海上平台电站方案优选研究与实践

马金喜 陈丰波 郝铭 邹昌明 周新刚 高国强

中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院

电站在海上平台工程投资中占比较大，对桶油操作成本也影响较大，电站方案的优快比选不仅影响开发的大思路和经济评价，而且也是项目从源头降本的必要途径。电站方案比选考虑因素多，涉及较多无法量化的影响因素，计算内容繁琐，方案交叉比选数据量大；尤其是多机型，需与热站组合研究，工况复杂，当前的传统计算分析方法越发突显耗时长、效率低、易出错的不足。面对海上油田开发越来越复杂的形势和状况，前期进行电站多机型的组合方案比选研究已成为常态，而传统的人工计算模式无法满足前期研究方案筛选的高效性和准确性需求。目前电站方案优快比选技术尚属空白，为在前期研究阶段，能把复杂问题简单化，快速筛选方案，支持工程大思路的判断，亟待建立电站方案优快比选技术方法体系。

1 研究思路及主要技术内容

为了更加高效、准确地进行电站方案比选研究，利用已建电站的设计、运行信息资源，同时收集、整理和归纳主流供应商的各类常用机型技术信息，通过深入分析各种机型组合工况，系统研究燃料消耗及操作费计算方法，研发出电站、热站燃料消耗及操作费优快计算平台，填补了前期阶段电站、热站优快设计研究的空白，实现了多方案筛选的高效性和准确性。

另外，将选型时需考虑的各因素样本数据作为基础，利用灰色关联度分析方法描述因素间关系的强弱、大小和次序，均值量化选型影响因素，定量地计算出不同电站方案的关联度并对其进行排序，进而快速筛选最优方案。建立基于灰色关联度分析方法的海上平台电站方案优快比选技术，为电站方案的优选提供新的量化分析方法，提高前期研究阶段电站方案筛选的准确性。

2 技术路线及关键方法

电站、热站方案优选研究的基本原则是合理配置，兼顾操作管理，选用技术成熟、可靠的机组[1-4]。电站配置方案优快比选的关键是电站、热站一体化燃料利用方案研究及各方案的综合高效比选。

2.1 燃料消耗及操作费优快计算平台研发

2.1.1 研发背景

燃料利用的基本原则是充分利用自产伴生气，最大限度地减少原油消耗，尤其是成品柴油的消耗，节约操作成本，降低投资，提高油田整体开发收益[1，5]。

（1）计算效率。当前每一套方案的燃料消耗及操作费研究需要计算约38 项不同的逐年数据，而各项计算的输入、输出数据量大，需要查阅规范及引用机组不同参数的次数多，工作效率低下。在前期研究阶段，基础参数变化频繁，计算的低效和反复计算严重制约了电站、热站方案优选的高效性和准确性。因此，统一的数据计算平台可以降低输入数据的次数，提高结果计算精度，保证计算工作效率。

（2）计算参数的统一性和准确性。目前电站、热站燃料消耗及操作费计算过程中数据变化频繁、版次更新信息沟通不畅，导致各部分输入数据自相矛盾。建立统一的数据平台，通过数据参数集中输入和程序自动选取调用，可以从根本上避免以上问题的发生，提升计算参数的统一性和准确性。

（3）智能输出计算结果。目前的设计计算中，计算表格格式不统一，深度也不同，造成输出结果差异较大。针对以上问题，建立统一计算平台，定义各类机型和组合方案的分析研究计算深度，规范输出结果，能够有效弥补不足。

从以上分析中可以看出，统一、规范的数据计算平台能够有效保证设计研究工作的高效性和准确性。

2.1.2 技术路线及计算方法

燃料消耗及操作费优快计算平台由基本参数输入模块、核心计算模块、结果输出模块三部分构成。计算平台的技术路线如图1所示。

（1）前置参数和计算原则。选择需要的电站、热站计算方案并在输入模块中按照要求输入相应的参数，如逐年电负荷、逐年产气量、燃料参数、机型参数等。计算平台自动将输入模块中的数据导入核心计算模块，并按以下三个原则进行计算：电站、热站优先使用伴生气；伴生气不足时优先供给电站；如有透平并配有余热回收装置，热站则优先使用余热回收装置。

