中亚管道压气站分布式能源系统运行优化

段志刚 魏心童 肖俏 秦阳 周鑫 赵炜

1中油国际管道公司2中国石油大学（北京）机械与储运工程学院·城市油气输配技术北京市重点实验室

压气站如同天然气长输管线的“心脏”，通过不断加压，保证天然气长距离输送。在天然气管网整体运行成本中，压气站的自耗气成本占长输天然气管道运行成本的50%以上[1]。合理配置压气站资源，以能耗最省为目标对压气站进行运行优化可节约大量能源。

目前，针对压气站的能耗优化思路多在算法层面[2-5]，也有学者通过建立数学模型，调整压缩机组的工作参数来达到最小能耗[6-9]，还有部分研究从负荷分析的角度来提升压缩机组的利用率[10-14]。从优化能源结构、能源合理分配的角度同样可以进行压气站能耗的优化，在站场应用分布式能源系统[15-19]就是一种新的思路。

分布式能源系统是一种以梯级利用、合理分配为原则的能源系统，能够实现“热电联产”的效果，一次能源利用效率可达80%～90%，并使二次能源利用成为可能，有利于降低能耗，提升经济效益。近年来，对天然气分布式能源系统的研究成为热点，如张丽君等[20]针对天然气分布式能源系统进行了节能减排效益分析，认为分布式能源系统可以减少可观的碳排放量；为了有效提高能源综合利用率，张璇哲等[21]对天然气分布式能源系统的“以热定电”和“以电定热”两种运行模式进行研究，提出了以“年平均综合利用率”、“热电比”、“供热比”三个参数作为合理选择系统运行模式的参考定量指标；而蔡广星等[22]按“以热定电”的原则设计了油气集输分布式能源系统，并以实例计算证明了该系统能量利用率较传统方式有所提高；吴洁等[23]针对小型建筑空间设计了一套燃气分布式能源系统，该分布式能源系统既可作为独立能源供能，又可与其他分布式能源共同工作，提升了分布式能源系统的灵活性；王歆宇[24]对某典型酒店燃气冷热电分布式供能系统进行了负荷特征分析，对负荷随时间的波动进行了预测，通过负荷分配提高了分布式能源系统的能源利用率；李正茂等[25]则强调了自动化技术的应用，采用天然气分布式发电与网电构成双电源模式，在某油气田集气站引入了智能管控系统和能控制三通阀开度的自动控制装置，实现了数据实时传输，提高了系统的安全性；在能源结构优化角度上，王宝琳[26]提出最优的运行方式即燃机满发余热全利用的运行方式，从提高分布式能源系统的火用效率角度上实现天然气的梯级利用；崔悦等[27]探讨了油田集输分布式能源系统的构成与节能思路方面的构建问题，认为我国的燃气分布式能源系统以燃气轮机热电联产方式比较普遍；DAVOR BI SˇC'AN[28]等从能源利用的角度对长输管道压气站进行了能耗优化，为了利用站场的热能，引入余热锅炉进行余热回收，并在经济效益上寻求了火用损失成本和余热锅炉投资成本的折中。

因此，一个可行的节能降耗思路是将分布式能源系统中常用的热电联产设备应用于油气集输联合站和长输管道压气站中，并对设备运行情况、开启方案策略进行最优化设计。实际上，燃气发电机组等设备虽然可以产生热能、电能作为系统供能能源，但其同样需要与压缩机组共同消耗天然气，燃气发电机组的设备选型、运行台数确定就至关重要。站场系统的能耗量不仅与能源结构有关，与设备开启的方案策略也有关[29]。为保证在应用多种能源形式的过程中分布式能源系统能够稳定运行，并且尽可能减少资源浪费，从整体上提升经济效益，在保证该分布式能源系统的能量输出与压气站的能量消耗相平衡的前提下，需要对不同分布式能源系统运行方案进行比选，并对不同的机组进行开机、停机选择，在选定机组之间进行负荷分配的优化，从而在满足各种约束条件的前提下，能够保证能耗最省。因此，本文构建了压气站分布式能源系统，以能量流向平衡和设备运行为约束建立了混合整数线性规划（MILP）模型，对采用分布式能源系统为供能结构的压气站的运行方案进行优化。

