付勃昌，李 季，鄧 銳，王 飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

為積極響應(yīng)國家節(jié)能減排政策要求，中國海洋石油集團(tuán)有限公司要求新建項(xiàng)目要建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，已有項(xiàng)目要逐漸完善，并于2018 年發(fā)布了《海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)指南》?；谏鲜鲆螅瑫r(shí)為了建設(shè)一套適合海上油氣田的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，需要做到以下三點(diǎn)：一要深刻理解建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的目的和意義；二要結(jié)合海上油氣田自身生產(chǎn)狀況，掌握能耗監(jiān)測的切實(shí)需求；三要考慮海上油氣田未來智能化發(fā)展的需求。陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是按照“整體規(guī)劃、資源整合、安全適用”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌的，滿足當(dāng)前海上油氣田的生產(chǎn)狀況和上級(jí)單位對(duì)能源管控的相關(guān)要求，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括計(jì)量儀表配備、數(shù)據(jù)采集與傳輸、系統(tǒng)架構(gòu)與安全，以及系統(tǒng)功能這幾個(gè)部分。

1 計(jì)量儀表配備

目前，海上油田能源計(jì)量的一級(jí)計(jì)量儀表較為完善，二級(jí)計(jì)量儀表配備率有一定缺失，三級(jí)計(jì)量（設(shè)備級(jí)）儀表較少，難以對(duì)單臺(tái)設(shè)備能耗及能效進(jìn)行監(jiān)測。陸豐油田按照《海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)指南》中對(duì)能耗/能效參數(shù)監(jiān)測范圍的要求，在常規(guī)工藝流程圖的基礎(chǔ)上，合理選取監(jiān)測點(diǎn)，完善計(jì)量儀表。其中，對(duì)于可以通過其它計(jì)量數(shù)據(jù)間接獲得的能耗/能效數(shù)據(jù)，對(duì)其計(jì)量儀表也進(jìn)行了合理取舍。能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，除了考慮能源總消耗量外，為了深入挖掘節(jié)能點(diǎn)，還需進(jìn)一步完善大型設(shè)備的計(jì)量條件，做到設(shè)備的能耗和運(yùn)行效率在線監(jiān)測。陸豐油田重點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備/系統(tǒng)在線監(jiān)測計(jì)量儀表配備要求見表1。

表1 陸豐油田重點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備/系統(tǒng)在線監(jiān)測計(jì)量儀表配備要求[1]Table 1 Requirements for online monitoring and measuring instruments of key monitoring equipment/system in Lufeng oilfield[1]

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

2.1 在線直接采集

在線直接采集應(yīng)充分考慮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)和現(xiàn)有設(shè)備/系統(tǒng)的整合，從不同渠道獲取能耗/能效數(shù)據(jù)。目前，海上油氣田主要有兩大監(jiān)控系統(tǒng)：DCS 和PMS 系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)生產(chǎn)和電源的監(jiān)測與控制。通過完善計(jì)量儀表的配備，增加DCS 和PMS 系統(tǒng)對(duì)能耗/能效數(shù)據(jù)的采集，間接地將數(shù)據(jù)傳輸至能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)和上級(jí)單位如圖1 所示[2]。

為保障系統(tǒng)間無縫連接、數(shù)據(jù)快速傳輸，需合理選擇數(shù)據(jù)采集與傳輸協(xié)議。對(duì)比當(dāng)前海上油氣田現(xiàn)狀，圖1 所示的數(shù)據(jù)采集與傳輸流程，在DCS 和PMS 系統(tǒng)以下，其數(shù)據(jù)傳輸鏈路沒有改變，且傳輸協(xié)議仍以常規(guī)的4mA～20mA 模擬量信號(hào)和Modbus 通訊為主，不但降低了底層能耗數(shù)據(jù)采集的成本投入，而且使得底層能耗數(shù)據(jù)傳輸建立在了可靠且應(yīng)用廣泛的通訊鏈路基礎(chǔ)之上。而DCS和PMS 系統(tǒng)以上的系統(tǒng)間通訊，選擇了OPC 協(xié)議。OPC協(xié)議可以為工業(yè)控制領(lǐng)域提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的幾大優(yōu)勢(shì)。目前，OPC 協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)大多數(shù)設(shè)備/系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，通過采用OPC 協(xié)議，不僅使能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的任何客戶端可以與不同系統(tǒng)的服務(wù)器連接，形成統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和即插即用的互操作性，而且還能夠讓任何基于OPC 標(biāo)準(zhǔn)的第三方設(shè)備/系統(tǒng)無縫接入平臺(tái)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的所有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，為海上油氣田數(shù)字化、智能化發(fā)展需求提供了便利接口。

