新疆油田能源管控系统的建设

吴早亮 程鸿萱 孙彦峰 贺三 李帅帅 周军

（1.新疆油田公司实验检测研究院（西北油田节能监测中心）；2.西南石油大学石油与天然气工程学院）

新疆油田自1981—2008年实现原油产量连续27 a稳定增长，于2002年原油产量突破千万吨，成为我国西部第一个千万吨级大油田，2021年累计生产原油1 370×104t、生产天然气34.8×108m3，分别超计划12×104t、5.8×108m3，油气当量达到1 647×104t，均创历史之最。新疆油田公司稠油产量比重大，由于稠油油藏地质条件复杂，地层压力低，原油黏度高，开采难度大，导致了超稠油和特稠油单位产品能耗长期居高不下[1]，为了进一步响应集团公司提质增效专项行动的号召，推进能耗精细化管理，公司按照“先试验，后推广”的模式，充分结合数字化油田建设、节能专项投资项目等相关工作，综合考虑能源管理体系、现行的标准、政策和法规，结合新疆油田能源管理制度和业务流程，从基础设施、数据采集、数据库建设、支撑平台、应用功能和信息发布等方面进行能源管控系统的建设工作。

1 框架设计

能源管控是能源统计信息计算和监测的基础，是能源管理和决策的重要工具。近年来，新疆油田致力于推进能源统计科学管理，将分级管理理念植入能源统计。

1.1 能源管控分级

依托《新疆油田公司能源管理体系》，遵循相关标准规范、政策法规，按照公司各项管理制度与业务流程开展能源管控，将能源管控分为计量级、监测级、分析级、优化级4个等级[2]。

1）计量级。按照标准要求，计量级能源计量器具配备应符合GB/T 20901—2017《石油石化行业能源计量器具配备和管理要求》和Q/SY 1212—2009《能源计量器具配备规范》的相关规定。能源管控单元的主要能源实物消耗应分主要生产系统计量，重点耗能设备宜实现单独计量。

2）监测级。监测级在计量级能源管控系统基础上建设监测级能源管控系统，主要开展以下工作：选择能源绩效参数、基础数据处理和远传、能源绩效参数在线计算、设定能源绩效参数基准值、能源绩效参数在线监测和报警以及监测级能源管控信息系统开发。

3）分析级。分析级主要功能是在监测级能源管控系统基础上，主要开展能源绩效参数纵向分析和横向对标，提出节能增效建议[3]。

4）优化级。优化级在分析级能源管控系统基础上，主要开展利用油田地面工程能量系统优化软件及优化运行管理平台，建立主要生产系统如机采、集输、处理及注水等系统的模拟优化模型，在线优化以及优化级能源管控信息平台。

1.2 实施路线

能源管控建设的总体思路为自上而下的管控，通过总体定额管控，通过各系统单耗指标的对比，监测效率的预警，分析存在的问题，指导现场对管控单元进行工况的及时调整，从而实现管控能源绩效指标达标[4]。

能源管控系统建设主要分为基础设施、数据采集、数据库、支持平台、应用系统和信息发布6个部分，能源管控平台建设技术路线见图1。

图1 能源管控平台建设技术路线Fig.1 Construction technology route of energy control platform

2 现场应用

以K联合站为例，位于克拉玛依附近，管辖5个供热站和20个简配站以及3套软化水处理系统，K联合站锅炉产汽系统及水处理系统见图2。根据Q/SY 09004.3《能源管控第3部分油气田技术规范》，锅炉的能源绩效指标包括产汽单耗、软化水处理单耗、吨蒸汽耗气、吨蒸汽耗电和泵效率，为了便于现场参数调控，依据GB/T 31453—2017《油田生产系统节能监测规范》增加过程管控指标，根据现场实际运行经验，确定锅炉的能源绩效指标有锅炉炉体外表面温度、热效率、排烟温度和过剩空气系数[5]。

图2 K联合站锅炉产汽系统及水处理系统Fig.2 Boiler steam production system and water treatment system of K combined station

目前K联合站主要是人工根据运行经验，观察火焰颜色进行燃料量、进风量等工况调节，依照手工报表，定期开展烟气含氧分析、锅炉除灰、定期水质监测等优化工作，处于不完全的计量级水平。补充部分能耗数据采集设施，在现有的基础上完善SCADA系统，开发监测级、分析级和优化级能源管控功能，可实现分析级，部分实现优化级。