1 问题描述

中亚输气管道某压气站共3条管道，采用AB/C线并排敷设。其中AB 线共用沿线的压气站，可以近似于同一个水力系统；C线是一个独立的水力系统。WKC1 是AB 线的首站，UCS1 是C 线的首站。由于两个站相隔只有500 m左右，所以有能源优化的空间。WKC1 站场共5 台压缩机组、3 台燃气机发电机组，目前现场工作时（下文称为方案一，流程如图1 所示）运行2 台GE 压缩机组、2 台GE 燃气发电机组，余下1 台GE 压缩机组、2 台SOLAR压缩机组和1 台GE 燃气发电机组作为备用。UCS1站场共4 台压缩机组、4 台燃气发电机组，工作时运行1 台SOLAR 压缩机组、1 台KAT 燃气发电机组，余下3台SOLAR压缩机组、3台KAT燃气发电机组作为备用。压气站设备参数见表1。由于站场上所有压缩机组和发电机组均为燃气机组，燃烧后的气体直接排放，不仅造成能源浪费，还影响生态环境。

图1 方案一压气站系统能源流向示意图Fig.1 Compressor station system energy flow diagram of Scheme Ⅰ

该分布能源系统由输入能源模块（天然气）、能源转换与储存装置模块（燃气发电机组、燃气压缩机组）、电能需求模块（生活生产用电、电驱压缩机组）三个模块组成。该系统的输入能源为天然气，输出能源为电能，中间能源为燃气发电机组、燃气压缩机组产生的热能。

表1 压气站场设备参数Tab.1 Equipment parameters of compressor station

通常情况下WKC1站运行2台GE压缩机组和2台发电机组；UCS1站运行1台压缩机组和1台发电机组。现拟投资1.2 亿元人民币进行改造，加入1套蒸汽轮机回收两个站的余热用于发电（下文称为方案二，流程如图2 所示），驱动电驱压缩机组。将燃气发电机组、蒸汽轮机用于系统中，天然气流入燃气发电机组中，连续流动的天然气为工质带动叶轮高速旋转，将天然气的化学能部分转化为机械功，并输出电功，而从透平中排出的高温废气排至蒸汽轮机入口，即将热能流向蒸汽轮机。压缩机组出口的温度常超过400 ℃，使蒸汽轮机利用压缩机组高温排气携带的这部分热能也被蒸汽轮机高效利用。蒸汽轮机中的蒸汽在涡轮内膨胀推动涡轮做功，完成了热能—动能—电能的转化。而这种分布式能源的结构，实现了热电联产[30]，有利于能源的多级利用，提升了能源的利用效率。

方案二的能源结构框架如图2所示。与方案一不同的是，燃气发电机组和蒸汽轮机产生的电能用来满足系统的电能需求。

图2 方案二、方案三压气站系统能源流向示意图Fig.2 Compressor station system energy flow diagram of SchemeⅡ，Ⅲ

在某些来气量较小的时期，WKC1站场只需开启1 台GE 压缩机组和1 台SOLAR 压缩机组、UCS1站场开启1 台SOLAR 压缩机组即可（下文称方案三，流程如图2 所示），考虑同样采用方案二的用能方式并驱动电驱压缩机组。下文将对三种方案进行运行优化，并对方案一与方案二进行能耗对比分析。

2 模型建立

系统模型由几组节点组成。一个站场可以包括一个或多个管道水力系统，为了区分这些管道系统，以i∈I={1，2，…，imax} 表示各管道系统节点。除此之外，模型还包括各压缩机组节点j∈J={1，2，…，jmax}，各燃气发电机组节点k∈K={1，2，…，kmax} 。

