油田主要耗能设备能效在线监测信息系统建设

葛苏鞍 叶红 马中山

摘要：新疆油田公司为了加强能源管控力度、提高节能监测效率、减少人员投入和劳动强度，大力推进油田主要能耗设备能效在线监测系统建设。结合油田耗能设备能效监测业务的特点，对系统业务功能进行划分，从系统服务架构设计、数据采集方式以及系统功能各方面介绍主要耗能设备能效在线监测信息系统。提供了全面、规范的标准化能效在线监测数据结构，实现监测数据实时自动采集、传输、储存、分析，关键能效参数的诊断、预警，及时为设备经济运行提出整改建议，指导油田主要耗能设备运行参数的调整，实质性提高油田耗能设备能效监测效率，降低生产成本。

关键词：耗能设备；物联网；节能监测；能源管控；诊断分析

一、前言

面对国内外环境的深刻复杂变化，国家推出能耗及碳排放双控指标、定额与限额指标等硬约束要求。节能作为“第一能源”，是实现绿色低碳发展和“双碳”目标的重要举措[1]，节能监测是提升企业用能水平的重要手段，对加强能源管理、挖掘节能潜力、提高经济效益具有重要意义[2]。新疆油田公司根据节能减排、提高能源利用效率的应用需求，对油田主要耗能设备提出了全覆盖、全系统、全天候、实时化开展节能监测与诊断分析的要求。新疆油田生产的重点耗能环节包括采油、注水、集输、供热等系统，重点耗能设备主要为抽油机、注水泵、输油泵、加热炉、注汽锅炉等，具有耗能设备多、种类复杂、分布广泛的特点。现阶段节能监测的主要方式是节能技术人员携带多种测试仪器到现场，利用分散的测试设备在多测点协作完成现场测试数据的采集，然后依靠技术人员进行数据整合和处理计算，工作效率低，节能监测和诊断分析规范性不强、指导设备经济运行时效性差[3]。监测队伍受技术服务能力、安全条件限制，监测工作呈单点、瞬时、分散的特点，难以满足节能监测覆盖率的要求；存在节能监测数据来源分散、格式不统一、数字化油田现有系统能效数据不完整等问题，无法满足企业能源管控的要求。

二、油田主要耗能设备能效在线监测关键技术研究

节能监测是油气田企业加强能源管控、实施精细管理的重要技术支撑[3]。欧美发达国家先进企业除了生产过程中广泛采用计算机监测、控制系统（DCS，SCADA）外，能源数据的在线监测、分析和优化系统占有重要的位置。通过现代计算机技术、网络通信技术和分布式控制技术，建立完善的能耗监测、管理体系，实现能源消耗动态过程的信息化、可视化、可控化，对企业生产过程中能源消耗的结构、过程及要素进行管理、控制和优化，提高能源使用效率。中国石油从“十五”起大力开展数字化建设，实现了生产运行数据自动采集、生产过程自动监控，为油田主要耗能设备能效在线监测信息系统的建设奠定了基础。GB/T 33653《油田生产系统能耗测试和计算方法》、GB/T 31453《油田生产系统节能监测规范》的发布，为油田企业开展各生产系统和主要耗能设备能效测试和计算提供了技术规范，对油田节能监测和评价起到了重要的技术支撑作用。结合国家《重点用能单位节能管理办法》及中国石油Q/SY 09004.3《能源管控 第3部分 油气田技术规范》等规范的相关要求，新疆油田开展了油田主要耗能设备能效在线监测技术研究，提出了建设一套示范性油田主要耗能设备能效在线监测管理系统、实现油田主要耗能设备“全覆盖、全系统、全天候、实时化节能监测与诊断分析”的技术攻关目标，重点开展了3个方面的技术研究。

（一）油田主要耗能设备生产运行能效数据自动采集、实时分析、及时给出提效建议，用于指导主要耗能设备经济运行，降低生产成本。以实时监测油田主要耗能设备能效数据，准确掌握能耗设备运行状况、高效分析用能水平、及时提供运行调整建议、科学制定节能降耗措施、提升油田生产现场管理及智能化水平，最大限度降低能源消耗成本为目的，开展多元数据自动采集传输技术、工程数据处理技术、设备能效水平分析诊断技术、设备能效提升技术等研究，研发一套示范性的油田主要耗能设备能效在线监测管理系统，形成一套油田主要耗能设备能效在线监测系统建设关键技术。