在生产集中监控处的机房内，建设一套可以管控46台注汽锅炉的能效管理集控装置模型见图3，该装置可实现监测柱塞泵效、锅炉运行炉效、烟气散热损失占比等功能，结合能效指标、设备老旧等情况，通过相应的模型分析数据，系统判断异常并发送报警提示，装置建设后可实现注气锅炉系统各类能效管控与优化分析功能。

图3 锅炉能效管理集控装置模型Fig.3 Model of boiler energy efficiency management central control device

1）炉效实时监测分析功能。装置内设置的算法与模型可分析出影响炉效不达标的各项因素，针对各项因素指标要求，对于不达标的通过数据分析引发原因，发送报警信息，提示现场用户处理；通过反平衡热效率计算原理，展示分析出影响炉效的因素有排烟热损失、未完全燃烧热损失、散热损失[4]。

2）各设备定水配比燃气优化设置功能。现场调整工况的情况很多，归根结底要做到干度达标前提下，保证炉效使单耗达到最优值；基于定水调火的原则，系统需针对每台锅炉设备的实际情况，配置一定量水对应在运行炉效优良状态的燃气消耗量，即定水燃气配比曲线的生成，装置可根据相关数据分析内容控制燃气量，给出工况调整建议，从而在保障干度、稳定炉效在良好状态，使单耗降下来[6]。

3）燃烧曲线优化设置功能。燃烧器在出厂时有设置一条风气配比曲线，初始风气配比值可能在投产运行中不能适应一些工况的变化，往往都是由厂家对燃烧曲线持续维护，通过现场调整各负荷下的风气配比保证运行良好，这种方式存在最大的问题是时效性慢，不能满足现场工况实时变化的调整需求，而且随着投产时间的长久运行，厂家维护频率也会降低；因此，可通过装置植入运行曲线数据，并对各变化条件下的良好运行工况数据存储，根据厂家燃烧曲线调节数据及结合现场烟气排放数据给出微调建议，针对不同锅炉燃烧器，做出充分的分析计算后，给与配置相应的燃烧曲线及微调范围，以保证给出的优化配置安全合理[7-8]。

4）调火控制流程优化建议功能。现场锅炉运行中，在启动炉子稳定后，可能会是水量波动、天然气量波动、空气温度变化导致干度不合格、燃烧工况变差，装置可根据内部建立的模型提示调火控制流程如何最优操作，同时可结合锅炉燃烧器设备情况，给出燃烧负荷调整操作建议。

5）风门开度调整建议功能。装置可根据锅炉运行状态、燃烧状况以及负荷变化等情况，通过内部模型或算法进行分析后建议现场用户调整风门开度，装置内也设置相应计算原理，充分利用影响空燃比的各类因素的数据，建立模型计算出结果，给出用户风门开度调整建议[9-10]。

3 节能效益计算

按照K联合站2018年产汽357×104t，耗电2 478×104kWh，耗气26 890×104Nm3为基准，吨蒸汽耗气为66.45 Nm3，根据能效监测结果，锅炉热效率达标率仅为64%；吨蒸汽耗电为6.1 kWh。2019年计划产汽量404.66×104t，效益预测曲线见图4。天然气单价1.15元/Nm3，电单价0.679元/kWh。

图4 效益预测曲线Fig.4 Benefit forecast curve

2019年能源管控后，可将该站注汽锅炉热效率达标率由现阶段的64%提高至75%，吨蒸汽耗气下降至66.1 Nm3，则产汽相同的情况下可节约天然气量为141.97×104Nm3；吨蒸汽耗电降到6.05 kWh，则产汽相同情况下可节约电量为29.81×104kWh；节能效益183.51万元。

2020年达到优化级后，在减少人工投入的前提下，可将该站注汽锅炉热效率达标率提高至80%，吨蒸汽耗气下降至65.7 Nm3，则产汽相同的情况下可节约天然气量为161.86×104Nm3；吨蒸汽耗电降到6.0 kWh，则产汽相同情况下可节约电量为20.24×104kWh；节能效益199.882万元。

4 总结

能源管控是针对能源生产、输配和消耗等过程，以自动化、信息化技术为手段，通过能源计量和在线监测，运用对标分析和系统优化的方法，对能源利用实施动态监控和有效管理，以促进能源利用最优化和经济效益最大化。文中分析了能源管控建设的目标，建立了能源管控系统的基本实施路线。以K联合站为例，分析模型数据，可实现注气锅炉系统各类能效管控与优化分析功能。计算了能源管控方案的经济效益，2020年达到优化级后，在减少人工投入的前提下，可将该站注汽锅炉热效率达标率提高至80%，节能效益199.882万元，为企业进行能源管控提供了参考。