在高速公路工程建设过程当中，中心试验室通过对各项施工原材料进行合理的检测，能够将质量不过关的施工原材料及时淘汰，有效提升高速公路工程的施工质量。由于高速公路工程的施工规模比较大，工程中的各项施工原材料种类与数量不断增多，为了保证各项施工原材料得到更加高效的使用，中心试验室检测人员要对各项原材料进行科学的检测试验，针对质量不过关的原材料，要及时更换原材料或者重新购买。

（2）计算流程和工况定义。当对燃气电站选型时，平台通过输入的前置参数和电站负荷率，逐年计算燃气电站在当年使用燃气为主燃料情况下的负荷率，并自动判断是否符合要求。如果满足要求则按照燃气电站使用伴生气为燃料计算；如果不满足要求则关闭1座燃气电站，再进行电站负荷率的计算，直到伴生气量不能满足1座燃气电站伴生气量需求为止。此时如果所选电站方案中有能利用原油为燃料的电站，按照电站使用原油为燃料计算，否则按照该年电站不发电计算。

当所有年份的电站燃料消耗都计算完毕时，则按照指定的电站维修率及核心计算模块中得出的燃料消耗进行操作费的计算（燃料费+维修费），并在输出模块中输出不同电站的燃料消耗、燃气电站发电量、伴生气利用量曲线、电站负荷率曲线、电站操作费等用户需要的数据。

图1 燃料消耗及操作费优快计算平台的技术路线Fig.1 Technical flow of the optimum and fast calculation platform of fuel consumption and operation cost

选择相应的热站方案，导入计算所得的电站方案的数据并输入相应的热站参数，进行热站操作费计算。

当电站方案或电站、热站方案计算完毕时，可以将本方案的计算结果直接输入到“各方案综合对比”模块中进行方案的综合比选，从而通过数据、曲线、柱状图直观地选择最有利的方案（图2、图3）。方案一：3台5.5 MW透平+2台7.6 MW原油发电机组（热介质锅炉）；方案二：2 台9 MW 透平+2 台7.6 MW 原油发电机组（热介质锅炉）；方案三：2 台9 MW 透平+2 台7.6 MW 原油发电机组（余热回收锅炉）；方案四：1 台0.5 MW 透平+3 台7.6 MW 原油发电机组（热介质锅炉）；方案五：2台7.6 MW三燃料发电机组+2台7.6 MW原油发电机组（热介质锅炉）；方案六：4 台7.6 MW 原油发电机组（热介质锅炉）。

2.2 基于灰色关联度分析方法的电站方案优快比选技术

2.2.1 电站方案比选的影响因素

确定电站选型方案影响因素的基本原则是综合分析，着重经济，兼顾燃料利用率，选择能全面反映电站机组性能的因素，通常包括伴生气利用率、机组最大负荷率、燃油消耗费用折现、操作费折现、初始投资、占地尺寸、机组质量、技术可靠性等[9-10]。

图2 各方案逐年天然气耗量曲线Fig.2 Comparison curves of natural gas consumption yearly for each proposal

图3 各方案操作费折现比较Fig.3 Comparison of operation cost discounting for each proposal

2.2.2 技术路线及分析方法

基于灰色关联度分析方法海上主电站选型的技术路线如图4所示。其由数据输入、影响因素无量纲量化、计算方案关联系数、计算关联度、各方案关联度排序等组成[9]。

灰色关联分析方法的具体计算步骤：

（1）确定分析数据。确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列，反映系统行为特征的数据序列称为参考数列，影响系统行为的因素组成的数据序列称为比较数列。

设参考数列为X0={X0(k)|k=1,2,…,n}，设比较数列为Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n;i=1,2,…,m}。

