中亞管道壓氣站分布式能源系統運行優化

段志剛 魏心童 肖俏 秦陽 周鑫 趙煒

1中油國際管道公司2中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

壓氣站如同天然氣長輸管線的“心臟”，通過不斷加壓，保證天然氣長距離輸送。在天然氣管網整體運行成本中，壓氣站的自耗氣成本占長輸天然氣管道運行成本的50%以上[1]。合理配置壓氣站資源，以能耗最省為目標對壓氣站進行運行優化可節約大量能源。

目前，針對壓氣站的能耗優化思路多在算法層面[2-5]，也有學者通過建立數學模型，調整壓縮機組的工作參數來達到最小能耗[6-9]，還有部分研究從負荷分析的角度來提升壓縮機組的利用率[10-14]。從優化能源結構、能源合理分配的角度同樣可以進行壓氣站能耗的優化，在站場應用分布式能源系統[15-19]就是一種新的思路。

分布式能源系統是一種以梯級利用、合理分配為原則的能源系統，能夠實現“熱電聯產”的效果，一次能源利用效率可達80%～90%，并使二次能源利用成為可能，有利于降低能耗，提升經濟效益。近年來，對天然氣分布式能源系統的研究成為熱點，如張麗君等[20]針對天然氣分布式能源系統進行了節能減排效益分析，認為分布式能源系統可以減少可觀的碳排放量；為了有效提高能源綜合利用率，張璇哲等[21]對天然氣分布式能源系統的“以熱定電”和“以電定熱”兩種運行模式進行研究，提出了以“年平均綜合利用率”、“熱電比”、“供熱比”三個參數作為合理選擇系統運行模式的參考定量指標；而蔡廣星等[22]按“以熱定電”的原則設計了油氣集輸分布式能源系統，并以實例計算證明了該系統能量利用率較傳統方式有所提高；吳潔等[23]針對小型建筑空間設計了一套燃氣分布式能源系統，該分布式能源系統既可作為獨立能源供能，又可與其他分布式能源共同工作，提升了分布式能源系統的靈活性；王歆宇[24]對某典型酒店燃氣冷熱電分布式供能系統進行了負荷特征分析，對負荷隨時間的波動進行了預測，通過負荷分配提高了分布式能源系統的能源利用率；李正茂等[25]則強調了自動化技術的應用，采用天然氣分布式發電與網電構成雙電源模式，在某油氣田集氣站引入了智能管控系統和能控制三通閥開度的自動控制裝置，實現了數據實時傳輸，提高了系統的安全性；在能源結構優化角度上，王寶琳[26]提出最優的運行方式即燃機滿發余熱全利用的運行方式，從提高分布式能源系統的火用效率角度上實現天然氣的梯級利用；崔悅等[27]探討了油田集輸分布式能源系統的構成與節能思路方面的構建問題，認為我國的燃氣分布式能源系統以燃氣輪機熱電聯產方式比較普遍；DAVOR BI SˇC'AN[28]等從能源利用的角度對長輸管道壓氣站進行了能耗優化，為了利用站場的熱能，引入余熱鍋爐進行余熱回收，并在經濟效益上尋求了火用損失成本和余熱鍋爐投資成本的折中。

因此，一個可行的節能降耗思路是將分布式能源系統中常用的熱電聯產設備應用于油氣集輸聯合站和長輸管道壓氣站中，并對設備運行情況、開啟方案策略進行最優化設計。實際上，燃氣發電機組等設備雖然可以產生熱能、電能作為系統供能能源，但其同樣需要與壓縮機組共同消耗天然氣，燃氣發電機組的設備選型、運行臺數確定就至關重要。站場系統的能耗量不僅與能源結構有關，與設備開啟的方案策略也有關[29]。為保證在應用多種能源形式的過程中分布式能源系統能夠穩定運行，并且盡可能減少資源浪費，從整體上提升經濟效益，在保證該分布式能源系統的能量輸出與壓氣站的能量消耗相平衡的前提下，需要對不同分布式能源系統運行方案進行比選，并對不同的機組進行開機、停機選擇，在選定機組之間進行負荷分配的優化，從而在滿足各種約束條件的前提下，能夠保證能耗最省。因此，本文構建了壓氣站分布式能源系統，以能量流向平衡和設備運行為約束建立了混合整數線性規劃（MILP）模型，對采用分布式能源系統為供能結構的壓氣站的運行方案進行優化。

