油氣田智慧綜合能源管控系統設計

張勝利，王麗娜，唐 濤，朱延慧，趙 非，李一凡，禤 東

1中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術研究院，河北 滄州

2中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司勘探開發研究院，河北 滄州

3中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司生產運行處，河北 滄州

1. 概述

2015 年12 月，中石油集團公司啟動了《能源管控建設指南研究》項目，組織制定集團公司能源管控工作推進意見，重點推進集團公司“十三五”能源管控工作。

能源管控平臺通過實時采集生產系統的主要能源消耗數據，并借助計算機編程等手段，實現能源消耗量的在線統計、歷史數據對比與圖形化展示。國外石油石化行業已采用較成熟的軟件實現上述功能，如：Monitor-Pro 5、Montage 等，具有數據采集、能源監控及分析報告、基準對比及指標監控等功能；國內起步較晚，多根據企業節能管理要求定制開發，具有數據采集、在線統計分析、年度節能量分解與考核、裝置能耗定額管理、企業間能效對標與評價等功能。

能源管控平臺需要耗能設備的實時數據自動采集更新，實現各級能源消耗數據實時采集及統計分析是油氣田企業開展能源管控的基礎，而根據企業實際生產變化設定合理的能源使用目標，并提供有效的優化改進方案，是企業科學控制用能、持續提高能效的關鍵。隨著能源管控系統功能的逐步細化和深入開發，能源管控系統已從最初的主要用于能耗指標統計對比、展示向能源使用的計劃優化、調度優化和在線優化等多個生產層面擴展。

隨著我國“碳中和”目標的提出，油氣田企業新能源產能建設及應用占比逐年增加，原有的能源管控系統功能已無法滿足實際能源管控的需求，多能互補、能效融合以及實時動態調控必將與生產用能過程進一步緊密結合，通過與流程模擬技術、運行優化技術、先進控制技術等方面的集成，實現生產系統能效最優化和能源使用全過程的智慧管理與控制。

華北油田前期也開展了相關研究，先后建立了山西樊莊能源管控示范區、哈南作業區能源管控示范區，具備了一定的研究和建設基礎，但至今仍并未形成華北油田完善的二級能效管理系統，油田公司的能源管控信息仍缺乏先進、專業的軟件平臺支撐，因此，構建油氣田智慧綜合能源管控系統設計勢在必行。

2. 前期研究及建設基礎

2.1. 山西樊莊能源管控示范區

2017 年以山西煤層氣勘探開發分公司樊北作業區為試點，開展了分析級能源管控系統的設計建設。示范區建設在樊北作業區自動化系統采集數據的基礎上，結合部分人工錄入的數據按照集團公司規劃院相關技術標準，完成了煤層氣分公司、作業區、集氣站、采氣井、中央處理廠等多層次的數據日報、統計、生產調度等功能。

目前樊北站能源管控系統計量單元劃分為：機采系統、集輸系統及電力系統三大部分。機采系統按照電力變壓器所供電的單元具體細分；集輸系統按照壓縮機細分管控單元；電力系統按照具體供電線路及變壓器劃分管控單元。整體系統總體功能達到分析級，部分功能達到優化級。

2.2. 哈南作業區能源管控示范

哈南作業區發揮二連油田數字化硬件基礎，完成了“分公司–作業區”兩級的能源管控系統平臺設計，實現能源管控單元主要生產數據和能源數據的在線采集、分析、調控。

能源管控系統結合A2 生產數據、A11 生產物聯網數據、E7 相關數據，統計耗電量、天然氣能耗情況，展示不同時間段、不同系統、不同設備的耗電量數據及其設備運行情況，通過表格、圖形及曲線圖展示運行能耗、能耗占比和變化趨勢，實現管控區域內各類大型設備節點的能耗監控。

