山西煤层气能源管控系统的建设

才浩楠 王宇蒙 王兆琪 刘若兮 黄文才

1华北油田工程技术研究院

2华北油田天成公司

3华北油田第五采油厂

我国从2011 年开始逐渐加强石油化工等大型能耗高企业的能源管控工作。中石油集团公司提出到2020 年，能源管控能力建设基本达到国内先进水平，重点业务达到国际领先水平。依据集团公司要求，以华北油田山西煤层气田为试点，进行能源管控系统的研发工作。目前，山西煤层气分公司已经基本实现了表层参数（如流压、套压、管压等）全覆盖采集，但是针对反应能源利用率的间接参数，如机械采气系统效率、集输系统压缩机组效率等，缺少系统化、智能化的采集与分析[1]。

华北油田煤层气分公司通过抽油机等多种开采方式进行开采煤层气，伴随着采出煤间水降低了地层压力[2]。现以煤层气分公司先进的自动化系统为基础，合理配备具有远程功能的计量仪表，实现能源管控单元主要生产数据和能源数据的在线采集、分析，开发集参数监测、数据展示和优化分析为一体的能源管控系统[3]。

2 框架设计

2.1 监管层级

依照各管理层级纵向分为三个等级：集团公司是一级单元，华北油田公司是二级单元，所属生产单位山西煤层气分公司中是三级单元。针对能源消耗总量、关键绩效指标、能效定额跟踪进行监控与分析，实现企业对能源利用率的动态监控和有效管理[4]。能源监管层级分类见图1。

图1 能源监管层级分类Fig.1 Classification of energy management and control levels

2.2 能源绩效参数选定

根据《油勘函〔2018〕294号_附件4 油气田企业能源管控绩效计算方法及采集要求》规定，选取了能反映管控单元实际用能水平且与生产过程密切相关的能源绩效参数[5]，主要分为三个层次：第一层次是反映油气田行业整体能源利用水平的宏观综合指标；第二层次是反映油气田各生产系统、用能环节的工艺过程指标；第三层次是反映排采，集输，电力三大系统耗能设备能效水平的终端设备指标。选取抽油机井采水单耗，机采系统效率，机械采气系统效率等7个能源绩效参数[6]。

（1）排采系统推荐指标为抽油机井采水单耗、机采系统效率、区块系统效率，也可选取机采系统百米吨水单耗[7]。各参数在标准中的定义和说明如下：①抽油机井采水单耗为耗电量与产水量的比值；②单井的系统效率为抽油机有效功率与输入功率的比值；③区块系统效率，区块系统效率采用加权平均计算，即区块机采系统输出功率与输入功率的比值。

（2）集输系统（不包括处理系统）的绩效参数为气田集输综合能耗、压缩机组效率两项指标。气田集输综合能耗为统计期内气田集输生产能源消耗量与统计期内气田产气量的比值；压缩机组效率为有效输出与驱动压缩机消耗能量的比值，以百分数表示。区块的压缩机组效率取压缩机组效率的加权平均值。

（3）电力系统的绩效参数为网损率、功率因数[8]。网损率为在统计期内电力网的损耗电量占供电量的百分比；功率因数为输入视在功率与输入有功功率之比。

2.3 能源管控系统的层级划分

能源管控分为5个等级：计量级实现能源的有效计量；监测级实现能耗状况的实施监测；分析级实现能效水平的有效分析和主要用能问题的合理解决；优化级实现能源消耗目标的科学设定和优化方案的在线计算；智能级实现能源使用全过程的闭环优化管理。

3 现场应用

3.1 计量级

按照标准要求，煤层气能源管控系统计量单元依旧划分为：排采系统、集输系统及电力系统三大部分[9]。排采系统按照电力变压器所供电的单元具体细分管控单元，集输系统按照压缩机细分管控单元，电力系统按照具体供电线路及变压器划分管控单元。通过配备、维护和检定能源管控单元的能源计量器具，实现能源管控单元的主要能源实物消耗数据的准确计量。目前山西煤层气现场几乎实现了计算能耗参数所需数据的全覆盖采集，在已有的自动化采集系统的基础上，合理增设部分采集终端，并对接兼容煤层气现有自动化系统。

