天然氣水合物開采平臺能量系統優化

馬小娟，王彧斐，馮霄

（1 中國石油大學(北京)化學工程系，重質油國家重點實驗室，北京 102249；2 西安交通大學化學工程與技術學院，陜西 西安 710049）

隨著世界各國對能源礦產的需求量不斷激增，急需新型能源來補充常規石油天然氣等化石能源的供給。天然氣水合物常見于深海沉積物或陸上永久凍土中，因其分布淺、分布廣泛、總量巨大、能量密度高等特點，或成為未來主要替代能源而受到世界各國政府和科學界的密切關注。全球范圍內已發現非常多的天然氣水合物礦點。20世紀90年代中后期以來，南海北部天然氣水合物取得了豐碩的勘探成果和里程碑式的重大突破與進展。2017 年和2020 年先后兩次探索性試采均獲得了產氣總量及日均產氣量超世界的新紀錄和深海淺表層軟地層未成巖沉積物儲層水平井鉆采核心技術，實現了由“探索性試采向試驗性試采”的重大跨越和突破。

目前海底非成巖天然氣水合物平臺多是參照傳統油氣田開采方式，即水下生產系統+FPSO（浮動生產儲存卸載）的方式。作為一個集天然氣水合物開采系統、井口氣水采集系統、海底系統、系泊系統、卸船系統、供電供熱系統、生產指揮系統和生活系統為一體的獨立設施，由于平臺系統組成的復雜性，功能的豐富性和環境的特殊性，平臺的能源消耗很高。因此一些學者考慮將可再生能源引入平臺的能量系統來降低平臺化石燃料的消耗。例如，梁德青等提出利用海洋區域豐富的風能發電來滿足天然氣水合物分解所需的能量。趙佳飛等也提出利用風力發電裝置的“棄風”，增加了開采所需的能量來源，這種基于風電補償的開采系統包括依次連接的風電場及輔助裝置、海洋平臺系統、井下開采系統等。宋永臣等則提出利用海洋區域豐富的波浪能和太陽能發電，同時利用太陽能將海水淡化，將淡化過程中的濃鹽水用于海底天然氣水合物的開采，白天采用注射濃鹽水，夜間注射海水的方式實現開采的連續運行。Klymenko 等提出利用海洋熱能轉化來提高天然氣水合物中甲烷的能效開采。

傳統的天然氣水合物開采方法有降壓法、注熱法、注劑法和聯合開采法，它們主要通過改變天然氣水合物的熱力學或動力學來破壞其內部分子間作用力，從而使天然氣逸出，達到產氣的目的。1996 年日本學者Ohgaki 提出了一種新型的開采方式——CO置換法，該開采方法是將CO作為置換氣體注入天然氣水合物中，由于CO水合物比天然氣水合物更穩定，因此CO被封存在海底，天然氣被置換出來，該方法不僅可以維持水合物儲層骨架強度，防止發生海底滑坡等地質災害，較傳統的開采方法對海洋環境更有益，同時可以長期封存二氧化碳，改善全球變暖的問題。因此針對CO置換法，孫長宇等提出以有效能為核心的能源效率計算式，研究置換法開采天然氣水合物的能源效率，結果表明該開采過程中氣體分離的能耗最高，其次是將CO從陸地運輸至開采平臺點的能耗，而CO注入水合物儲層和尾氣回注的能耗較低，均低于3%。因此考慮在天然氣水合物開采平臺上建立甲烷重整裝置，用開采出的天然氣生成置換所需的CO，同時生產附加值更高的氫氣，形成循環開采的模式，此時平臺的用能系統則不同于傳統的水合物開采平臺，平臺的穩定運行和甲烷重整裝置都需要大量的能量維持。Rice提出了一種循環開采天然氣水合物的方案，該方法的最終產品是清潔能源氫氣，通過蒸汽重整從氣體水合物中生產氫氣，而不向大氣中排放二氧化碳。并針對該方案選擇合適的平臺、開采井與重整裝置，討論了方案的可行性與經濟性。除此之外Wang 等對CO置換開采天然氣水合物耦合甲烷重整制氫的新方法進行了概念性工藝設計。雖然針對傳統的開采平臺學者們提出了各種降低平臺能耗的方法；針對耦合甲烷重整裝置的開采平臺進行了概念性的工藝設計，但是他們都沒有從平臺設備的初步設計與運行方案出發進行優化。因為97%天然氣水合物藏于海洋之中，開采平臺為海上平臺，可以借鑒海上油氣開采平臺能量系統的設計與優化方法，對天然氣水合物開采平臺耦合甲烷重整裝置的能量系統進行設計與優化。

