油田井場多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略研究

孫 東，張曉杰，劉 軍，劉 潔，仉志華，李 煒，王 莉

(1.勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000；2.中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580；3.中國石化勝利石油管理局有限公司，山東 東營 257000；4.山東勞動職業(yè)技術學院，山東 濟南 250300)

0 引言

隨著能源危機與環(huán)境問題的日益突出，新能源利用技術發(fā)展迅速。2020年9月，習總書記提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，繼而又做出了2030年可再生能源消費占比達到25%的承諾。電力是各個行業(yè)發(fā)展的基礎保障，在終端能源消費中的比例不斷增加，可見，大力布點新能源、提升可再生能源發(fā)電的消納能力是實現(xiàn)構建清潔、低碳、高效供用能體系的關鍵環(huán)節(jié)。油田是進行油氣生產(chǎn)的重要基地，能源生產(chǎn)的同時也是耗能大戶?，F(xiàn)階段油田的油氣生產(chǎn)過程主要依靠傳統(tǒng)的化石能源為之提供電能與熱能，普遍存在著成本高、綜合能效低等問題。這已成為嚴重影響油田企業(yè)效益并制約油田可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。目前，隨著世界能源變革的來臨，依靠傳統(tǒng)化石能源供能的石油行業(yè)能源替代形勢十分嚴峻[1-2]。

當前油田的油氣生產(chǎn)過程中電負荷與熱負荷共存，其中電負荷主要依靠電力公司或自備電廠供能，而熱負荷主要采用燃燒天然氣或者電加熱的方式提供。隨著光伏發(fā)電、風力發(fā)電、地熱能源發(fā)電等無污染的可再生能源發(fā)電技術的進步[3-4]，部分油田井場內(nèi)先后建設了分布式發(fā)電試點項目以及太陽能集熱系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有的油田井場電負荷、熱負荷、分布式電源以及電網(wǎng)之間獨立規(guī)劃、設計與運行，電能、熱能、氣能等能源形式之間的耦合程度不高，尚未構建起源-網(wǎng)-荷一體化的多能互補優(yōu)化供能體系；而且沒有結(jié)合油田源-荷運行特性，未能形成各種能源之間的多能互補機制，導致能源利用效率整體較低。

多能互補形式主要包括電熱耦合、電氣耦合，以及冷熱電耦合系統(tǒng)[5-7]。針對多能互補系統(tǒng)的結(jié)構與建模問題，國內(nèi)外專家學者已經(jīng)開展了大量研究。多能互補系統(tǒng)結(jié)構方面，文獻[8]提出了一種由風、光、天然氣以及儲能設備組成新型分布式系統(tǒng)結(jié)構，并分析了系統(tǒng)性能；文獻[9]分析了基于多能互補系統(tǒng)結(jié)構下的建模以及優(yōu)化調(diào)度問題；文獻[10]闡明了多能互補系統(tǒng)結(jié)構設計的必要性，探討了多能互補綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構；文獻[11]提出了一種多能互補的分布式供能系統(tǒng)的超結(jié)構模型。多能互補系統(tǒng)的建模與優(yōu)化方面，文獻[12]以熱電耦合系統(tǒng)為研究對象,研究考慮熱網(wǎng)網(wǎng)絡約束的電熱聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)能流計算方法；文獻[13]對能源集線器進行了詳細的建模,并總結(jié)給出了廣義儲能裝置的通用模型;文獻[14-15]提出的多能源網(wǎng)絡廣義電路支路與網(wǎng)絡模型系統(tǒng)分析了支路與網(wǎng)絡層面能量流的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性；文獻[16]提出了能量傳導器的概念(Energy Interconnector)，統(tǒng)一了多種能量流的表達形式，但該模型僅關注節(jié)點能量平衡方程，忽略了多能源網(wǎng)絡的復雜傳輸特性;文獻[17]分析了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)常規(guī)“以熱定電”和“以電定熱”的模式，提出了系統(tǒng)運行優(yōu)化的調(diào)控模型;文獻[18-19]中提出了氣網(wǎng)與熱網(wǎng)的廣義電路模型，但尚未從多能源系統(tǒng)的高度對各類能量流進行統(tǒng)一建模分析。

本文有效結(jié)合油田典型生產(chǎn)環(huán)節(jié)的用能設備工作特點與能源提供方式多樣化，提出了油田井場多能互補系統(tǒng)結(jié)構模型，并進行油田多能互補系統(tǒng)的建模與優(yōu)化調(diào)控方法研究，建立了油田井場多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型，并通過Matlab仿真，驗證了優(yōu)化模型的有效性。

