海上多平台互联综合能源系统能效评估指标研究

娄清辉,牛洪海，陈 俊，欧阳俊，魏 澈，邱银峰

(1.南京南瑞继保工程技术有限公司研究院，江苏省 南京市 211102；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津市 滨海新区 300459；3.中海油研究总院有限责任公司，北京市 朝阳区 100028)

0 引言

海上石油平台远离陆地，用能独立，不与陆地电网联网，能量大多自给自足，其燃料输入主要是生产平台产生的天然气[1]。海上油气田开发运行过程中主要耗能集中在机采系统、油气处理系统、外输系统、供热发电系统、注水系统和维持平台运行所必需的公用系统[2-3]。由于平台空间限制，通讯条件限制，目前在能耗监测、能源计量器具配置等能源精细化管理上仍存在一定的不足，同时能源利用环节存在余热回收率不高、天然气放空等情况，整体能源利用水平相对较低。目前，针对海洋石油平台能效评估的应用和研究均较少，未形成有效的评估方法和指标体系，从而无法定量分析平台的用能水平和用能薄弱环节。

图1 独立海上平台能源及产品结构

能源的利用效率，指的是系统有效利用的能量与外部输入能量的比值，本文简称为能效[4]。能效评估是指通过直接或间接的一些指标反应出能源利用效率的水平[5-6]。对于复杂能源系统，能源输入输出品类较多，需要用能源综合利用效率来描述，简称为综合能效。本文依照热力学第一定律，按能量平衡评价准则，通过系统的综合能耗、单位产品综合能耗、单位产品综合电耗等对海上平台互联能源系统进行能效评估分析，提出适合该系统的指标评估体系，并结合渤海某油田群数据进行算例分析。

1 海上平台群综合能源系统模型

1.1 独立平台能源系统结构

海上平台的主要产品是原油和天然气，海上平台的主要能源需求为电力、柴油、天然气[7]。对于产品端，通过气井和油井，从地下油藏抽取原液和天然气，经过海上平台的处理，最终形成合格的原油和天然气外送[8-9]。为了完成原油和天然气的处理，平台通过复杂的能源转换关系，满足平台的动力供应。电力主要来源为天然气透平发电机机组和其他临近平台的电网输送，柴油通过陆地运输，用于柴油发电机提供安保电源，水通过陆地运输，用于平台的生活用水和工艺冲洗。原油在平台中只是作为产品，不参与能源转换。冷、热能源主要通过内部转换实现，能源的转换关系见图1。

1.2 多平台互联系统能源结构

图2 海上多平台互联综合能源系统结构

2 系统能效评估指标

海上平台能效评估指标体系目前还比较缺乏[11-12]，本文参照能源审计标准[13-14]、中海油相关企业标准以及石油行业的相关标准，梳理适用于海上平台群的相关能效评估基础指标[15]，并提出了气电比和单位产品综合气耗改进指标，为海上平台群能效评估指标体系的建立提供参考。

2.1 基础指标

2.1.1 独立平台综合能耗

从图1可知，能源的输入为天然气、柴油和水、以及电网向该平台输送电量，根据能量当量折标计算，平台综合能耗为

(1)

式中：Ecep(i)为统计时段内第i个独立平台的综合能耗，本文用标煤来衡量综合能耗，kg；Qin(i,t)为第i个独立平台t时刻透平燃烧的天然气量，m3/s；qin(i,t) 为t时刻第i个独立平台透平燃烧天然气的热值测量值，kJ/m3；Qdis(i,t)为第i个独立平台t时刻天然气放空量， m3/s；qdis(i,t)为t时刻第i个独立平台防空天然气的热值测量值，kJ/m3；PΔe(i)为临近平台的供电功率，kW；Qf(i,t)为第i个独立平台t时刻柴油用量，m3/s；qf(i,t)为t时刻第i个独立平台柴油的热值测量值，kJ/kg；qcal为标煤热值，本文取29 307 kJ/kg。

