海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)國家節(jié)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(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，已有項目要逐漸完善，并于2018 年發(fā)布了《海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)指南》?；谏鲜鲆螅瑫r為了建設(shè)一套適合海上油氣田的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，需要做到以下三點：一要深刻理解建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的目的和意義；二要結(jié)合海上油氣田自身生產(chǎn)狀況，掌握能耗監(jiān)測的切實需求；三要考慮海上油氣田未來智能化發(fā)展的需求。陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是按照“整體規(guī)劃、資源整合、安全適用”的原則進行設(shè)計和統(tǒng)籌的，滿足當(dāng)前海上油氣田的生產(chǎn)狀況和上級單位對能源管控的相關(guān)要求，其系統(tǒng)設(shè)計包括計量儀表配備、數(shù)據(jù)采集與傳輸、系統(tǒng)架構(gòu)與安全，以及系統(tǒng)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(shè)備級）儀表較少，難以對單臺設(shè)備能耗及能效進行監(jiān)測。陸豐油田按照《海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)指南》中對能耗/能效參數(shù)監(jiān)測范圍的要求，在常規(guī)工藝流程圖的基礎(chǔ)上，合理選取監(jiān)測點，完善計量儀表。其中，對于可以通過其它計量數(shù)據(jù)間接獲得的能耗/能效數(shù)據(jù)，對其計量儀表也進行了合理取舍。能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，除了考慮能源總消耗量外，為了深入挖掘節(jié)能點，還需進一步完善大型設(shè)備的計量條件，做到設(shè)備的能耗和運行效率在線監(jiān)測。陸豐油田重點監(jiān)測設(shè)備/系統(tǒng)在線監(jiān)測計量儀表配備要求見表1。

表1 陸豐油田重點監(jiān)測設(shè)備/系統(tǒng)在線監(jiān)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(shù)據(jù)采集與傳輸

2.1 在線直接采集

在線直接采集應(yīng)充分考慮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)和現(xiàn)有設(shè)備/系統(tǒng)的整合，從不同渠道獲取能耗/能效數(shù)據(jù)。目前，海上油氣田主要有兩大監(jiān)控系統(tǒng)：DCS 和PMS 系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)生產(chǎn)和電源的監(jiān)測與控制。通過完善計量儀表的配備，增加DCS 和PMS 系統(tǒng)對能耗/能效數(shù)據(jù)的采集，間接地將數(shù)據(jù)傳輸至能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)和上級單位如圖1 所示[2]。

為保障系統(tǒng)間無縫連接、數(shù)據(jù)快速傳輸，需合理選擇數(shù)據(jù)采集與傳輸協(xié)議。對比當(dāng)前海上油氣田現(xiàn)狀，圖1 所示的數(shù)據(jù)采集與傳輸流程，在DCS 和PMS 系統(tǒng)以下，其數(shù)據(jù)傳輸鏈路沒有改變，且傳輸協(xié)議仍以常規(guī)的4mA～20mA 模擬量信號和Modbus 通訊為主，不但降低了底層能耗數(shù)據(jù)采集的成本投入，而且使得底層能耗數(shù)據(jù)傳輸建立在了可靠且應(yīng)用廣泛的通訊鏈路基礎(chǔ)之上。而DCS和PMS 系統(tǒng)以上的系統(tǒng)間通訊，選擇了OPC 協(xié)議。OPC協(xié)議可以為工業(yè)控制領(lǐng)域提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機制，具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的幾大優(yōu)勢。目前，OPC 協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)大多數(shù)設(shè)備/系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，通過采用OPC 協(xié)議，不僅使能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的任何客戶端可以與不同系統(tǒng)的服務(wù)器連接，形成統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和即插即用的互操作性，而且還能夠讓任何基于OPC 標(biāo)準(zhǔn)的第三方設(shè)備/系統(tǒng)無縫接入平臺現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的所有系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，為海上油氣田數(shù)字化、智能化發(fā)展需求提供了便利接口。

圖1 陸豐油田能耗/能效數(shù)據(jù)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(chǎn)品產(chǎn)量、部分能效指標(biāo)等無法通過在線直接采集方式獲得的企業(yè)，應(yīng)通過人工填報的方式，由相關(guān)人員直接向系統(tǒng)平臺填報數(shù)據(jù)[1]。比如在計算燃?xì)馔钙?原油發(fā)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(jié)合燃料消耗和發(fā)電量計算獲得機組效率。

3 系統(tǒng)架構(gòu)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(dān)當(dāng)?shù)慕巧约八鼈冎g的通訊關(guān)系將影響整個平臺群系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計。因此，必須從整體考慮其系統(tǒng)架構(gòu)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(wèi)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(tǒng)流程，由中心平臺集中管理兩個平臺的能耗/能效數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一傳輸至上級單位。陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

①在井口平臺部署智能儀表采集設(shè)備、網(wǎng)路交換機、工作站。智能儀表負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過DCS 系統(tǒng)和PMS 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至中心平臺的能源管理服務(wù)器。運行人員通過工作站進行系統(tǒng)的訪問和應(yīng)用。

② 中心平臺比井口平臺多部署一套服務(wù)器，集中管理兩個平臺的數(shù)據(jù)，并提供應(yīng)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(shù)據(jù)進行展示分析。