1 油田井場多能互補系統(tǒng)結(jié)構及建模

1.1 油田井場多能互補系統(tǒng)結(jié)構

本文針對于油田多能互補系統(tǒng)，建立油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構模型如圖1所示。在電氣連接部分，油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構是根據(jù)油田配電網(wǎng)中交直交變頻器來帶動油井負荷的特點，利用現(xiàn)有的單井變頻結(jié)構將多個整流器并聯(lián)所組成，整體結(jié)構由多進線的并聯(lián)整流器、單變頻器直流電容、逆變器、直流微電網(wǎng)、油井負荷組成，實現(xiàn)油井負荷供電可靠性的提高與能量的有效利用。其中，多進線的并聯(lián)整流器來自低壓側(cè)，由多組三相不可控整流器并聯(lián)構成，單變頻器直流電容由油井單井供電線路交直交結(jié)構的直流電容構成，逆變器由單井負荷控制，即多條單井供電線路變頻器直流側(cè)端口相并聯(lián)，直流微電網(wǎng)由光伏單元、儲能電池、直流電壓變換單元構成，多進線的并聯(lián)整流器出口與單變頻器直流電容相連接，直流微電網(wǎng)的輸入輸出端口與單變頻器直流電容相連接，油井電機負荷通過逆變器與單變頻器直流電容出口相連接。在熱能連接部分，油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構是通過光能集熱與電加熱共同對井口加熱，多余或缺失的熱能由相變儲熱存儲或提供，通過電加熱環(huán)節(jié)，將電能與熱能相聯(lián)結(jié)，通過多端口能量路由器進行耦合，實現(xiàn)電熱之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖1 油田井場多能互補系統(tǒng)結(jié)構圖

1.2 油田井場多能互補系統(tǒng)建模

標準化建模方法是一種基于圖論的建模方法，它采用支路、節(jié)點、端口等概念標準化的描述綜合能源系統(tǒng)中的各類設備和傳輸管路[20]。該方法中為了描述圖中各支路和能量轉(zhuǎn)換設備端口的連接關系，首先建立端口-支路關聯(lián)關系矩陣A，端口-支路關聯(lián)矩陣的行數(shù)與所描述的節(jié)點的輸入輸出端口總數(shù)相同，列數(shù)與圖中總的支路數(shù)相同。然后定義節(jié)點-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣H來描述各類型能量轉(zhuǎn)換設備的轉(zhuǎn)換特性方程，節(jié)點-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣的列數(shù)與該節(jié)點輸入輸出總端口數(shù)相同，行數(shù)與該節(jié)點代表的能量轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換過程類型數(shù)相同。將節(jié)點-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣H與端口-支路關聯(lián)關系矩陣A相乘，即可得到對應節(jié)點的節(jié)點-支路能量轉(zhuǎn)換矩陣Z，該矩陣采用支路能量流描述元件的能量轉(zhuǎn)換關系。定義綜合能源系統(tǒng)中所有支路的合集為矩陣V，能夠得到綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換方程如公式(1)所示

ZV=0

(1)

結(jié)合圖1所示的油田井場多能互補系統(tǒng)結(jié)構模型，采用標準化建模的方法對結(jié)構模型中的各個模塊進行建模，得到油田井場多能互補系統(tǒng)能量流動模型如圖2所示，得到的建模結(jié)果如圖3所示。

圖2 油田井場多能互補系統(tǒng)能量流動模型

2 油田井場多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型

2.1 系統(tǒng)運行成本最小優(yōu)化調(diào)控模型

本文主要考慮油田井場多能互補系統(tǒng)運行成本這一重要的經(jīng)濟性指標。運行成本目標函數(shù)表達式為

(2)

式中Ji,t——t時刻第i種能量的折算價格/元·MW-1；

Vi,t——t時刻第i種能量的輸入量/MW。

2.2 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強優(yōu)化調(diào)控模型

油田井場分布式能源的消納能力可以用油田綜合能源系統(tǒng)中各種負荷消納的可再生能源的電量與油田綜合能源系統(tǒng)實際可再生能源發(fā)電量之間的比值來表示[21]，目標函數(shù)表達式為

(3)

式中Q0.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)所需的總的電量；

Qep.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)外購的電量；

Q1.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)可再生能源發(fā)電總量；

η——傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠向系統(tǒng)輸送電能的效率。

2.3 系統(tǒng)輸入總量最小優(yōu)化調(diào)控模型

(4)

