中亞管道壓氣站分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

段志剛 魏心童 肖俏 秦陽 周鑫 趙煒

1中油國際管道公司2中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

壓氣站如同天然氣長輸管線的“心臟”，通過不斷加壓，保證天然氣長距離輸送。在天然氣管網(wǎng)整體運(yùn)行成本中，壓氣站的自耗氣成本占長輸天然氣管道運(yùn)行成本的50%以上[1]。合理配置壓氣站資源，以能耗最省為目標(biāo)對壓氣站進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化可節(jié)約大量能源。

目前，針對壓氣站的能耗優(yōu)化思路多在算法層面[2-5]，也有學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型，調(diào)整壓縮機(jī)組的工作參數(shù)來達(dá)到最小能耗[6-9]，還有部分研究從負(fù)荷分析的角度來提升壓縮機(jī)組的利用率[10-14]。從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、能源合理分配的角度同樣可以進(jìn)行壓氣站能耗的優(yōu)化，在站場應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)[15-19]就是一種新的思路。

分布式能源系統(tǒng)是一種以梯級利用、合理分配為原則的能源系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“熱電聯(lián)產(chǎn)”的效果，一次能源利用效率可達(dá)80%～90%，并使二次能源利用成為可能，有利于降低能耗，提升經(jīng)濟(jì)效益。近年來，對天然氣分布式能源系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)，如張麗君等[20]針對天然氣分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能減排效益分析，認(rèn)為分布式能源系統(tǒng)可以減少可觀的碳排放量；為了有效提高能源綜合利用率，張璇哲等[21]對天然氣分布式能源系統(tǒng)的“以熱定電”和“以電定熱”兩種運(yùn)行模式進(jìn)行研究，提出了以“年平均綜合利用率”、“熱電比”、“供熱比”三個(gè)參數(shù)作為合理選擇系統(tǒng)運(yùn)行模式的參考定量指標(biāo)；而蔡廣星等[22]按“以熱定電”的原則設(shè)計(jì)了油氣集輸分布式能源系統(tǒng)，并以實(shí)例計(jì)算證明了該系統(tǒng)能量利用率較傳統(tǒng)方式有所提高；吳潔等[23]針對小型建筑空間設(shè)計(jì)了一套燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)，該分布式能源系統(tǒng)既可作為獨(dú)立能源供能，又可與其他分布式能源共同工作，提升了分布式能源系統(tǒng)的靈活性；王歆宇[24]對某典型酒店燃?xì)饫錈犭姺植际焦┠芟到y(tǒng)進(jìn)行了負(fù)荷特征分析，對負(fù)荷隨時(shí)間的波動進(jìn)行了預(yù)測，通過負(fù)荷分配提高了分布式能源系統(tǒng)的能源利用率；李正茂等[25]則強(qiáng)調(diào)了自動化技術(shù)的應(yīng)用，采用天然氣分布式發(fā)電與網(wǎng)電構(gòu)成雙電源模式，在某油氣田集氣站引入了智能管控系統(tǒng)和能控制三通閥開度的自動控制裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，提高了系統(tǒng)的安全性；在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度上，王寶琳[26]提出最優(yōu)的運(yùn)行方式即燃機(jī)滿發(fā)余熱全利用的運(yùn)行方式，從提高分布式能源系統(tǒng)的火用效率角度上實(shí)現(xiàn)天然氣的梯級利用；崔悅等[27]探討了油田集輸分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)成與節(jié)能思路方面的構(gòu)建問題，認(rèn)為我國的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)以燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)方式比較普遍；DAVOR BI SˇC'AN[28]等從能源利用的角度對長輸管道壓氣站進(jìn)行了能耗優(yōu)化，為了利用站場的熱能，引入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收，并在經(jīng)濟(jì)效益上尋求了火用損失成本和余熱鍋爐投資成本的折中。

