海上微型综合能源系统能效评价与提升关键问题研究

徐世华，刘萍，邱睿，欧阳俊，孔凡旭，徐彬，张君波，吴军，韩锐

（1.南京南瑞继保工程技术有限公司，南京211102；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津300452；3.武汉大学电气与自动化学院，武汉430072；4.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300000；5.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

0 引言

当前世界范围内面临的能源危机问题越发严重，逐渐制约各国的发展，而海洋的大陆架部分蕴含60%的油气资源，这些丰富的资源随着海洋资源的开发而被逐渐利用起来，可以预见这将是解决当前能源危机的重要措施，也是近年来研究的热点。近年来我国用于油气开发的海上油气平台发展迅速，多平台互联电力系统正逐步形成。截至2017年年底，仅中国海洋石油集团有限公司就已投运海上油气平台247座，发电机235台，海底电缆131条，总装机容量达1 043 MW，为海洋油气开发做出了巨大贡献。海上多平台互联电力系统可靠运行的关键技术研究对保障国家能源安全具有十分重要的意义。

海上油气平台是一种特殊形式的综合能源系统，对供电可靠性要求较高，平台主要用电负荷均为一级和二级负荷，但考虑到投资成本，目前平台间多采用单回海缆组成的“链式”和“辐射式”电网；平台“源网荷”高度一体化，由于海上油气平台空间紧张，多台发电机组共用一条母线的情况较为常见，且直供大负荷较多；平台多为“多机小网”“大负载小网”；海上油田微电网机组的单台机组容量在总容量中占比较大，部分平台单台机组负载相对总容量占比较高，设备启停会对电网产生一定冲击［1］；平台用能品类多，具有不完全综合能源系统特性；一次能源来源单一，主要为天然气或原油，电、热、气多种能源耦合特性为单向传输，表现为非典型不完全独立的综合能源系统特性。

当前海上多平台互联电力系统普遍面临以下挑战：海上油田电网多为链式和辐射式网络结构，系统结构薄弱，冗余性差，缺乏有效的调控与缓冲环节；故障耐受能力低，透平发电机组故障或大设备启停对系统冲击大，控制与保护手段单一，自愈能力差；设备运行环境复杂、故障损失大，发电机、变压器、海缆等关键设备面临高湿、高温、高盐分的复杂运行环境，故障排查、修复时间长，造成停产损失高；能源缺乏高效利用，现有多能系统相互独立，多能源互补及替代困难，多能协调优化调控技术手段有限［2］。

当前海上油气平台的能效研究几乎空白，本文对平台用能特性进行了分析，绘制了某油气田的能流图，并分析了平台电、热、天然气的来源，主要负荷设备，月度年度变化特点以及相应的影响因素等，以此为基础介绍海上油气平台。此外还需实现负荷功率预测，为后续工作提供数据支撑，根据给出的用能特性与海上油气平台特点，本文给出了不同种类负荷的预测方法和建议。

系统建模是仿真的基础。一般地，陆地电力系统中对能源耦合设备的建模通常需要结合工作原理对设备的数学建模机理进行分析。而海上油气平台大量工作环节包含天然气，且工况复杂恶劣，设备故障频率高，所以对建模精度提出了较高要求。此外，当前海上油气平台数据获取有一定难度，基于设备的数学建模机理在此类平台上并不适用，因此海上油气平台对于能源耦合设备的建模更强调设备的输入-输出关系与对实测数据准确性的要求，以贴合优化调度的实时需求。本文研究了海上能源耦合设备输入-输出模型的建模方法，建立符合海上油气平台能源系统特质及需求的能效评估方法，为综合能源优化调度及综合能效提升提供边界条件与目标，进而设计优化调度方案，切实提高整体海上油气平台的综合能效。

在综合能源系统的能效评估问题上，国内外学者不断提出新的尝试，但目前仍未建立统一的方法。本文结合海上油气平台实况，给出一种综合能源系统能效评估体系，为海上油气平台的能效评估工作提供了参考，并给出了几种提升海上油气平台能效的方法。

