煤层气企业能耗在线监测系统设计与应用研究

2022-10-27王永昌卢迪张龙卢鸿飞张海滨

石油石化绿色低碳 2022年5期

王永昌，卢迪，张龙，卢鸿飞，张海滨

（中国海洋石油总公司节能减排监测中心，天津 300452）

随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展，运用物联网、大数据等信息技术手段深挖、细挖节能潜力成为必然趋势。为此国家从“十二五”开始建设覆盖全国一万多家重点用能单位的能耗在线监测系统，通过该系统可全面、准确、及时地掌握全国和分地区、分行业能源消费总量及其构成，提高节能宏观调控的针对性和有效性。2017年9月和2021年9月，国家发展和改革委员会、市场监管总局先后印发《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》[1]、《关于加快推进重点用能单位能耗在线监测系统建设的通知》[2]、《完善能源消费强度和总量双控制度方案》[3]，要求采用“国家平台＋省级平台＋重点用能单位接入端系统”的架构，加快推进重点用能单位能耗在线监测系统建设[4，5]，是推进能源生产和消费革命、深化创新节能工作的必然选择，是企业进一步挖掘节能潜力、提高能源管理精细化水平的客观需要，也有利于培育和发展节能环保战略性新兴产业，促进经济结构转型升级。

1 案例企业能耗现状及问题

案例企业所消耗的能源包括煤层气、电力、柴油、汽油和新水；其中，电力和新水是公司购入的主要能源。煤层气全部是自产自用，主要用于气动机及燃气发电机组；柴油主要用于柴油发电机组；电力大部分为外购所得，主要为生产生活供电，少部分通过燃气发电获得；新水通过市政管网供应；汽油为日常办公车辆所使用。用能系统如图1所示。

图1 用能系统结构

目前案例企业能源管理相对粗放，在能源管理过程中存在一些问题：1）时间数据以月度为主，粒度不足。部分能流数据未进行时间精细化分析，且受人为因素影响显著，不利于实时监管。2）空间数据以全厂级为主，粒度不足。案例企业上报的数据多为全厂级别的能耗数据，重点能耗数据无法精确到采气厂和单井，不能满足能耗对比对标分析。3）数据采集质量问题。手工填报可能存在录入错误、月度数据准确性差，缺少指标优劣评估依据。

2 需求分析

2.1 国家要求

根据《重点用能单位能耗在线监测系统技术规范（实行）》[4，5]，全国重点用能单位能耗在线监测系统包括国家、区域两级数据中心，将同时接收用能单位上传的能耗在线监测数据。能源总量指标等逐日采集上传的数据包括日指标和实时指标两类。每日指标为00:00～24:00企业的能源总量指标；对于在线采集的数据，一般要求同时采集上传实时指标，实时指标为每间隔15分钟采集一次的能源消耗实时数据并保存在本地，在指定的数据上传时间与每日上报数据打包后一同上传到政府系统平台。

2.2 企业需求

目前案例企业能源管理相对粗放，因此需要建设自身的能源管理系统，采用信息化、自动化技术集成企业能源系统数据采集、分析处理和管理等功能，从而提高能源利用效率完成节能任务目标。

3 设计要求

3.1 可用性

系统设计要充分考虑整个工程环境中的不同因素，以保证在现场安装调试后系统能够立即稳定可靠运行。

3.2 可维护性

系统的硬件、软件设备便于维护，各部件都具有自检和联机诊断校验的能力。软件有备份，便于工程师安装启动，应用程序易于扩充，数据库存取为用户程序留有接口并提供二次开发的数据库资料，便于用户自行编制的程序加入系统中运行。

3.3 容错能力

软、硬件设备具有良好的容错能力。当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错，以及当运行人员或工程师在操作过程中发生一般性错误时，均不影响系统的正常运行；对意外情况引起的故障，系统具备恢复能力。

3.4 安全性

软、硬件设备的运行均不会危及变电所的安全稳定运行和工作人员的安全。软件系统各程序模块交互接口均采用参数编码加密处理和参数有效性验证处理、防SQL注入检测的技术确保系统安全正常运行。通过加装网络防火墙对系统通信传输网络及其通讯端口进行集中管理，最大程序减低病毒入侵和破坏。用户访问系统功能和数据采用严格的用户角色分级授权管理，登录用户仅能够查看对应的授权方案功能和数据。确保系统数据访问的安全性和合法性。

4 总体设计

4.1 总体架构

如图2所示，能耗在线监测系统分为四个层次，最底层为数据采集层，包括OPC协议、Modbus协议、串口协议、数据库采集或第三方系统采集等。在采集数据的基础上建立数据传输、数据计算、数据清洗及数据治理使数据标准化，然后进行数据加工计算，形成方便应用的关系型数据库、时序数据、大数据。以数据为基础建立微服务平台，提供统一的网关入口，进行统一的认证，注册中心对所有的API统一管理，配置中心保存所有的配置数据，提供各种数据服务，为应用层提供支持。在平台服务层上为应用服务层，创建了丰富的应用服务，包括用户登录，权限管理，设备管理，数据可视化服务综合展示，能源综合管理，能耗实绩管理，能源报表管理等等。