因此，一個(gè)可行的節(jié)能降耗思路是將分布式能源系統(tǒng)中常用的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用于油氣集輸聯(lián)合站和長輸管道壓氣站中，并對設(shè)備運(yùn)行情況、開啟方案策略進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際上，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組等設(shè)備雖然可以產(chǎn)生熱能、電能作為系統(tǒng)供能能源，但其同樣需要與壓縮機(jī)組共同消耗天然氣，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的設(shè)備選型、運(yùn)行臺數(shù)確定就至關(guān)重要。站場系統(tǒng)的能耗量不僅與能源結(jié)構(gòu)有關(guān)，與設(shè)備開啟的方案策略也有關(guān)[29]。為保證在應(yīng)用多種能源形式的過程中分布式能源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且盡可能減少資源浪費(fèi)，從整體上提升經(jīng)濟(jì)效益，在保證該分布式能源系統(tǒng)的能量輸出與壓氣站的能量消耗相平衡的前提下，需要對不同分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行方案進(jìn)行比選，并對不同的機(jī)組進(jìn)行開機(jī)、停機(jī)選擇，在選定機(jī)組之間進(jìn)行負(fù)荷分配的優(yōu)化，從而在滿足各種約束條件的前提下，能夠保證能耗最省。因此，本文構(gòu)建了壓氣站分布式能源系統(tǒng)，以能量流向平衡和設(shè)備運(yùn)行為約束建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，對采用分布式能源系統(tǒng)為供能結(jié)構(gòu)的壓氣站的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 問題描述

中亞輸氣管道某壓氣站共3條管道，采用AB/C線并排敷設(shè)。其中AB 線共用沿線的壓氣站，可以近似于同一個(gè)水力系統(tǒng)；C線是一個(gè)獨(dú)立的水力系統(tǒng)。WKC1 是AB 線的首站，UCS1 是C 線的首站。由于兩個(gè)站相隔只有500 m左右，所以有能源優(yōu)化的空間。WKC1 站場共5 臺壓縮機(jī)組、3 臺燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，目前現(xiàn)場工作時(shí)（下文稱為方案一，流程如圖1 所示）運(yùn)行2 臺GE 壓縮機(jī)組、2 臺GE 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，余下1 臺GE 壓縮機(jī)組、2 臺SOLAR壓縮機(jī)組和1 臺GE 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為備用。UCS1站場共4 臺壓縮機(jī)組、4 臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，工作時(shí)運(yùn)行1 臺SOLAR 壓縮機(jī)組、1 臺KAT 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，余下3臺SOLAR壓縮機(jī)組、3臺KAT燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為備用。壓氣站設(shè)備參數(shù)見表1。由于站場上所有壓縮機(jī)組和發(fā)電機(jī)組均為燃?xì)鈾C(jī)組，燃燒后的氣體直接排放，不僅造成能源浪費(fèi)，還影響生態(tài)環(huán)境。

圖1 方案一壓氣站系統(tǒng)能源流向示意圖Fig.1 Compressor station system energy flow diagram of Scheme Ⅰ

該分布能源系統(tǒng)由輸入能源模塊（天然氣）、能源轉(zhuǎn)換與儲存裝置模塊（燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈮嚎s機(jī)組）、電能需求模塊（生活生產(chǎn)用電、電驅(qū)壓縮機(jī)組）三個(gè)模塊組成。該系統(tǒng)的輸入能源為天然氣，輸出能源為電能，中間能源為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈮嚎s機(jī)組產(chǎn)生的熱能。

表1 壓氣站場設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters of compressor station