1 問題描述

中亞輸氣管道某壓氣站共3條管道，采用AB/C線并排敷設。其中AB 線共用沿線的壓氣站，可以近似于同一個水力系統；C線是一個獨立的水力系統。WKC1 是AB 線的首站，UCS1 是C 線的首站。由于兩個站相隔只有500 m左右，所以有能源優化的空間。WKC1 站場共5 臺壓縮機組、3 臺燃氣機發電機組，目前現場工作時（下文稱為方案一，流程如圖1 所示）運行2 臺GE 壓縮機組、2 臺GE 燃氣發電機組，余下1 臺GE 壓縮機組、2 臺SOLAR壓縮機組和1 臺GE 燃氣發電機組作為備用。UCS1站場共4 臺壓縮機組、4 臺燃氣發電機組，工作時運行1 臺SOLAR 壓縮機組、1 臺KAT 燃氣發電機組，余下3臺SOLAR壓縮機組、3臺KAT燃氣發電機組作為備用。壓氣站設備參數見表1。由于站場上所有壓縮機組和發電機組均為燃氣機組，燃燒后的氣體直接排放，不僅造成能源浪費，還影響生態環境。

圖1 方案一壓氣站系統能源流向示意圖Fig.1 Compressor station system energy flow diagram of Scheme Ⅰ

該分布能源系統由輸入能源模塊（天然氣）、能源轉換與儲存裝置模塊（燃氣發電機組、燃氣壓縮機組）、電能需求模塊（生活生產用電、電驅壓縮機組）三個模塊組成。該系統的輸入能源為天然氣，輸出能源為電能，中間能源為燃氣發電機組、燃氣壓縮機組產生的熱能。

表1 壓氣站場設備參數Tab.1 Equipment parameters of compressor station

通常情況下WKC1站運行2臺GE壓縮機組和2臺發電機組；UCS1站運行1臺壓縮機組和1臺發電機組。現擬投資1.2 億元人民幣進行改造，加入1套蒸汽輪機回收兩個站的余熱用于發電（下文稱為方案二，流程如圖2 所示），驅動電驅壓縮機組。將燃氣發電機組、蒸汽輪機用于系統中，天然氣流入燃氣發電機組中，連續流動的天然氣為工質帶動葉輪高速旋轉，將天然氣的化學能部分轉化為機械功，并輸出電功，而從透平中排出的高溫廢氣排至蒸汽輪機入口，即將熱能流向蒸汽輪機。壓縮機組出口的溫度常超過400 ℃，使蒸汽輪機利用壓縮機組高溫排氣攜帶的這部分熱能也被蒸汽輪機高效利用。蒸汽輪機中的蒸汽在渦輪內膨脹推動渦輪做功，完成了熱能—動能—電能的轉化。而這種分布式能源的結構，實現了熱電聯產[30]，有利于能源的多級利用，提升了能源的利用效率。

方案二的能源結構框架如圖2所示。與方案一不同的是，燃氣發電機組和蒸汽輪機產生的電能用來滿足系統的電能需求。

圖2 方案二、方案三壓氣站系統能源流向示意圖Fig.2 Compressor station system energy flow diagram of SchemeⅡ，Ⅲ

在某些來氣量較小的時期，WKC1站場只需開啟1 臺GE 壓縮機組和1 臺SOLAR 壓縮機組、UCS1站場開啟1 臺SOLAR 壓縮機組即可（下文稱方案三，流程如圖2 所示），考慮同樣采用方案二的用能方式并驅動電驅壓縮機組。下文將對三種方案進行運行優化，并對方案一與方案二進行能耗對比分析。

2 模型建立

系統模型由幾組節點組成。一個站場可以包括一個或多個管道水力系統，為了區分這些管道系統，以i∈I={1，2，…，imax} 表示各管道系統節點。除此之外，模型還包括各壓縮機組節點j∈J={1，2，…，jmax}，各燃氣發電機組節點k∈K={1，2，…，kmax} 。

