CN110458358B - 计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法。针对含有电‑气混合储能的海上微能系统，建立该系统的单向无环能量物质流模型，通过确定各个单元的能量转换效率、物质转换系数与
增量，建立整个系统的能量物质耦合矩阵，基于EH模型、能量物质耦合矩阵得到系统的能量物质平衡方程；最后在计及生产工艺系统约束条件情况下，建立供能系统与生产工艺系统的联合优化调度模型。本发明充分考虑了生产工艺中的能量物质平衡关系和供能系统与生产工艺系统的相关性，以运行成本和二氧化碳排放量惩罚成本为优化目标，制定优化调度策略对全系统能流进行统筹优化引导，以有效实现能源互补、提高效率、降低成本的目标。
Description
技术领域
本发明涉及考虑电-气混合储能的海上微能系统，特别涉及计及生产工艺系统约束的优化调度方法，属于能源技术经济领域。
背景技术
我国正在构建综合能源系统推动能源战略转型，应对能源发展的一系列挑战。海上微型综合能源系统(Offshore micro integrated energy system，OMIES)是由海上油气平台、大型舰船、远洋海岛等形成的远离海岸的完整独立的综合能源系统，集成了电、热、气等多种能量物质。这类系统容量一般在几兆瓦至几十兆瓦之间，因此称之为微型综合能源系统。电-气混合储能的OMIES是针对海上油气开采加工平台建立的微型综合能源系统，由供能系统和生产工艺系统两大部分构成，其生产工艺系统完成油气开采加工过程，由多个物质能量转换单元组成，供能系统涉及电、气、热等多种能源，且储能系统是由伴生气储库和储电设备构成的电-气混合储能系统。这类多时间多空间尺度的复杂系统中，不同能源网络遵循不同的物理规律，有不同的数学模型但又互相耦合。
在OMIES这类复杂系统中，由于其多能耦合的特性无法用仿真平台直接模拟，EH(Energyhub)是多能源系统建模与分析的重要方法，而采用EH建模需要对各个转换单元进行详尽分析，推导多个耦合矩阵，子系统之间的能量分配系数通常还将引出非线性优化问题。目前，采用以矩阵为基础的标准化多能源元件、能量枢纽、网络模型及以矩阵运算为基础的综合能源系统分析方法成为综合能源系统面临的重要技术问题之一。
发明内容
考虑电-气混合储能的OMIES包含供能系统(Energy Supply System，ES)和生产工艺系统(ProductionProcess System，PS)两大部分。其供能系统主要由伴生气储库(Associated gas storage model，AGS)、余热梯级利用单元(Waste heatcascadeutilizationunit，WSCU)、电储能设备(Electricity storage，ES)、CO2捕捉存储装置(Carbon Capture and Storage，CCS)四个部分组成，生产工艺系统由钻井和采矿系统(Drilling andmining system，DMS)、原油处理系统(Crude oil process system，COPS)、天然气处理系统(Natural gas process system，NGPS)、注水系统(Waterinjectionsystem，WIS)和生活平台(Living-quarters system，LQS)五大子系统组成。系统结构图如图1。
供能系统与生产工艺系统之间通过电能、热能、以及伴生气相互耦合，两部分通过电能、热能和伴生气联系在一起。供能系统产生的电与热供给生产加工单元使用，生产工艺系统生产的伴生气作为供能系统的燃料，生产工艺系统对供能系统来说既是源也是负荷。对于这类结构复杂的多能源系统，采用传统方法建模难度较大，加之系统中含有伴生气储库这类特殊的储能元件，在储存和释放伴生气的过程中都要消耗电能，和生产工艺中大部分子系统类似，属多输入单输出的能量物质转换单元，使得系统的分析建模过程更加复杂。
针对以上问题，本发明提出对考虑电-气混合储能的海上微能系统进行标准化建模与计及生产工艺系统进行优化调度的方法，基于EH建立系统的标准化矩阵模型描述其中的复杂耦合关系，并在此基础上建立生产工艺系统与供能系统的联合优化调度模型。
本发明采用的技术方案如下：
步骤1、对于给定的电-气混合储能的海上微能系统，分析其能量物质流动关系，建立该系统的单向无环能量物质流模型；
步骤2、确定各个单元的能量转换效率，涉及物质生产与消耗的单元采用
分析法，确定其物质转换系数与
增量；
步骤3、建立整个系统的能量物质耦合矩阵，基于EH模型、通过能量物质耦合矩阵建立系统的能量物质平衡方程；