1 用能特性分析与负荷预测方法

1.1 用能特性

海上油气平台是一个典型的独立综合能源系统，“源网荷”综合协调优化对于平台实现经济、高效运行具有重要意义。石油、天然气是海上油气田的主要产品，也是维持其正常运行的主要一次能源；平台上电能、热能是利用石油、天然气转化的二次能源，作为主要的直接能源维持海上油气田的正常运行。机采系统、油气处理系统、外输系统、注水系统和维持平台运行必需的公用系统是海上油气田的主要负荷。根据能源性质，海上油气平台包含电力网、天然气网和热网。电力网主要包括平台内部供配电系统及平台间的输变电系统，天然气管网主要由压缩机、海底管线和平台内部管线组成，热网主要由平台管线和循环泵组成［3］。某油气田的能流分布示意如图1所示（CEP为中心平台，WHP为井口平台）。图中展示了平台部分能量转换设备及天然气与电能、热能的转换、利用过程，通过此图可以初步了解海上油气平台的工作机理。

海上油气平台主要利用燃气轮机发电，平台电负荷较多，包括重要的油气开采设备（电潜泵等）、油气处理设备（传输泵、压缩机等）、电伴热系统、注水系统、公用系统（生活楼宇等）、随机负荷（吊机、修井机等）。海上油气田属于连续生产单元，月度电负荷变化整体较平稳，当日负荷变化主要与油田管理制度和生产安排有关。某油田日用电量变化曲线如图2所示，3条曲线对应不同的管理制度与生产安排，由此可见日负荷变化较大，需要结合实际情况进行分析预测。油田用电量随着油田产液量的增加而增加，随着气温升高及产液含水率的升高而降低，油田事故停产也会导致用电量减少［4］。

图1 某油气田能流分布Fig.1 Energy flow distribution of an oil and gas field

天然气来源于开采石油的伴生气和天然气井，负荷主要为燃气透平发电机组、热介质锅炉和少量燃气发动机驱动压缩机。海上油气平台生产的天然气往往超出自身所需，如果平台在近海，可将天然气通过管道外输；如果在远海，可将天然气压缩存储后通过专用的天然气运输船运输。在外输量不足的情况下，为保证平台安全，将对天然气进行放散燃烧［5］。天然气外输量季节性变化不明显。我国是天然气进口大国，海上油气平台的发展与天然气运输技术的进步对解决我国能源问题具有重要意义。

图2 某油田日用电量变化曲线Fig.2 Daily electricity consumption curve of an oil field

海上油气平台的热能来自燃气锅炉与燃气透平发电机组的余热回收装置。油气田主要耗热设备为原油加热器、天然气加热器及少量燃气、注水、化学药剂等加热器［6］。热负荷年变化与季节相关，石油凝固点较高，正常运输需要合适的温度，因此外界温度对于平台热负荷具有较大影响。同时，热负荷随着油田产液量降低而降低；由于油的比热小于水，随着含水率升高，油田热负荷也相应增加；另外，由于中央控制系统对原油加热器出口原油配置了自动温度控制装置，产液温度对热负荷也有一定影响。

1.2 负荷预测方法

负荷预测是平台能量管理工作的先决条件。目前已有很多成熟的负荷预测方法，如回归分析法［7］、时间序列法［8］、指数平滑法［9］、灰色预测法［10］等。随着预测难度不断加大，很多智能预测方法，如基于长短期记忆-奇异谱分析的电力负荷预测法［11］、人工神经网络（ANN）技术［12］、模糊逻辑技术［13］、小波分析技术［14］、基于智能特征选择和参数优化的支持向量机混合负荷预测模型［15］、支持向量机预测技术［16］、专家系统预测法、组合预测技术等不断衍生出来。但上述方法多用于陆地负荷预测，目前海上油气平台缺乏专门的能源管控措施，负荷预测主要根据油田操作和管理人员简单预判，没有专门的针对海上油气平台的负荷预测方法。本文根据海上油气平台的特点给出电负荷和天然气负荷预测方法，见表1—2。

表1 电负荷预测方法Tab.1 Electric load forecasting method

海上油气平台主要热负荷为原油加热器，较为单一，除与中心平台通过栈桥连接的井口平台外，各平台间关联性差，但由于热负荷数据均为手工记录，数据可靠性较差，建议采用模糊神经网络法对各中心平台热负荷进行预测。

