天然氣儲氣庫綜合能源系統(tǒng)余熱利用的優(yōu)化配置

陳曦 穆靜霞 張明鑫 盛勇 彭泓華 王悠

（1.重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；2.西南油氣田分公司儲氣庫管理處；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院）

隨著國家雙碳目標(biāo)的提出，天然氣與風(fēng)、光等可再生能源是實現(xiàn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的重要支撐。在滿足能源供需的情況下增加綠色低碳能源的消納率是亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。綜合能源系統(tǒng)（IES）能實現(xiàn)能源自給和梯級高效利用[2-5]。其中天然氣儲氣庫通過商業(yè)天然氣注入氣藏，達到戰(zhàn)略儲備和季節(jié)調(diào)峰的目的。構(gòu)建以天然氣儲氣庫為中心的綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化配置有利于提高其綜合能源利用效率和經(jīng)濟運行水平[6]。為進一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益，降低能源損耗，將余熱回收考慮進入綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)建，建立以設(shè)備容量配置及運行策略優(yōu)化為目標(biāo)雙層協(xié)同求解模型，進而求得面向天然氣儲氣庫的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。最后綜合評判所提方案的合理性。

1 面向天然氣儲氣庫的綜合能源系統(tǒng)

1.1 天然氣儲氣庫的生產(chǎn)特性及用能特點

天然氣儲氣庫系統(tǒng)主要由輸氣干線、注采氣井、集注站、脫水站四大部分組成，其生產(chǎn)特性具有周期性，可分為注氣期、采氣期和注采轉(zhuǎn)換期三個時期。注氣期通常為每年的4-10 月的用氣低谷期。采用電驅(qū)式壓縮機將長輸管道中的商品天然氣增壓后注入儲氣庫，具有耗電量大和伴隨大量余熱產(chǎn)生但用氣量較小的用能特點，電驅(qū)式壓縮機、空冷器、空壓機、給水泵、空調(diào)等為主要負(fù)荷。采氣期是將儲氣庫中的壓縮天然氣采出，經(jīng)調(diào)壓、分離、脫水、計量后注入輸氣管網(wǎng)的工藝期，熱煤油爐、鍋爐、空調(diào)、給水泵等為主要負(fù)荷。注采轉(zhuǎn)換期一般進行設(shè)備的維修和保養(yǎng)，時間較短，能耗較低。以相國寺儲氣庫為例，通常其采氣期應(yīng)是120天，注氣期應(yīng)是220天。注氣期典型日電、冷負(fù)荷分布情況見圖1，采氣期電、熱負(fù)荷日分布情況見圖2。

圖1 注氣期日電、冷負(fù)荷日分布情況

圖2 采氣期電、熱負(fù)荷日分布情況

1.2 壓縮機余熱回收原理及利用

為了充分利用天然氣的氣藏空間，在天然氣注入儲氣庫前需要利用壓縮機進行高壓壓縮，往復(fù)壓縮機組在封閉空間內(nèi)可以使一定容積的氣體進行有順序的吸入和排出，從而提高其靜壓力，該過程所需的動力有電力驅(qū)動和燃料燃燒產(chǎn)生的熱能驅(qū)動（以下簡稱燃料驅(qū)動）兩種方式。

燃料驅(qū)動天然氣壓縮機包括煙氣余熱和缸體冷卻余熱兩部分可以進行利用，這兩部分熱量約占輸入熱量的50%～70%，以散熱形式損失掉的熱量約5%～10%[7-8]。煙氣溫度通常為370～400 ℃，可通過在尾部設(shè)置余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水的方式回收利用。為了發(fā)動機冷卻缸體溫度的需要，冷卻余熱采用中間循環(huán)介質(zhì)，以風(fēng)冷的方式將熱量排放到大氣中，其特點是中間循環(huán)介質(zhì)的溫度較低，一般為60～70 ℃，所以不能產(chǎn)生蒸汽，只能用產(chǎn)生熱水的方式加以回收利用。最大限度地利用余熱，根據(jù)余熱煙氣溫度梯級回收余熱，再根據(jù)情況確定煙氣冷凝以及發(fā)動機缸體冷卻余熱回收。