已知不同規格設備的技術參數、壓氣站的電能需求，考慮了能量平衡約束和設備運行約束[31]，以各壓縮機組的實際耗氣量、熱能輸出量，各燃氣發電機組的開啟狀態、實際耗氣量、電能輸出量、熱能輸出量，以及汽輪機的開啟狀態、熱能輸入量、電能輸出量為決策變量，以所有管道系統的天然氣消耗量最低為目標函數，建立MILP 模型。對該模型求解，即可得到壓氣站分布式能源系統的最佳運行方案。

2.1 目標函數

以設備的開啟、關閉運行狀態的選取為決策變量，以所有管道系統的天氣消耗量最低為目標函數，建立壓氣站分布式能源系統優化模型。

保證各個約束條件滿足的情況下，目標函數可以表示為

式中：PGASi為i管道系統的天然氣消耗量，kg；Δt為模型的時間步長，h。

2.2 約束條件

2.2.1 能量平衡約束

（1）一個站場中可以包括多個管道系統，對于每個管道系統而言，每小時天然氣的消耗量等于所有燃氣發電機組與壓縮機組的輸入能量，公式為

式中：PGTINi,k為i管道系統的k燃氣發電機組每小時的天然氣輸入量，kg；dCOGAi,j為i管道系統的j壓縮機組每小時的耗氣量，kg。

（2）對于每個管道系統的燃氣發電機組而言，每小時輸出的電能與輸入氣量、天然氣熱值、發電效率有關，公式為

式中：PGTOUTEi,k為i管道系統的k燃氣發電機組每小時的電能輸出量，kW；ηGTEi,k為i管道系統的k燃氣發電機組的發電率；?為天然氣熱值，kW·h/kg。

（3）對于每個管道系統的燃氣發電機組而言，每小時的輸出熱能與輸入氣量、天然氣熱值、產熱率有關，公式為

式中：PGTOUTSi,k為i管道系統的k燃氣發電機組每小時的熱能輸出量，kW；ηGTSi,k為i管道系統的k燃氣發電機組的產熱率。

（4）對于每個管道系統的壓縮機組而言，每小時的輸出熱能與輸入氣量、天然氣熱值、效率和產熱率有關，公式為

式中：PCOOUTSi,j為i管道系統的j壓縮機組每小時的熱能輸出量，kW；PCOELi,j為i管道系統的j壓縮機組每小時的額定電功率，kW；ηCOSi,j為i管道系統的j壓縮機組的產熱率；ηCOELi,j為i管道系統的j壓縮機組的效率。

（5）對于蒸汽輪機而言，每小時的熱能輸入量等于所有燃氣發電機組和壓縮機組的熱能輸出量，公式為

式中：PSTIN為蒸汽輪機每小時的熱能輸入量，kW。

（6）對于蒸汽輪機而言，每小時的輸出電能與輸入熱能、發電效率有關，公式為

式中：PSTOUTE為蒸汽輪機每小時的電能輸出量，kW；以ηSTE為蒸汽輪機的發電率。

（7）對于兩個站場系統而言，天然氣發電機和蒸汽輪機產生的電能可用于生活、生產、電驅壓縮機組，公式為

式中：dCOELi,j為i管道系統的j壓縮機組每小時的電功率，kW；dLIELi為i管道系統每小時的生活所需電功率，kW；dPRELi為i管道系統每小時的生產所需電功率，kW。

2.2.2 設備運行約束

（1）對于每個管道系統的燃氣發電機組而言，其運行功率不得超過相應額定功率。若其處于運行狀態(BGTi,k=1)，其運行功率不得低于相應下限。

式中：sGTi,k為i管道系統的k燃氣發電機組每小時的額定功率，kW；γGTi,k為i管道系統的k燃氣發電機組每小時的最低運行功率，kW。

以二元變量BGTi,k判斷i管道系統的k燃氣發電機組是否處于運行狀態：若該燃氣發電機組處于運行狀態，則BGTi,k=1；否則，BGTi,k=0。

（2）對于蒸汽輪機而言，其運行功率不得超過相應額定功率。若其處于運行狀態(BST=1)，其運行功率不得低于相應下限。

式中：sST為蒸汽輪機每小時的額定功率，kW；γST為蒸汽輪機每小時的最低運行功率，kW。

以二元變量BST判斷蒸汽輪機是否處于運行狀態：若該蒸汽輪機處于運行狀態，BST=1；否則，BST=0。

2.3 模型求解

基于 Inte(R) Core(TM) i7-9750H CPU @2.60 GHz 處理器環境下，用GAMS Studio win64 30.2.0 編程建立了MILP 模型，并使用CPLEX 12.7求解器進行求解。

