天然氣儲氣庫綜合能源系統余熱利用的優化配置

陳曦 穆靜霞 張明鑫 盛勇 彭泓華 王悠

（1.重慶理工大學電氣與電子工程學院；2.西南油氣田分公司儲氣庫管理處；3.重慶工程職業技術學院大數據與物聯網學院）

隨著國家雙碳目標的提出，天然氣與風、光等可再生能源是實現能源清潔低碳轉型的重要支撐。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鍵問題[1]。綜合能源系統（IES）能實現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天然氣注入氣藏，達到戰略儲備和季節調峰的目的。構建以天然氣儲氣庫為中心的綜合能源系統進行優化配置有利于提高其綜合能源利用效率和經濟運行水平[6]。為進一步提高系統經濟效益，降低能源損耗，將余熱回收考慮進入綜合能源系統的構建，建立以設備容量配置及運行策略優化為目標雙層協同求解模型，進而求得面向天然氣儲氣庫的綜合能源系統規劃方案。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

1.1 天然氣儲氣庫的生產特性及用能特點

天然氣儲氣庫系統主要由輸氣干線、注采氣井、集注站、脫水站四大部分組成，其生產特性具有周期性，可分為注氣期、采氣期和注采轉換期三個時期。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生但用氣量較小的用能特點，電驅式壓縮機、空冷器、空壓機、給水泵、空調等為主要負荷。采氣期是將儲氣庫中的壓縮天然氣采出，經調壓、分離、脫水、計量后注入輸氣管網的工藝期，熱煤油爐、鍋爐、空調、給水泵等為主要負荷。注采轉換期一般進行設備的維修和保養，時間較短，能耗較低。以相國寺儲氣庫為例，通常其采氣期應是120天，注氣期應是220天。注氣期典型日電、冷負荷分布情況見圖1，采氣期電、熱負荷日分布情況見圖2。

圖1 注氣期日電、冷負荷日分布情況

圖2 采氣期電、熱負荷日分布情況

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，往復壓縮機組在封閉空間內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動和燃料燃燒產生的熱能驅動（以下簡稱燃料驅動）兩種方式。

燃料驅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 ℃，可通過在尾部設置余熱鍋爐產生蒸汽或熱水的方式回收利用。為了發動機冷卻缸體溫度的需要，冷卻余熱采用中間循環介質，以風冷的方式將熱量排放到大氣中，其特點是中間循環介質的溫度較低，一般為60～70 ℃，所以不能產生蒸汽，只能用產生熱水的方式加以回收利用。最大限度地利用余熱，根據余熱煙氣溫度梯級回收余熱，再根據情況確定煙氣冷凝以及發動機缸體冷卻余熱回收。

1.2.1 壓縮機余熱回收技術

往復式壓縮機運行時產生的壓縮熱非常大，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過壓縮來產生高溫高壓氣體，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框架結構

通過分析儲氣庫生產特性和用能特點，設計面向天然氣儲氣庫的綜合能源系統。系統內部，根據儲氣庫各個功能區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能源利用的最大化，擬考慮增設燃氣輪機、光伏、風機等源端供能設備，并考慮多能耦合實現不同能量之間的有效轉換，增設電鍋爐、電制冷機、吸收式制冷機等設備；同時，由于儲氣庫源系統中，設有較大功率的壓縮機組，會產生大量的熱量，為實現能源利用率的提高，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生的余熱。系統外部，由于儲氣庫生產的特殊性，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定與儲氣庫相匹配的企業以滿足其負荷的需求，也可通過能源售賣的方式為儲氣庫降低用能成本。綜合能源系統見圖3。

圖3 綜合能源系統

2 優化配置及評價

上層規劃為IES 配置優化模型，規劃目標為綜合能源系統規劃成本最優，已知量包括系統參數、設備參數，決策變量為設備組合和設備容量；下層規劃為IES 調度優化模型，規劃目標為系統運行調度成本最優，已知量包括能源成本、設備參數和上層優化配置結果，決策變量為設備的輸入輸出。

2.1 優化配置上層模型

2.1.1 目標函數

上層模型為規劃模型，以設備年投資成本和年運行成本之和最小為目標函數，以各種供能設備的安裝容量為優化變量。其中規劃所涉及到的設備有：燃氣輪機、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類能源轉換設備的輸入功率，kW；PS,n,max為n類能源轉換設備的最大輸入功率，kW；mn為n類能源轉換設備的最大爬坡速率，MW/min。