采油系統是基于工藝流程實現對采油系統耗能設備運行狀態及能耗實時監控，主要采集示功圖、實時功率等參數，監控舉升系統工況及舉升設備的耗電情況。

注水系統是基于工藝流程實現對注水系統耗能設備運行狀態及能耗實時監控，采集大站注水泵電量、壓力、流量；各水井的壓力、流量，計算注水設備及系統能耗情況。

集輸系統是基于工藝流程實現對集輸系統耗能設備運行狀態及能耗日度監控，監測站內站外耗能設備的運行情況。

上述能源管控系統的設計建設，基本上是基于集團公司統建系統規范進行設計開發的，且均停留在分析級以下水平，且集團公司已立項開展了統建系統的統一開發，所以上述系統并不具備普遍性和統一性，難以推廣應用。

3. 油氣田智慧綜合能源管控系統設計

Figure 1. Smart integrated energy management and control system for oil gas fields圖1. 油氣田智慧綜合能源管控系統

以能效數據融合為基礎的智慧綜合能源管控系統頂層設計，在辦公網統建生產系統能源管控標準功能的基礎上，自建生產網節能優化及清潔替代功能模塊。圖1 為油氣田智慧綜合能源管控系統各模塊，分別展示了油田辦公網及生產網各系統。

主要設計思想是保持集團公司統建系統的規范性和統一性，同時針對生產網注、采、輸、電系統的運行參數進行實時優化，實現動態調控和智慧管控功能。由于生產信息保密及安全的要求，辦公網和生產網是分開獨立運行的，所以，智慧綜合能源管控系統也進行了分開設計，以保證兩個系統的獨立性和統一性。圖2 為油氣田智慧綜合能源管控系統頂層設計，主要標明了該設計主要的功能模塊及主要模塊實現的功能。

Figure 2. The top of design on the smart integrated energy management and control system for oil gas fields圖2. 油氣田智慧綜合能源管控系統頂層設計

3.1. 系統主要功能

3.1.1. 統建系統

統建系統數據信息融合，構建涉及A2、A5、A11、E7、勘探開發夢想云等多個系統12 大類16 個專業1066 個指標維度、可逐層匯總、按需配置的層級化數據管理體系；實現數據湖關聯的注水站、轉油站、站內機泵等48 個生產單元基礎數據集的抽取、數據融合應用。

能耗數據圖形展示設計以大數據圖形化展示方式為主，實現大數據聚類分析、評價，對標輔助等功能。

能效對標[1]主要是各生產單位對其能源效率及能源利用的相關指標進行收集整理并上傳，通過與其他單位的先進能效標桿進行橫向、縱向對比分析、明確自身差距、制訂改進方案并現場進行實施，促進各單位持續提升改進能耗指標。

能耗定額[2]根據各生產單位能耗現狀，分析采油、注水和集輸系統中工藝和設備的能耗影響因素，確定能耗指標動態測算方法，建立公司、采油廠、站三級能耗定額指標體系及管理辦法。合理界定油氣生產中能源消耗指標、提高能源利用效率和經濟效益。

3.1.2. 生產網節能優化系統

生產網節能優化系統主要是通過對生產網采集的注、采、輸系統運行實時數據進行動態分析和優化，及時反饋運行參數調整結果，實現生產系統的動態優化功能和清潔能源的智慧調控、動態分配功能，見表1。

Table 1. Specific implementation contents of saving energy optimization system in production network表1. 生產網節能優化系統具體實施內容

1) 生產系統主要耗能設備能耗計量

目前油氣田生產系統耗電計量單元基本上是在35 kV 以上供配電線路終端，對于生產系統中單井、單設備的能耗計量尚不完善，建設智慧綜合能源管控系統的基礎需要獲取單井、單設備的實時能耗數據，因此，統一安裝具備數據遠傳功能的單井及站內耗能設備計量儀表，動態監測主要耗能設備的實時能耗數據，為智慧綜合能源管控系統提供數據基礎。

2) 機采系統實時動態節能優化

機采舉升系統是油氣田生產系統中耗電大戶，且在生產過程中隨著油井供液能力的變化，系統工況將會發生動態變化，依靠人工調節機采井生產參數是不現實的，隨著機采井變頻控制技術的推廣應用，動態調節機采井生產參數及實施智能間抽控制已成為可能，但其調整頻率及調整幅度仍存在優化空間，且不同的目標函數所對應的優化參數也不盡相同，因此，應用機采井工況仿真及動態系統效率分析優化算法，編制基于最優能耗目標的實時動態優化軟件模塊可以解決機采井實時動態節能優化的技術需求[3]。

