天然气储气库综合能源系统余热利用的优化配置

陈曦 穆静霞 张明鑫 盛勇 彭泓华 王悠

（1.重庆理工大学电气与电子工程学院；2.西南油气田分公司储气库管理处；3.重庆工程职业技术学院大数据与物联网学院）

随着国家双碳目标的提出，天然气与风、光等可再生能源是实现能源清洁低碳转型的重要支撑。在满足能源供需的情况下增加绿色低碳能源的消纳率是亟需解决的关键问题[1]。综合能源系统（IES）能实现能源自给和梯级高效利用[2-5]。其中天然气储气库通过商业天然气注入气藏，达到战略储备和季节调峰的目的。构建以天然气储气库为中心的综合能源系统进行优化配置有利于提高其综合能源利用效率和经济运行水平[6]。为进一步提高系统经济效益，降低能源损耗，将余热回收考虑进入综合能源系统的构建，建立以设备容量配置及运行策略优化为目标双层协同求解模型，进而求得面向天然气储气库的综合能源系统规划方案。最后综合评判所提方案的合理性。

1 面向天然气储气库的综合能源系统

1.1 天然气储气库的生产特性及用能特点

天然气储气库系统主要由输气干线、注采气井、集注站、脱水站四大部分组成，其生产特性具有周期性，可分为注气期、采气期和注采转换期三个时期。注气期通常为每年的4-10 月的用气低谷期。采用电驱式压缩机将长输管道中的商品天然气增压后注入储气库，具有耗电量大和伴随大量余热产生但用气量较小的用能特点，电驱式压缩机、空冷器、空压机、给水泵、空调等为主要负荷。采气期是将储气库中的压缩天然气采出，经调压、分离、脱水、计量后注入输气管网的工艺期，热煤油炉、锅炉、空调、给水泵等为主要负荷。注采转换期一般进行设备的维修和保养，时间较短，能耗较低。以相国寺储气库为例，通常其采气期应是120天，注气期应是220天。注气期典型日电、冷负荷分布情况见图1，采气期电、热负荷日分布情况见图2。

图1 注气期日电、冷负荷日分布情况

图2 采气期电、热负荷日分布情况

1.2 压缩机余热回收原理及利用

为了充分利用天然气的气藏空间，在天然气注入储气库前需要利用压缩机进行高压压缩，往复压缩机组在封闭空间内可以使一定容积的气体进行有顺序的吸入和排出，从而提高其静压力，该过程所需的动力有电力驱动和燃料燃烧产生的热能驱动（以下简称燃料驱动）两种方式。

燃料驱动天然气压缩机包括烟气余热和缸体冷却余热两部分可以进行利用，这两部分热量约占输入热量的50%～70%，以散热形式损失掉的热量约5%～10%[7-8]。烟气温度通常为370～400 ℃，可通过在尾部设置余热锅炉产生蒸汽或热水的方式回收利用。为了发动机冷却缸体温度的需要，冷却余热采用中间循环介质，以风冷的方式将热量排放到大气中，其特点是中间循环介质的温度较低，一般为60～70 ℃，所以不能产生蒸汽，只能用产生热水的方式加以回收利用。最大限度地利用余热，根据余热烟气温度梯级回收余热，再根据情况确定烟气冷凝以及发动机缸体冷却余热回收。

1.2.1 压缩机余热回收技术

往复式压缩机运行时产生的压缩热非常大，通常这部分热能通过压缩机机组配置的冷却系统进行冷却。有资料显示压缩机在运行时，15%的电力消耗做有用功，85%的电力消耗通过冷却系统传入大气做了无用功。由于天然气燃烧后排烟温度较高，直接排放会造成能源浪费，余热回收是提高能源利用率的重要措施。原理为压缩机首先吸入气体后经过压缩来产生高温高压气体，然后高温高压气体进入到余热回收装置，通过与低温水进行换热后，出来为低温高压气体，随后低温气体经过冷却器冷却后出装置。