步骤4、基于系统的能量物质平衡方程，建立供能系统与生产工艺系统联合优化调度模型。
图1所示的系统结构图反映了系统的物质能量流动情况，步骤1所述的单向无环能量物质流模型是在此基础上，通过分析每条能量流与物质流的流动路径，将节点、反馈支路与双向支路改写，得到由输入到输出单向流动的能量物质流模型，如图2。
步骤2所述的能量转换效率由系统中各单元的特性决定，对于多输出单元还包含了不同能量之间的分配系数。
分析法的应用主要是针对海上微能系统，尤其是生产工艺系统中的物质流。通过增加虚拟支路——
增量来展现物质转换过程中的能量变化情况。
步骤3采用能量物质耦合矩阵表达系统的各能量流、物质流之间的关系，根据EH模型的思想，以能量物质耦合矩阵为基础建立整个系统的能量物质平衡方程，该方程以矩阵形式表达，涵盖了系统中所有单元的能量流、物质流转换关系。
一般的优化调度模型通常只考虑供能系统的运行约束，步骤4将两个子系统之间的联系和生产工艺系统的能量物质平衡约束考虑进去，在步骤3建立的平衡方程基础上，提出了供能系统与生产工艺系统联合优化调度策略并建立了统一的优化调度模型。
本发明具有如下有益效果：
考虑生产工艺系统中能量物质平衡约束和供能系统与生产工艺系统相关性的优化调度模型，充分考虑了生产工艺中的能量物质流关系，更加真实地反映实际系统的运行情况，以运行成本和二氧化碳排放量惩罚成本为优化目标，兼顾了经济性与环保性。在此基础之上的优化调度策略对全系统能流进行统筹优化引导，有效实现能源互补、提高效率、降低成本的目标。
附图说明
图1是本发明中考虑电-气混合储能的海上微能系统的系统结构图；
图2是本发明建立的海上微能系统的能量物质流模型；
图3是AGS单元模型；
图4是LQS单元模型；
图5是平台夏季某天的电/热负荷；
图6是平台夏季某天的伴生气产量预测曲线；
图7是不同场景下优化运行结果
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明中的优化调度方法进行清楚、详细的说明。
图1为含有电-气混合储能系统的海上微能系统结构示意图，图中包括伴生气储库和电储能设备构成的电-气混合储能系统，以及余热梯级利用单元、CO2捕捉存储装置、钻井和采矿单元、原油处理单元、天然气处理单元、注水系统和生活平台。
1)AGS单元储存和释放伴生气，在此过程中消耗一定电能，耗能系数与压缩和释放气体的速率有关；
2)WSCU单元利用伴生气和柴油产生电和热，能够满足海上微能系统对余热的灵活高效利用，但同时会排放CO2气体；
3)CCS装置实现对海上能源系统的CO2排放控制，将捕捉的CO2经化学反应变为其他固态物质，减少对环境的影响，其工作过程消耗电能和热能，耗能系数与捕捉速率有关；
4)DMS实现采油功能，消耗定量的生产原料(Productionmaterial，PM)，从油井中采出混合原油，工作过程消耗电能；
5)COPS将混合原液分离为石油原液、混合伴生气、混合水溶液，石油原液被加工成石油输出，混合伴生气、混合水溶液分别输送到NGPS和WIS两个子系统，工作过程消耗电和热；
6)NGPS对混合伴生气进行脱水脱酸处理，转变成可燃烧的伴生气，工作过程消耗电能；
7)WIS将混合水溶液(Sewage，SEW)净化处理成合格的排放水(Discharge Water，DW)输出，工作过程消耗电能；
8)LQS包含多个生活单元，主要消耗外界送入的淡水资源(Fresh water，FW)，排出处理合格的排放水(DW)，工作过程消耗电能。
通过以上分析，建立海上微能系统的单向无环能量物质流模型，如图2所示。
伴生气储库是一种特殊的储能元件，在储存和释放伴生气的过程中都要消耗电能，可以看作由一个耗能单元AGE和一个储气库单元GAS组成。首先建立描述其转换特性的拓扑结构，如图3所示。以虚拟输出ΔC表示储能过程消耗的能量，以ΔG表示伴生气存储量的变化，ηAGC、ηAGD分别为GAS单元存储和释放伴生气的效率，ηAGE为耗电系数。由此可以建立描述输入输出能量物质流关系的能量物质平衡方程。
在生产工艺系统中，大部分为多输入单输出或多输入多输出单元，且输出均为物质，即该单元是在耗能的情况下实现物质的转换。采用
分析法对生产工艺系统进行分析更为简便，以ΔH表示该单元物质生产过程中消耗的能，以生活平台子系统为例进行建模说明。该单元的拓扑结构如图4所示，以ξE、ξH表示LQS单元消耗电能和热能的效率，θfwa为输入物流转化为输出物流的转换系数。
其能量物质平衡方程如下。
以此方法建立起供能系统与生产工艺系统的能量物质流平衡方程，包含所有ES能量物质流的矩阵如下：
Ves＝[VEa VAGc VAGw VDO VAGd VHc VCO2c VEs VHp VEp VSM VEc VEd ΔE ΔC ΔG]T
