基于油田单井的多能互补分布式能源系统优化

2022-06-23高国强郑炜博王照亮陈虹宇陈国富

山东科学 2022年3期

高国强，郑炜博，王照亮，陈虹宇，陈国富

(1.中石化胜利油田分公司,山东东营 257000；2.中国石油大学(华东) 新能源学院，山东青岛 266580)

胜利油田既是产能大户，也是耗能大户，生产过程中的加热能耗占到总能耗的30%左右。油田现有各类燃气加热炉5 200余台，但是，当前国内环保形势日趋严峻，能源结构调整、节能减排的标准越来越高，目前油田部分加热炉排放不达标，电伴热、外购天然气能耗成本高，亟需开拓太阳能等清洁能源替代项目。

分布式能源作为一种新兴、可靠的新能源利用技术，在各行各业中越来越受重视。分布式能源系统一般指以可再生能源(生物质)或天然气等清洁化石燃料为能源的、孤立的或只与配电网相联系的小型能量系统[1]，其中冷热电三联供 (combining cooling，heating and power，CCHP)系统是分布式能源系统中最常用的一种技术。CCHP 是一种能源梯级利用技术，可提高能源的利用效率，缓解电力紧张状况，削峰填谷，降低能耗[2]，但是该系统由于设计容量不宜选择且冷、热、电负荷难以同时匹配，很难独立推广使用。Li 等[3]对分布式能源系统进行建模仿真，以系统经济性、环境性和一次能源节约率为目标，分别对住宅型和办公型建筑进行优化，得出办公型建筑综合性能优于住宅型建筑，系统有蓄能装置和空气调节装置，经济性更优；Hajabdollahi等[4]对以汽轮机、内燃机和柴油机作为驱动源的CCHP系统建立了性能和部分负荷率的关系，对系统在不同的负荷下进行了优化；Stanek 等[5]对基于内燃机为主要动力源，太阳能光伏发电为辅，利用内燃机缸套水提供生活热水并驱动吸收式制冷机的分布式供能系统进行热力-生态费用分析，并与传统的热力经济分析作对比，提出了联供系统的优化策略；Goyal等[6]针对单缸四冲程水冷恒转速柴油机余热，采用实验和模拟的方法，分别研究了单纯发电、冷热电、热电、冷电4种模式的能源利用效率和火用效率，结果显示在冷热电和热电模式下，系统性能最好；Fang等[7]提出了将CCHP系统与有机郎肯循环(organic rankine cycle,ORC)结合(CCHP-ORC)的互补配置方案，并对北京一酒店进行了假设性的案例研究，采用Energyplus模拟4个季节典型日冷热电需求，结果表明电制冷主要应用在夏季，ORC 主要应用在其他3个季节，一次能耗的CO2排放和运行费用均好于常规的 CCHP 系统。

胜利油田东部油区年平均太阳总辐射量为5 199 MJ/m2，即1 441 kW·h/m2，年平均日照时数2 712.5 h，水平面上的年平均峰值日照时数为4.29 h，即年峰值日照时数为1 390 kW·h/m2左右，为太阳能资源三类地区，接近资源较丰富的二类地区。文献对太阳能蓄热[8-9]、太阳能集热器[10-14]都有较多的研究，但都局限于单个设备，没有应用到大系统。

本文对单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式建立能流模型并实现动态运行模拟，在此基础上探究了两种模式的加热负荷变化规律及最优加热参数；分别设计了单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式的分布式能源系统方案，包含水套加热炉、电伴热、太阳能集热装置、太阳能蓄热装置、空气源热泵；分别对5种热源进行热力建模，在此基础上建立两种分布式能源系统的能流模型并建立目标函数及约束条件，对两种生产模式的分布式能源系统进行优化，从而保证系统节能降耗，并找到参数的最佳组合。

