基于油田單井的多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化

高國強(qiáng)，鄭煒博，王照亮，陳虹宇，陳國富

(1.中石化勝利油田分公司,山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

勝利油田既是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶，生產(chǎn)過程中的加熱能耗占到總能耗的30%左右。油田現(xiàn)有各類燃?xì)饧訜釥t5 200余臺，但是，當(dāng)前國內(nèi)環(huán)保形勢日趨嚴(yán)峻，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)越來越高，目前油田部分加熱爐排放不達(dá)標(biāo)，電伴熱、外購天然氣能耗成本高，亟需開拓太陽能等清潔能源替代項目。

分布式能源作為一種新興、可靠的新能源利用技術(shù)，在各行各業(yè)中越來越受重視。分布式能源系統(tǒng)一般指以可再生能源(生物質(zhì))或天然氣等清潔化石燃料為能源的、孤立的或只與配電網(wǎng)相聯(lián)系的小型能量系統(tǒng)[1]，其中冷熱電三聯(lián)供 (combining cooling，heating and power，CCHP)系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)中最常用的一種技術(shù)。CCHP 是一種能源梯級利用技術(shù)，可提高能源的利用效率， 緩解電力緊張狀況，削峰填谷，降低能耗[2]，但是該系統(tǒng)由于設(shè)計容量不宜選擇且冷、熱、電負(fù)荷難以同時匹配，很難獨立推廣使用。Li 等[3]對分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性和一次能源節(jié)約率為目標(biāo)，分別對住宅型和辦公型建筑進(jìn)行優(yōu)化，得出辦公型建筑綜合性能優(yōu)于住宅型建筑，系統(tǒng)有蓄能裝置和空氣調(diào)節(jié)裝置，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)；Hajabdollahi等[4]對以汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和柴油機(jī)作為驅(qū)動源的CCHP系統(tǒng)建立了性能和部分負(fù)荷率的關(guān)系，對系統(tǒng)在不同的負(fù)荷下進(jìn)行了優(yōu)化；Stanek 等[5]對基于內(nèi)燃機(jī)為主要動力源，太陽能光伏發(fā)電為輔，利用內(nèi)燃機(jī)缸套水提供生活熱水并驅(qū)動吸收式制冷機(jī)的分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行熱力-生態(tài)費用分析，并與傳統(tǒng)的熱力經(jīng)濟(jì)分析作對比，提出了聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化策略；Goyal等[6]針對單缸四沖程水冷恒轉(zhuǎn)速柴油機(jī)余熱，采用實驗和模擬的方法，分別研究了單純發(fā)電、冷熱電、熱電、冷電4種模式的能源利用效率和火用效率，結(jié)果顯示在冷熱電和熱電模式下，系統(tǒng)性能最好；Fang等[7]提出了將CCHP系統(tǒng)與有機(jī)郎肯循環(huán)(organic rankine cycle,ORC)結(jié)合(CCHP-ORC)的互補(bǔ)配置方案，并對北京一酒店進(jìn)行了假設(shè)性的案例研究，采用Energyplus模擬4個季節(jié)典型日冷熱電需求，結(jié)果表明電制冷主要應(yīng)用在夏季，ORC 主要應(yīng)用在其他3個季節(jié)，一次能耗的CO2排放和運(yùn)行費用均好于常規(guī)的 CCHP 系統(tǒng)。

勝利油田東部油區(qū)年平均太陽總輻射量為5 199 MJ/m2，即1 441 kW·h/m2，年平均日照時數(shù)2 712.5 h，水平面上的年平均峰值日照時數(shù)為4.29 h，即年峰值日照時數(shù)為1 390 kW·h/m2左右，為太陽能資源三類地區(qū)，接近資源較豐富的二類地區(qū)。文獻(xiàn)對太陽能蓄熱[8-9]、太陽能集熱器[10-14]都有較多的研究，但都局限于單個設(shè)備，沒有應(yīng)用到大系統(tǒng)。

本文對單井集油管線輸運(yùn)及儲油罐拉油兩種生產(chǎn)模式建立能流模型并實現(xiàn)動態(tài)運(yùn)行模擬，在此基礎(chǔ)上探究了兩種模式的加熱負(fù)荷變化規(guī)律及最優(yōu)加熱參數(shù)；分別設(shè)計了單井集油管線輸運(yùn)及儲油罐拉油兩種生產(chǎn)模式的分布式能源系統(tǒng)方案，包含水套加熱爐、電伴熱、太陽能集熱裝置、太陽能蓄熱裝置、空氣源熱泵；分別對5種熱源進(jìn)行熱力建模，在此基礎(chǔ)上建立兩種分布式能源系統(tǒng)的能流模型并建立目標(biāo)函數(shù)及約束條件，對兩種生產(chǎn)模式的分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)節(jié)能降耗，并找到參數(shù)的最佳組合。