對于海上平臺的能量系統，以冷熱電聯產為代表的分布式能源系統遵循科學用能和能量梯級利用的原則，使系統能源利用率可達70%～90%，被廣泛應用于海上平臺，此外分布式能源系統除常規能源外也可引入可再生能源。

基于上述分析，把平臺中包括能量產生、轉換和儲存在內的所有能量生產過程視為一個分布式能量系統，將天然氣水合物開采平臺耦合甲烷重整裝置的能量系統與海上風力發電相結合，建立平臺能量系統的設計模型以求解最經濟的能量設備配置方案。

1 問題陳述

本文提出將海上風電接入該平臺的能量系統之中，同時考慮平臺的生產生活需要穩定的能源，由于風力發電具有不穩定性，因此依舊需要使用化石燃料，在平臺上形成多能互補的能源系統，確保平臺的運行，平臺的能量系統優化思路如圖1所示。

圖1 平臺能量系統分析

作為集生產生活為一體的海上平臺，平臺的能量需求包括電能、熱能和冷能。電能主要用于各種生產設備的正常運行以及生活需要。熱能主要用于重整裝置的能量供應以及平臺溫度運行。冷能則是人員的日常生活需求，例如夏季空調的使用以及食物的儲存等。

海上平臺作為一個獨立完整的設施，各種能量需求都是自給自足。在平臺上有動能組模塊和熱能組模塊。傳統的動能組模塊為主要動力站，設計人員可根據開采條件和需求選擇原動機，該平臺將產品天然氣作為燃料供應，因此可以選擇燃氣輪機。熱能組模塊是主要的熱生產系統，目前各種類型的直燃式燃料鍋爐和余熱鍋爐都可作為供熱設備。吸收式制冷和壓縮式制冷可以利用現有的熱能和電能，因此可作為冷能供應模塊。

基于平臺的能量需求和常用的能源設備，該平臺的能量系統框架如圖2所示。

圖2 平臺能量系統結構

對于平臺的動力需求，替換設備包括燃氣輪機和風力發電機，可以充分利用天然氣和風能發電，保證平臺穩定生產。典型的燃氣輪機可將所消耗燃料能量的28%～34%轉化為電能，其余的燃料能量則通過排氣散熱損失，燃氣輪機所排放廢氣的溫度通常在500～650℃，但它重量輕、體積小，適合用于惡劣的海洋環境，為了降低燃料的消耗，提高能源利用率，可以選擇余熱鍋爐利用其余熱，同時采用直燃式熱油鍋爐，在燃氣輪機的余熱不足的情況下燃燒天然氣來滿足平臺的熱量需求。冷能需求則由吸收式制冷和壓縮式制冷提供，壓縮式制冷可以利用電能產生冷量，吸收式制冷則可利用現有的熱能，此時便形成了冷熱電聯產的能源系統。通常為了滿足平臺上的能量供應，實際生產的能量往往大于平臺所需的能量，為了減少過剩能量的浪費，可以考慮使用儲能設備，在能量供應過剩的情況下將多余的能量儲存起來。

本文所求解的問題為最經濟的能源系統設備配置方案，即選擇合理容量的設備保證平臺正常運行，因此對模型進行簡化，假設不考慮具體的系統運行參數。

2 優化問題模型

文章所研究的是非線性優化問題，以開采平臺能量系統的年總成本為目標函數，建立考慮各種約束的最優化模型。選擇4個典型的天數分別表示春天、夏天、秋天和冬天。將4天的各能耗數據、能源價格和設備的技術參數作為模型的輸入參數。決策變量是設備的容量和輸入設備的能量。

2.1 目標函數

以平臺能量系統的最低年總成本為目標函數，其年總成本包括設備的年投資成本和系統的年能量成本。目標函數表達式為式(1)，平臺上的年設備成本計算方法如式(2)、式(3)。

式中，為能量系統中所有設備的集合；B為二元變量，選擇設備時取1，否則取0；W表示系統中設備的額定容量，儲能設備額定容量單位是kWh，風機額定容量單位是m，其余設備額定容量單位是kW；CF表示設備的固定成本，CNY；CL表示設備的線性容量成本，CNY/kW 或CNY/kWh或CNY/m；CR表示設備的資本回收系數；表示設備的折舊率，%；n表示設備壽命，a。

平臺生產的天然氣是主要燃料來源，天然氣能量成本與天然氣價格和消耗量有關，年能量成本計算方法如式（4）。

式中，表示總的時間集合；表示輸入系統的能源；CE表示能源的價格CNY/kWh；P表示時刻的能源的消耗量，kW；w表示每個周期的持續時間，h；Pr表示時刻的天然氣產量，m3/h；表示天然氣的利用率，%；為天然氣的低位熱值，kJ/m3。