通常情況下WKC1站運(yùn)行2臺GE壓縮機(jī)組和2臺發(fā)電機(jī)組；UCS1站運(yùn)行1臺壓縮機(jī)組和1臺發(fā)電機(jī)組。現(xiàn)擬投資1.2 億元人民幣進(jìn)行改造，加入1套蒸汽輪機(jī)回收兩個(gè)站的余熱用于發(fā)電（下文稱為方案二，流程如圖2 所示），驅(qū)動電驅(qū)壓縮機(jī)組。將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、蒸汽輪機(jī)用于系統(tǒng)中，天然氣流入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組中，連續(xù)流動的天然氣為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將天然氣的化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，并輸出電功，而從透平中排出的高溫廢氣排至蒸汽輪機(jī)入口，即將熱能流向蒸汽輪機(jī)。壓縮機(jī)組出口的溫度常超過400 ℃，使蒸汽輪機(jī)利用壓縮機(jī)組高溫排氣攜帶的這部分熱能也被蒸汽輪機(jī)高效利用。蒸汽輪機(jī)中的蒸汽在渦輪內(nèi)膨脹推動渦輪做功，完成了熱能—?jiǎng)幽堋娔艿霓D(zhuǎn)化。而這種分布式能源的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)[30]，有利于能源的多級利用，提升了能源的利用效率。

方案二的能源結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。與方案一不同的是，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生的電能用來滿足系統(tǒng)的電能需求。

圖2 方案二、方案三壓氣站系統(tǒng)能源流向示意圖Fig.2 Compressor station system energy flow diagram of SchemeⅡ，Ⅲ

在某些來氣量較小的時(shí)期，WKC1站場只需開啟1 臺GE 壓縮機(jī)組和1 臺SOLAR 壓縮機(jī)組、UCS1站場開啟1 臺SOLAR 壓縮機(jī)組即可（下文稱方案三，流程如圖2 所示），考慮同樣采用方案二的用能方式并驅(qū)動電驅(qū)壓縮機(jī)組。下文將對三種方案進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，并對方案一與方案二進(jìn)行能耗對比分析。

2 模型建立

系統(tǒng)模型由幾組節(jié)點(diǎn)組成。一個(gè)站場可以包括一個(gè)或多個(gè)管道水力系統(tǒng)，為了區(qū)分這些管道系統(tǒng)，以i∈I={1，2，…，imax} 表示各管道系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。除此之外，模型還包括各壓縮機(jī)組節(jié)點(diǎn)j∈J={1，2，…，jmax}，各燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)k∈K={1，2，…，kmax} 。

已知不同規(guī)格設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、壓氣站的電能需求，考慮了能量平衡約束和設(shè)備運(yùn)行約束[31]，以各壓縮機(jī)組的實(shí)際耗氣量、熱能輸出量，各燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的開啟狀態(tài)、實(shí)際耗氣量、電能輸出量、熱能輸出量，以及汽輪機(jī)的開啟狀態(tài)、熱能輸入量、電能輸出量為決策變量，以所有管道系統(tǒng)的天然氣消耗量最低為目標(biāo)函數(shù)，建立MILP 模型。對該模型求解，即可得到壓氣站分布式能源系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方案。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以設(shè)備的開啟、關(guān)閉運(yùn)行狀態(tài)的選取為決策變量，以所有管道系統(tǒng)的天氣消耗量最低為目標(biāo)函數(shù)，建立壓氣站分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。

保證各個(gè)約束條件滿足的情況下，目標(biāo)函數(shù)可以表示為

式中：PGASi為i管道系統(tǒng)的天然氣消耗量，kg；Δt為模型的時(shí)間步長，h。

2.2 約束條件

2.2.1 能量平衡約束

（1）一個(gè)站場中可以包括多個(gè)管道系統(tǒng)，對于每個(gè)管道系統(tǒng)而言，每小時(shí)天然氣的消耗量等于所有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組與壓縮機(jī)組的輸入能量，公式為

式中：PGTINi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)的天然氣輸入量，kg；dCOGAi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組每小時(shí)的耗氣量，kg。

（2）對于每個(gè)管道系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組而言，每小時(shí)輸出的電能與輸入氣量、天然氣熱值、發(fā)電效率有關(guān)，公式為

式中：PGTOUTEi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)的電能輸出量，kW；ηGTEi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電率；?為天然氣熱值，kW·h/kg。

（3）對于每個(gè)管道系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組而言，每小時(shí)的輸出熱能與輸入氣量、天然氣熱值、產(chǎn)熱率有關(guān)，公式為