已知不同规格设备的技术参数、压气站的电能需求，考虑了能量平衡约束和设备运行约束[31]，以各压缩机组的实际耗气量、热能输出量，各燃气发电机组的开启状态、实际耗气量、电能输出量、热能输出量，以及汽轮机的开启状态、热能输入量、电能输出量为决策变量，以所有管道系统的天然气消耗量最低为目标函数，建立MILP 模型。对该模型求解，即可得到压气站分布式能源系统的最佳运行方案。

2.1 目标函数

以设备的开启、关闭运行状态的选取为决策变量，以所有管道系统的天气消耗量最低为目标函数，建立压气站分布式能源系统优化模型。

保证各个约束条件满足的情况下，目标函数可以表示为

式中：PGASi为i管道系统的天然气消耗量，kg；Δt为模型的时间步长，h。

2.2 约束条件

2.2.1 能量平衡约束

（1）一个站场中可以包括多个管道系统，对于每个管道系统而言，每小时天然气的消耗量等于所有燃气发电机组与压缩机组的输入能量，公式为

式中：PGTINi,k为i管道系统的k燃气发电机组每小时的天然气输入量，kg；dCOGAi,j为i管道系统的j压缩机组每小时的耗气量，kg。

（2）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，每小时输出的电能与输入气量、天然气热值、发电效率有关，公式为

式中：PGTOUTEi,k为i管道系统的k燃气发电机组每小时的电能输出量，kW；ηGTEi,k为i管道系统的k燃气发电机组的发电率；ϑ为天然气热值，kW·h/kg。

（3）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，每小时的输出热能与输入气量、天然气热值、产热率有关，公式为

式中：PGTOUTSi,k为i管道系统的k燃气发电机组每小时的热能输出量，kW；ηGTSi,k为i管道系统的k燃气发电机组的产热率。

（4）对于每个管道系统的压缩机组而言，每小时的输出热能与输入气量、天然气热值、效率和产热率有关，公式为

式中：PCOOUTSi,j为i管道系统的j压缩机组每小时的热能输出量，kW；PCOELi,j为i管道系统的j压缩机组每小时的额定电功率，kW；ηCOSi,j为i管道系统的j压缩机组的产热率；ηCOELi,j为i管道系统的j压缩机组的效率。

（5）对于蒸汽轮机而言，每小时的热能输入量等于所有燃气发电机组和压缩机组的热能输出量，公式为

式中：PSTIN为蒸汽轮机每小时的热能输入量，kW。

（6）对于蒸汽轮机而言，每小时的输出电能与输入热能、发电效率有关，公式为

式中：PSTOUTE为蒸汽轮机每小时的电能输出量，kW；以ηSTE为蒸汽轮机的发电率。

（7）对于两个站场系统而言，天然气发电机和蒸汽轮机产生的电能可用于生活、生产、电驱压缩机组，公式为

式中：dCOELi,j为i管道系统的j压缩机组每小时的电功率，kW；dLIELi为i管道系统每小时的生活所需电功率，kW；dPRELi为i管道系统每小时的生产所需电功率，kW。

2.2.2 设备运行约束

（1）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，其运行功率不得超过相应额定功率。若其处于运行状态(BGTi,k=1)，其运行功率不得低于相应下限。

式中：sGTi,k为i管道系统的k燃气发电机组每小时的额定功率，kW；γGTi,k为i管道系统的k燃气发电机组每小时的最低运行功率，kW。

以二元变量BGTi,k判断i管道系统的k燃气发电机组是否处于运行状态：若该燃气发电机组处于运行状态，则BGTi,k=1；否则，BGTi,k=0。

（2）对于蒸汽轮机而言，其运行功率不得超过相应额定功率。若其处于运行状态(BST=1)，其运行功率不得低于相应下限。

式中：sST为蒸汽轮机每小时的额定功率，kW；γST为蒸汽轮机每小时的最低运行功率，kW。

以二元变量BST判断蒸汽轮机是否处于运行状态：若该蒸汽轮机处于运行状态，BST=1；否则，BST=0。

2.3 模型求解

基于 Inte(R) Core(TM) i7-9750H CPU @2.60 GHz 处理器环境下，用GAMS Studio win64 30.2.0 编程建立了MILP 模型，并使用CPLEX 12.7求解器进行求解。

