海上平臺(tái)電站方案優(yōu)選研究與實(shí)踐

馬金喜 陳豐波 郝銘 鄒昌明 周新剛 高國強(qiáng)

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

電站在海上平臺(tái)工程投資中占比較大，對(duì)桶油操作成本也影響較大，電站方案的優(yōu)快比選不僅影響開發(fā)的大思路和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，而且也是項(xiàng)目從源頭降本的必要途徑。電站方案比選考慮因素多，涉及較多無法量化的影響因素，計(jì)算內(nèi)容繁瑣，方案交叉比選數(shù)據(jù)量大；尤其是多機(jī)型，需與熱站組合研究，工況復(fù)雜，當(dāng)前的傳統(tǒng)計(jì)算分析方法越發(fā)突顯耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、易出錯(cuò)的不足。面對(duì)海上油田開發(fā)越來越復(fù)雜的形勢(shì)和狀況，前期進(jìn)行電站多機(jī)型的組合方案比選研究已成為常態(tài)，而傳統(tǒng)的人工計(jì)算模式無法滿足前期研究方案篩選的高效性和準(zhǔn)確性需求。目前電站方案優(yōu)快比選技術(shù)尚屬空白，為在前期研究階段，能把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，快速篩選方案，支持工程大思路的判斷，亟待建立電站方案優(yōu)快比選技術(shù)方法體系。

1 研究思路及主要技術(shù)內(nèi)容

為了更加高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行電站方案比選研究，利用已建電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行信息資源，同時(shí)收集、整理和歸納主流供應(yīng)商的各類常用機(jī)型技術(shù)信息，通過深入分析各種機(jī)型組合工況，系統(tǒng)研究燃料消耗及操作費(fèi)計(jì)算方法，研發(fā)出電站、熱站燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)，填補(bǔ)了前期階段電站、熱站優(yōu)快設(shè)計(jì)研究的空白，實(shí)現(xiàn)了多方案篩選的高效性和準(zhǔn)確性。

另外，將選型時(shí)需考慮的各因素樣本數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序，均值量化選型影響因素，定量地計(jì)算出不同電站方案的關(guān)聯(lián)度并對(duì)其進(jìn)行排序，進(jìn)而快速篩選最優(yōu)方案。建立基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的海上平臺(tái)電站方案優(yōu)快比選技術(shù)，為電站方案的優(yōu)選提供新的量化分析方法，提高前期研究階段電站方案篩選的準(zhǔn)確性。

2 技術(shù)路線及關(guān)鍵方法

電站、熱站方案優(yōu)選研究的基本原則是合理配置，兼顧操作管理，選用技術(shù)成熟、可靠的機(jī)組[1-4]。電站配置方案優(yōu)快比選的關(guān)鍵是電站、熱站一體化燃料利用方案研究及各方案的綜合高效比選。

2.1 燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)研發(fā)

2.1.1 研發(fā)背景

燃料利用的基本原則是充分利用自產(chǎn)伴生氣，最大限度地減少原油消耗，尤其是成品柴油的消耗，節(jié)約操作成本，降低投資，提高油田整體開發(fā)收益[1，5]。

（1）計(jì)算效率。當(dāng)前每一套方案的燃料消耗及操作費(fèi)研究需要計(jì)算約38 項(xiàng)不同的逐年數(shù)據(jù)，而各項(xiàng)計(jì)算的輸入、輸出數(shù)據(jù)量大，需要查閱規(guī)范及引用機(jī)組不同參數(shù)的次數(shù)多，工作效率低下。在前期研究階段，基礎(chǔ)參數(shù)變化頻繁，計(jì)算的低效和反復(fù)計(jì)算嚴(yán)重制約了電站、熱站方案優(yōu)選的高效性和準(zhǔn)確性。因此，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)可以降低輸入數(shù)據(jù)的次數(shù)，提高結(jié)果計(jì)算精度，保證計(jì)算工作效率。

（2）計(jì)算參數(shù)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性。目前電站、熱站燃料消耗及操作費(fèi)計(jì)算過程中數(shù)據(jù)變化頻繁、版次更新信息溝通不暢，導(dǎo)致各部分輸入數(shù)據(jù)自相矛盾。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)參數(shù)集中輸入和程序自動(dòng)選取調(diào)用，可以從根本上避免以上問題的發(fā)生，提升計(jì)算參數(shù)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性。