3) 注水系統管網分壓仿真優化

注水系統分壓注水技術在油田應用中的形式主要分為三種：一是，單井增壓形式，對于個別注水井注水壓力超過了系統設計注水壓力，應采用該形式對該注水井進行單獨增壓，以滿足生產要求，并減小能耗。二是，區域分壓注水形式，單獨對油田某一區域(油田過渡帶比其他純油區注水壓力高)進行單獨注水。這種分壓注水形式的注水井、主水管網和注水站都是獨立的系統，高壓和低壓處在相同的區域但互不影響。三是，整體分壓形式，是對整個油田范圍內的注水井按照壓力進行劃分，由于注水井數量較多，且互相之間存在聯系，所以，注水量和注水工作難度也相對較大。分壓前后系統內注水井的油壓和注水量是不變的，分壓后由于降低了注水系統注水泵的輸入功率，所以整個注水系統的效率提高了。

4) 集輸系統用能清潔替代

集輸系統主要對聯合站系統、泵和加熱爐等主要設備進行用能評價分析，得出聯合站整體和各環節的能耗數據，分析聯合站用能的薄弱環節，明確提高泵和加熱爐的熱效率、改工藝流程是降低聯合站能耗的有效途徑。以聯合站為研究對象，以年運行費用為目標，以預分水器內的油水界面高度、油氣分離器的操作壓力、加藥濃度、沉降罐的沉降時間、電脫水器的脫水溫度、電脫水器內的油水界面高度和外輸壓力以及工藝運行條件為優化變量，建立了聯合站運行的能耗優化數學模型，采用最優化方法進行了求解，得到了一定生產條件下的最優運行參數，并進行了相關參數的敏感性分析。通過運行參數優化可以實現節能降耗的目標。

5) 電力系統多能互補雙效融合

隨著綠電產能和清潔替代項目的不斷建設，油田生產系統原有的網電供能系統將會發生相應的改變。分布式光伏、風電、地熱發電、余壓、余熱發電等清潔電力以自發自用、余電上網的形式加入油田生產供能系統，多種不穩定、不平衡的電力產能需要智慧能源系統進行統一管理，平衡產能與需求的動態關系，建立以直、柔配電為核心的新型分布式智能電網，光伏直流優先利用為主，余電上網、智能優化無功潮流為輔，降低配網系統損耗，利用抽油機智能柔性控制技術，實現“源、網、荷”協調優化運行，提高油田新能源消納率、降低線路損耗、提高負載適應性、提升系統整體效率。

3.1.3. 融合清潔替代及碳排管理

習近平總書記指出：“要把促進新能源和清潔能源發展放在更加突出的位置”。近年來，我國以風電、光伏發電為代表的新能源發展成效顯著，發電量占比穩步提升，成本快速下降，能源結構調整和減碳效果逐步顯現。結合新能源替代產能建設的管理需求，智慧能源管控系統在傳統生產系統節能優化的基礎上，補充了清潔能源替代以及碳埋存碳交易部分需求內容，形成二級新能源及油氣生產單位智慧綜合能源管控系統的最新架構。

清潔能源替代，見表2，主要是引入光伏、風電等清潔能源產能管理，分析評價綠電替代及儲能配比；碳排放管理，主要包括碳排放監測、核算、交易、CCUS/CCS 應用管理評價等。

Table 2. List of methodologies applicable to oil and gas field engineering表2. 適用于油氣田工程的方法學列表

4. 結論

1) 油氣田智慧綜合能源管控系統設計實現了能源管控成熟度的優化級向智能級飛躍，即能源消耗目標的科學設定和優化方案的在線計算，轉變為能源使用全過程的閉環優化管理。

2) 油氣田智慧綜合能源管控系統設計融合了清潔替代及碳排管理功能，為油田重上千萬噸級油氣當量創造新引擎、增強新動能。

3) 油氣田智慧綜合能源管控系統設計助力新能源產業，將成為油田公司創效的“半壁江山”，實現油田公司未來能源結構的低碳化、分布式、協同開放發展。