矩阵Ze表示该系统的各个单元能量物质转换系数矩阵：
式中，ηAGC、ηAGD为AGS单元存储和释放伴生气的效率，ηAGE为耗电系数；ηE1、ηH1、ηCDE1为WSCU单元伴生气产电效率、产热效率和CO2排放系数，ηE2、ηH2、ηCDE2为消耗柴油产电、产热、排放CO2系数；ηCCS、ηCCE、ηCCH为CCS单元捕捉效率、耗电系数、耗热系数；ηEC、ηED为ES单元储、放电效率。ΔE表示电能存储增量，ΔC表示伴生气储库的耗能量，ΔG为伴生气存储增量。
ES的能量物质流平衡方程为：
Ze·Ves＝0 (6)
Vps为PS内所有能量物质流的集合，以虚拟输出量ΔH1、ΔH2、ΔH3、ΔH4、ΔH5表示DMS、COPS、LQS、NGPS、WIS单元消耗的
能。
该系统的能量流平衡方程如下：
Zh·Vps＝0 (8)
ξDMSE、ξCOSE、ξNGPE、ξLOSE、ξWISE分别为DMS、COPS、NGPS、LQS、WIS单元的耗电系数，ξCOSH、ξLOSH为COPS、LQS单元的耗热系数。
物质流平衡方程为：
Zp·Vps＝0 (10)
式中，θma、θfwa、θns、θws分别为DMS、LQS、NGPS、WIS单元将输入物流转化为输出物流的物质转换系数，θco-mg、θco-mo、θco-mw为COPS单元将输入的混合原油转化为混合伴生气、石油、混合水溶液的物质转换系数。
ES与PS通过电、热、伴生气耦合，PS对ES既是负荷也是源，PS伴生气的产量会影响ES产电与热的效率、运行成本以及碳排放量，电、热负荷也会影响伴生气的消耗量，两者的相关性对于系统的优化调度极其重要，因此有必要对ES与PS进行联合优化调度，两系统间应满足电、热的供需平衡，由上述分析可得电热平衡方程如下：
由此建立考虑电-气混合储能的海上微能系统能量物质流平衡方程如下：
以优化周期内的运行成本Fc为经济性的评价指标，二氧化碳排放量惩罚成本Fe为环保性的衡量指标，考虑海上微能系统中两个子系统的能量物质平衡约束、两系统相关性约束、伴生气的反馈约束、电-气混合储能系统能量约束，得到计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度模型为：
(1)目标函数
min[Fc+Fe] (14)
(2)约束条件
系统能量物质平衡约束如(13)。
伴生气的反馈约束为：
VAG.c+VAG.w≤VAG.o (16)
电-气混合储能系统约束：
式中pin(t)、
表示t时刻伴生气储库的储气压力及其上下限；SAGS,t+1、SAGS,t表示在t+1和t时刻伴生气的存储量；VAGS,in(t)、VAGS,out(t)为伴生气储库存储和释放伴生气的速率及其上下限；Δt表示t和t+1时刻的间隔；ESt、EESt+1分别为ES在t和t+1时间点的荷电状态，ESmin、ESmax分别为蓄电设备荷电状态的上下限，σES为自放电率，
表示t时刻设备的充放电功率，
表示t时刻设备充放电功率的下限和上限，
分别为蓄电设备的充放电状态变量。
表1设备单元转换特性
| 设备 | 产电/热效率 | 耗电/热系数 | 运行费用(￥/kW.h<sup>-1</sup>) |
| WSCU | 0.5/0.4 | / | 0.12 |
| AGS | / | 0.3/0(KW/Sm3) | 0.2 |
| CCS | / | 0.2/0.5(KW/Kg) | 0.15 |
| ES | / | / | 0.088 |
选取平台夏季某天的电/热负荷和伴生气产量预测曲线图5、图6所示。在不计及生产工艺系统约束及两子系统相关性的情况和计及以上约束的两种场景下进行优化调度，优化运行结果如下表：
表2不同场景下的运行成本及CO2排放量
| 场景 | 运行成本/万元 | CO<sub>2</sub>排放量/ton |
| 1 | 9.2347 | 85.2277 |
| 2 | 9.0310 | 83.0145 |
