海上油气田能耗在线监测系统的设计与探讨

付勃昌，李 季，邓 锐，王 飞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

为积极响应国家节能减排政策要求，中国海洋石油集团有限公司要求新建项目要建设能耗在线监测系统，已有项目要逐渐完善，并于2018 年发布了《海上油气田能耗在线监测系统建设指南》。基于上述要求，同时为了建设一套适合海上油气田的能耗在线监测系统，需要做到以下三点：一要深刻理解建设能耗在线监测系统的目的和意义；二要结合海上油气田自身生产状况，掌握能耗监测的切实需求；三要考虑海上油气田未来智能化发展的需求。陆丰油田能耗在线监测系统是按照“整体规划、资源整合、安全适用”的原则进行设计和统筹的，满足当前海上油气田的生产状况和上级单位对能源管控的相关要求，其系统设计包括计量仪表配备、数据采集与传输、系统架构与安全，以及系统功能这几个部分。

1 计量仪表配备

目前，海上油田能源计量的一级计量仪表较为完善，二级计量仪表配备率有一定缺失，三级计量（设备级）仪表较少，难以对单台设备能耗及能效进行监测。陆丰油田按照《海上油气田能耗在线监测系统建设指南》中对能耗/能效参数监测范围的要求，在常规工艺流程图的基础上，合理选取监测点，完善计量仪表。其中，对于可以通过其它计量数据间接获得的能耗/能效数据，对其计量仪表也进行了合理取舍。能耗在线监测系统的建设，除了考虑能源总消耗量外，为了深入挖掘节能点，还需进一步完善大型设备的计量条件，做到设备的能耗和运行效率在线监测。陆丰油田重点监测设备/系统在线监测计量仪表配备要求见表1。

表1 陆丰油田重点监测设备/系统在线监测计量仪表配备要求[1]Table 1 Requirements for online monitoring and measuring instruments of key monitoring equipment/system in Lufeng oilfield[1]

2 数据采集与传输

2.1 在线直接采集

在线直接采集应充分考虑能耗在线监测系统和现有设备/系统的整合，从不同渠道获取能耗/能效数据。目前，海上油气田主要有两大监控系统：DCS 和PMS 系统，分别负责生产和电源的监测与控制。通过完善计量仪表的配备，增加DCS 和PMS 系统对能耗/能效数据的采集，间接地将数据传输至能耗在线监测系统和上级单位如图1 所示[2]。

为保障系统间无缝连接、数据快速传输，需合理选择数据采集与传输协议。对比当前海上油气田现状，图1 所示的数据采集与传输流程，在DCS 和PMS 系统以下，其数据传输链路没有改变，且传输协议仍以常规的4mA～20mA 模拟量信号和Modbus 通讯为主，不但降低了底层能耗数据采集的成本投入，而且使得底层能耗数据传输建立在了可靠且应用广泛的通讯链路基础之上。而DCS和PMS 系统以上的系统间通讯，选择了OPC 协议。OPC协议可以为工业控制领域提供标准的数据访问机制，具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的几大优势。目前，OPC 协议已经成为工业控制领域内大多数设备/系统的标准配置，通过采用OPC 协议，不仅使能耗在线监测系统网络上的任何客户端可以与不同系统的服务器连接，形成统一的接口标准和即插即用的互操作性，而且还能够让任何基于OPC 标准的第三方设备/系统无缝接入平台现有网络上的所有系统实现数据通讯，为海上油气田数字化、智能化发展需求提供了便利接口。

图1 陆丰油田能耗/能效数据采集与传输流程图Fig.1 Flow chart of energy consumption/ energy efficiency data acquisition and transmission in Lufeng Oilfield

2.2 人工填报

部分能源品种能耗量、产品产量、部分能效指标等无法通过在线直接采集方式获得的企业，应通过人工填报的方式，由相关人员直接向系统平台填报数据[1]。比如在计算燃气透平/原油发电机组效率时，就需要定期进行燃料的组分测量，人工输入热值，结合燃料消耗和发电量计算获得机组效率。

3 系统架构与安全

海上油气田通常以平台群的形式存在，每个平台在平台群所担当的角色以及它们之间的通讯关系将影响整个平台群系统架构的设计。因此，必须从整体考虑其系统架构的适用性和安全性。

1）陆丰油田新建平台包括一座中心平台（可通过卫星对地通讯）和一座井口平台，两个平台通过海底光缆通讯。未简化系统流程，由中心平台集中管理两个平台的能耗/能效数据，并统一传输至上级单位。陆丰油田能耗在线监测系统网络架构如图2 所示。

①在井口平台部署智能仪表采集设备、网路交换机、工作站。智能仪表负责数据采集，经过DCS 系统和PMS 系统将数据传输至中心平台的能源管理服务器。运行人员通过工作站进行系统的访问和应用。

