能源管控是近几年发展起来的一种全过程能源管理模式，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，对能源实施动态监控和有效管理，促进能源利用最优化和经济效益最大化，以提高企业能源科学化管理水平[1-4]。气田生产系统由采气系统、集输系统、净化处理系统和气田水回注系统组成，其中净化处理系统能耗占比最高，约占全部能耗的35%，且具有工艺流程长、工艺环节多、工艺间关系复杂和涉及的硬件设备种类繁多等特点[5-8]。因此，开展天然气净化处理系统能源管控信息平台的建设，有利于气田企业实现对能源资源的统一调度与集中管理，从而帮助企业提高能源利用效率，提升综合能效水平，最终达到降本控费和提质增效的目的。此外，该信息平台的建立还有助于气田企业实现天然气净化业务生产管理的精细化、数据化、流程化及标准化。
以某天然气净化厂为例，该厂以物联网技术平台为支撑，整合全厂能源消耗数据，分别从集散控制系统（DCS）、电力综合系统采集相关的生产和工艺参数、设备和电机运行参数及装置能耗数据，在物联网系统上形成相对独立的能源管控信息平台，开展装置实时用能监测、能耗超限预警、异常报警，以及能效水平同比、环比与对标分析等，利用大数据、互联网、云计算等技术为工厂节能、减排、降耗提供优质服务[9]，以期助力天然气净化生产业务绿色低碳高质量发展，助推油气田企业实现经济、社会和环境效益同步提升，同时为其他高耗能过程工业能源管控信息系统的建设提供路径指导与有益参考。
天然气净化厂共有7套净化装置，包括4套处理量为300×104 m3/d的净化装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ列）和3套处理量为600×104 m3/d的净化装置（Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ列），年设计处理天然气100×108 m3，年设计生产硫磺13.86×108 t 。净化装置主要包括原料气过滤分离、脱硫脱碳、脱水、硫磺回收、尾气处理、酸水汽提等主体单元，硫磺成型、污水处理、火炬及放空等辅助装置，新鲜水及消防、循环水、锅炉及蒸汽、空气氮气、燃料气等公用系统。此外，为了使净化装置正常运转，还设置了自动化控制、化验分析、供配电和维修等配套设施。该天然气净化厂的主要产品为商品天然气，其质量指标符合GB 17820—2018《天然气》中一类气标准[10] ，附属产品为工业硫磺，其中固体硫磺的质量指标满足GB/T 2449.1—2021《工业硫磺 第1部分：固体产品》中A级标准[11]，液体硫磺的质量指标满足GB/T 2449.2—2015《工业硫磺 第2部分：液体产品》中优等品标准[12]。
天然气净化厂的能源消耗主要包括燃料气、电能和新鲜水三大类[13-14]。燃料气消耗主要为脱水单元再生塔重沸器、硫磺回收单元各级再热炉、尾气处理单元在线燃烧炉和尾气焚烧炉、锅炉及蒸汽系统燃气蒸汽锅炉、火炬及放空系统火炬等设备用气；电能消耗主要为脱硫单元贫胺液循环泵、脱水单元TEG循环泵、硫磺回收单元主风机、循环水系统循环水泵、空气氮气系统空压机等设备用电；新鲜水消耗主要为硫磺回收单元余热锅炉和各级硫磺冷凝冷却器、尾气处理单元余热锅炉和尾气余热锅炉等设备，锅炉及蒸汽系统、循环水系统、消防系统等系统用水。天然气净化厂的重点耗能设备主要分为耗气设备和耗电设备两大类，重点耗气设备（燃料气消耗量≥100 m3/h）共18台，重点耗电设备（额定功率≥100 kW）共51台。