式中：PGTOUTSi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)的熱能輸出量，kW；ηGTSi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的產(chǎn)熱率。

（4）對于每個(gè)管道系統(tǒng)的壓縮機(jī)組而言，每小時(shí)的輸出熱能與輸入氣量、天然氣熱值、效率和產(chǎn)熱率有關(guān)，公式為

式中：PCOOUTSi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組每小時(shí)的熱能輸出量，kW；PCOELi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組每小時(shí)的額定電功率，kW；ηCOSi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組的產(chǎn)熱率；ηCOELi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組的效率。

（5）對于蒸汽輪機(jī)而言，每小時(shí)的熱能輸入量等于所有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和壓縮機(jī)組的熱能輸出量，公式為

式中：PSTIN為蒸汽輪機(jī)每小時(shí)的熱能輸入量，kW。

（6）對于蒸汽輪機(jī)而言，每小時(shí)的輸出電能與輸入熱能、發(fā)電效率有關(guān)，公式為

式中：PSTOUTE為蒸汽輪機(jī)每小時(shí)的電能輸出量，kW；以ηSTE為蒸汽輪機(jī)的發(fā)電率。

（7）對于兩個(gè)站場系統(tǒng)而言，天然氣發(fā)電機(jī)和蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生的電能可用于生活、生產(chǎn)、電驅(qū)壓縮機(jī)組，公式為

式中：dCOELi,j為i管道系統(tǒng)的j壓縮機(jī)組每小時(shí)的電功率，kW；dLIELi為i管道系統(tǒng)每小時(shí)的生活所需電功率，kW；dPRELi為i管道系統(tǒng)每小時(shí)的生產(chǎn)所需電功率，kW。

2.2.2 設(shè)備運(yùn)行約束

（1）對于每個(gè)管道系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組而言，其運(yùn)行功率不得超過相應(yīng)額定功率。若其處于運(yùn)行狀態(tài)(BGTi,k=1)，其運(yùn)行功率不得低于相應(yīng)下限。

式中：sGTi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)的額定功率，kW；γGTi,k為i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)的最低運(yùn)行功率，kW。

以二元變量BGTi,k判斷i管道系統(tǒng)的k燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是否處于運(yùn)行狀態(tài)：若該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，則BGTi,k=1；否則，BGTi,k=0。

（2）對于蒸汽輪機(jī)而言，其運(yùn)行功率不得超過相應(yīng)額定功率。若其處于運(yùn)行狀態(tài)(BST=1)，其運(yùn)行功率不得低于相應(yīng)下限。

式中：sST為蒸汽輪機(jī)每小時(shí)的額定功率，kW；γST為蒸汽輪機(jī)每小時(shí)的最低運(yùn)行功率，kW。

以二元變量BST判斷蒸汽輪機(jī)是否處于運(yùn)行狀態(tài)：若該蒸汽輪機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，BST=1；否則，BST=0。

2.3 模型求解

基于 Inte(R) Core(TM) i7-9750H CPU @2.60 GHz 處理器環(huán)境下，用GAMS Studio win64 30.2.0 編程建立了MILP 模型，并使用CPLEX 12.7求解器進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建立MILP 模型，設(shè)置時(shí)間步長Δt為1 h。目前輸入壓氣站的天然氣熱值為13.78 kWh/kg。

已知該壓氣站的每小時(shí)每個(gè)管道系統(tǒng)的消耗情況如下：WKC1系統(tǒng)生活所需電功率為100 kW，生產(chǎn)所需電功率為1 000 kW；UCS1 系統(tǒng)的生活所需電功率為0，生產(chǎn)所需電功率為600 kW。

3.2 對比求解

對三個(gè)方案進(jìn)行對比，UCS1 和WKC1 兩個(gè)壓氣站組成的系統(tǒng)電能共用，認(rèn)為燃?xì)鈮嚎s機(jī)組每小時(shí)的耗氣量不變。選擇額定功率為20 000 kW，最低運(yùn)行功率為2 000 kW，發(fā)電率為20%的蒸汽輪機(jī)。將以上參數(shù)輸入模型，對兩種不同的分布式能源系統(tǒng)中不同時(shí)間段的設(shè)備開啟方案策略進(jìn)行最優(yōu)化處理，比較兩種能源結(jié)構(gòu)的耗氣情況。