由于天然气的外送流量、天然气的回收量均未在平台上进行能量转换不计入综合能耗，同时综合能耗采用能量平衡分析，均为能源的当量折标，不考虑淡水的能量。

2.1.2 平台群综合能耗

从图2可知，能源的输入为天然气、柴油和水，由于电网功率在平台间的平衡，对平台群来说，电能不再是外部输入能源，平台群的消耗为各独立平台的总和为

(2)

式中：Ecep为统计时段内平台群的综合能耗，kg；n为平台群的独立平台数量。

针对图2的海上平台群，对近5年的综合能耗进行统计计算，得到综合能耗结算如表1。

从表1可以看出，综合能耗能够反应平台群统计期内总能耗情况和能源使用比重，通过不同统计期的对标，对平台群能源的总量控制和能源介质的使用量控制有重要指导意义。

2.1.3 单位油气当量综合能耗

海上平台群的能源投入和产出关系可以通过单位产品综合能耗来反映。平台群的产品包含不同品质的油品和天然气，油气当量就是将天然气产量和不同品质的油品按热值折算为标准油品，本文中的原油产量和天然气产量已完成折算，因此，仅考虑天然气和原油的折算关系，根据标准油气当量，折标系数取7.978×10-4t/m3。单位油气当量综合能耗为

表1 平台群近5年综合能耗计算结果

(3)

式中：ϑcep为统计时间T内单位油气产量综合能耗(折算为标煤)，kg/t；Go(t)为各油品折标后的标准原油产量，t/h；Qg(t)为天然气产量，m3/h；ry为天然气折原油系数，t/m3。

2.1.4 单位原液综合能耗

由于原油的开采过程消耗的能源总量与地下油藏的状态、原油的含水量均有较大关系，为了更客观反映原油开采的工艺水平和能耗水平，使用单位原液的综合能耗，即

(4)

式中：θcep为统计时间T内单位原液综合能耗(折算为标煤)，kg/t；Gs(t)为油气生产用能单位的油气井产出液中产水量， t/h。

2.1.5 单位油气当量电耗

单位油气当量电耗如式(5)所示，反映了单位产品的二次能源消耗量，能够比较直观反映产品对电能的需求。

(5)

式中：φcep为统计时间T内单位油气产量综合能耗，kW·h/t；Pcep为统计时段内平台群的电耗量kW·h。

2.1.6 单位原液电耗

单位原液电耗如式(6)所示，反映了单位产品的二次能源消耗量，能够比较直观反映平台工艺、采油技术对电耗的需求，便于不同平台对比。

(6)

式中φcep为统计时间T内单位原液综合能耗，kW·h/t。

2.2 改进指标

由于综合能耗的计算涉及多种能源介质的折标，需要测量各种能源介质的热值，计算过程繁琐，不便于实现在线实时计算。

本文通过对海上平台群的能源结构分析，对指标进行简化，提出单位产品综合气耗和气电比指标，指标计算简单，容易实现在线实时计算。

2.2.1 单位油气当量综合气耗

从表1平台群能源结构可以，2014—2018年平台群柴油折标后占比最高不到0.50%，对平台群的单位产品综合能耗影响较小。式(1)可以简化为

(7)

同时在统计期内，天然气的组分变化较小，将天然气热值看作常数，式(3)可以简化为

(8)

式中K为常数。定义ξcep为单位油气当量综合气耗，即

(9)

2.2.2 气电比

单位产品电耗能够反应海上平台群二次能源的能效水平，但是缺乏评估平台一次二次能源的转换关系的指标。从图1可以知道，二次能源主要为电力和热，透平机组通过发电和余热回收实现平台群一二次能源转换，且余热回收量也与燃气透平发电量成比例。为反映一二次能源转换关系，定义气电比指标为

(10)