2）能源交互功率約束

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

2.3 雙層優化配置模型

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

圖4 綜合能源系統容量優化配置流程

2.4 綜合能源系統綜合評價指標

由于綜合能源系統需考慮經濟性、環保性、可靠性等多維度的均衡，相關學者提出采用TOPSIS法進行多指標綜合評價，根據貼近度來綜合評判方案的優劣。

2.4.1 經濟性指標

1）投資費用

式中：C2為年運行成本，萬元。

2.4.2 能耗指標

能源利用率是指系統輸出能量與輸入能量的比值，其值越高，系統節能性越好。

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

3.4.3 環境指標

1）NOX排放量

式中：di分別為燃氣輪機、燃氣鍋爐、電網消耗單位能源的碳排放量，g/m3；Fi分別為流入燃氣輪機、燃氣鍋爐的天然氣流量和電網購電量；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；Dx分別為NOx、CO2的排放量。

基于以上指標，貼近度的具體求解方法如下所示。

1）加權標準決策矩陣

式中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；rij為加權標準決策矩陣；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的權重。

2）計算方案到A+和A-的距離

3 算例分析

3.1 算例數據

以某天然氣儲氣庫能源系統中選取夏季典型日為例進行算例分析，以24 h為一個調度周期，單位調度步長為1 h。注氣期典型日用電最大負荷約26.7 MW，冷負荷最大約13 MW；采氣期典型日用電最大負荷約1.12 MW，熱負荷最大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的不同季節典型日負荷曲線見圖5。

圖5 不同季節典型日負荷曲線

考慮4 種配置方案：一是選擇較為常用的光伏、風機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制熱以及電制冷設備；二是在方案1的基礎上考慮儲氣庫綜合能源系統配置余熱回收裝置；三是在方案1的基礎上考慮在儲氣庫綜合能源系統增加燃氣輪機；四是同時考慮常用設備、燃氣輪機以及余熱回收裝置[9-10]。

3.2 結果分析

基于該區域的多能源負荷需求及設備的選擇情況，對該區域的儲氣庫綜合能源系統進行設備容量的優化配置。設備容量優化配置結果見表1。

表1 設備容量優化配置結果 單位：MW

3.2.1 方案評價結果

將設備容量配置方案應用到2.4 節評價指標，對各項指標進行測算，不同方案下指標參數見表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，系統評價越好。方案4的G值最大，說明經綜合評判在以上四種方案里，方案4整體最優。

表2 不同方案下指標參數

3.2.2 成本結果分析

方案1中通過天然氣儲氣庫綜合能源系統中的光伏和風機以及購電來提供電負荷的供給。電力的供給一方面要滿足能源系統中的電力負荷需求，另一方面滿足電制冷機的用能需求。通過燃氣鍋爐、電制熱來完成熱負荷的供給。熱負荷的供給一方面要滿足能源系統中的熱負荷需求，另一方面滿足吸收式制冷機的制冷用能需求。由于綜合能源系統中的冷負荷需求量較熱負荷需求量較大，因此，除了吸收式制冷機對冷負荷的供給，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，那么進而降低了燃氣鍋爐的容量。然而，安裝余熱回收裝置可能會在一定程度上增加系統的能源設備投資成本，但是系統的購能成本和設備維護成本降低，總成本進而降低。因此，配置余熱回收裝置可以實現系統的經濟性，提高系統內的能源有效利用。

方案3中由于燃氣輪機、光伏和風機以及購電提供的電能來滿足電負荷需求，還可以提供電制冷機進行制冷，電制熱機制熱。雖然配置燃氣輪機會增加一部分能源設備的投資成本，但是由于燃氣輪機的加入會使一部分設備容量降低。因此，配置燃氣輪機可以降低系統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氣鍋爐的需求，并且光伏和風機在運行過程中不需要消耗一次能源。同時購能成本和設備維護費用降低，總成本也降低。因此，配置燃氣輪機能實現提高系統的經濟性。

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

4 結論

針對天然氣儲氣庫的生產特性和用能特點，本文構建了考慮余熱利用的儲氣庫綜合能源系統，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的雙層容量優化配置方法，最后利用TOPSIS 對該系統的綜合能源系統整體優劣程度進行評價。結果表明余熱利用系統將有效提高綜合能源系統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荷的不均衡性特點，余熱利用系統與燃氣輪機發電機組的結合將顯著提高天然氣儲氣庫綜合能源系統的綜合性能。