3 算例分析

3.1 算例基礎數據

建立MILP 模型，設置時間步長Δt為1 h。目前輸入壓氣站的天然氣熱值為13.78 kWh/kg。

已知該壓氣站的每小時每個管道系統的消耗情況如下：WKC1系統生活所需電功率為100 kW，生產所需電功率為1 000 kW；UCS1 系統的生活所需電功率為0，生產所需電功率為600 kW。

3.2 對比求解

對三個方案進行對比，UCS1 和WKC1 兩個壓氣站組成的系統電能共用，認為燃氣壓縮機組每小時的耗氣量不變。選擇額定功率為20 000 kW，最低運行功率為2 000 kW，發電率為20%的蒸汽輪機。將以上參數輸入模型，對兩種不同的分布式能源系統中不同時間段的設備開啟方案策略進行最優化處理，比較兩種能源結構的耗氣情況。

3.2.1 三種方案下的最優運行結果

方案一運行狀況見表2。WKC1 站運行2 臺GE燃氣壓縮機組，2 臺GE 燃氣發電機組；UCS1 站運行1臺燃氣壓縮機組，1臺KAT燃氣發電機組。

表2 方案一的運行狀況Tab.2 Operating status of Scheme I

方案二運行狀況見表3。該功率為20 000 kW的蒸汽輪機利用燃氣壓縮機組出口的熱能發出的電就已經可以滿足站場的生活、生產電能消耗，并可利用產生的電能，將UCS1 站場1 臺功率為15 MW的燃驅SOLAR 燃氣壓縮機組的供能方式改為電驅。該方案中站場的燃氣發電機組可全部撤下。

表3 方案二的運行狀況Tab.3 Operating status of SchemeⅡ

方案三運行狀況見表4。在WKC1 站場中開啟2 臺GE 燃氣發電機組，UCS1 管道系統中的燃氣發電機組全部撤下，兩個站場的燃氣壓縮機組和發電機組的熱量共同驅動蒸汽輪機運行為最優運行方案。該方案利用燃氣發電機組和蒸汽輪機產生的電能，同樣可在滿足站場生活、生產電能消耗的情況下，在UCS1 站場以電驅方式驅動1 臺功率為15 MW的SOLAR燃氣壓縮機組。

表4 方案三的運行狀況Tab.4 Operating status of Scheme Ⅲ

3.2.2 能耗計算

由目標函數的優化計算結果分析可知，方案一的耗氣量為10 346.7 kg/h，方案二的耗氣量為8 030.6 kg/h，方案三的耗氣量為6 378 kg/h。方案二較現場目前采用的方案一每小時節約22.4%的天然氣。經計算，與方案一相比，采用方案二的分布式能源系統可為該壓氣站場節省天然氣20 289.04 t/a。查當地天然氣價格為2.55元/m3，換算為1.97元/kg，計算可得節省的耗氣費用為39 969 400元。這是因為方案二中將燃氣壓縮機組、燃氣發電機組的高溫尾氣攜帶的熱能得以利用，將UCS1 站場的1 臺SOLAR 燃氣壓縮機組以電驅方式供能，從而降低了耗氣量。對比擬投入的1.2 億元資金，得出方案二預計在3年內可以將投入的資金回收。

4 結論

（1）在能量平衡和設備運行的約束下，以所有管道系統的天然氣消耗量最低為目標函數，通過建立求解壓氣站分布式能源系統的混合整數線性規劃模型，對壓氣站在不同時間段內的運行方案進行了優化選取。

（2）針對中亞天然氣管道某壓氣站場的耗氣比較，改進了當前站場采用的方案，可為該站場節省20 289.04 t/a 的耗氣，即3 996.94 萬元的耗氣費用，約3年可以將投資回收。證明了以該分布式能源系統模型優化得出的運行方案節能效果較好，實現了能量梯級利用、高效利用，對進一步改善壓氣站經濟效益、促進節能減排具有重要意義。