2.2 約束條件

為保證平臺連續正常的生產生活需求。該模型的約束條件包括能量平衡、能量供應和技術約束。

2.2.1 能量平衡約束

為了保證順利生產，分布式能量系統所產生的電能減去使用的電能應該大于或等于平臺的電能需求。當無風能時只有燃氣輪機發電，壓縮式制冷裝置將電能轉化為冷能，該約束見式(6)。式中，Q表示時刻輸入設備的能量，kW；η表示設備的發電效率，%；Nc表示時刻儲能設備的充電量，kW；N表示時刻儲能設備的放電量，kW。

有風能時產電設備有風力發電機、燃氣輪機。此時，風機和燃氣輪機產生的電能減去使用所需的電能應該大于或等于海上平臺所有系統的電能需求，該約束見式(7)，其中P表示時刻風機掃過單位面積產生的電能，kW/m；表示風機總面積，m。

供熱設備主要為直燃式燃料鍋爐和余熱鍋爐，吸收式制冷設備通過消耗熱量而產生冷量，此時分布式能源系統產生的熱能減去用于冷卻的熱能應該大于或等于海上平臺所有系統的熱能需求，該約束見式(8)。式中，η表示設備的產熱效率，%。

分布式能源系統產生的冷能應該大于或等于海上平臺上生活系統的冷能需求，該約束見式(9)，其中COP表示制冷設備的制冷系數，該平臺的制冷設備有壓縮式制冷與吸收式制冷。

余熱鍋爐的輸入熱量來自燃氣輪機的余熱，該約束見式(10)。

吸收式制冷只能利用現有的熱能，因此輸入到吸收式制冷的熱能應小于或等于余熱鍋爐產生的熱量，該約束見式(11)。

儲能設備中的儲能與充電，放電速度和能量損耗有關，所以儲能設備的運行狀態約束見式(12)和式(13)。本文以一天為一個周期來運行能量存儲設備，式(12)可用于一天中除第一個小時外的任意時間；相反地，式(13)能用于一天中第一個小時。此外，設備在第一個小時存儲的能量與一天結束時存儲的能量相同。式中，ηl表示儲能設備的損耗效率，%；ηc表示儲能設備的充電效率，%；ηdis表示儲能設備的放電效率，%；SP表示時間內儲能設備的儲量，kWh。

2.2.2 能量供應約束

分布式能源系統消耗的天然氣全部用于燃氣輪機和直燃式燃料鍋爐，該約束見式(14)。

2.2.3 技術約束

設備的額定容量不得超過最大容量，該約束見式(15)。其中，Max 表示設備的最大容量，儲能設備額定容量單位是kWh，風機額定容量單位是m，其余設備額定容量單位是kW。在每個功能設備運行過程中，輸入設備的能量不得超過其額定容量，該約束見式(16)。在儲能設備運行過程中，任意時刻存儲的能量都不能超過設備的額定容量，該約束見式(17)。

2.3 求解方法

本文所建立的模型采用MATLAB R2018a編程，使用商業求解器GUROBI 9.1.1 對模型進行求解，模型變量總數為1148，求解時間為173s，得到平臺能量系統的最低年總成本和設備最佳運行方案，同時評估引入風能后平臺的經濟效益。

3 案例

天然氣水合物置換開采耦合甲烷重整系統包括海水淡化系統、置換開采系統、重整制氫系統、水氣變換系統、氣體分離系統及產品儲存運輸系統等。考慮到風能的應用，本文以南海北部風力數據為例，進行平臺能量系統運行方案優化。

3.1 風能資源

南海氣候屬于赤道帶、熱帶海洋性疾風氣候，因為與赤道的距離較近，受到較多的太陽輻射，所以四個季節的氣溫變化不大，年平均氣溫能夠達到25～28℃，平均風速大小為3～8m/s，不同時刻風速如圖3 所示。風功率密度和空氣溫度呈線性關系，與風速呈立方關系，不同時刻單位海域面積的發電功率如圖4所示。

圖3 不同時刻的風速大小

圖4 單位海域面積的風力發電功率

3.2 能量需求

海上平臺主要能量需求有電能、熱能和冷能。開采所得的天然氣一部分用于下游重整制氫及水氣變換裝置，用來生產置換開采所需的CO，一部分被當作燃料燃燒，滿足平臺的能量需求。重整反應為吸熱反應，需要熱量供應。海水淡化采用的是反滲透工藝，需要消耗電能，產生的濃鹽水可輔助置換開采過程，提高開采效率，除此之外氣體分離混輸等也需要消耗電能。