圖1 陸豐油田能耗/能效數(shù)據(jù)采集與傳輸流程圖Fig.1 Flow chart of energy consumption/ energy efficiency data acquisition and transmission in Lufeng Oilfield

2.2 人工填報(bào)

部分能源品種能耗量、產(chǎn)品產(chǎn)量、部分能效指標(biāo)等無法通過在線直接采集方式獲得的企業(yè)，應(yīng)通過人工填報(bào)的方式，由相關(guān)人員直接向系統(tǒng)平臺(tái)填報(bào)數(shù)據(jù)[1]。比如在計(jì)算燃?xì)馔钙?原油發(fā)電機(jī)組效率時(shí)，就需要定期進(jìn)行燃料的組分測量，人工輸入熱值，結(jié)合燃料消耗和發(fā)電量計(jì)算獲得機(jī)組效率。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與安全

海上油氣田通常以平臺(tái)群的形式存在，每個(gè)平臺(tái)在平臺(tái)群所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧约八鼈冎g的通訊關(guān)系將影響整個(gè)平臺(tái)群系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此，必須從整體考慮其系統(tǒng)架構(gòu)的適用性和安全性。

1）陸豐油田新建平臺(tái)包括一座中心平臺(tái)（可通過衛(wèi)星對(duì)地通訊）和一座井口平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)通過海底光纜通訊。未簡化系統(tǒng)流程，由中心平臺(tái)集中管理兩個(gè)平臺(tái)的能耗/能效數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一傳輸至上級(jí)單位。陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

①在井口平臺(tái)部署智能儀表采集設(shè)備、網(wǎng)路交換機(jī)、工作站。智能儀表負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過DCS 系統(tǒng)和PMS 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至中心平臺(tái)的能源管理服務(wù)器。運(yùn)行人員通過工作站進(jìn)行系統(tǒng)的訪問和應(yīng)用。

② 中心平臺(tái)比井口平臺(tái)多部署一套服務(wù)器，集中管理兩個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并提供應(yīng)用訪問。

③上級(jí)單位與中心平臺(tái)部署的硬件基本相同，但同時(shí)會(huì)接入多個(gè)其它油田群的中心平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析。

2）在建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)之前，海上油氣田的信息網(wǎng)絡(luò)比較封閉，基本處于“信息孤島”的狀態(tài)，而能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)改變了這種局面。由于能耗/能效數(shù)據(jù)最終被傳輸至上級(jí)單位，這就使得平臺(tái)上的DCS 和PMS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間接地與陸地辦公網(wǎng)絡(luò)連接在一起，增加了受到網(wǎng)絡(luò)攻擊而導(dǎo)致停產(chǎn)事故的風(fēng)險(xiǎn)。為此，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)按照網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0（等保2.0）的要求，引入了安全區(qū)域邊界的設(shè)計(jì)思路。如圖2 所示，在DCS 和PMS兩大關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出口以及平臺(tái)與陸地通訊數(shù)據(jù)出口分別設(shè)置了界面防火墻和IT 防火墻，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)安全隔離，為網(wǎng)絡(luò)上的關(guān)鍵系統(tǒng)提供了多重防護(hù)。通過增加符合等保2.0 要求的網(wǎng)絡(luò)安全硬件以及不斷完善網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制和黑白名單，該系統(tǒng)可以做到整體防御、分區(qū)隔離；積極防護(hù)、內(nèi)外兼防；自身防御、主動(dòng)免疫；縱深防御、技管并重。

圖2 陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Energy consumption online monitoring system architecture of Lufeng Oilfield

4 系統(tǒng)功能

4.1 設(shè)計(jì)思路

1）鑒于該系統(tǒng)為海上平臺(tái)首次應(yīng)用，且平臺(tái)上能耗/能效數(shù)據(jù)獲取較難、生產(chǎn)工藝單一及安全需求等特點(diǎn)，海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能以能源數(shù)據(jù)的監(jiān)測和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)為主，但要輔以能耗的深入分析功能，如能耗數(shù)據(jù)異常管理、設(shè)備效率異常監(jiān)控、能源指標(biāo)跟蹤、能源績效評(píng)估等。這些功能為能源管理工作提供指導(dǎo)建議，提升系統(tǒng)的有效性和及時(shí)性。