3.2.1 三種方案下的最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果

方案一運(yùn)行狀況見表2。WKC1 站運(yùn)行2 臺GE燃?xì)鈮嚎s機(jī)組，2 臺GE 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；UCS1 站運(yùn)行1臺燃?xì)鈮嚎s機(jī)組，1臺KAT燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

表2 方案一的運(yùn)行狀況Tab.2 Operating status of Scheme I

方案二運(yùn)行狀況見表3。該功率為20 000 kW的蒸汽輪機(jī)利用燃?xì)鈮嚎s機(jī)組出口的熱能發(fā)出的電就已經(jīng)可以滿足站場的生活、生產(chǎn)電能消耗，并可利用產(chǎn)生的電能，將UCS1 站場1 臺功率為15 MW的燃驅(qū)SOLAR 燃?xì)鈮嚎s機(jī)組的供能方式改為電驅(qū)。該方案中站場的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組可全部撤下。

表3 方案二的運(yùn)行狀況Tab.3 Operating status of SchemeⅡ

方案三運(yùn)行狀況見表4。在WKC1 站場中開啟2 臺GE 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，UCS1 管道系統(tǒng)中的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組全部撤下，兩個(gè)站場的燃?xì)鈮嚎s機(jī)組和發(fā)電機(jī)組的熱量共同驅(qū)動蒸汽輪機(jī)運(yùn)行為最優(yōu)運(yùn)行方案。該方案利用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生的電能，同樣可在滿足站場生活、生產(chǎn)電能消耗的情況下，在UCS1 站場以電驅(qū)方式驅(qū)動1 臺功率為15 MW的SOLAR燃?xì)鈮嚎s機(jī)組。

表4 方案三的運(yùn)行狀況Tab.4 Operating status of Scheme Ⅲ

3.2.2 能耗計(jì)算

由目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析可知，方案一的耗氣量為10 346.7 kg/h，方案二的耗氣量為8 030.6 kg/h，方案三的耗氣量為6 378 kg/h。方案二較現(xiàn)場目前采用的方案一每小時(shí)節(jié)約22.4%的天然氣。經(jīng)計(jì)算，與方案一相比，采用方案二的分布式能源系統(tǒng)可為該壓氣站場節(jié)省天然氣20 289.04 t/a。查當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格為2.55元/m3，換算為1.97元/kg，計(jì)算可得節(jié)省的耗氣費(fèi)用為39 969 400元。這是因?yàn)榉桨付袑⑷細(xì)鈮嚎s機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的高溫尾氣攜帶的熱能得以利用，將UCS1 站場的1 臺SOLAR 燃?xì)鈮嚎s機(jī)組以電驅(qū)方式供能，從而降低了耗氣量。對比擬投入的1.2 億元資金，得出方案二預(yù)計(jì)在3年內(nèi)可以將投入的資金回收。

4 結(jié)論

（1）在能量平衡和設(shè)備運(yùn)行的約束下，以所有管道系統(tǒng)的天然氣消耗量最低為目標(biāo)函數(shù)，通過建立求解壓氣站分布式能源系統(tǒng)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，對壓氣站在不同時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化選取。

（2）針對中亞天然氣管道某壓氣站場的耗氣比較，改進(jìn)了當(dāng)前站場采用的方案，可為該站場節(jié)省20 289.04 t/a 的耗氣，即3 996.94 萬元的耗氣費(fèi)用，約3年可以將投資回收。證明了以該分布式能源系統(tǒng)模型優(yōu)化得出的運(yùn)行方案節(jié)能效果較好，實(shí)現(xiàn)了能量梯級利用、高效利用，對進(jìn)一步改善壓氣站經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)節(jié)能減排具有重要意義。