图2 系统总体架构

4.2 网络拓扑

如图3所示，整个拓扑网络主要包含工控网、数采网、办公网、政府专线。工控网主要负责电力、DCS等系统的实时通讯，无法接入现有DCS控制系统的仪表、未连入电力后台的电能表、地理位置偏僻不方便联网的仪表，通过DTU连接仪表进行数据采集。数采网包含WEB服务器、数据库服务器、工作站等硬件设施，主要负责工控网数据采集、计算、处理、存储、应用等数据服务。整个系统软件平台部署在办公网上，通过Web应用服务器以B/S架构形式进行发布，上级公司和公司用户通过浏览器连接办公网进行访问和使用。为保证数据和网络的安全性，公司通过端设备和网络专线向国家平台发送相应的指标参数，并根据政府要求与政府平台进行对接，满足国家和地方政府能源监管需求。

图3 网络拓扑架构

4.3 功能架构

如图4所示，能耗在线监测系统基于过程信息集成平台的业务应用系统开发，可以方便地配置所需要的功能和特性，能最大限度地开发适应企业自身特点的系统。其功能架构主要分为仪表采集层、第三方系统层、应用层、管理层。仪表采集层由流量计、电能表、压力表等基础数据设施组成，主要负责基础能耗数据的采集工作；第三方系统层主要由中控DCS系统、SCADA系统、PLC系统、网络传输设施等组成，主要实现第三方系统能耗数据采集、数据接口、传输协议、维持系统的持续运行和网络稳定；应用层为实现生产过程数据和设备状态信息、计量数据、质量数据等实时数据的采集与归档，报表、图形等数据的处理与存储、实现数据的可视化监测、信息管理等功能，支持能源及生产调度人员、管理人员、决策人员的业务需求；管理层用户为上级公司和国家管理平台，为其能源监管提供数据支撑。

图4 系统功能架构

5 功能设计与应用

5.1 综合展示

综合展示基于各类指标的数据统计，为用户提供全过程多维度、多角度的生产数据和信息数据综合展示。通过该模块，上级公司用户能够方便直观地浏览目前的能源消耗总量、各类能源消耗量以及下属分公司关键指标使用情况。包括当月累计和全年时间粒度的油气总产量、累计综合能耗和累计碳排放量的数据展示，以及基于GIS地图的各下属分公司的关键指标对比。

5.2 能源计划与实绩

根据年度节能计划，将能耗指标逐级分解、落实到下属各分公司。上级公司结合政府和自有要求配置目标指标并输入系统。能源指标参数包括综合能耗、碳排放量、新水用量、节能量、节水量、单位油气生产能耗、单位油气生产水耗七个指标。能源实绩管理指标参数包括综合能耗、碳排放量、新水用量、节能量、节水量、单位油气生产能耗、单位油气生产水耗七个指标。

5.3 能耗统计管理

集中展示公司的总能耗产量、节能/节水量统计、分类能耗统计，并可按照时间、介质种类、分公司构成等多个维度需求生成表格、饼图等合理的可视化展示内容。页面可按照年度和月度选择查询并进行可视化展示和对比。

5.4 能耗数据预测

基于能耗数据统计，选用合理的时间序列建立数学计算模型实现能耗数据的预测，并根据实际情况不断学习修正。

5.5 对标分析

如图5所示，以采气厂为单位，横向对标“单位开采量电耗”、“单位外输量电耗”、“单位开采量综合能耗”、“单位外输量综合能耗”等关键指标。

图5 采气厂对标

以同类重点耗能设备为主体，横向对标设备的运行效率和主要能效参数，并可根据相似工况设置各区域的“先进值”、“最优值”等标杆数值的方式与实际情况形成对比。

5.6 集气站监测

实现集气站内煤层气关键点处温度、压力、流量等工艺参数的监测。实现集气站内透平压缩机能效参数及能耗参数的实时监测。

6 应用成效

（1）提升了能源数据时间颗粒度。案例企业能耗数据颗粒度由月度数据精细到分钟级，重点耗能设备甚至到秒级，能耗数据采集更加高效，提高了案例企业节能工作的实时监管。

（2）提升了能耗数据空间粒度。案例企业能耗数据空间粒度大大提升，数据最大采集粒度可到单井，扩大了案例企业实时监测范围。

（3）提高了能耗数据采集质量。案例企业通过自动采集大部分实物量并相应计算能耗数据，提升了能耗数据时效性和数据准确性。

7 后续改进思路

案例企业能耗在线监测系统基本实现企业自身用能监管要求，但生产工艺、耗能设备等能量优化还存在空白，仍需长期的实践应用和不断完善。案例企业能耗在线监测系统二期建设将以能量优化为抓手，利用先进的数据预测技术和控制优化技术，提升能源数据的使用水平，建立能源系统对生产工艺系统的有效支撑，实现企业能源系统安全稳定运行。