（二）开展大数据应用技术、物联网共享技术研究，确定油田主要耗能设备能效在线监测管理系统整体软件架构，采用实时分析计算新技术，实现系统全覆盖、全系统、全天候、实时化的数据采集、分析、诊断，运用新技术新知识开发主要耗能设备节能监测与诊断系统，提高节能监测率。首先，通过甄别筛选油田各类统建系统及自建系统等数据源采集到的节能监测数据，确认抽油机、加热炉、注汽锅炉、输油泵和变压器等油田主要耗能设备节能监测数据源；其次，依据节能监测及能源管控技术规范要求，结合物联网数据采集、网络传输及数据存储能力，合理确定数据采集周期，保证数据的合规性；最后，利用标准对照、对标分析、专家判断等手段，采用要素分析、节点分析、经验分析等方法，合理评价设备能效水平，科学诊断存在问题，及时提供有效可行的整改建议。

（三）确立采集数据的类型，采用统一的通信方式和通信协议的远端设备，实现不同协议传输的融合，实现采集数据齐全、格式一致，通信协议统一，确保能效计算规范严谨化，提高主要耗能设备能效监测技术水平。油田主要耗能设备越多，节能监测数据的体量也就越大，要将设备的运行参数及时接入到节能在线监测管理系统中，就要求系统应具有统一的网络传输、无线通信、数据命名与编码、数据存储等规范。为充分应用现有物联网建设成果，节能在线监测管理系统的建设充分依据了国家发展改革委环资司指导编制的《重点用能单位能耗在线监测系统技术规范》、中国石油Q/SY 10722《油气生产物联网系统建设规范》等要求，从而保障了系统的规范、高效开发，为后期资源共享与大数据的应用奠定了基础。

三、油田主要耗能设备能效在线监测管理系统建设

油田主要耗能设备能效在线监测管理系统建设目标是实现耗能数据的自动化采集，提高能效监测业务的安全性、系统性、连续性，为智能级能源管控系统建设奠定基础。充分利用新疆油田已建系统中的油田主要能耗设备能效监测数据，形成大数据利用模式，提升数据的及时性和准确性，挖掘数据规律，为更好开展油田设备能耗分析工作提供数据支撑。在数字化油田建设成果的基础上，遵循实用、经济、安全的原则，充分利用物联网管理系统（A11）、油气水井生产管理系统（A2）等软硬件资源，进行顶层统一设计、系统统一部署；在开放、可扩展、安全稳定基础上，兼容系统软硬件差异，应用分层和组件化结构，满足不同管理层次的业务需求。

系统在软件应用开发实现方面，整体采用微服务多层架构设计的云化方案，使各个层次的内部分工更加细致、明确和标准化，以利于软件开发团队化实施和合作，利于软件的扩展和复用，降低软件维护成本，提高数据的共享和安全性，很好地满足基础平台部件模块化、协同化、一体化的要求。

（一）总体架构

油田主要耗能设备能效在线监测系统从总体架构上满足油气企业生产实时数据采集、传输、集成、分析、诊断、预警等关键技术需求，在业务应用上为企业提供实时监测、数据统计、指标预警、调整建议、安全管理等服务。在技术体系方面，主要采用油气生产业务数据集成和处理技术、油气生产业务数据建模和分析技术、大数据计算技术等。

数据采集部分：用户可以通过传感器采集模块、计量仪表及各类油田业务系统数据接口等方式接入到系统平台，并通过统一身份认证最终实现系统的信息安全传递。

数据中心：包括历史数据库、应用数据库和资源信息库。历史数据库存储各类油田主要耗能设备能效监测历史数据，用于数据统计、分析。应用数据库存储能效实时数据，用于监测油田主要耗能设备运行情况，提出优化改进建议。资源信息库存储应用系统资源，用于系统管理。

基础服务部分：由网络安全管理、计算存储、容灾管理、预警管理等各类基础服务，确保系统的安全稳定运行。

业务中台部分：通过系统提供的实时监测、数据统计、指标预警、分析诊断等功能模块，通过可视化的构建方式，快速构建面向前端的业务应用中心，同时还可以连接后台专业系统，实现整体信息化建设。

信息展示部分：系统通过统一工作台、报表查询、统计分析图等多种方式，实现节能监测的自动更新，保持信息的实时性，避免了人力资源和时间的浪费，更适应信息化管理的要求。

在整个系统平台的建设中，除了基本的功能构架外，遵循相关政策法规、标准规范，按照公司各项管理制度与业务流程开展能源管控，系统建设管理遵循新疆油田公司系统建设标准，系统的安全管理依托油田公司的统一认证进行专项管理维护，最终保证项目的建设能够持续稳定地为企业信息化建设提供支撑。