（3）智能輸出計(jì)算結(jié)果。目前的設(shè)計(jì)計(jì)算中，計(jì)算表格格式不統(tǒng)一，深度也不同，造成輸出結(jié)果差異較大。針對(duì)以上問題，建立統(tǒng)一計(jì)算平臺(tái)，定義各類機(jī)型和組合方案的分析研究計(jì)算深度，規(guī)范輸出結(jié)果，能夠有效彌補(bǔ)不足。

從以上分析中可以看出，統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)能夠有效保證設(shè)計(jì)研究工作的高效性和準(zhǔn)確性。

2.1.2 技術(shù)路線及計(jì)算方法

燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)由基本參數(shù)輸入模塊、核心計(jì)算模塊、結(jié)果輸出模塊三部分構(gòu)成。計(jì)算平臺(tái)的技術(shù)路線如圖1所示。

（1）前置參數(shù)和計(jì)算原則。選擇需要的電站、熱站計(jì)算方案并在輸入模塊中按照要求輸入相應(yīng)的參數(shù)，如逐年電負(fù)荷、逐年產(chǎn)氣量、燃料參數(shù)、機(jī)型參數(shù)等。計(jì)算平臺(tái)自動(dòng)將輸入模塊中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入核心計(jì)算模塊，并按以下三個(gè)原則進(jìn)行計(jì)算：電站、熱站優(yōu)先使用伴生氣；伴生氣不足時(shí)優(yōu)先供給電站；如有透平并配有余熱回收裝置，熱站則優(yōu)先使用余熱回收裝置。

在高速公路工程建設(shè)過程當(dāng)中，中心試驗(yàn)室通過對(duì)各項(xiàng)施工原材料進(jìn)行合理的檢測(cè)，能夠?qū)①|(zhì)量不過關(guān)的施工原材料及時(shí)淘汰，有效提升高速公路工程的施工質(zhì)量。由于高速公路工程的施工規(guī)模比較大，工程中的各項(xiàng)施工原材料種類與數(shù)量不斷增多，為了保證各項(xiàng)施工原材料得到更加高效的使用，中心試驗(yàn)室檢測(cè)人員要對(duì)各項(xiàng)原材料進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)試驗(yàn)，針對(duì)質(zhì)量不過關(guān)的原材料，要及時(shí)更換原材料或者重新購買。

（2）計(jì)算流程和工況定義。當(dāng)對(duì)燃?xì)怆娬具x型時(shí)，平臺(tái)通過輸入的前置參數(shù)和電站負(fù)荷率，逐年計(jì)算燃?xì)怆娬驹诋?dāng)年使用燃?xì)鉃橹魅剂锨闆r下的負(fù)荷率，并自動(dòng)判斷是否符合要求。如果滿足要求則按照燃?xì)怆娬臼褂冒樯鷼鉃槿剂嫌?jì)算；如果不滿足要求則關(guān)閉1座燃?xì)怆娬?，再進(jìn)行電站負(fù)荷率的計(jì)算，直到伴生氣量不能滿足1座燃?xì)怆娬景樯鷼饬啃枨鬄橹?。此時(shí)如果所選電站方案中有能利用原油為燃料的電站，按照電站使用原油為燃料計(jì)算，否則按照該年電站不發(fā)電計(jì)算。

當(dāng)所有年份的電站燃料消耗都計(jì)算完畢時(shí)，則按照指定的電站維修率及核心計(jì)算模塊中得出的燃料消耗進(jìn)行操作費(fèi)的計(jì)算（燃料費(fèi)+維修費(fèi)），并在輸出模塊中輸出不同電站的燃料消耗、燃?xì)怆娬景l(fā)電量、伴生氣利用量曲線、電站負(fù)荷率曲線、電站操作費(fèi)等用戶需要的數(shù)據(jù)。

圖1 燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)的技術(shù)路線Fig.1 Technical flow of the optimum and fast calculation platform of fuel consumption and operation cost