1.2.2 压缩机余热回收模型

压缩机余热回收公式为

式中：t为气体温度值，℃；d为气体含湿量，g/kg。

1.3 天然气储气库综合能源系统框架结构

通过分析储气库生产特性和用能特点，设计面向天然气储气库的综合能源系统。系统内部，根据储气库各个功能区对能源种类依赖程度不同，同时降低储气库正常运行时的能源费用及实现能源利用的最大化，拟考虑增设燃气轮机、光伏、风机等源端供能设备，并考虑多能耦合实现不同能量之间的有效转换，增设电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机等设备；同时，由于储气库源系统中，设有较大功率的压缩机组，会产生大量的热量，为实现能源利用率的提高，新增一套余热回收装置用来回收注气期的天然气压缩过程中产生的余热。系统外部，由于储气库生产的特殊性，使其对能源依赖程度有较大差异。在用能较大的注气期，主要用能种类是电及冷；在用能较小的采气期，主要用能种类是电及热。故可在注气期及采气期分别设定与储气库相匹配的企业以满足其负荷的需求，也可通过能源售卖的方式为储气库降低用能成本。综合能源系统见图3。

图3 综合能源系统

2 优化配置及评价

上层规划为IES 配置优化模型，规划目标为综合能源系统规划成本最优，已知量包括系统参数、设备参数，决策变量为设备组合和设备容量；下层规划为IES 调度优化模型，规划目标为系统运行调度成本最优，已知量包括能源成本、设备参数和上层优化配置结果，决策变量为设备的输入输出。

2.1 优化配置上层模型

2.1.1 目标函数

上层模型为规划模型，以设备年投资成本和年运行成本之和最小为目标函数，以各种供能设备的安装容量为优化变量。其中规划所涉及到的设备有：燃气轮机、余热锅炉、压缩机、吸收式制冷。

式中：PS,n,t、PS,n,t-1分别为t时段和t-1 时段n类能源转换设备的输入功率，kW；PS,n,max为n类能源转换设备的最大输入功率，kW；mn为n类能源转换设备的最大爬坡速率，MW/min。

2）能源交互功率约束

式中：Pnet,max、Pnet,min分别为系统向电网购入电功率的上、下限，kW；Pg,max、Pg,min分别为系统向天然气网购入天然气功率的上、下限，kW。

2.3 双层优化配置模型

上层规划模型决策变量为设备类型，属于混合整数非线性规划模型，采用粒子群算法进行求解。下层优化模型决策变量为各能源机组运行方案，属于线性规划问题，采用CPLEX 求解器求解，综合能源系统容量优化配置流程见图4。

图4 综合能源系统容量优化配置流程

2.4 综合能源系统综合评价指标

由于综合能源系统需考虑经济性、环保性、可靠性等多维度的均衡，相关学者提出采用TOPSIS法进行多指标综合评价，根据贴近度来综合评判方案的优劣。

2.4.1 经济性指标

1）投资费用

式中：C2为年运行成本，万元。

2.4.2 能耗指标

能源利用率是指系统输出能量与输入能量的比值，其值越高，系统节能性越好。

式中：C3为能源利用率；Pe为系统输出电量，kW；Ph为系统输出热量，kW；Pc为系统输出冷量，kW；Pg为系统天然气消耗量，kW；LHV为天然气低热值，取10.8kWh/m3；Pi为输入电量，kW。

3.4.3 环境指标

1）NOX排放量

式中：di分别为燃气轮机、燃气锅炉、电网消耗单位能源的碳排放量，g/m3；Fi分别为流入燃气轮机、燃气锅炉的天然气流量和电网购电量；μx分别为用电、气的CO2排放因子，取值为0.8 kg/kWh和0.19 kg/kWh。

则污染物年减排率为

式中：i=4，5；Ci分别为污染物NOx、CO2年减排率；Da为基准；Dx分别为NOx、CO2的排放量。

基于以上指标，贴近度的具体求解方法如下所示。

1）加权标准决策矩阵

式中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；rij为加权标准决策矩阵；pij为归一化第i个选择方案的属性值；uij为归一化第i个选择方案的属性值j，βj是属性值j的权重。

2）计算方案到A+和A-的距离

3 算例分析

3.1 算例数据

以某天然气储气库能源系统中选取夏季典型日为例进行算例分析，以24 h为一个调度周期，单位调度步长为1 h。注气期典型日用电最大负荷约26.7 MW，冷负荷最大约13 MW；采气期典型日用电最大负荷约1.12 MW，热负荷最大9.5 MW。天然气价格为2.5元/m3，电价为0.8元/kWh，储气库综合能源系统的不同季节典型日负荷曲线见图5。