（二）系统功能

油田主要耗能设备能效在线监测系统以实时采集的能耗数据为基础，能够综合显示油田主要耗能设备运行情况，对各类设备的关键能效参数以实时报表、趋势图等形式实时监控呈现，可随时了解各类设备的能源使用状况，实现各类耗能设备的数据动态监控、能耗统计分析、系统诊断、预警等功能，进行多角度、多样化能效数据展示和分析，真正达到智能化。主要功能如下：

1.数据采集传输：基于已有的物联网管理系统（A11）、现场SCADA实时监控系统、油气水井生产管理系统（A2），通过数据质量检验保证数据的准确性，及时获取油田主要能耗设备的能效数据，实现数据的自动加载；针对新增加硬件模块存储的数据，能够正确接收数据并加载入库，为数据分析提供数据支持；该系统主要对油田主要耗能设备抽油机、锅炉、加热炉、泵机组、压缩机及变压器等能效数据进行自动采集。

2.诊断预警报警： 能效在线监测管理系统可对油田主要耗能设备设置能耗关键参数预警及报警值通过人机界面的设置，实时调整指标。系统通过实时采集数据与参数指标值进行对比分析，对正常范围之内的参数，继续实施监控；对于异常的指标，系统自动提示报警，及时弹出越限值报警信息（通过特殊颜色标识），实现关键能效参数的实时预警和报警，便于用户在第一时间发现和处理相应问题，并能直观展示用户自选时间段内的被监测设备的能效参数变化情况，通过“大数据”分析技术、周期性预警和自动推送异常信息等手段，强化异常问题处置的及时性，确保能源管控精准可控。

3.提效建议：建立节能监测能效分析专家知识库，针对主要耗能设备的实时运行参数，通过大数据分析预警、报警实时数据进行诊断分析，发现耗能重点环节和能效管理的薄弱环节，针对能效水平低的环节查找问题，结合技术先进、应用成熟、效果良好的节能技术实践，提出切实有效的节能改进措施和专家提效建议，指导生产运行部门制定改进措施，提高节能监测结果利用效率。

四、结果分析

油田主要耗能设备能效在线监测管理系统实现了节能监测模式的根本转变，实现了节能监测全覆盖、全系统、全天候、实时化，监测现场零用工，降低测试现场安全危险，能够将能效数据自动采集、实时分析、结果反馈周期控制在 30 分钟之内，可提高主要耗能设备运行效率 1%～3%，大幅提高能效监测工作效率和覆盖面，提升结果反馈及运行调整的时效性，满足节能减排在线管控、能效对标等工作要求，为企业节能降耗、实现可持续发展提供技术支撑。提高了能源管理水平，降低能源消耗，实现了节能增效的目的。

某注汽联合站对46台注汽锅炉开展能效在线监测实施能源管控，依据系统分析结果及优化建议精准施策，半年内开展锅炉炉管酸洗4台次，对流段积灰清洗3台次，燃气配风比调整46台次，锅炉运行热效率平均提高了0.6个百分点，热效率评价合格率提升2.83%。根据中国石油天然气集团公司西北油田监测中心《节能核查报告（报告编号：JNJC-452-2021）》数据显示，该系统投用后实现年节约天然气417.5万方，可节约燃料成本304.8万元。

五、结语

通过对数据传感技术、物联网、大数据、人工智能等技术的集成和优化应用，完善能源计量器具、构建能源物联网络，构建油田主要耗能设备能效在线监测系统信息管理平台。本系统打破了原有油田生产相关系统间“各自为政”“信息孤岛”现象，充分利用已有系统中的油田主要能耗设备能效监测数据，形成大数据利用模式，提升数据的及时性和准确性，挖掘数据规律，实现耗能数据的自动化采集、分析，提高能效监测业务的安全性、系统性、连续性，为更好地开展油田设备能耗分析工作提供数据支撑，为智能级能源管控系统建设奠定基础。《油田主要耗能设备能效在线监测信息系统》的推广应用可以实现节能监测模式的根本转变，做到节能监测现场零用工，降低测试现场安全危险。这一技术在各油田有着广泛的应用前景和良好的经济效益，有望在各油田推广应用，助力油田企业降本增效，增强企业竞争力，提高企业信息化水平。

参考文献

[1]陈由旺，吴浩，朱英如，等.“双碳”背景下油气田节能技术发展与展望[J].油气与新能源，2021，33（5）：8.

[2]黄飞，徐英俊，王学文，等.中国石油的节能实践[M].北京：石油工业出版社，2018：65.

[3]马建国，田春雨，周胜利，等.油气田节能监测能力提升途径[M].成都：四川大学出版社，2022：191.

作者单位：葛苏鞍、马中山，新疆油田公司实验检测研究院；叶红，红有软件股份有限公司