1 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 分布式能源系統(tǒng)方案設(shè)計

對于不同的生產(chǎn)模式，即單井集油管線輸送和儲油罐拉油，采用50 kW水套加熱爐、電伴熱、太陽能集熱裝置、太陽能蓄熱裝置、兩級壓縮式空氣源熱泵進(jìn)行加熱，確保不同生產(chǎn)模式在環(huán)境參數(shù)、產(chǎn)液參數(shù)變化的情況下，也能夠滿足生產(chǎn)條件。單井儲油罐拉油如圖1(a)所示，單井集油管線輸送如圖1(b)所示。

圖1 單井集油管線輸送和儲油罐拉油管道加熱示意圖Fig.1 Schematic of a single-well oil-pulling storage tank and single-well oil pipeline heating

對于不同子系統(tǒng)的能流模型，已有較多的計算方法，如對于單井輸油[15-21]、儲油罐模型[22]、太陽能蓄熱[8-9]、太陽能集熱器[15-19]。詳細(xì)熱力計算、費用計算本文不再給出。

1.2 子系統(tǒng)模型計算結(jié)果

(1) 太陽能集熱器

針對集熱器不同型號，選取了不同面積進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較。此時，簡化熱源，僅考慮太陽能集熱與電伴熱。結(jié)果需盡量體現(xiàn)出集熱器的作用，也不能完全忽略其他分布式熱源，因此未選擇太陽能充足的夏季，而選擇太陽能較為均衡的春季。計算春季典型日各時刻負(fù)荷及相應(yīng)的費用，費用包括集熱器的投資費用和電伴熱的運(yùn)行費用。具體取值與對應(yīng)的費用如表1所示。

表1 不同型號、不同面積對應(yīng)費用Table 1 Costs corresponding to different models and areas

表1可以得到費用最低的太陽能集熱器型號為真空管式集熱器，輸油管線加熱時取面積481.6 m2，n=80；儲油罐拉油時取面積722.4 m2，n=120。

(2)太陽能蓄熱器

儲熱罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及物性參數(shù)Table 2 Structural and physical parameters

不同季節(jié)太陽能熱負(fù)荷不同，所需的儲能材料體積自然不同，根據(jù)四季不同的環(huán)境溫度及光照強(qiáng)度來優(yōu)化儲能罐的容量。計算得到不同生產(chǎn)條件的配置容量如表3所示。

表3 不同生產(chǎn)條件配置容量優(yōu)化Table 3 Configuration capacity optimization under different production conditions

其中，春、秋季的集油管線加熱的生產(chǎn)模式及冬季的兩種生產(chǎn)模式，太陽能負(fù)荷較小，加熱熱水溫度較低，蓄熱效果較差。選擇相變材料體積時，保證在太陽能最充足，即夏季時，所有富余的太陽能均能得到有效的儲能，因此材料體積選取夏季計算得到的結(jié)果。優(yōu)化后的儲能熱效率為25.8%左右。

其余熱源包括電伴熱、50 kW加熱爐及空氣源熱泵，都為較為穩(wěn)定的熱源。針對方案實施的具體情況，電伴熱的投資費用及運(yùn)行費用都最小，因此在計算時只考慮了電伴熱一種穩(wěn)定的熱源。

1.3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

對于兩種生產(chǎn)模式，均考慮四季對生產(chǎn)參數(shù)的影響，所需總負(fù)荷與4種子系統(tǒng)的能量供給示意圖如圖2所示。

圖2 能量供給示意圖Fig.2 Schematic of energy supply

日每小時負(fù)荷供應(yīng)關(guān)系式為

Qi=QT，i+QC，i+QL，i+QD，i，

(1)

式中，Qi為井口輸油管道每小時所需加熱總負(fù)荷(kJ/h)，QT，i為i時刻太陽能集熱器供熱負(fù)荷(kJ/h)，QC，i為i時刻太陽能蓄熱罐供熱負(fù)荷(kJ/h)，QL，i為i時刻加熱爐供熱負(fù)荷(kJ/h)，QD，i為i時刻電伴熱供熱負(fù)荷(kJ/h)。