1 分布式能源系统优化

1.1 分布式能源系统方案设计

对于不同的生产模式，即单井集油管线输送和储油罐拉油，采用50 kW水套加热炉、电伴热、太阳能集热装置、太阳能蓄热装置、两级压缩式空气源热泵进行加热，确保不同生产模式在环境参数、产液参数变化的情况下，也能够满足生产条件。单井储油罐拉油如图1(a)所示，单井集油管线输送如图1(b)所示。

图1 单井集油管线输送和储油罐拉油管道加热示意图Fig.1 Schematic of a single-well oil-pulling storage tank and single-well oil pipeline heating

对于不同子系统的能流模型，已有较多的计算方法，如对于单井输油[15-21]、储油罐模型[22]、太阳能蓄热[8-9]、太阳能集热器[15-19]。详细热力计算、费用计算本文不再给出。

1.2 子系统模型计算结果

(1) 太阳能集热器

针对集热器不同型号，选取了不同面积进行经济性分析比较。此时，简化热源，仅考虑太阳能集热与电伴热。结果需尽量体现出集热器的作用，也不能完全忽略其他分布式热源，因此未选择太阳能充足的夏季，而选择太阳能较为均衡的春季。计算春季典型日各时刻负荷及相应的费用，费用包括集热器的投资费用和电伴热的运行费用。具体取值与对应的费用如表1所示。

表1 不同型号、不同面积对应费用Table 1 Costs corresponding to different models and areas

表1可以得到费用最低的太阳能集热器型号为真空管式集热器，输油管线加热时取面积481.6 m2，n=80；储油罐拉油时取面积722.4 m2，n=120。

(2)太阳能蓄热器

储热罐的结构参数如表2所示。

表2 结构参数及物性参数Table 2 Structural and physical parameters

不同季节太阳能热负荷不同，所需的储能材料体积自然不同，根据四季不同的环境温度及光照强度来优化储能罐的容量。计算得到不同生产条件的配置容量如表3所示。

表3 不同生产条件配置容量优化Table 3 Configuration capacity optimization under different production conditions

其中，春、秋季的集油管线加热的生产模式及冬季的两种生产模式，太阳能负荷较小，加热热水温度较低，蓄热效果较差。选择相变材料体积时，保证在太阳能最充足，即夏季时，所有富余的太阳能均能得到有效的储能，因此材料体积选取夏季计算得到的结果。优化后的储能热效率为25.8%左右。

其余热源包括电伴热、50 kW加热炉及空气源热泵，都为较为稳定的热源。针对方案实施的具体情况，电伴热的投资费用及运行费用都最小，因此在计算时只考虑了电伴热一种稳定的热源。

1.3 目标函数及约束条件

对于两种生产模式，均考虑四季对生产参数的影响，所需总负荷与4种子系统的能量供给示意图如图2所示。

图2 能量供给示意图Fig.2 Schematic of energy supply

日每小时负荷供应关系式为

Qi=QT，i+QC，i+QL，i+QD，i，

(1)

式中，Qi为井口输油管道每小时所需加热总负荷(kJ/h)，QT，i为i时刻太阳能集热器供热负荷(kJ/h)，QC，i为i时刻太阳能蓄热罐供热负荷(kJ/h)，QL，i为i时刻加热炉供热负荷(kJ/h)，QD，i为i时刻电伴热供热负荷(kJ/h)。

并且，日太阳能集热器供热负荷QT与日太阳能蓄热罐供热负荷QC有以下平衡关系

∑(QT，i-Qi)=∑QC，i。

(2)

对于整个太阳能分布式能源系统的优化，从运行总费用方向考虑，不同的生产模式都有共同的子系统，运行费用计算方法相同，约束条件不同。费用关系图如图3所示。

图3 费用关系图Fig.3 Cost graph

每日各小时费用fi包括太阳能集热器费用fT、太阳能储热罐费用fC、水套加热炉费用fL、电伴热费用fD，

fi=fT，i+fC，i+fL，i+fD，i

(3)

式中，fi为每日各小时费用，fT，i为i时刻太阳能集热器供热费用(元/h),fC，i为i时刻太阳能蓄热罐供热费用(元/h),fL，i为i时刻加热炉供热费用(元/h),fD，i为i时刻电伴热供热费用(元/h)。

