺(tái)群近5年單位油氣當(dāng)量綜合氣耗

圖3 平臺(tái)群?jiǎn)挝挥蜌猱?dāng)量綜合能耗和氣耗對(duì)比分析

對(duì)單位油氣當(dāng)量綜合氣耗和單位油氣當(dāng)量綜合能耗的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)Matlab工具箱對(duì)兩條曲線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，Correcef相關(guān)性系數(shù)為0.96。兩者存在強(qiáng)相關(guān)性，單位油氣當(dāng)量綜合氣耗變化完全能夠反應(yīng)單位油氣當(dāng)量綜合能耗的變化。算例油田群氣電比指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，算例油田群?jiǎn)挝挥蜌猱?dāng)量電耗指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 平臺(tái)群近5年氣電比指標(biāo)

表7 平臺(tái)群近5年單位油氣當(dāng)量電耗

由表5—6對(duì)比可知，氣電比逐年變化趨勢(shì)和單位油氣當(dāng)量綜合氣耗的變化趨并不一致，體現(xiàn)了平臺(tái)能源轉(zhuǎn)換不同環(huán)節(jié)的差異。如2014年氣電比高于2018年，說(shuō)明一次能源轉(zhuǎn)換效率低于2018年。2014單位油氣當(dāng)量綜合氣耗低于2018年，說(shuō)明2014年綜合能源利用效率反而是相對(duì)較高的。

從表7可以看出，平臺(tái)群的單位油氣當(dāng)量綜合電耗隨著開(kāi)采年限是逐步增加的，2014年油田用電設(shè)備大多為新建設(shè)備且油田開(kāi)發(fā)容易，到2018年設(shè)備老化效率下降且油田開(kāi)發(fā)難度增加，導(dǎo)致二次能源利用效率下降，體現(xiàn)了指標(biāo)的正確性。結(jié)合表5、7完整反映油田群各環(huán)節(jié)的能源利用情況。

單位油氣當(dāng)量綜合氣耗是一級(jí)能效和二級(jí)能效的綜合反應(yīng)，是海上平臺(tái)群綜合能源系統(tǒng)的能源利用效率綜合體現(xiàn)，通過(guò)3個(gè)指標(biāo)能夠反應(yīng)一次能源利用效率、二次能源利用效率和綜合能源利用效率，相比基礎(chǔ)指標(biāo)更加全面。同時(shí)從指標(biāo)計(jì)算公式可以看出通過(guò)天然氣流量、原油流量和電功率可以實(shí)現(xiàn)能效指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油田群的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)估，較基礎(chǔ)指標(biāo)需要各種能源統(tǒng)計(jì)和折標(biāo)更易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)評(píng)估。

5 結(jié)論

本文針對(duì)海上多平臺(tái)互聯(lián)能源系統(tǒng)，深入分析獨(dú)立平臺(tái)和多平臺(tái)組網(wǎng)之后的平臺(tái)群的能源結(jié)構(gòu)，總結(jié)了海上平臺(tái)群能效評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)，并在常規(guī)指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了氣電比、單位油氣當(dāng)量綜合氣耗等改進(jìn)指標(biāo)，最后建立了海上互聯(lián)平臺(tái)綜合能源系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系。評(píng)估指標(biāo)體系的建立，為海上平臺(tái)群綜合能源系統(tǒng)能耗的在線(xiàn)評(píng)估、能源審計(jì)、能源管控提供了指標(biāo)參考，為綜合能源系統(tǒng)的管控、考核和管理提供了依據(jù)。