式中：dg表示气电比，m3/(kW·h)；Pcep为平台群统计期内透平发电量，kW·h。

根据定义，气电比不仅能反应透平气电转换效率，还能反应出平台群的放空量，气电比越小说明透平的转换效率越高且放空量越小，平台整体的一二次能源的转换效率越高。

3 综合能效评估指标体系

为了全面反映海上油气平台群的一次能源转换效率指标，二次能源转换效率指标和综合能源效率，且方便实现能效的在线计算，提出海上平台综合能效评价指标体系，见表2。

表2 海上互联平台综合能效评估指标体系

一级能效指标通过气电比反映了海上平台群从一次能源转换为二次能源的转换效率，二级能效指标通过单位油气当量电耗反映了海上平台群二次能源的使用效率，单位油气当量综合气耗反映平台群的综合能源使用效率，通过指标体系全面客观的反应的平台群的能效水平。3个指标的物理意义各不相同，但是有相互关联，体系化的反映了海上互联综合能源系统的能效水平。

将式(5)(10)带入式(9)得到：

ξcep=φcepdg

(11)

4 算例分析

针对图2所示的油田群2014—2018年的能耗统计数据展开分，分别对基础指标，改进指标进行算例计算，并对结果进行对比分析。

4.1 基础指标计算

分别计算了平台群近5年的单位产品综合能耗和单位产品电耗，结果如表3—4所示。

表3 平台群近5年单位产品综合能耗

表4 平台群近5年单位产品电耗

从表3—4可以看出，单位原液能耗低于单位油气当量综合能耗，单位原液能耗间接反映了油品的含水率，但单位油气当量能耗是平台群最终产品所消耗的能源单耗，体现了海上平台群能源系统的最终投入产出关系，更能反映平台群的综合能源利用效率。

4.2 改进指标计算

结合表3，本文分别采用单位油气当量综合能耗和单位油气当量综合气耗进行单位产品综合能耗的计算，计算结果如表5和图3所示。

表5 平台群近5年单位油气当量综合气耗

图3 平台群单位油气当量综合能耗和气耗对比分析

对单位油气当量综合气耗和单位油气当量综合能耗的趋势进行对比，通过Matlab工具箱对两条曲线进行相关性分析，Correcef相关性系数为0.96。两者存在强相关性，单位油气当量综合气耗变化完全能够反应单位油气当量综合能耗的变化。算例油田群气电比指标计算结果见表6，算例油田群单位油气当量电耗指标计算结果见表7。

表6 平台群近5年气电比指标

表7 平台群近5年单位油气当量电耗

由表5—6对比可知，气电比逐年变化趋势和单位油气当量综合气耗的变化趋并不一致，体现了平台能源转换不同环节的差异。如2014年气电比高于2018年，说明一次能源转换效率低于2018年。2014单位油气当量综合气耗低于2018年，说明2014年综合能源利用效率反而是相对较高的。

从表7可以看出，平台群的单位油气当量综合电耗随着开采年限是逐步增加的，2014年油田用电设备大多为新建设备且油田开发容易，到2018年设备老化效率下降且油田开发难度增加，导致二次能源利用效率下降，体现了指标的正确性。结合表5、7完整反映油田群各环节的能源利用情况。

单位油气当量综合气耗是一级能效和二级能效的综合反应，是海上平台群综合能源系统的能源利用效率综合体现，通过3个指标能够反应一次能源利用效率、二次能源利用效率和综合能源利用效率，相比基础指标更加全面。同时从指标计算公式可以看出通过天然气流量、原油流量和电功率可以实现能效指标的实时计算，从而实现对油田群的在线动态评估，较基础指标需要各种能源统计和折标更易实现在线评估。

5 结论

本文针对海上多平台互联能源系统，深入分析独立平台和多平台组网之后的平台群的能源结构，总结了海上平台群能效评估的关键指标，并在常规指标的基础上提出了气电比、单位油气当量综合气耗等改进指标，最后建立了海上互联平台综合能源系统评估指标体系。评估指标体系的建立，为海上平台群综合能源系统能耗的在线评估、能源审计、能源管控提供了指标参考，为综合能源系统的管控、考核和管理提供了依据。