1.2.1 壓縮機余熱回收技術(shù)

往復(fù)式壓縮機運行時產(chǎn)生的壓縮熱非常大，通常這部分熱能通過壓縮機機組配置的冷卻系統(tǒng)進行冷卻。有資料顯示壓縮機在運行時，15%的電力消耗做有用功，85%的電力消耗通過冷卻系統(tǒng)傳入大氣做了無用功。由于天然氣燃燒后排煙溫度較高，直接排放會造成能源浪費，余熱回收是提高能源利用率的重要措施。原理為壓縮機首先吸入氣體后經(jīng)過壓縮來產(chǎn)生高溫高壓氣體，然后高溫高壓氣體進入到余熱回收裝置，通過與低溫水進行換熱后，出來為低溫高壓氣體，隨后低溫氣體經(jīng)過冷卻器冷卻后出裝置。

1.2.2 壓縮機余熱回收模型

壓縮機余熱回收公式為

式中：t為氣體溫度值，℃；d為氣體含濕量，g/kg。

1.3 天然氣儲氣庫綜合能源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

通過分析儲氣庫生產(chǎn)特性和用能特點，設(shè)計面向天然氣儲氣庫的綜合能源系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)儲氣庫各個功能區(qū)對能源種類依賴程度不同，同時降低儲氣庫正常運行時的能源費用及實現(xiàn)能源利用的最大化，擬考慮增設(shè)燃?xì)廨啓C、光伏、風(fēng)機等源端供能設(shè)備，并考慮多能耦合實現(xiàn)不同能量之間的有效轉(zhuǎn)換，增設(shè)電鍋爐、電制冷機、吸收式制冷機等設(shè)備；同時，由于儲氣庫源系統(tǒng)中，設(shè)有較大功率的壓縮機組，會產(chǎn)生大量的熱量，為實現(xiàn)能源利用率的提高，新增一套余熱回收裝置用來回收注氣期的天然氣壓縮過程中產(chǎn)生的余熱。系統(tǒng)外部，由于儲氣庫生產(chǎn)的特殊性，使其對能源依賴程度有較大差異。在用能較大的注氣期，主要用能種類是電及冷；在用能較小的采氣期，主要用能種類是電及熱。故可在注氣期及采氣期分別設(shè)定與儲氣庫相匹配的企業(yè)以滿足其負(fù)荷的需求，也可通過能源售賣的方式為儲氣庫降低用能成本。綜合能源系統(tǒng)見圖3。

圖3 綜合能源系統(tǒng)

2 優(yōu)化配置及評價

上層規(guī)劃為IES 配置優(yōu)化模型，規(guī)劃目標(biāo)為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃成本最優(yōu)，已知量包括系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)，決策變量為設(shè)備組合和設(shè)備容量；下層規(guī)劃為IES 調(diào)度優(yōu)化模型，規(guī)劃目標(biāo)為系統(tǒng)運行調(diào)度成本最優(yōu)，已知量包括能源成本、設(shè)備參數(shù)和上層優(yōu)化配置結(jié)果，決策變量為設(shè)備的輸入輸出。

2.1 優(yōu)化配置上層模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

上層模型為規(guī)劃模型，以設(shè)備年投資成本和年運行成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，以各種供能設(shè)備的安裝容量為優(yōu)化變量。其中規(guī)劃所涉及到的設(shè)備有：燃?xì)廨啓C、余熱鍋爐、壓縮機、吸收式制冷。

式中：PS,n,t、PS,n,t-1分別為t時段和t-1 時段n類能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入功率，kW；PS,n,max為n類能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的最大輸入功率，kW；mn為n類能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的最大爬坡速率，MW/min。

2）能源交互功率約束

式中：Pnet,max、Pnet,min分別為系統(tǒng)向電網(wǎng)購入電功率的上、下限，kW；Pg,max、Pg,min分別為系統(tǒng)向天然氣網(wǎng)購入天然氣功率的上、下限，kW。