2）系統(tǒng)功能應(yīng)該針對(duì)不同層級(jí)的崗位進(jìn)行角色劃分，改變現(xiàn)階段能源管理以統(tǒng)計(jì)和上報(bào)數(shù)據(jù)為主的模式。

①現(xiàn)場：需要實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和能耗異常管理。

② 陸地：實(shí)現(xiàn)能源計(jì)劃（定額）管理、能源指標(biāo)跟蹤、能源統(tǒng)計(jì)分析等；實(shí)現(xiàn)能源效率監(jiān)測、能源實(shí)績管理、能源績效評(píng)估和考核等功能。

3）結(jié)合能源管理體系，體現(xiàn)全員參與，實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管理的目標(biāo)。

4.2 陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

陸豐油田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以多維度能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)能耗統(tǒng)計(jì)、能效對(duì)標(biāo)和設(shè)備效能分析等功能，從時(shí)間和空間的角度進(jìn)行多樣化能效數(shù)據(jù)展示和分析。系統(tǒng)功能涉及監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、對(duì)標(biāo)、分析、預(yù)警、預(yù)測等方面，在滿足能效管理系統(tǒng)建設(shè)指南的基礎(chǔ)上，盡可能地貼合海上油氣田的特點(diǎn)。主要功能如下：

1）采用多種先進(jìn)的Web 展示技術(shù)，從時(shí)間和空間的維度進(jìn)行整個(gè)油氣田能效數(shù)據(jù)的立體化展示。

2）可進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的展示、統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比和分解等功能，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

3）通過統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)，然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算能效指標(biāo)。系統(tǒng)展示能效指標(biāo)的同比和環(huán)比數(shù)據(jù)，并能與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行跟蹤對(duì)標(biāo)。

4）從節(jié)能、排放、產(chǎn)能、效率等幾個(gè)方面進(jìn)行生產(chǎn)單元的能效綜合評(píng)價(jià)，用戶可以自定義各因素的權(quán)重來修正能效評(píng)價(jià)值。

5）根據(jù)作業(yè)公司—作業(yè)區(qū)塊—平臺(tái)—關(guān)鍵耗能設(shè)備進(jìn)行能效數(shù)據(jù)（能耗數(shù)據(jù)）的樹形分解，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)能耗問題，并將查詢結(jié)果導(dǎo)出。

6）用戶可獲取關(guān)于關(guān)鍵耗能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和效能數(shù)據(jù)，通過選擇時(shí)間段，可進(jìn)行設(shè)備能效匯總統(tǒng)計(jì)。

7）基于各作業(yè)單元的油氣當(dāng)量，可分別計(jì)算能耗桶油成本和生產(chǎn)桶油成本。

8）通過專業(yè)的電力測量儀表，進(jìn)行用電側(cè)（400V 母線）的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

9）通過歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)擬合產(chǎn)量和負(fù)荷的關(guān)系，再結(jié)合油藏?cái)?shù)據(jù)來完成未來10 年的負(fù)荷預(yù)測。

10）將能源的輸入、傳輸、轉(zhuǎn)化、分配和終端使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和換算，進(jìn)而繪制能流網(wǎng)絡(luò)圖。

11）通過日歷形式直觀展示所選區(qū)域的能耗情況，越限值會(huì)有特殊顏色標(biāo)識(shí)，用戶能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)能耗點(diǎn)。

12）能耗報(bào)表以時(shí)間、位置、指標(biāo)為基本統(tǒng)計(jì)維度，用戶查詢報(bào)表后，可以進(jìn)行報(bào)表的導(dǎo)入和保存。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段海上油氣田能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)還是以能耗的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)為主，用以滿足企業(yè)自身和政府的用能監(jiān)管要求。要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工藝、設(shè)備運(yùn)行等的優(yōu)化作用，還需通過長期的實(shí)踐應(yīng)用推動(dòng)其不斷發(fā)展。相信未來的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)將以能源管控為切入點(diǎn)，有效監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)故障，提升企業(yè)能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平；提升能源數(shù)據(jù)的使用水平，建立能源系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的有效支撐；利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)和控制優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源系統(tǒng)的先進(jìn)控制[3]。