目标函数为最小日运行总费用F

(4)

1.4 计算步骤

根据费用计算公式，对初始种群进行赋值

(5)

式中：x1,i为某季某时刻输油管线加热所需热负荷，即Qi；x2,i为某季某时刻太阳能集热器能提供的供热负荷，QT，i；x3,i为某季某时刻太阳能储热罐所能储存的热量，QC，i；x4,i为某季某时刻电伴热所需提供的热量，QD，i。

根据每日不同时刻，有以下几种约束条件的情况：

(1)当输油管线加热所需热负荷x1,i小于太阳能集热器能提供的供热负荷x2,i时，

(6)

(2)当输油管线加热所需热负荷x1,i大于太阳能集热器能提供的供热负荷x2,i时，

QD，i=Qi-QT，i-QC，i。

(7)

日太阳能集热器供热负荷QT与日太阳能蓄热罐供热负荷QC有以下平衡关系

∑(QT，i-Qi)=∑QC，i。

(8)

遗传算法约束非线性规划问题的一般描述是

(9)

约束条件可以写成

(10)

式中:x为变异矩阵；下标m、M分别表示最小值与最大值；A为线性不等式中的系数，B为线性不等式中的常数项；C为非线性条件中的函数；下标eq为线性等式时的条件。

2 分布式能源系统优化

2.1 优化结果

根据分布式能源系统能流模型进行优化，利用Matlab计算得到集油管线和储油罐拉油两种生产模式不同季节的分布式能源利用情况及费用情况,如图4和图5所示。

图4 集油管线不同季节的分布式能源热负荷及费用情况Fig.4 Distributed energy heat load and cost of an oil-collecting pipeline in different seasons

图4(续)

集油管线选择真空管式集热器，根据不同的生产模式选择不同的集热面积进行计算。输油管线加热时取面积481.6 m2，n=80。图4可以看出不同季节对整个系统的供能影响很大，主要体现在一天的太阳能集热量有所不同。夏季集热量显著高于冬季，春秋两季的集热水平相当。因此，系统所需费用也相应地冬季为最高，春秋其次，夏季最低；不同季节一天的太阳能集热量规律大致相同，正午前后一天的集热量达到顶峰，早晚较低，因此费用也随之增长或减少。

图5 储油罐不同季节的分布式能源热负荷及费用情况Fig.5 Distributed energy heat load and cost of oil storage tanks in different seasons

图5(续)

储油罐选择真空管式集热器，根据不同的生产模式选择不同的集热面积进行计算。储油罐拉油时取面积722.4 m2，n=120。图5系统供热负荷及费用的变化规律基本与集油管线一致。区别在于，储油罐拉油所需的热负荷及费用明显大于管线输油所需的热负荷及费用。

根据计算可以得到，在生产模式、太阳能集热器、蓄热器确定之后，所需的电伴热负荷占所需热负荷的比例，如表4所示。在分布式能源系统下，按照计算给出的占比进行电伴热加热，即可达到对热源的合理利用，使得投资费用与运行费用最小。

表4 不同模式、不同季节、不同时刻所需电伴热占比Table 4 Proportion of electric heat tracing required in different modes, seasons, and times

2.2 分布式能源系统蓄热效果比较

根据以上所述费用关系式及经济性计算结果，同时计算是否采用储热器时的费用，对4种分布式能源系统热源经济性进行对比。

以储油罐一天一拉，夏、冬季加热为例，不同热源经济性计算结果如图6所示。可以看出，采用分布式热源进行加热时，整体经济性较好。加热炉与电伴热的费用较高，在冬季尤为明显。太阳能集热器、蓄热器与空气源热泵的投入在冬、夏两季都要远低于加热炉与电伴热，经济性要明显好于加热炉与电伴热。因此，作为较为稳定的热源，经济性最好的为空气源热泵，其次为电伴热，经济性最差的是加热炉。