式中ESP.t——系統(tǒng)t時刻光伏發(fā)電輸入的光能值/MJ；

ESH.t——系統(tǒng)t時刻光能集熱輸入的光能值/MJ；

EWD.t——系統(tǒng)t時刻外購電量值/MJ。

2.4 三種優(yōu)化調(diào)控模型的約束條件

模型的約束條件主要為圖3所示的標準化建模所得到的矩陣關系等式約束，除此之外還包括：

不等式約束

(5)

電儲能約束

(6)

相變儲熱約束

(7)

式(5)、(6)、(7)中，Vi為支路容量；Vj為設備容量；ΔEt為t時刻電儲能量；ΔQt為t時刻熱儲能量；St為t時刻電儲能設備的容量；Qt為t時刻熱儲能設備的容量；λ為電儲能自耗系數(shù)；β為熱儲能自耗系數(shù)；S0為電儲能設備周期初的容量；S24為電儲能設備周期末的容量；Q0為熱儲能設備周期初的容量；Q24為熱儲能設備周期末的容量。

2.5 三種優(yōu)化調(diào)控模型的求解算法

由于油田井場多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型中設備種類眾多，且約束條件復雜，所以本文所建立的優(yōu)化調(diào)控模型是一個復雜的混合整數(shù)線性優(yōu)化模型。本文優(yōu)化模型在Matlab環(huán)境下進行仿真，采用Matlab中的Yalmip工具箱對該混合整數(shù)線性優(yōu)化問題進行編譯，調(diào)用Cplex求解器進行求解，優(yōu)化的變量為能源轉(zhuǎn)換設備、儲能設備等各能源設備各時段的出力。算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3 仿真分析

為驗證本文所給出的油田井場多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型有效性，基于1.2節(jié)建立的油田井場多能互補系統(tǒng)能流模型，在Matlab中分析第2節(jié)所述的三種優(yōu)化調(diào)控模型的有效性。

油田井場多能互補系統(tǒng)包括分布式可再生能源發(fā)電、產(chǎn)熱設備、儲能設備等部分。油田井場多能互補系統(tǒng)設備仿真參數(shù)如表1所示(電儲能自放電率為0.01，相變儲熱自身熱損失率0.001)。

表1 仿真模型參數(shù)

油田井場多能互補系統(tǒng)從電網(wǎng)外購電能的實時電價如表2所示。

表2 油田井場多能互補系統(tǒng)購電分時電價

電負荷、熱負荷波動情況如圖5所示，油田抽油機靠抽油桿的上下運動將原油抽汲到地面的管網(wǎng)中，抽油機在上沖程抽起油柱時需要的功率大,而下沖程時無需動力可自行下落。抽油機負載是以抽油機沖程為周期連續(xù)變化的周期性負載,但每臺抽油機一個上下沖程周期并不一樣，使得油井負荷隨時間的變化曲線不規(guī)則,從而使形成的總負載曲線有些變形。油田用熱主要用于空心桿加熱，用熱量比較穩(wěn)定，所以熱負荷需求基本無波動，穩(wěn)定在30 kW。

圖5 油田井場電熱負荷波動圖

3.1 系統(tǒng)運行成本最小下的仿真結(jié)果分析

當油田井場多能互補系統(tǒng)以運行成本最小為優(yōu)化目標時，由于光伏發(fā)電設備發(fā)電成本比外網(wǎng)購電成本低，所以光伏發(fā)電設備始終維持最大出力，多余電負荷由網(wǎng)電供給。光能集熱設備與熱儲能設備共同供給熱負荷，故當熱儲能設備出力因成本因素變化時，光能集熱設備出力也略有波動，但仍維持在較高水平，系統(tǒng)總體傾向于優(yōu)先利用可再生能源發(fā)電，外網(wǎng)購電作為補充。由圖6可見，網(wǎng)電購電曲線波動性較大，主要原因是系統(tǒng)為了減少運行成本，在外網(wǎng)電價較高時購電量少，外網(wǎng)電價低時購電量較大。在5時、23時左右，電價相對較低，系統(tǒng)從電網(wǎng)購入大量電量；8時到14時，光照充足，光伏發(fā)電設備、光能集熱設備出力大，系統(tǒng)優(yōu)先利用可再生能源發(fā)電，外網(wǎng)購電量維持在較低水平。

圖6 系統(tǒng)運行成本最小下的仿真結(jié)果圖

在電網(wǎng)電價較低時，系統(tǒng)大量購入網(wǎng)電電量，在滿足系統(tǒng)電負荷的基礎上，多余電量通過蓄電池儲存起來或者通過電加熱設備轉(zhuǎn)化為熱能儲存利用，在電力負荷需求量大且電價相對較高，蓄電池釋放電能，鋰電池儲電量下降，從而減少系統(tǒng)外網(wǎng)購電量來減少運行成本。