2.3 雙層優(yōu)化配置模型

上層規(guī)劃模型決策變量為設(shè)備類型，屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，采用粒子群算法進行求解。下層優(yōu)化模型決策變量為各能源機組運行方案，屬于線性規(guī)劃問題，采用CPLEX 求解器求解，綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置流程見圖4。

圖4 綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置流程

2.4 綜合能源系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)

由于綜合能源系統(tǒng)需考慮經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性等多維度的均衡，相關(guān)學(xué)者提出采用TOPSIS法進行多指標(biāo)綜合評價，根據(jù)貼近度來綜合評判方案的優(yōu)劣。

2.4.1 經(jīng)濟性指標(biāo)

1）投資費用

式中：C2為年運行成本，萬元。

2.4.2 能耗指標(biāo)

能源利用率是指系統(tǒng)輸出能量與輸入能量的比值，其值越高，系統(tǒng)節(jié)能性越好。

式中：C3為能源利用率；Pe為系統(tǒng)輸出電量，kW；Ph為系統(tǒng)輸出熱量，kW；Pc為系統(tǒng)輸出冷量，kW；Pg為系統(tǒng)天然氣消耗量，kW；LHV為天然氣低熱值，取10.8kWh/m3；Pi為輸入電量，kW。

3.4.3 環(huán)境指標(biāo)

1）NOX排放量

式中：di分別為燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t、電網(wǎng)消耗單位能源的碳排放量，g/m3；Fi分別為流入燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t的天然氣流量和電網(wǎng)購電量；μx分別為用電、氣的CO2排放因子，取值為0.8 kg/kWh和0.19 kg/kWh。

則污染物年減排率為

式中：i=4，5；Ci分別為污染物NOx、CO2年減排率；Da為基準(zhǔn)；Dx分別為NOx、CO2的排放量。

基于以上指標(biāo)，貼近度的具體求解方法如下所示。

1）加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣

式中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；rij為加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣；pij為歸一化第i個選擇方案的屬性值；uij為歸一化第i個選擇方案的屬性值j，βj是屬性值j的權(quán)重。

2）計算方案到A+和A-的距離

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

以某天然氣儲氣庫能源系統(tǒng)中選取夏季典型日為例進行算例分析，以24 h為一個調(diào)度周期，單位調(diào)度步長為1 h。注氣期典型日用電最大負(fù)荷約26.7 MW，冷負(fù)荷最大約13 MW；采氣期典型日用電最大負(fù)荷約1.12 MW，熱負(fù)荷最大9.5 MW。天然氣價格為2.5元/m3，電價為0.8元/kWh，儲氣庫綜合能源系統(tǒng)的不同季節(jié)典型日負(fù)荷曲線見圖5。

圖5 不同季節(jié)典型日負(fù)荷曲線

考慮4 種配置方案：一是選擇較為常用的光伏、風(fēng)機、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機、電制熱以及電制冷設(shè)備；二是在方案1的基礎(chǔ)上考慮儲氣庫綜合能源系統(tǒng)配置余熱回收裝置；三是在方案1的基礎(chǔ)上考慮在儲氣庫綜合能源系統(tǒng)增加燃?xì)廨啓C；四是同時考慮常用設(shè)備、燃?xì)廨啓C以及余熱回收裝置[9-10]。

3.2 結(jié)果分析

基于該區(qū)域的多能源負(fù)荷需求及設(shè)備的選擇情況，對該區(qū)域的儲氣庫綜合能源系統(tǒng)進行設(shè)備容量的優(yōu)化配置。設(shè)備容量優(yōu)化配置結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備容量優(yōu)化配置結(jié)果 單位：MW

3.2.1 方案評價結(jié)果

將設(shè)備容量配置方案應(yīng)用到2.4 節(jié)評價指標(biāo)，對各項指標(biāo)進行測算，不同方案下指標(biāo)參數(shù)見表2所示。

通過表2 可以求出G 的取值，G 的取值范圍為（0，1），G越大，貼近度越高，系統(tǒng)評價越好。方案4的G值最大，說明經(jīng)綜合評判在以上四種方案里，方案4整體最優(yōu)。

表2 不同方案下指標(biāo)參數(shù)