图4 基于灰色关联度分析方法电站选型的技术路线Fig.4 Technical flow of power station selection based on the grey relational analysis method

（2）变量的无量纲化。由于系统中各因素列中的数据可能因量纲不同，不便于比较或在比较时难以得到正确的结论，因此在进行灰色关联度分析时，一般都要进行数据的无量纲化处理。

对于技术可靠性不能数值量化的影响因素，采用专家判断对其进行打分，评价打分的依据为不同电站方案选用的伴生气利用率、最大负荷率、初始投资、燃料费折现、维修费折现以及占地等。

（3）计算关联系数。X0(k)和Xi(k)的关联系数为其比较数列和参考数列的差ξ∈(0,∞) 称作分辨系数，一般ξ的取值区间为（0，1），具体可视情况而定，通常取ξ=0.5。

（4）计算关联度。因为关联系数是比较数列和参考数列在不同方案下的关联程度值，信息过于分散不便于整体比较，因此有必要将各方案的关联系数集中统一求出平均值。作为比较数列和参考数列间的关联度为k=1,2,…,n;i=1,2…,m。

（5）关联度排序。计算出X0(k)和Xi(k)的关联系数后，计算不同方案下关联系数的平均值并对其大小排序。如果r1＞r2，说明参考数列X0与比较数列X2更相似，即此方案下的电站方案选型最优。

3 技术创新与应用

经过技术研究和专题攻关，取得的一系列创新成果在渤海油田的前期研究项目中得到了应用和验证，从设计源头实现电站、热站方案比选的优快设计研究，取得了较好的应用效果。

3.1 技术创新性

首次建立了基于成熟理论方法的电站、热站燃料消耗及操作费优快计算平台。将目前成熟的计算方法统一在准确可靠的数据计算平台上，保证数据流动、传递的快速性和准确性，极大地提升了电站、热站一体化多方案比选的高效性和准确性。

首次系统整理和集成了各类型发电机组及同一类型不同型号机组的关键技术参数，供计算选择。对不同机型的组合电站和热站进行结构分层，创建独立计算模块。设置基本参数的直接导入功能，实现机组燃料消耗和负荷率的逐年变化趋势窗口显示功能，同时可导出逐年数值计算结果，非常便于分析和比选方案。

采用MATLAB 工程计算开发平台，具有可视化操作功能，简单方便。在参数变化频繁的前期研究阶段，实现了各类方案计算结果的即输即得，工效提升显著。

传统的电站方案优选往往需要专家判断，进行多轮次定性和定量相结合的比选研究，消耗人力、物力；而基于灰色关联度分析方法的海上电站优快比选技术，提供了新的量化分析方法，对电站方案定量优劣排序，把复杂问题简单化，快速筛选方案，帮助前期研究尤其是可研阶段工程大思路的及时判断。

3.2 应用实践

以渤海油田某新建项目为例，一套电站、热站组合方案的比选时间从8 h 缩短为1.5 h；而六种方案进行了12 轮的比选工作，累计节约工时约470 h，提高工效显著，也为前期研究工程大方案判断的及时性争取了时间。优快计算平台使电站、热站燃料消耗及操作费计算工作更为精细准确，为项目全生命周期操作费节省投资约500万元，节省平台面积约400 m2。

4 结束语

随着国际石油价格低位徘徊，海洋石油开发面临越来越大的挑战，前期研究项目对各专业的研究效率、研究深度以及研究广度提出了更高的要求。在低油价背景下，电站方案优快比选研究方法体系的创新是实现从方案源头降本的重要举措。燃料消耗及操作费优快计算平台的建立和推广，将燃料消耗分析计算、机组性能参数调用以及全生命周期操作费评估等工作集成为一体，为电站、热站方案优快比选设计研究和集成管理提供了高效的平台，对渤海油田电站、热站运行管理也有着重要的意义。而基于灰色关联度分析方法的海上电站优快比选技术，也提供了新的量化分析方法，把复杂问题简单化，实现了电站方案筛选的高效性。