選擇4 個典型的天數來表示春、夏、秋、冬4個季節，即用4天的能耗數據來代表不同季節的能耗數據。因此圖5～圖7分別為不同季節下平臺的電量、熱量和冷量的需求，從圖中可以看出，不同季節平臺的能耗不同，冬季平臺的熱量需求較高，夏季平臺的冷量需求較高；同一季節中不同時刻的能耗數據也不同，即平臺的能耗一直存在波動。

圖5 不同時間段4晝夜的電量需求

圖6 不同時間段4晝夜的熱量需求

圖7 不同時間段4晝夜的冷量需求

3.3 設備參數

根據平臺需求選擇了燃氣輪機，風力發電機、直燃式燃料鍋爐、余熱鍋爐、壓縮式制冷機、吸收式制冷機和儲能設備，各種設備的最大容量以及具體的成本參數如表1所示。

表1 設備成本參數[13]

平臺的能量需求包括電量、熱量和冷量。各種設備都有其能量輸出效率，燃氣輪機和風力發電機具有發電效率；燃氣輪機余熱較高，可用來產熱，因此它與直燃式燃料鍋爐和余熱鍋爐一樣具有發熱效率；壓縮式制冷和吸收式制冷設備具有制冷系數。對于儲能設備包括了損耗效率、充電效率以及放電效率。各種設備的技術參數如表2所示。

表2 設備技術參數[13]

4 結果與分析

4.1 經濟效益評估

圖8為接入風能前后能量系統的各項年成本費用的變化情況，由圖可知，能量系統接入風能之后平臺的年總成本降低。在無風能接入時，系統年能量成本為8.77×10CNY，年設備成本為0.33×10CNY。系統的主要成本為能量成本，即燃燒天然氣所產生的成本。不考慮設備的維護成本，在接入風能之后，系統的設備成本增加至1.44×10CNY，而能量成本降低為5.66×10CNY，降低約35.48%。主要是因為接入風能后減少了天然氣的使用，使平臺上開采出來的天然氣更多的作為產品銷售。雖然引入風能后設備成本增加了77.31%，但總體來說，能量成本降低的程度高于設備成本增加的程度，所以年總成本也是顯著降低。所以在平臺能量系統引入風能的經濟效益得到提高，系統的年總成本為7.10×10CNY，降低約21.93%。

圖8 接入風能前后年成本變化

4.2 最佳平臺配置

由圖9可知，風能和天然氣作為能量載體，能量系統接入風能使燃氣輪機和余熱鍋爐的容量都降低，即天然氣的消耗量降低了。由于風機不能產生余熱，為了滿足平臺的熱量需求，直燃式燃料鍋爐的容量和儲熱設備的容量增加。引入了壓縮式制冷使吸收式制冷機的容量降低。

圖9 最佳配置方案對比

4.3 能源供應方案

無風能時平臺上所有生產生活需要都由天然氣燃燒提供，此時年耗量為2.64×10m。接入風能降低了天然氣的消耗，具體能量供應如圖10 所示。有風能時，在最佳經濟條件下，因為風力發電有4.35×10kWh，使燃氣輪機發電從7.84×10kWh 降低為4.41×10kWh。進入燃氣輪機的天然氣量降低使燃氣輪機廢氣余熱降低，即余熱鍋爐供熱降低至4.54×10kWh，因此需引入直燃式燃料鍋爐產熱，產熱量1.67×10kWh。引入壓縮式制冷機冷量1.26×10kWh，使冷能吸收式制冷的冷量由1.52×10kWh降低至0.387×10kWh。

圖10 平臺能源供應方案

4.4 靈敏度分析

4.4.1 天然氣價格

風能的比例受天然氣價格影響，圖11 顯示隨著天然氣價格的不斷增長，能量系統的年總成本增加，風能的最佳占比也逐漸增大，因為天然氣價格增加使能量成本增加，所以應該提高風能的比例降低燃料的消耗，即降低能量成本。隨著天然氣價格的降低，系統的年總成本降低，風能的占比降低，且降低速度較快，因為當天然氣價格較低時，引入風能所產生的設備成本增加顯著，因此天然氣價格較低時，風能占比隨著天然氣價格的降低顯著降低。

圖11 天然氣價格靈敏度分析

4.4.2 風能占比

從圖12中可以看出，基于當前天然氣的價格，風能的最佳占比約為49%，在此基礎上，不論風能占比增大或者減小，平臺的年總成本都是增大的。當風能占比小于49%時，隨著風能占比的逐漸減少，系統的年總成本增加緩慢。當風能占比大于49%時，隨著風能占比的逐漸增大，系統的年總成本顯著提高，說明：雖然風能比例增加可以減少天然氣的使用，但是增加風能所需要的風機的線性容量成本也大大增加了，同時仍需消耗天然氣為平臺提供熱能，導致系統的年總成本明顯升高。