3.2.2 成本結(jié)果分析

方案1中通過天然氣儲氣庫綜合能源系統(tǒng)中的光伏和風(fēng)機以及購電來提供電負(fù)荷的供給。電力的供給一方面要滿足能源系統(tǒng)中的電力負(fù)荷需求，另一方面滿足電制冷機的用能需求。通過燃?xì)忮仩t、電制熱來完成熱負(fù)荷的供給。熱負(fù)荷的供給一方面要滿足能源系統(tǒng)中的熱負(fù)荷需求，另一方面滿足吸收式制冷機的制冷用能需求。由于綜合能源系統(tǒng)中的冷負(fù)荷需求量較熱負(fù)荷需求量較大，因此，除了吸收式制冷機對冷負(fù)荷的供給，還需要電制冷機進行輔助供能。

方案2中余熱回收裝置提供的電能可以滿足一部分電負(fù)荷需求，并且提供電制冷和電制熱進行供能。余熱回收裝置可以降低從外部電網(wǎng)購電量，配置余熱回收裝置可以降低吸收式制冷機和電制冷機的容量，吸收式制冷機是通過熱能進行制冷，那么進而降低了燃?xì)忮仩t的容量。然而，安裝余熱回收裝置可能會在一定程度上增加系統(tǒng)的能源設(shè)備投資成本，但是系統(tǒng)的購能成本和設(shè)備維護成本降低，總成本進而降低。因此，配置余熱回收裝置可以實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性，提高系統(tǒng)內(nèi)的能源有效利用。

方案3中由于燃?xì)廨啓C、光伏和風(fēng)機以及購電提供的電能來滿足電負(fù)荷需求，還可以提供電制冷機進行制冷，電制熱機制熱。雖然配置燃?xì)廨啓C會增加一部分能源設(shè)備的投資成本，但是由于燃?xì)廨啓C的加入會使一部分設(shè)備容量降低。因此，配置燃?xì)廨啓C可以降低系統(tǒng)中安裝成本較高的吸收式制冷機的容量，同時吸收式制冷機需要大量的熱能來進行制冷，那么降低吸收式制冷機容量的同時也間接的降低了燃?xì)忮仩t的需求，并且光伏和風(fēng)機在運行過程中不需要消耗一次能源。同時購能成本和設(shè)備維護費用降低，總成本也降低。因此，配置燃?xì)廨啓C能實現(xiàn)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

方案4 中同時配置燃?xì)廨啓C以及余熱回收裝置，即可滿足電負(fù)荷需求，通過吸收式制冷機和電制冷機轉(zhuǎn)換成冷能進行供能，從而降低吸收式制冷機和電制冷機的裝機容量。另外，由于配置燃?xì)廨啓C以及余熱回收裝置可以降低從外部電網(wǎng)的購電量，因此，可以在一定程度上減少系統(tǒng)的購能成本和設(shè)備維護成本。然而，安裝燃?xì)廨啓C以及余熱發(fā)電裝置可能會在一定程度上增加系統(tǒng)的能源設(shè)備投資成本。綜合上述分析，配置燃?xì)廨啓C以及余熱回收裝置可以在一定程度上減少系統(tǒng)的總成本，因為余熱回收使浪費的能源得到了二次利用，更加具有經(jīng)濟性，同時實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，提高能源利用率。

4 結(jié)論

針對天然氣儲氣庫的生產(chǎn)特性和用能特點，本文構(gòu)建了考慮余熱利用的儲氣庫綜合能源系統(tǒng)，并基于粒子群算法和CPLEX 求解器提出了針對儲氣庫綜合能源系統(tǒng)的雙層容量優(yōu)化配置方法，最后利用TOPSIS 對該系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)整體優(yōu)劣程度進行評價。結(jié)果表明余熱利用系統(tǒng)將有效提高綜合能源系統(tǒng)的供能效率并降低用能成本。考慮到天然氣儲氣庫注采周期用能以及負(fù)荷的不均衡性特點，余熱利用系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C發(fā)電機組的結(jié)合將顯著提高天然氣儲氣庫綜合能源系統(tǒng)的綜合性能。