海上油田设备设施智能化管理研究

张 叶

中国海洋石油国际有限公司 北京 100028

海上智能油田建设的总体目标是通过提高海上平台的生产监测和优化控制能力，对开发生产全过程进行实时监测、预警诊断、主动优化、远程操控、协同运营和辅助决策，实现一体化智能管控[1]。海上油田开发生产涉及不同类型的设备设施，受到空间局限影响，其管理相比陆地油田的难度更大。通过海上智能油田建设设备设施管理，可以有效较少海上平台操作人员数量，降低设备设施故障发生率，为海上油田高效顺利开发生产提供有效保障。

1 概述

设备设施管理智能化是海上油田智能化建设的重要内容之一，具体包括设备健康管理、检验维修管理、海管运维管理、海缆状态管理、库存管理等，详见图1。海上油田设备设施管理智能化在引进动、静、电、仪、控几大类设备智能化管理新技术的同时，通过三维可视化、二三维联动贴近油田现场工作实际，为油田各类设备设施的数字化管理、运行状态监测、预警报警分析、综合诊断评估提供全面化、可视化、一体化、智能化的管理手段[2]。设备设施管理智能化在实现电气设备监测等智能化功能的同时，通过本地化数据接入、后端前端微服务集成与调试、业务功能集成，形成面向用户的功能，提升设备管理的便利性。

图1 海上油田智能化建设设备设施管理框图

2 海上智能油田设备设施管理具体内容

2.1 动设备监测

动设备监测的主要功能包括两个方面：一是具备设备振动异常智能诊断功能，能够自动诊断振动异常的原因，为设备故障处理提供判别依据；二是掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生。以注水泵为例，通过设备监测，将注水泵状态监测、故障诊断信息进行统计分析和定位过滤，最终实现故障统计和预警推送，通过设施设备关联展示实现数据信息对象的精准定位，让数据更加高效准确的服务于用户，详见图2。

图2 注水泵设备监测流程图

2.2 静设备管理

静设备管理的主要功能包括两个方面：一是通过导管架阴极保护监测系统对导管架阴极保护系统的Ag 电极处电位、Zn 电极处电位、保护电流进行监测；二是通过超声波无线无源壁厚监测系统对工艺管线、压力容器的壁厚进行监测。监测值超过设定值时，系统会发出预警。设备健康管理系统在运行过程中积累了大量的数据，通过调用静设备健康管理系统中的静设备故障分析数据，可以管理静设备失效模式（局部腐蚀、均匀腐蚀、冲蚀等）、明确失效因素（硫化物开裂、微生物腐蚀、CO2腐蚀等），以及建议检验的重点部位（应力集中部位、紧固件部位、焊缝区、水相涂层破损处等），并设定检验有效性级别和检验方法等，显著提升静设备管理质量和效率，确保各项静设备安全平稳运行。设备管理内容见图3。

图3 静设备管理内容示意图

2.3 电气设备管理

电气设备管理通过整合变压器、海缆等各类在线监测系统数据，建设统一、智能化的电气设备监测诊断中心，反映设备健康状态的特征参数，评价设备当前健康状况，预测缺陷发展趋势，以实现海上油气田主要电气系统及设备的实时数据采集和监测。通过可靠的数据管理方法，利用多种高效的数据分析方法，实现电气系统及设备的一体化管理、状态评估、故障诊断、故障预警和风险评估等，为海上油气田生产以及运维决策提供有效支持。电气设备管理示意图如图4 所示。电气设备管理人员通过对各种监测信息、实验信息和基本信息的综合考虑，最终对电气设备状态进行评估，将评估结果划分为正常、注意、异常和严重四个等级，基于不同等级采取不同的应对措施。

图4 电气设备管理示意图

2.3.1 主要功能

电气设备管理的主要功能包括三个方面：

（1）实现对变压器的故障诊断功能，包含局部放电诊断、振动信号诊断功能；

（2）基于布里渊散射的光时域反射法(BOTDR)实现对海底电缆光纤温度的监测，结合光时域布里渊散射光纤传感器实现对海底电缆温度、应变的实时监测；

（3）主动对设备周围或内部空气进行采样探测，如果发现烟雾颗粒，立即定位并发出报警。火情发展的不同阶段（不可见烟阶段、可见烟阶段、可见火光阶段和剧烈燃烧阶段）对应不同的报警等级，并用红、橙、黄、蓝四色标注。

2.3.2 重点关注内容

（1）高压电机局放监测：系统能够实时监测电机局放信息，提早发现重大资产旋转设备的定子绕组绝缘是否老化，以及老化严重程度，避免电机因为绝缘失效导致突发性故障。同时大电机增加一个视野角度来判断发热、振动等是电气还是机械原因所致。