并且，日太陽能集熱器供熱負(fù)荷QT與日太陽能蓄熱罐供熱負(fù)荷QC有以下平衡關(guān)系

∑(QT，i-Qi)=∑QC，i。

(2)

對于整個太陽能分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化，從運(yùn)行總費用方向考慮，不同的生產(chǎn)模式都有共同的子系統(tǒng)，運(yùn)行費用計算方法相同，約束條件不同。費用關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 費用關(guān)系圖Fig.3 Cost graph

每日各小時費用fi包括太陽能集熱器費用fT、太陽能儲熱罐費用fC、水套加熱爐費用fL、電伴熱費用fD，

fi=fT，i+fC，i+fL，i+fD，i

,

(3)

式中，fi為每日各小時費用，fT，i為i時刻太陽能集熱器供熱費用(元/h),fC，i為i時刻太陽能蓄熱罐供熱費用(元/h),fL，i為i時刻加熱爐供熱費用(元/h),fD，i為i時刻電伴熱供熱費用(元/h)。

目標(biāo)函數(shù)為最小日運(yùn)行總費用F

(4)

1.4 計算步驟

根據(jù)費用計算公式，對初始種群進(jìn)行賦值

(5)

式中：x1,i為某季某時刻輸油管線加熱所需熱負(fù)荷，即Qi；x2,i為某季某時刻太陽能集熱器能提供的供熱負(fù)荷，QT，i；x3,i為某季某時刻太陽能儲熱罐所能儲存的熱量，QC，i；x4,i為某季某時刻電伴熱所需提供的熱量，QD，i。

根據(jù)每日不同時刻，有以下幾種約束條件的情況：

(1)當(dāng)輸油管線加熱所需熱負(fù)荷x1,i小于太陽能集熱器能提供的供熱負(fù)荷x2,i時，

(6)

(2)當(dāng)輸油管線加熱所需熱負(fù)荷x1,i大于太陽能集熱器能提供的供熱負(fù)荷x2,i時，

QD，i=Qi-QT，i-QC，i。

(7)

日太陽能集熱器供熱負(fù)荷QT與日太陽能蓄熱罐供熱負(fù)荷QC有以下平衡關(guān)系

∑(QT，i-Qi)=∑QC，i。

(8)

遺傳算法約束非線性規(guī)劃問題的一般描述是

(9)

約束條件可以寫成

(10)

式中:x為變異矩陣；下標(biāo)m、M分別表示最小值與最大值；A為線性不等式中的系數(shù)，B為線性不等式中的常數(shù)項；C為非線性條件中的函數(shù)；下標(biāo)eq為線性等式時的條件。

2 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)分布式能源系統(tǒng)能流模型進(jìn)行優(yōu)化，利用Matlab計算得到集油管線和儲油罐拉油兩種生產(chǎn)模式不同季節(jié)的分布式能源利用情況及費用情況,如圖4和圖5所示。

圖4 集油管線不同季節(jié)的分布式能源熱負(fù)荷及費用情況Fig.4 Distributed energy heat load and cost of an oil-collecting pipeline in different seasons

圖4(續(xù))

集油管線選擇真空管式集熱器，根據(jù)不同的生產(chǎn)模式選擇不同的集熱面積進(jìn)行計算。輸油管線加熱時取面積481.6 m2，n=80。圖4可以看出不同季節(jié)對整個系統(tǒng)的供能影響很大，主要體現(xiàn)在一天的太陽能集熱量有所不同。夏季集熱量顯著高于冬季，春秋兩季的集熱水平相當(dāng)。因此，系統(tǒng)所需費用也相應(yīng)地冬季為最高，春秋其次，夏季最低；不同季節(jié)一天的太陽能集熱量規(guī)律大致相同，正午前后一天的集熱量達(dá)到頂峰，早晚較低，因此費用也隨之增長或減少。

圖5 儲油罐不同季節(jié)的分布式能源熱負(fù)荷及費用情況Fig.5 Distributed energy heat load and cost of oil storage tanks in different seasons

圖5(續(xù))