在本区块煤层气供电线路二级变压器处安装175个电力计量装置，数据经无线传输（GPRS）至电力中心现有数据库中。装置及安装位置如图2所示。

图2 电力系统计量装置安装Fig.2 Installation of power system metering device

在煤层气3个集气站10个压缩机出口安装气体监测计，采集出口气体流量、压力、温度，数据经Rs485通信协议传输至集气站监控系统。装置及安装位置如图3所示。

图3 集输系统计量装置安装Fig.3 Installation of metering device in gathering and transportation system

3.2 监测级

对计量级采集的生产数据进行存储、计算和监测。通过增加能源管控单元的能源计量数据自动采集功能，以及能源管控单元的能源绩效参数在线计算和异常报警，实现了用能水平的及时监测，确保快速定位能源管控单元在生产过程中的能耗超限环节，加快能源使用管理的响应速度[10]。

山西煤层气目前实现了生产、能源等数据实时监控、报警、查询等功能。针对设备运行情况及能耗绩效指标，改变原有手触、目测等人工操作方式，通过对排采、集输、电力等生产系统用能过程的实时监控与分析，对各能耗超限进行报警，及时发现用能异常，系统监测与预警主系统界面如图4所示。

图4 系统监测与预警系统界面Fig.4 System monitoring and early warning system interface

3.3 分析级

针对能源管控单元的主要产用能环节、单元、区域等，开展能源绩效参数的在线历史趋势分析和横、纵向对标分析，定期研究和实施系统性的节能增效改造项目，实现能源管控单元能效水平的有效评估和主要用能问题的合理解决，促使其根据生产变化改进能源使用方式。

横向对标分析：以采水单耗为例，选取本区块煤层气20 口单井，10 月某日为对标时间，针对单耗高于标杆值的单井进行平衡度、工作制度等参数的检查与调整，在合理的范围内降低采水单耗。20口单井采液单耗横向对标分析见图5。

图5 20口单井采液单耗横向对标分析Fig.5 Horizontal benchmarking analysis of fluid production unit consumption in 20 single wells

纵向对标分析：以华尧某单井为例，选取连续10 日的采液单耗进行监测分析，针对单耗突然增高（降低）的情况进行排查、分析。某单井10 日采液单耗纵向对标分析见图6。

图6 某单井10日采液单耗纵向对标分析Fig.6 Vertical benchmarking analysis of 10-day liquid production unit consumption of a single well

3.4 优化级

针对能源管控单元主要产（用）能环节、单元、区域等的模拟优化模型，完善能源优化管理制度，实现能源管控单元生产过程中能源使用的日常优化管理，确保能源管控单元可根据生产需求设定科学合理的能源消耗目标值，并及时提出能源使用的计划、调度和操作优化方案，促进其用能水平的持续改进。

通过建立离线、在线优化诊断模型，对采气井的工况进行远程诊断及系统效率分析，提出每口井的工作制度调整、平衡调整，地面、地下工作参数调整以及其他维护性工作措施方案，发布到现场以指导现场及时对不合理的产气井实施相应的调整措施，从而提高整个煤层气田产气井管理水平。系统优化建议界面见图7。

图7 系统优化建议界面Fig.7 System optimization suggestion interface

3.5 智能级

智能级是通过能源使用管理与主要生产过程闭环优化等的集成，实现对能源管控单元的全方位闭环管理，促进其生产全过程的能源使用科学化管理和精细化控制。

山西煤层气排采复杂，绝大部分单井工况的制约条件很多，人工现场调节经验占主导作用，未形成精准量化关系，所以还需要进一步的现场摸索和理论研究相结合，才能实现全方位的智能闭环控制。但本次能源管控建设已为智能级建设预留接口，为后续升级提供基础。

4 结论

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。

能源监控与管理系统的建设不仅从对标和优化的角度分析节约了能耗，更重要的是观念的改变，在合理的工作制度下提高产量的同时，关注能耗利用率。