（2）GIS 状态监测：监测系统能够自适应实时获取GIS 的局部放电信息、SF6、微水含量等作为综合特征量，利用多源信息融合的方法对GIS 的运行状态进行综合量化评估与故障诊断分析。同时结合不同部件的影响程度，得出GIS 设备整体健康状态等级，并智能推荐维修决策。

（3）中高压配电盘绝缘监测：监测系统通过实时采集所监测母排的对地绝缘电阻值，监测数据通过内置算法，进行阈值比较。若低于所设最低阈值，则判定为绝缘故障，系统发出告警信息，绝缘故障定位仪发射定位电流、定位故障支路，在线监测系统显示具体的故障支路位置，并提醒检修人员检修。

（4）低压配电盘在线监测：利用安装在配电柜红外测温仪对配电柜温度实时监测，进行阈值判断，从而感知当前配电盘的温度状态。针对柜内已经存在的异常温升问题，进行实时报警，提示工作人员及时进行检修，保证配电柜正常运行，提高供电的可靠性。

2.4 电力容量分析

利用在线数据，进行潮流分析与短路计算，获得各系统与设备的额定裕量与短路裕量，辅助判断平台新增用电设备的供电可行性，为在役油田滚动开发与区域联产可行性提供供电方案的理论依据。具体应用场景包括调度需求、启动大电机、电网规划等。在调度需求方面，利用在线数据，预测仿真计算即将投入运行的工况和发电机出力，实现在线决策支持。在启动大电机方面，加入即将启动大电机模型及接入点位置，仿真大电机启动时电网的电气量特征，判断大电机能否接入，以及接入后对电网的冲击会不会导致溃网。在电网规划方面，在区域油田滚动开发后期因不断有新的负荷平台接入，此时需要对负荷接入点进行全面评估，同时加入保护限值的评估，保护报警。

2.5 电气系统监测

建设海上电网全方位的实时监测功能，实现发电机运行状态、潮流分布、电压降预警、负荷逻辑卸载(优先脱扣)等信息的集成显示，满足生产操控中心掌握海上电网的运行情况和远程决策的需要。电气系统监测的主要功能是进行不良数据辨识预警，对CIM 模型解析，并与量测值文件关联。在静态断面的基础上系统即可进行潮流计算和最优潮流计算，生成最优潮流的控制信息指导系统的运行，达到智能控制的目标，详见图5。

图5 电气设备监测功能架示意图

2.6 智能仪表管理

智能仪表管理（AMS）是集成智能仪表、调节阀、关断阀的实时信息，对智能仪表及控制阀门进行在线诊断和预防预测性维护，提高智能仪表阀门的可靠性和可利用率，避免仪表阀门故障引发的非计划停机，优化备品备件的储备和使用[3]。智能仪表管理的主要功能包括四个方面：

（1）智能仪表统计，统计资产类型分布、实时报警分布及风险资产占比；

（2）智能仪表综合评价，通过获取的实时报警监测信息，建立设备健康状态综合评估模型，整体评估智能仪表的健康状况；

（3）实时报警监测，实时监控现场智能仪表的报警诊断信息，并提供报警处理的维护指导建议；

（4）报警历史追踪，追踪单个智能仪表具体报警时间、原因，并进行分析，让操作者了解更多报警细节，为故障分析及管理决策提供依据。

2.7 中控健康管理

中控健康管理主要为系统硬件诊断和软件组态管理，实现中控系统的智能预警和综合性诊断，评价中控系统当前的健康状况，实现中控系统预防预测性维护和健康管理。中控健康管理的系统功能包括四个方面：

（1）中控系统组态数据库解析；

（2）实时采集中控系统诊断信息；

（3）诊断数据驱动预防与预测性维；

（4）数据库修改跟踪。

通过中控健康管理，可以实现对工作站状态、控制器、IO 卡件、SIS Logic Slover、电源系统和工作温度等多状态的感知。此外，还可以对中控设备级报警故障率进行统计，进而深入挖掘运行负荷、工作温度等与故障发生率之间的关系，为中控健康管理提供依据，有效降低故障发生率。

3 结语

海上智能油田设备设施管理主要为利用三维模型，实现生产设施的设计辅助、施工模拟、空间干涉、路径规划；通过集成各类设备设施的监测系统，实现设备数据完整准确共享；通过建立设备健康分析模型和故障诊断模型，实现设备预测性维修和库存科学管理。以上在对海上智能油田设备设施管理进行概述的基础上，重点对设备设施管理具体内容进行论述，以期为海上智能油田设备设施管理提供借鉴。