儲油罐選擇真空管式集熱器，根據(jù)不同的生產(chǎn)模式選擇不同的集熱面積進(jìn)行計算。儲油罐拉油時取面積722.4 m2，n=120。圖5系統(tǒng)供熱負(fù)荷及費用的變化規(guī)律基本與集油管線一致。區(qū)別在于，儲油罐拉油所需的熱負(fù)荷及費用明顯大于管線輸油所需的熱負(fù)荷及費用。

根據(jù)計算可以得到，在生產(chǎn)模式、太陽能集熱器、蓄熱器確定之后，所需的電伴熱負(fù)荷占所需熱負(fù)荷的比例，如表4所示。在分布式能源系統(tǒng)下，按照計算給出的占比進(jìn)行電伴熱加熱，即可達(dá)到對熱源的合理利用，使得投資費用與運(yùn)行費用最小。

表4 不同模式、不同季節(jié)、不同時刻所需電伴熱占比Table 4 Proportion of electric heat tracing required in different modes, seasons, and times

2.2 分布式能源系統(tǒng)蓄熱效果比較

根據(jù)以上所述費用關(guān)系式及經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果，同時計算是否采用儲熱器時的費用，對4種分布式能源系統(tǒng)熱源經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比。

以儲油罐一天一拉，夏、冬季加熱為例，不同熱源經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果如圖6所示。可以看出，采用分布式熱源進(jìn)行加熱時，整體經(jīng)濟(jì)性較好。加熱爐與電伴熱的費用較高，在冬季尤為明顯。太陽能集熱器、蓄熱器與空氣源熱泵的投入在冬、夏兩季都要遠(yuǎn)低于加熱爐與電伴熱，經(jīng)濟(jì)性要明顯好于加熱爐與電伴熱。因此，作為較為穩(wěn)定的熱源，經(jīng)濟(jì)性最好的為空氣源熱泵，其次為電伴熱，經(jīng)濟(jì)性最差的是加熱爐。

圖6 熱源經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of heat source economy

2.3 主要加熱方式的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性

目前針對勝利油田井場產(chǎn)液量少、井場可用面積小、分散的特點，現(xiàn)有很多種加熱技術(shù)可以滿足為采出液加熱。現(xiàn)在勝利油田主要使用的有“太陽能+”加熱、空氣源熱泵加熱、電伴熱。主要加熱方式定性對比分析見表5，主要加熱方式定量對比分析見表6。

表5 主要加熱方式定性對比分析表Table 5 Qualitative comparative analysis of the main heating methods

表6 主要加熱方式定量對比分析表 Table 6 Quantitative comparative analysis of main heating methods

通過以上比選可以看出，對需求相同加熱負(fù)荷的液量進(jìn)行加熱，“太陽能+”加熱設(shè)備初始投資最大，電伴熱類最小；“太陽能+”加熱使用壽命最長，可達(dá)15年之久，其他加熱類最多8年，太陽能加熱年總成本及15年總成本最小，電伴熱類最大；“太陽能+”加熱、空氣源熱泵加熱、電伴熱均實現(xiàn)“零排放”。

因具有其他能源不可比擬的清潔、可再生優(yōu)勢，“太陽能+”被作為熱源應(yīng)用于油田井場加熱采出液成為一個很好的選擇。經(jīng)以上比選分析，太陽能光熱技術(shù)替代井口加熱爐是最好的選擇。

3 結(jié)論

本文完成了兩種生產(chǎn)模式,即儲油罐拉油、集油管線輸油的能流模型建立及動態(tài)運(yùn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上研究了不同工況的加熱負(fù)荷規(guī)律以及最優(yōu)參數(shù)的確定。

(1)針對不同的生產(chǎn)模式，設(shè)計了不同的分布式能源系統(tǒng)方案，并對方案內(nèi)各熱源進(jìn)行了具體的熱力計算，建立了系統(tǒng)的能流模型。

(2)在以上兩點的基礎(chǔ)之上，對兩個分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了加熱的優(yōu)化，對于不同生產(chǎn)模式、不同季節(jié)、不同工況等都給出了相應(yīng)的最優(yōu)加熱配置。

(3)給出不同模式、不同季節(jié)、不同時刻所需電伴熱占比，即在方案設(shè)計的分布式能源系統(tǒng)下，按照計算給出的占比進(jìn)行電伴熱加熱，即可達(dá)到對熱源的合理利用，使得投資費用與運(yùn)行費用最小。

(4)對幾種分布式熱源太陽能、電加熱及空氣源熱泵進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性與適用性分析，并對分布式能源系統(tǒng)蓄熱效果進(jìn)行比較。