圖12 風能占比靈敏度分析

4.4.3 風能波動

將海上風電接入平臺的能量系統，但風能本身具有不確定性，因此對風能的波動程度進行靈敏度分析。選擇一組波動較大時的風能數據用于平臺的能量系統優化模型，風能的大小如圖13 所示，可以看出不同時刻風能的波動很大，風的功率密度最高可達225W/m，最低的為2W/m。由圖14可知在這種情況下平臺的年總成本為7.15×10CNY，其中設備成本5.35×10CNY，能量成本1.80×10CNY，與之前波動較小時相比，年總成本增加0.71%。總體而言風能的不確定性確實對系統有不小的影響，在未來的工作中，也會將不確定性加入到優化模型的構建中，使模型計算更為精確。

圖13 單位海域面積的風力發電功率

圖14 風能波動的靈敏度分析

5 結論

以冷熱電聯產為代表的分布式能源系統遵循科學用能和能量梯級利用的原則被廣泛應用于海上平臺，除了常規能源外可集成可再生能源。本文以天然氣水合物置換開采耦合甲烷重整裝置的能量系統為研究對象，將海上風電接入平臺微電網中，形成風能和燃料互補的平臺能量供應系統。在不考慮天然氣產品收益的前提下，以系統的最低年總成本為目標函數建立優化模型，從開采平臺生產裝置的初步設計及能量系統集成出發來優化平臺的能量系統，降低天然氣的消耗，得到最佳的設備運行方案，評估該方法的經濟效益。

由結果可知，在引入風能之后，平臺的能源供應方案發生變化，年總成本降低，經濟效益良好。最后分析了天然氣的價格和風能比例對平臺經濟效益的影響，得到最佳風能比例和平臺設備的最佳運行方案。根據模擬結果可以推導出以下結論。

（1）在該平臺上建立的能量系統優化模型，可以對平臺上包括能量產生、轉換和儲存在內的所有設備進行最優配置，得到最佳的設備配置方案，降低平臺的建設成本，提高平臺經濟效益。

（2）對于沒有風能接入的平臺，平臺的年總成本為9.10×10CNY。在引入風能后天然氣的消耗量降低，系統年總成本降低了21.92%。此外化石燃料用量的減少可以減少碳排放量，有利于環境保護。

（3）引入風能后，通過靈敏度分析發現，風能的最佳比例受天然氣的價格影響，風能比例過高或過低都不能達到好的經濟性。本文采用《2019年全國天然氣價格一覽表》中的能源價格，為3.31CNY/m，基于此價格風能的最佳比例為49.56%。

——所有設備

——能源載體，天然氣

——時間窗口的數量

——海上平臺能量系統年成本，CNY

——能量系統年能量成本，CNY

——能量系統年設備成本，CNY

CL——設備的容量成本，CNY/kW，CNY/kWh，CNY/m

CF——設備的固定成本，CNY

CR——設備的資本回收系數

CE——時刻消耗的能量的價格，CNY/kWh

COP——壓縮式制冷的制冷系數

COP——吸收式制冷的制冷系數

D——海上平臺時刻的電能需求量，kW

D——海上平臺時刻的熱能需求量，kW

D——海上平臺時刻的冷能需求量，kW

H——低位熱值，kJ/m3

Max——最大容量，kW，kWh，m

Pr——時刻油田伴生氣產量，m3/h

w——時間窗口中總時間步長

η——設備的壽命，a

η——設備的發電效率，%

η——設備的產熱效率，%

η——儲能設備的充電效率，%

η——儲能設備的放電效率，%

η——儲能設備的損失效率，%

——天然氣的利用率，%

——風機掃過的總面積，m

N——時刻儲能設的充電量，kW

N——時刻儲能設備放電量，kW

P——時刻能量的消耗量，kW

P——風機掃過單位面積產生的電能，kW/m

Q——時刻設備的輸入能量，kW

SP——時間內設備的儲量，kWh

W——系統設備的額定容量，kW，kWh，m

B——選擇設備，則B=1，反之，B=0

ABC——吸收式制冷機

BT——電能儲存裝置

COC——壓縮式制冷機

CS——冷能儲存裝置

DB——直燃式燃料鍋爐

FPSO——浮動生產儲存和卸載

GT——燃氣輪機

HS——熱能儲存裝置

WB——余熱鍋爐

WT——風力發電機