天然气净化厂能源管控系统的总体架构如图1所示，其包含数据源层、数据管理层、企业平台层、业务应用层和终端用户层5个层次。数据源层负责对数据进行采集，通过自动采集和人工采集两种方式获取数据，其中燃料气、新鲜水消耗数据通过DCS系统采集，电能消耗数据通过电力综合系统采集。数据管理层负责对各类数据进行存储和管理，包括缓存数据库Redis、时序数据库InfluxDB和关系数据库MySQL三个数据库，分别对实时数据、历史数据和管理数据进行存储和管理。企业平台层包括协议层、服务层和应用平台层，其向下访问数据管理层，向上对接业务应用层，主要用于实现组态化的开发、配置化的编程等，同时为能源管控平台提供基础的系统管理功能。业务应用层涵盖数据采集业务和能源管控业务，数据采集业务可实现能源相关数据的采集、处理、统计、分析和储存，能源管控业务可实现能源驾驶舱、能源在线监测、能耗查询、对比分析、预警报警、能效对标、能源优化、能源模型管理、能源会议管理、能源计划、能源平衡等应用功能。终端用户层位于能源管控系统模型层次架构的最顶层，通过不同的应用终端（如PC浏览器、智能手机、大屏等）向用户展现可视化应用程序，与用户进行人机交互。
天然气净化厂能源管控系统网络部署架构如图2所示。由图2可知，能源管控系统涉及的网络包括DCS控制网络、天然气净化厂/公司生产网络、能源管控内部网络和天然气净化厂/公司办公网络。在天然气净化厂内,生产网与办公网不直接连通，而是通过公司生产数据平台实现生产网与办公网的通讯，其数据流向为OPC服务器（天然气净化厂生产网）−生产数据平台（公司生产网）−安全隔离区（公司）−生产数据平台（公司办公网）−能源管控数据库服务器（天然气净化厂办公网）。最终，在能源管控数据库服务器中实现历史数据的存储和实时数据的缓存，从而为能源管控系统的应用提供数据服务。
天然气净化厂能源管控系统功能架构如图3所示，包括系统管理、业务管理和终端用户管理三大功能模块。系统管理功能模块主要实现对系统基础信息和功能的管理与维护，包括资料管理、组织管理、用户管理、角色管理、菜单管理、权限管理、公告管理和日志管理。其中，组织管理是实现天然气净化厂组织机构及从属关系定义的更新、维护；角色管理是系统功能权限设置的基础，其依据岗位特点，对不同用户进行系统菜单和数据访问权限的配置、调整；菜单管理主要用于配置系统的功能菜单项，包括系统菜单的创建、命名、显示、隐藏、级别调整。业务管理功能模块主要依据能源管控成熟度分级配套功能的要求进行递进式建设，以达到系统功能的持续迭代和优化。监测级能源管控系统主要实现能耗驾驶舱、在线监测、能耗对比、能耗查询等功能；分析级能源管控系统是在监测级功能的基础上，实现能源平衡、能效对标、资料管理、预警报警等功能；优化级能源管控系统是在分析级功能的基础上，实现能源优化、模型管理、大数据管理等功能。此外，企业还可根据实际建设需求，自行扩展、细化各成熟度分级的具体功能。终端用户管理用于集中管理各类企业用户和统一管理各类终端设备。
油气田企业能源管控成熟度按照达到的功能，可分为计量级、监测级、分析级、优化级和智能级5个等级，并由计量级向智能级发展[15-17]。截至目前，天然气净化厂已完成分析级能源管控信息系统的建设，现阶段正在开展由分析级向优化级的提档升级建设，同时也在继续夯实数据基础、持续完善系统功能。下面将详细介绍天然气净化厂分析级能源管控系统中主要功能模块的应用情况。
天然气净化厂能源管控系统从物联网登录，用户输入账号及密码即可登录该系统平台。用户成功登录后，平台显示天然气净化厂全厂能源大屏界面（见图4），对系统重要的运行和统计信息进行展示，包括天然气净化厂3D模型，燃料气、电能、新鲜水、蒸汽各类能源的实时与年度消耗状况及变化趋势，天然气处理量及变化趋势、产品气量及变化趋势等。全厂能源大屏界面显示的内容及其布局形式可根据用户的关注点进行个性化配置。