3 算例分析

3.1 算例基础数据

建立MILP 模型，设置时间步长Δt为1 h。目前输入压气站的天然气热值为13.78 kWh/kg。

已知该压气站的每小时每个管道系统的消耗情况如下：WKC1系统生活所需电功率为100 kW，生产所需电功率为1 000 kW；UCS1 系统的生活所需电功率为0，生产所需电功率为600 kW。

3.2 对比求解

对三个方案进行对比，UCS1 和WKC1 两个压气站组成的系统电能共用，认为燃气压缩机组每小时的耗气量不变。选择额定功率为20 000 kW，最低运行功率为2 000 kW，发电率为20%的蒸汽轮机。将以上参数输入模型，对两种不同的分布式能源系统中不同时间段的设备开启方案策略进行最优化处理，比较两种能源结构的耗气情况。

3.2.1 三种方案下的最优运行结果

方案一运行状况见表2。WKC1 站运行2 台GE燃气压缩机组，2 台GE 燃气发电机组；UCS1 站运行1台燃气压缩机组，1台KAT燃气发电机组。

表2 方案一的运行状况Tab.2 Operating status of Scheme I

方案二运行状况见表3。该功率为20 000 kW的蒸汽轮机利用燃气压缩机组出口的热能发出的电就已经可以满足站场的生活、生产电能消耗，并可利用产生的电能，将UCS1 站场1 台功率为15 MW的燃驱SOLAR 燃气压缩机组的供能方式改为电驱。该方案中站场的燃气发电机组可全部撤下。

表3 方案二的运行状况Tab.3 Operating status of SchemeⅡ

方案三运行状况见表4。在WKC1 站场中开启2 台GE 燃气发电机组，UCS1 管道系统中的燃气发电机组全部撤下，两个站场的燃气压缩机组和发电机组的热量共同驱动蒸汽轮机运行为最优运行方案。该方案利用燃气发电机组和蒸汽轮机产生的电能，同样可在满足站场生活、生产电能消耗的情况下，在UCS1 站场以电驱方式驱动1 台功率为15 MW的SOLAR燃气压缩机组。

表4 方案三的运行状况Tab.4 Operating status of Scheme Ⅲ

3.2.2 能耗计算

由目标函数的优化计算结果分析可知，方案一的耗气量为10 346.7 kg/h，方案二的耗气量为8 030.6 kg/h，方案三的耗气量为6 378 kg/h。方案二较现场目前采用的方案一每小时节约22.4%的天然气。经计算，与方案一相比，采用方案二的分布式能源系统可为该压气站场节省天然气20 289.04 t/a。查当地天然气价格为2.55元/m3，换算为1.97元/kg，计算可得节省的耗气费用为39 969 400元。这是因为方案二中将燃气压缩机组、燃气发电机组的高温尾气携带的热能得以利用，将UCS1 站场的1 台SOLAR 燃气压缩机组以电驱方式供能，从而降低了耗气量。对比拟投入的1.2 亿元资金，得出方案二预计在3年内可以将投入的资金回收。

4 结论

（1）在能量平衡和设备运行的约束下，以所有管道系统的天然气消耗量最低为目标函数，通过建立求解压气站分布式能源系统的混合整数线性规划模型，对压气站在不同时间段内的运行方案进行了优化选取。

（2）针对中亚天然气管道某压气站场的耗气比较，改进了当前站场采用的方案，可为该站场节省20 289.04 t/a 的耗气，即3 996.94 万元的耗气费用，约3年可以将投资回收。证明了以该分布式能源系统模型优化得出的运行方案节能效果较好，实现了能量梯级利用、高效利用，对进一步改善压气站经济效益、促进节能减排具有重要意义。