3.2 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強下的仿真結(jié)果分析

當油田井場多能互補系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)大力傾向于利用可再生能源供能設備進行供能，此優(yōu)化目標下系統(tǒng)的光伏發(fā)電設備、光能集熱設備都滿負荷運行，使得可再生能源消納利用量達到最大，外網(wǎng)購電作為供能補充，外網(wǎng)購電量下降。

由圖7可見，外網(wǎng)購電曲線數(shù)值在8時到17時有較大程度下降，該趨勢的原因是當系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強為優(yōu)化目標時，可再生能源供能設備均處于最大負荷運行狀態(tài)，但光伏發(fā)電設備、光能集熱設備受光照影響較大。在8時到17時，光照充足，光伏發(fā)電、光能集熱設備能維持最大出力，故該時間段內(nèi)外網(wǎng)購電量會出現(xiàn)較大程度的下降。在18時到次日7時這個時間段內(nèi)，光照條件不足，光伏發(fā)電、光能集熱設備出力大大下降，電網(wǎng)購電量上升。

圖7 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強下的仿真結(jié)果圖

8時到15時，太陽輻射強度大，光能集熱設備、光伏發(fā)電設備始終滿負荷運行，可再生能源供能設備產(chǎn)生的能量幾乎全部供給系統(tǒng)利用，在滿足電負荷需求大前提下，少量多余的電能通過電儲能設備儲存起來，鋰電池儲存能量較少。

3.3 系統(tǒng)輸入總量最小下的仿真結(jié)果分析

圖8 系統(tǒng)輸入總量最小下的仿真結(jié)果圖

3.4 優(yōu)化調(diào)控策略總結(jié)

油田井場現(xiàn)有系統(tǒng)的日購電量在1 376 kWh左右，一天的運行成本為906.9元，由于現(xiàn)有系統(tǒng)只通過網(wǎng)電購電來滿足井場供能需求且無儲能設備，故系統(tǒng)外網(wǎng)購電量最多，運行成本最大，系統(tǒng)輸入總值較少，三種優(yōu)化目標下的優(yōu)化效果如表3所示。當系統(tǒng)以運行成本最低為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)運行成本為三種優(yōu)化策略中最低，光伏發(fā)電設備始終保持最大出力，光能集熱設備出力略有波動，但基本維持在較高出力水平，此情況下電儲能設備、熱儲能設備充分發(fā)揮儲、放能作用，電價低時儲能，電價高時放能，外網(wǎng)購電量數(shù)值居中，系統(tǒng)傾向于利用可再生能源為系統(tǒng)供能，所以可再生能源利用量也較多，系統(tǒng)綜合考慮電價、購電量因素，以達到運行成本最低；當系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)可再生能源供能量達到最大，光伏發(fā)電設備與光能集熱設備均始終處于最大出力運行狀態(tài)，為了充分消納可再生能源，電儲能設備基本不儲存能量，外網(wǎng)購電量為三種優(yōu)化策略中最低；當系統(tǒng)以輸入總量最少為優(yōu)化目標時，由于外網(wǎng)購電電值較小，系統(tǒng)傾向于通過外網(wǎng)購電向系統(tǒng)供能，光伏發(fā)電、光能集熱出力較小，系統(tǒng)運行成本相對較高。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，運行成本最低、可再生消納能力最強這兩種優(yōu)化目標下的可再生能源消納比例均大于40%，運行成本同比降低40%以上。

表3 三種不同優(yōu)化目標下的系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文結(jié)合油田各生產(chǎn)環(huán)節(jié)負荷運行特性與多源供能特點，利用標準化建模方法建立油田井場多能互補系統(tǒng)能量流動模型；充分考慮油田運行的經(jīng)濟性與高效性，建立了三種運行策略優(yōu)化模型。優(yōu)化模型中分別以系統(tǒng)運行成本最小、系統(tǒng)可再生能源利用量最大、系統(tǒng)輸入總最少為目標函數(shù)，考慮相關約束條件，采用Matlab仿真驗證優(yōu)化策略的有效性，對比分析了三種優(yōu)化模型的優(yōu)化效果。優(yōu)化結(jié)果表明，當系統(tǒng)以運行成本最低、可再生消納能力最強為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)的可再生能源消納比例均大于40%，運行成本同比降低40%以上。論文提出的的優(yōu)化調(diào)控模型為優(yōu)化油田井場用能結(jié)構、提高能源利用效率、降低綜合用能成本，提供了有效解決途徑。