② 中心平台比井口平台多部署一套服务器，集中管理两个平台的数据，并提供应用访问。

③上级单位与中心平台部署的硬件基本相同，但同时会接入多个其它油田群的中心平台的数据进行展示分析。

2）在建设能耗在线监测系统之前，海上油气田的信息网络比较封闭，基本处于“信息孤岛”的状态，而能耗在线监测系统的建设改变了这种局面。由于能耗/能效数据最终被传输至上级单位，这就使得平台上的DCS 和PMS 系统网络间接地与陆地办公网络连接在一起，增加了受到网络攻击而导致停产事故的风险。为此，该系统网络架构的设计按照网络安全等级保护2.0（等保2.0）的要求，引入了安全区域边界的设计思路。如图2 所示，在DCS 和PMS两大关键系统的数据出口以及平台与陆地通讯数据出口分别设置了界面防火墙和IT 防火墙，对关键系统实施网络安全隔离，为网络上的关键系统提供了多重防护。通过增加符合等保2.0 要求的网络安全硬件以及不断完善网络安全机制和黑白名单，该系统可以做到整体防御、分区隔离；积极防护、内外兼防；自身防御、主动免疫；纵深防御、技管并重。

图2 陆丰油田能耗在线监测系统架构Fig.2 Energy consumption online monitoring system architecture of Lufeng Oilfield

4 系统功能

4.1 设计思路

1）鉴于该系统为海上平台首次应用，且平台上能耗/能效数据获取较难、生产工艺单一及安全需求等特点，海上油气田能耗在线监测系统的主要功能以能源数据的监测和自动统计为主，但要辅以能耗的深入分析功能，如能耗数据异常管理、设备效率异常监控、能源指标跟踪、能源绩效评估等。这些功能为能源管理工作提供指导建议，提升系统的有效性和及时性。

2）系统功能应该针对不同层级的岗位进行角色划分，改变现阶段能源管理以统计和上报数据为主的模式。

①现场：需要实现能源数据的实时监测和能耗异常管理。

② 陆地：实现能源计划（定额）管理、能源指标跟踪、能源统计分析等；实现能源效率监测、能源实绩管理、能源绩效评估和考核等功能。

3）结合能源管理体系，体现全员参与，实现能源精细化管理的目标。

4.2 陆丰油田能耗在线监测系统功能设计

陆丰油田能耗在线监测系统以多维度能耗数据为基础，主要实现能耗统计、能效对标和设备效能分析等功能，从时间和空间的角度进行多样化能效数据展示和分析。系统功能涉及监测、统计、对标、分析、预警、预测等方面，在满足能效管理系统建设指南的基础上，尽可能地贴合海上油气田的特点。主要功能如下：

1）采用多种先进的Web 展示技术，从时间和空间的维度进行整个油气田能效数据的立体化展示。

2）可进行能耗数据的展示、统计、同比、环比和分解等功能，实现能耗数据的统计和分析。

3）通过统计某一时间段内的能耗数据，然后依据相关标准计算能效指标。系统展示能效指标的同比和环比数据，并能与预设目标值进行跟踪对标。

4）从节能、排放、产能、效率等几个方面进行生产单元的能效综合评价，用户可以自定义各因素的权重来修正能效评价值。

5）根据作业公司—作业区块—平台—关键耗能设备进行能效数据（能耗数据）的树形分解，可以很直观地发现能耗问题，并将查询结果导出。

6）用户可获取关于关键耗能设备的能耗数据和效能数据，通过选择时间段，可进行设备能效汇总统计。

7）基于各作业单元的油气当量，可分别计算能耗桶油成本和生产桶油成本。

8）通过专业的电力测量仪表，进行用电侧（400V 母线）的电能数据统计和分析。

9）通过历史数据动态拟合产量和负荷的关系，再结合油藏数据来完成未来10 年的负荷预测。

10）将能源的输入、传输、转化、分配和终端使用等环节进行统计和换算，进而绘制能流网络图。

11）通过日历形式直观展示所选区域的能耗情况，越限值会有特殊颜色标识，用户能第一时间发现能耗点。

12）能耗报表以时间、位置、指标为基本统计维度，用户查询报表后，可以进行报表的导入和保存。

5 结束语

现阶段海上油气田能耗在线监测系统还是以能耗的监测统计为主，用以满足企业自身和政府的用能监管要求。要想实现系统对生产工艺、设备运行等的优化作用，还需通过长期的实践应用推动其不断发展。相信未来的能耗在线监测系统将以能源管控为切入点，有效监控，及时发现能源系统故障，提升企业能源系统安全稳定运行水平；提升能源数据的使用水平，建立能源系统对生产工艺系统的有效支撑；利用先进的数据预测技术和控制优化技术，实现对能源系统的先进控制[3]。