選擇相應(yīng)的熱站方案，導(dǎo)入計(jì)算所得的電站方案的數(shù)據(jù)并輸入相應(yīng)的熱站參數(shù)，進(jìn)行熱站操作費(fèi)計(jì)算。

當(dāng)電站方案或電站、熱站方案計(jì)算完畢時(shí)，可以將本方案的計(jì)算結(jié)果直接輸入到“各方案綜合對(duì)比”模塊中進(jìn)行方案的綜合比選，從而通過數(shù)據(jù)、曲線、柱狀圖直觀地選擇最有利的方案（圖2、圖3）。方案一：3臺(tái)5.5 MW透平+2臺(tái)7.6 MW原油發(fā)電機(jī)組（熱介質(zhì)鍋爐）；方案二：2 臺(tái)9 MW 透平+2 臺(tái)7.6 MW 原油發(fā)電機(jī)組（熱介質(zhì)鍋爐）；方案三：2 臺(tái)9 MW 透平+2 臺(tái)7.6 MW 原油發(fā)電機(jī)組（余熱回收鍋爐）；方案四：1 臺(tái)0.5 MW 透平+3 臺(tái)7.6 MW 原油發(fā)電機(jī)組（熱介質(zhì)鍋爐）；方案五：2臺(tái)7.6 MW三燃料發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)7.6 MW原油發(fā)電機(jī)組（熱介質(zhì)鍋爐）；方案六：4 臺(tái)7.6 MW 原油發(fā)電機(jī)組（熱介質(zhì)鍋爐）。

2.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的電站方案優(yōu)快比選技術(shù)

2.2.1 電站方案比選的影響因素

確定電站選型方案影響因素的基本原則是綜合分析，著重經(jīng)濟(jì)，兼顧燃料利用率，選擇能全面反映電站機(jī)組性能的因素，通常包括伴生氣利用率、機(jī)組最大負(fù)荷率、燃油消耗費(fèi)用折現(xiàn)、操作費(fèi)折現(xiàn)、初始投資、占地尺寸、機(jī)組質(zhì)量、技術(shù)可靠性等[9-10]。

圖2 各方案逐年天然氣耗量曲線Fig.2 Comparison curves of natural gas consumption yearly for each proposal

圖3 各方案操作費(fèi)折現(xiàn)比較Fig.3 Comparison of operation cost discounting for each proposal

2.2.2 技術(shù)路線及分析方法

基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法海上主電站選型的技術(shù)路線如圖4所示。其由數(shù)據(jù)輸入、影響因素?zé)o量綱量化、計(jì)算方案關(guān)聯(lián)系數(shù)、計(jì)算關(guān)聯(lián)度、各方案關(guān)聯(lián)度排序等組成[9]。

灰色關(guān)聯(lián)分析方法的具體計(jì)算步驟：

（1）確定分析數(shù)據(jù)。確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列，反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列稱為參考數(shù)列，影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列稱為比較數(shù)列。

設(shè)參考數(shù)列為X0={X0(k)|k=1,2,…,n}，設(shè)比較數(shù)列為Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n;i=1,2,…,m}。

圖4 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法電站選型的技術(shù)路線Fig.4 Technical flow of power station selection based on the grey relational analysis method

（2）變量的無量綱化。由于系統(tǒng)中各因素列中的數(shù)據(jù)可能因量綱不同，不便于比較或在比較時(shí)難以得到正確的結(jié)論，因此在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析時(shí)，一般都要進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理。

對(duì)于技術(shù)可靠性不能數(shù)值量化的影響因素，采用專家判斷對(duì)其進(jìn)行打分，評(píng)價(jià)打分的依據(jù)為不同電站方案選用的伴生氣利用率、最大負(fù)荷率、初始投資、燃料費(fèi)折現(xiàn)、維修費(fèi)折現(xiàn)以及占地等。

（3）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。X0(k)和Xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為其比較數(shù)列和參考數(shù)列的差ξ∈(0,∞) 稱作分辨系數(shù)，一般ξ的取值區(qū)間為（0，1），具體可視情況而定，通常取ξ=0.5。