图5 不同季节典型日负荷曲线

考虑4 种配置方案：一是选择较为常用的光伏、风机、燃气锅炉、吸收式制冷机、电制热以及电制冷设备；二是在方案1的基础上考虑储气库综合能源系统配置余热回收装置；三是在方案1的基础上考虑在储气库综合能源系统增加燃气轮机；四是同时考虑常用设备、燃气轮机以及余热回收装置[9-10]。

3.2 结果分析

基于该区域的多能源负荷需求及设备的选择情况，对该区域的储气库综合能源系统进行设备容量的优化配置。设备容量优化配置结果见表1。

表1 设备容量优化配置结果 单位：MW

3.2.1 方案评价结果

将设备容量配置方案应用到2.4 节评价指标，对各项指标进行测算，不同方案下指标参数见表2所示。

通过表2 可以求出G 的取值，G 的取值范围为（0，1），G越大，贴近度越高，系统评价越好。方案4的G值最大，说明经综合评判在以上四种方案里，方案4整体最优。

表2 不同方案下指标参数

3.2.2 成本结果分析

方案1中通过天然气储气库综合能源系统中的光伏和风机以及购电来提供电负荷的供给。电力的供给一方面要满足能源系统中的电力负荷需求，另一方面满足电制冷机的用能需求。通过燃气锅炉、电制热来完成热负荷的供给。热负荷的供给一方面要满足能源系统中的热负荷需求，另一方面满足吸收式制冷机的制冷用能需求。由于综合能源系统中的冷负荷需求量较热负荷需求量较大，因此，除了吸收式制冷机对冷负荷的供给，还需要电制冷机进行辅助供能。

方案2中余热回收装置提供的电能可以满足一部分电负荷需求，并且提供电制冷和电制热进行供能。余热回收装置可以降低从外部电网购电量，配置余热回收装置可以降低吸收式制冷机和电制冷机的容量，吸收式制冷机是通过热能进行制冷，那么进而降低了燃气锅炉的容量。然而，安装余热回收装置可能会在一定程度上增加系统的能源设备投资成本，但是系统的购能成本和设备维护成本降低，总成本进而降低。因此，配置余热回收装置可以实现系统的经济性，提高系统内的能源有效利用。

方案3中由于燃气轮机、光伏和风机以及购电提供的电能来满足电负荷需求，还可以提供电制冷机进行制冷，电制热机制热。虽然配置燃气轮机会增加一部分能源设备的投资成本，但是由于燃气轮机的加入会使一部分设备容量降低。因此，配置燃气轮机可以降低系统中安装成本较高的吸收式制冷机的容量，同时吸收式制冷机需要大量的热能来进行制冷，那么降低吸收式制冷机容量的同时也间接的降低了燃气锅炉的需求，并且光伏和风机在运行过程中不需要消耗一次能源。同时购能成本和设备维护费用降低，总成本也降低。因此，配置燃气轮机能实现提高系统的经济性。

方案4 中同时配置燃气轮机以及余热回收装置，即可满足电负荷需求，通过吸收式制冷机和电制冷机转换成冷能进行供能，从而降低吸收式制冷机和电制冷机的装机容量。另外，由于配置燃气轮机以及余热回收装置可以降低从外部电网的购电量，因此，可以在一定程度上减少系统的购能成本和设备维护成本。然而，安装燃气轮机以及余热发电装置可能会在一定程度上增加系统的能源设备投资成本。综合上述分析，配置燃气轮机以及余热回收装置可以在一定程度上减少系统的总成本，因为余热回收使浪费的能源得到了二次利用，更加具有经济性，同时实现了能量的循环利用，提高能源利用率。

4 结论

针对天然气储气库的生产特性和用能特点，本文构建了考虑余热利用的储气库综合能源系统，并基于粒子群算法和CPLEX 求解器提出了针对储气库综合能源系统的双层容量优化配置方法，最后利用TOPSIS 对该系统的综合能源系统整体优劣程度进行评价。结果表明余热利用系统将有效提高综合能源系统的供能效率并降低用能成本。考虑到天然气储气库注采周期用能以及负荷的不均衡性特点，余热利用系统与燃气轮机发电机组的结合将显著提高天然气储气库综合能源系统的综合性能。