2 高精度海上油气平台电-气-热耦合系统建模方法

对平台设备建模是进行仿真、潮流计算、平台能效提升模拟等工作的基础。海上油气平台包含大量耦合设备，目前多能源耦合交互的数学建模方法主要分为物理建模、系统辨识、机理和试验结合几种方法。其中，物理建模是通过分析系统的工作机理，基于质量平衡和能量平衡等关系，舍弃次要因素，突出模型的主要特征，得出较为精确的物理模型。机理和试验结合指首先对系统的运行过程从建模机理的角度进行分析，确定模型的基本结构；其次通过试验数据确定或修正模型的参数。系统辨识指估计模型的结构，通过输入、输出数据对假定结构的各参数进行估计，然后选取最优结果作为相应的结构参数。该方法避免了传统建模方法通过机理分析得到复杂模型的过程，同时克服了传统建模方法所得复杂模型不能直接用于特性分析和优化设计的缺点，适用于建模机理结构复杂、输入和输出训练数据充足的多能源耦合元件建模。

表2 天然气负荷预测方法Tab.2 Natural gas load forecasting method

但考虑到几种能源具有不同的惯性时间常数，如何将电能、天然气、热能统一在一个系统中分析仍是当前的难题。有学者提出综合能源系统分析的统一能路理论，将气路、热路仿照电路变换，结合在一个系统中分析，奠定了多异质能流在多时间尺度上统一分析的应用基础［17］。

对于常规机组，结合其工作原理对设备的数学建模机理进行分析，将模型的稳态特性用代数方程进行描述，可以得到设备的数学模型。该方法避免了能源耦合元件复杂结构对建模的干扰，从质量、能量平衡的角度突显模型的本质。但当前海上综合能源系统建模几乎空白，海上油气平台大量环节包含天然气，且工况恶劣多变，检修、故障停机等情况出现的概率高，所以采用基于输入-输出关系的能源转换模型更符合实际情况。该模型结构简单，计算速度快，收敛性好，更适用于在线计算。在海上油气平台的实际运行中，能够采集到的数据大多为已知的测量数据，基于输入-输出关系的能源转换模型主要考虑耦合设备单元的输入-输出关系，无须深入了解系统内在机理，只需系统输入、输出数据即可建模。能源耦合元件在海上油气平台综合能源系统的生产、传输和使用等环节中，将电能、热能、天然气等多种能源进行耦合，各能源耦合设备单元模型的建立为海上油气平台综合能源系统的建模工作提供了能源交互的前提［18］。通过建立多输入、多输出的耦合能量模型厘清海上油气平台能源种类及交互方式，这对后续海上油气平台能效提升工作有一定启发作用。能源耦合设备输入-输出模型建模方法如图3所示。

图3 能源耦合设备输入-输出模型建模方法Fig.3 Modeling method for an input-output model for energy coupling equipment

3 海上油气平台综合评价指标体系与能效评估方法

综合能源系统是一个涉及多环节、多能源耦合的复杂系统，目前学术界还没有建立起公认的综合能源系统能效计算方法。海上油气平台实质上是一个规模较小的综合能源系统，本本提出一种基于组合赋权的海上油气平台综合能效评估方法。

3.1 综合评价指标体系

为了更好地分析海上油气平台整体用能特性，以对其改造建设、优化调度等提出建议，需全面考虑系统可靠性、经济性因素，建立海上油气平台能效综合评价指标体系。文献［19］建立了针对输电网规划方案的安全（S）、能效（E）和全寿命周期成本（LCC）指标体系的评价模型，采用模糊层次分析法对安全-能效-成本（SEC）各指标进行评价。文献［20］在变电站配电装置设计方案的研究与比选过程中，考虑设计方案的安全与能效因素，基于所提出的SEC 评估方法对某220 kV 变电站工程中船舶自动识别系统（AIS）和户外地理信息系统（GIS）2 种设计方案进行比选，验证了其有效性和准确性。

基于SEC 指标建立的综合评价指标体系在电力系统中已得到广泛应用，并展现了较高的准确性。本文根据海上油气平台实况，建立基于SEC 指标的能效评估体系，并对其中的具体指标定义做适应性调整，使其体现海上油气平台实际生产运营情况。这种方法实质在于以资产全寿命周期管理为基础，通过对资产的安全、效益、周期成本进行综合分析，在确保系统安全可靠运行的同时，提高海上油气平台的能源质量与使用效率，优化全寿命周期成本，促进三者之间的综合平衡和有机统一，提高平台能源利用水平。SEC海上油气平台综合评价指标体系如图4所示。