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度。因?yàn)殛P(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列和參考數(shù)列在不同方案下的關(guān)聯(lián)程度值，信息過于分散不便于整體比較，因此有必要將各方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中統(tǒng)一求出平均值。作為比較數(shù)列和參考數(shù)列間的關(guān)聯(lián)度為k=1,2,…,n;i=1,2…,m。

（5）關(guān)聯(lián)度排序。計(jì)算出X0(k)和Xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)后，計(jì)算不同方案下關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值并對(duì)其大小排序。如果r1＞r2，說明參考數(shù)列X0與比較數(shù)列X2更相似，即此方案下的電站方案選型最優(yōu)。

3 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

經(jīng)過技術(shù)研究和專題攻關(guān)，取得的一系列創(chuàng)新成果在渤海油田的前期研究項(xiàng)目中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，從設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)電站、熱站方案比選的優(yōu)快設(shè)計(jì)研究，取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 技術(shù)創(chuàng)新性

首次建立了基于成熟理論方法的電站、熱站燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)。將目前成熟的計(jì)算方法統(tǒng)一在準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)上，保證數(shù)據(jù)流動(dòng)、傳遞的快速性和準(zhǔn)確性，極大地提升了電站、熱站一體化多方案比選的高效性和準(zhǔn)確性。

首次系統(tǒng)整理和集成了各類型發(fā)電機(jī)組及同一類型不同型號(hào)機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，供計(jì)算選擇。對(duì)不同機(jī)型的組合電站和熱站進(jìn)行結(jié)構(gòu)分層，創(chuàng)建獨(dú)立計(jì)算模塊。設(shè)置基本參數(shù)的直接導(dǎo)入功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)組燃料消耗和負(fù)荷率的逐年變化趨勢(shì)窗口顯示功能，同時(shí)可導(dǎo)出逐年數(shù)值計(jì)算結(jié)果，非常便于分析和比選方案。

采用MATLAB 工程計(jì)算開發(fā)平臺(tái)，具有可視化操作功能，簡(jiǎn)單方便。在參數(shù)變化頻繁的前期研究階段，實(shí)現(xiàn)了各類方案計(jì)算結(jié)果的即輸即得，工效提升顯著。

傳統(tǒng)的電站方案優(yōu)選往往需要專家判斷，進(jìn)行多輪次定性和定量相結(jié)合的比選研究，消耗人力、物力；而基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的海上電站優(yōu)快比選技術(shù)，提供了新的量化分析方法，對(duì)電站方案定量?jī)?yōu)劣排序，把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，快速篩選方案，幫助前期研究尤其是可研階段工程大思路的及時(shí)判斷。

3.2 應(yīng)用實(shí)踐

以渤海油田某新建項(xiàng)目為例，一套電站、熱站組合方案的比選時(shí)間從8 h 縮短為1.5 h；而六種方案進(jìn)行了12 輪的比選工作，累計(jì)節(jié)約工時(shí)約470 h，提高工效顯著，也為前期研究工程大方案判斷的及時(shí)性爭(zhēng)取了時(shí)間。優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)使電站、熱站燃料消耗及操作費(fèi)計(jì)算工作更為精細(xì)準(zhǔn)確，為項(xiàng)目全生命周期操作費(fèi)節(jié)省投資約500萬元，節(jié)省平臺(tái)面積約400 m2。

4 結(jié)束語

隨著國際石油價(jià)格低位徘徊，海洋石油開發(fā)面臨越來越大的挑戰(zhàn)，前期研究項(xiàng)目對(duì)各專業(yè)的研究效率、研究深度以及研究廣度提出了更高的要求。在低油價(jià)背景下，電站方案優(yōu)快比選研究方法體系的創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)從方案源頭降本的重要舉措。燃料消耗及操作費(fèi)優(yōu)快計(jì)算平臺(tái)的建立和推廣，將燃料消耗分析計(jì)算、機(jī)組性能參數(shù)調(diào)用以及全生命周期操作費(fèi)評(píng)估等工作集成為一體，為電站、熱站方案優(yōu)快比選設(shè)計(jì)研究和集成管理提供了高效的平臺(tái)，對(duì)渤海油田電站、熱站運(yùn)行管理也有著重要的意義。而基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的海上電站優(yōu)快比選技術(shù)，也提供了新的量化分析方法，把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)了電站方案篩選的高效性。