2）在建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)之前，海上油氣田的信息網(wǎng)絡(luò)比較封閉，基本處于“信息孤島”的狀態(tài)，而能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)改變了這種局面。由于能耗/能效數(shù)據(jù)最終被傳輸至上級單位，這就使得平臺上的DCS 和PMS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間接地與陸地辦公網(wǎng)絡(luò)連接在一起，增加了受到網(wǎng)絡(luò)攻擊而導(dǎo)致停產(chǎn)事故的風(fēng)險。為此，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計按照網(wǎng)絡(luò)安全等級保護2.0（等保2.0）的要求，引入了安全區(qū)域邊界的設(shè)計思路。如圖2 所示，在DCS 和PMS兩大關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出口以及平臺與陸地通訊數(shù)據(jù)出口分別設(shè)置了界面防火墻和IT 防火墻，對關(guān)鍵系統(tǒng)實施網(wǎng)絡(luò)安全隔離，為網(wǎng)絡(luò)上的關(guān)鍵系統(tǒng)提供了多重防護。通過增加符合等保2.0 要求的網(wǎng)絡(luò)安全硬件以及不斷完善網(wǎng)絡(luò)安全機制和黑白名單，該系統(tǒng)可以做到整體防御、分區(qū)隔離；積極防護、內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Energy consumption online monitoring system architecture of Lufeng Oilfield

4 系統(tǒng)功能

4.1 設(shè)計思路

1）鑒于該系統(tǒng)為海上平臺首次應(yīng)用，且平臺上能耗/能效數(shù)據(jù)獲取較難、生產(chǎn)工藝單一及安全需求等特點，海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能以能源數(shù)據(jù)的監(jiān)測和自動統(tǒng)計為主，但要輔以能耗的深入分析功能，如能耗數(shù)據(jù)異常管理、設(shè)備效率異常監(jiān)控、能源指標(biāo)跟蹤、能源績效評估等。這些功能為能源管理工作提供指導(dǎo)建議，提升系統(tǒng)的有效性和及時性。

2）系統(tǒng)功能應(yīng)該針對不同層級的崗位進行角色劃分，改變現(xiàn)階段能源管理以統(tǒng)計和上報數(shù)據(jù)為主的模式。

①現(xiàn)場：需要實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和能耗異常管理。

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

3）結(jié)合能源管理體系，體現(xiàn)全員參與，實現(xiàn)能源精細(xì)化管理的目標(biāo)。

4.2 陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以多維度能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)能耗統(tǒng)計、能效對標(biāo)和設(shè)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(shù)據(jù)展示和分析。系統(tǒng)功能涉及監(jiān)測、統(tǒng)計、對標(biāo)、分析、預(yù)警、預(yù)測等方面，在滿足能效管理系統(tǒng)建設(shè)指南的基礎(chǔ)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(shù)，從時間和空間的維度進行整個油氣田能效數(shù)據(jù)的立體化展示。

2）可進行能耗數(shù)據(jù)的展示、統(tǒng)計、同比、環(huán)比和分解等功能，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

3）通過統(tǒng)計某一時間段內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)，然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算能效指標(biāo)。系統(tǒng)展示能效指標(biāo)的同比和環(huán)比數(shù)據(jù)，并能與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進行跟蹤對標(biāo)。

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

5）根據(jù)作業(yè)公司—作業(yè)區(qū)塊—平臺—關(guān)鍵耗能設(shè)備進行能效數(shù)據(jù)（能耗數(shù)據(jù)）的樹形分解，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)能耗問題，并將查詢結(jié)果導(dǎo)出。

6）用戶可獲取關(guān)于關(guān)鍵耗能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和效能數(shù)據(jù)，通過選擇時間段，可進行設(shè)備能效匯總統(tǒng)計。

7）基于各作業(yè)單元的油氣當(dāng)量，可分別計算能耗桶油成本和生產(chǎn)桶油成本。

8）通過專業(yè)的電力測量儀表，進行用電側(cè)（400V 母線）的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

9）通過歷史數(shù)據(jù)動態(tài)擬合產(chǎn)量和負(fù)荷的關(guān)系，再結(jié)合油藏數(shù)據(jù)來完成未來10 年的負(fù)荷預(yù)測。

10）將能源的輸入、傳輸、轉(zhuǎn)化、分配和終端使用等環(huán)節(jié)進行統(tǒng)計和換算，進而繪制能流網(wǎng)絡(luò)圖。

11）通過日歷形式直觀展示所選區(qū)域的能耗情況，越限值會有特殊顏色標(biāo)識，用戶能第一時間發(fā)現(xiàn)能耗點。

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

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)還是以能耗的監(jiān)測統(tǒng)計為主，用以滿足企業(yè)自身和政府的用能監(jiān)管要求。要想實現(xiàn)系統(tǒng)對生產(chǎn)工藝、設(shè)備運行等的優(yōu)化作用，還需通過長期的實踐應(yīng)用推動其不斷發(fā)展。相信未來的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)將以能源管控為切入點，有效監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)故障，提升企業(yè)能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平；提升能源數(shù)據(jù)的使用水平，建立能源系統(tǒng)對生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的有效支撐；利用先進的數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)和控制優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的先進控制[3]。