能耗驾驶舱功能模块用于展示天然气净化厂整体能源消耗量情况，包括月度能耗驾驶舱、季度能耗驾驶舱和年度能耗驾驶舱3个子模块，分别从月度、季度、年度展现天然气净化厂的综合能源消耗量、燃料气消耗量、电能消耗量、新鲜水消耗量、蒸汽消耗量情况及其在该时间的变化趋势。能耗驾驶舱界面如图5所示。图5（a）展示了天然气净化厂2022年11月各类能源的消耗量及其总和，图5（b）展示了净化厂2022年11月综合能源消耗量和燃料气消耗量的逐日变化趋势。通过对天然气净化厂各类能源品种消耗量、综合能源消耗量及其变化趋势的了解，可帮助节能人员全面摸清天然气净化厂的能源使用情况，为天然气净化厂节能降耗工作的有效落实和准确执行提供保障。
在线监测功能模块从全厂、用能单元和主要用能设备3个层级对单耗指标、能源绩效参数和主要生产工艺参数进行实时监测，主要包括厂级单耗指标、用能单元单耗指标、用能单元绩效参数、主要用能设备绩效参数、主要用能设备效率等内容。在线监测界面如图6所示。通过对天然气净化厂用能单元和主要用能设备的监控，可以实时评估其性能和效率，有利于及时发现低效能设备，从而采取措施对设备进行优化，提高设备的整体性能和效率，进而提升天然气净化厂的能源利用效率，降低能源成本。
能耗查询功能模块用于查询天然气净化厂各项能耗统计数据，系统用户可按照时间跨度（年度、月度、时间段）、能源类型（燃料气、电能、新鲜水、蒸汽）、管理层级（厂级、用能单元级、主要用能设备级）等不同维度进行查询，查询结果以曲线图、饼图、柱状图、报表等方式展示和导出。能耗查询界面见图7。图7展示了2023-12-01至2023-12-06这一时间段内天然气净化厂各用能单元燃料气消耗量情况。图7中左上方曲线图为各用能单元燃料消耗量变化趋势，右上方饼图为各用能单元燃料气消耗量占比情况，下方列表为各用能单元燃料气消耗量报表，其显示了各用能单元各时间段燃料气消耗量的具体数值。
对比分析功能模块主要用于从时间维度、用能单元维度和用能设备维度对能源（燃料气、电能、新鲜水、蒸汽）的消耗情况进行对比分析，对比分析结果以曲线图、柱状图、列表等方式显示和导出。图8展示了对比分析界面。通过各用能单元或用能设备在同一时期能耗量的对比分析，用户可及时发现能耗量异常的用能单元或用能设备，便于尽早采取应对措施，以减少能源浪费、优化能源使用。
预警报警功能模块基于设置的限定范围，实现对在线监测的生产运行数据、能耗统计数据和能源绩效参数的越限告警。当实际值达到限定范围的80%时触发预警。当实际值超过限定范围后触发报警。能源管控系统一旦触发预警或报警，会发出告警声音或闪光灯提示，并通过Web页面弹窗、邮件、短信中的一种或多种方式主动通知指定的负责用户，以便用户在任意时间都能实时掌握告警情况，及时处理重要告警事件。用户也可以在系统中查询历史告警事件的详细情况，包括能源管控单元名称、生产运行数据/能耗统计数据/能源绩效参数名称、告警时间、限定范围、告警值、事件处理状态等信息。同时，系统提供对每条告警信息进行上报处理、忽略、溯源、查看处理详情等操作功能。预警报警界面如图9所示。通过对历史告警事件的统计分析，用户不仅可以了解设备的运行状况，以提前发现设备运行中的潜在问题，还可以检查限定范围配置的合理性，以避免系统漏报或产生无效告警。