图4 SEC海上油气平台综合评价指标体系Fig.4 SEC comprehensive evaluation indicators for offshore oil and gas platforms

3.2 综合能效评估方法

传统能源系统综合评价研究在确定指标权重时，大多采用单一赋权法，或仅考虑主观权重（如专家会议法、层次分析法等）或客观权重（如主成分分析法、熵权法、因子分析法等），而未能将主、客观权重结合。为避免主观偏好造成的评价结果随意性及客观信息同等化处理导致的权重系数不合理现象，对于实际的平台一般采用主、客观结合的方法。决策试验和评价实验室（DEMATEL）方法［21］是一种针对社会经济系统问题的复杂因素分析算法，熵权法是一种较为经典的客观赋权方法。本文给出一种基于组合赋权的综合评估方法：分别利用DEMATEL 方法和熵权法确定指标的主观权重和客观权重；利用乘法归一化方法计算指标的组合权重；最后结合指标值进行综合评分。海上多平台互联电力系统SEC 多指标综合能效评估方法流程如图5所示。

图5 SEC多指标综合能效评估方法流程Fig.5 SEC multi-indicator comprehensive energy efficiency evaluation process

4 海上油气平台能效提升方法

结合前文提出的能效评估方法，平台能效提升工作需考虑以下几方面：对海上油气平台电力系统进行结构优化，提升可靠性；减少透平发电机组启停，降低其消耗；采用透平发电机组辅助柔性控制技术，提高机组的柔性控制能力；降低机组的热备用，提高机组运行效率；监视压缩机故障情况，做好压缩机运行监控和故障预警，减少压缩机故障；对负荷及关键设备进行节能改进。

4.1 减少透平发电机组启停

海上油气平台电力系统的透平发电机组和变压器均在封闭环境中工作，引起设备故障的原因主要是设备老化。从透平发电机组发生故障至倒换机组运行的过程中，会导致天然气放散，从而导致系统能效降低。此环节改善将有利于系统整体能效的提升。

4.2 采用透平发电机组辅助柔性控制技术

海上油气平台大都采用透平发电机组作为主要电力供应，但透平发电机组的工作效率会随着负荷下降而下降。在50%负荷时，透平发电机组的效率会下降5%～7%，空载时燃气消耗量最大。因此在能量管理控制策略中，考虑控制透平发电机组在其最佳负荷区域运行，通过增减运行机组的数量来保证电力供应的需求。

4.3 减少压缩机故障

压缩机作为伴生气处理过程中的重要环节，出现故障会导致伴生气处理量降低，无法处理的天然气将直接放散，产生较大损失。在实际运行中，因压缩机故障导致的天然气放散量巨大，这部分天然气的充分利用对提升平台综合能效具有重要意义。平台应加强压缩机故障管理，缩短压缩机故障维修时间［22-25］，尽可能减少故障导致的天然气消耗。此外，可通过制定应急预案，应对海上天然气运输管道、下游终端等设备故障。当设备和海上天然气运输管道故障时，能快速启动能源应急预案，充分发挥平台群的联动，实现气井快速调节，以及气管网负荷向其他平台的快速转移。

4.4 负荷及关键设备的节能措施

油田的主要耗能集中在采油、原油处理、注水、电伴热等环节上，这些是节能重点关注的地方。例如海上油气平台普遍存在离心泵调节频繁的问题，建设较早的平台一般未能实现离心泵一对一变频，其频率调节相对滞后，会造成频率不匹配，从而影响其在经济区间内运行。但随着变频器成本下降，且变频调产的优越性逐步得到国内外各油田的认可，相关设备的频率设定与调节得到优化，进而达到节能的效果。

5 结束语

随着我国经济发展不断加快，能源的需求量也不断增加。我国是天然气、石油进口大国，而海上油气平台的发展可有效缓解我国能源危机，推动我国更快更好发展。本文探讨了海上油气平台的用能特性与负荷预测方法，介绍了平台电-汽-热耦合系统的建模方法，并在此基础上提出了符合实际情况的平台能效评估方法和提升方法，为解决海上油气平台能效提升问题提供了新的思路。