对比表2两种场景下的优化运行结果可知，场景2在计及PS能量物质平衡约束的情况下，系统的运行成本和CO2排放量明显低于场景1，这是由于计及PS能量物质平衡约束的联合优化调度模型，更能真实反应系统的能量物质流动情况，使优化调度策略更加有效。如图7所示，在场景2中伴生气产量不足时，如17:00～19:00、22:00-24:00时段，伴生气储库释放伴生气供WSCU单元使用；在伴生气产量充足时，如8:00～10:00时段，将多余的伴生气储存进储库，减少燃料的浪费，降低了CO2排放量；计及PS能量物质平衡约束提高了系统优化调度的准确性，降低了系统的运行成本，提高了海上微能系统的环境经济效益。综上所述，计及生产工艺系统约束及其与供能系统相关性的优化调度模型，充分考虑了PS系统的能量物质流动情况，对整个系统能流进行统筹优化引导，更加贴合实际系统的运行情况，有效实现能源互补，提高系统的运行效率和环境经济效益。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而本发明不受限于上述实施例。在不脱离本发明的原则和范围的情况下，对本发明做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、对于给定的电-气混合储能的海上微能系统，分析其能量物质流动关系，建立该系统的单向无环能量物质流模型；
步骤2、确定各个单元的能量转换效率，涉及物质生产与消耗的单元采用
分析法，确定其物质转换系数与
增量；
步骤3、建立整个系统的能量物质耦合矩阵，基于EH模型、通过能量物质耦合矩阵建立系统的能量物质平衡方程，具体的：根据所建立的系统能量物质流模型，从调度因子出发处理非线性问题；以矢量V涵盖所有能量流，建立描述多能源系统的拓扑结构和能量转换器特性的矩阵Z，从而得到能量平衡方程；
ES能量物质流的矩阵如下：
Ves＝[VEa VAGc VAGw VDO VAGd VHc VCO2c VEs VHp VEp VSM VEc VEd ΔE ΔC ΔG]T (1)
矩阵Ze表示该系统的各个单元能量物质转换系数矩阵：
式中，ηAGC、ηAGD为AGS单元存储和释放伴生气的效率，ηAGE为耗电系数；ηE1、ηH1、ηCDE1为WSCU单元伴生气产电效率、产热效率和CO2排放系数，ηE2、ηH2、ηCDE2为消耗柴油产电、产热、排放CO2系数；ηCCS、ηCCE、ηCCH为CCS单元捕捉效率、耗电系数、耗热系数；ηEC、ηED为ES单元储、放电效率，ΔE表示电能存储增量，ΔC表示伴生气储库的耗能量，ΔG为伴生气存储增量；
ES的能量物质流平衡方程为：
Ze·Ves＝0 (3)
Vps为PS内所有能量物质流的集合，以虚拟输出量ΔH1、ΔH2、ΔH3、ΔH4、ΔH5表示DMS、COPS、LQS、NGPS、WIS单元消耗的
能；
该系统的能量流平衡方程如下：
Zh·Vps＝0 (5)
式中，ξDMSE、ξCOSE、ξNGPE、ξLOSE、ξWISE分别为DMS、COPS、NGPS、LQS、WI元的耗电系数，ξCOSH、ξLOSH为COPS、LQS单元的耗热系数；
物质流平衡方程为：
Zp·Vps＝0 (7)
式中，θma、θfwa、θns、θws分别为DMS、LQS、NGPS、WIS单元将输入物流转化为输出物流的物质转换系数，θco-mg、θco-mo、θco-mw为COPS单元将输入的混合原油转化为混合伴生气、石油、混合水溶液的物质转换系数；
ES与PS之间电热平衡方程如下：
由此建立考虑电-气混合储能的海上微能系统能量物质流平衡方程如下：
步骤4、基于系统的能量物质平衡方程，建立供能系统与生产工艺系统联合优化调度模型，具体的：
以优化周期内的运行成本Fc为经济性的评价指标，二氧化碳排放量惩罚成本Fe为环保性的衡量指标，考虑海上微能系统中两个子系统的能量物质平衡约束、两系统相关性约束、伴生气的反馈约束、电-气混合储能系统能量约束，得到计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度模型为：
(1)目标函数：
min[Fc+Fe] (11)
(2)约束条件：
系统能量物质平衡约束如(10)；
伴生气的反馈约束为：
VAG.c+VAG.w≤VAG.o (13)
电-气混合储能系统约束：
式中，pin(t)、
表示t时刻伴生气储库的储气压力及其上下限；SAGS,t+1、SAGS,t表示在t+1和t时刻伴生气的存储量；VAGS,in(t)、VAGS,out(t)、为伴生气储库存储和释放伴生气的速率及其上下限；Δt表示t和t+1时刻的间隔；ESt、EESt+1分别为ES在t和t+1时间点的荷电状态，ESmin、ESmax分别为蓄电设备荷电状态的上下限，σES为自放电率，
表示t时刻设备的充放电功率，
表示t时刻设备充放电功率的下限和上限，
分别为蓄电设备的充放电状态变量。
2.根据权利要求1所述的计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于，步骤1所述的单向无环能量物质流模型是根据海上微能系统的结构图而来，以转换单元之间的能量流为状态变量，采用图论的方法定义多能源系统的组成部分和结构。
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