能效对标功能模块主要包括标杆管理、对标查询、横向对标分析、纵向对标分析、横向对标分析报告、纵向对标分析报告6个子模块。其中，纵向对标分析子模块（见图10）以时间（月度、季度、年度）为单位，对照展示天然气净化厂能耗统计数据或能源绩效参数在一段时间内的变化趋势，用于定位低效时段，以进行针对性分析并制定改进方案；横向对标分析子模块（见图11）以同类能源管控单元（天然气净化厂装置列、用能单元）为对象，对照展示能耗统计数据或能源绩效参数在同类能源管控单元间的差距大小，用于掌握各单元的能效优劣情况，以识别各单元的节能增效潜力。此外，系统能根据用户预设的报表模板自动生成月度、季度、年度的纵向对标分析报告和横向对标分析报告（见图12）。
其内容均包含能源消耗情况（某月、某季度、某年）、对标情况（横向、纵向）和对标情况分析说明3部分。
通过天然气净化厂能源管控系统对能耗统计数据和主要生产工艺参数的在线监测，能源绩效参数的实时计算、高耗低效设备的越限告警，能效指标的纵向对标分析与横向对标，开展天然气净化生产的能效评估、诊断与优化工作，实现了天然气净化厂能源消耗的精准管控和能效指标的全面提升。
图13展示了能源管控系统应用前后天然气净化厂各项单耗指标的变化趋势。从图13可以发现，天然气净化厂未开发能源管控系统前，2018—2020年期间，各项单耗指标呈逐年上升趋势。而自2020年天然气净化厂开发并应用能源管控系统后，2020—2022年期间，各项单耗指标呈逐年下降趋势。天然气净化生产综合能耗单耗由138.20 kgce/104 m3下降至127.47 kgce/104 m3，下降了7.76%；天然气净化生产燃料气单耗由95.74 m3/104 m3下降至88.05 m3/104 m3，下降了8.03%，即在原料天然气处理量相同的情况下可节约燃料气量760.83×104 m3，节能带来的效益为1407.53万元；天然气净化生产电单耗由88.42 kWh/104 m3下降至84.33 kWh/104 m3，下降了4.63%，即在原料天然气处理量相同的情况下可节约电量404.65×104 kWh，节能带来的经济效益为222.56万元；天然气净化生产新鲜水单耗由0.48 m3/104 m3下降至0.47 m3/104 m3，下降了2.08%，即在原料天然气处理量相同的情况下可节约新鲜水量0.79×104 m3，节能带来的经济效益为0.08万元。
1） 在对天然气净化厂生产规模、工艺特点、能耗状况进行分析的基础上，建立了一套适用于天然气净化处理业务的能源管控系统。
2） 天然气净化厂能源管控系统将能耗驾驶仓、在线监测、能耗查询、对比分析、预警报警、能效对标等功能模块都集成在一个信息平台中，使管理一体化、功能集中化、操作简单化。
3） 天然气净化厂应用能源管控系统后，各项 净化生产单耗指标呈逐年下降趋势，综合能耗单耗由138.20 kgce/104m3降至127.47 kgce/104m3，下降7.76%；燃料气单耗由95.74 m3/104m3降至88.05 m3/104m3，下降8.03%；电单耗由88.42 kWh/104m3降至84.33 kWh/104m3，下降4.63%；新鲜水单耗由0.48 m3/104m3降至0.47 m3/104m3，下降2.08%。实现年综合节能效益1 630.17万元。
4） 从目前实现的功能层面而言，天然气净化厂能源管控系统已达到分析级能源管控目标，后续将在完善分析级功能的基础上，使能源管控系统与生产工艺过程进一步紧密结合，通过与流程模拟技术、优化技术、先进控制技术等的集成，实现净化厂生产效益最大化基础上的能源使用全过程管理与控制，推动净化厂能源管控系统向更高等级管控目标发展。
2025, Vol. 54 Issue (1): 165-174 2025, Vol. 54 Issue (1): 165-174