基于油田單井的多能互補分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化

高國強，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(華東) 新能源學院，山東 青島 266580)

勝利油田既是產能大戶，也是耗能大戶，生產過程中的加熱能耗占到總能耗的30%左右。油田現有各類燃氣加熱爐5 200余臺，但是，當前國內環(huán)保形勢日趨嚴峻，能源結構調整、節(jié)能減排的標準越來越高，目前油田部分加熱爐排放不達標，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，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)或天然氣等清潔化石燃料為能源的、孤立的或只與配電網相聯(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。CCHP 是一種能源梯級利用技術，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)由于設計容量不宜選擇且冷、熱、電負荷難以同時匹配，很難獨立推廣使用。Li 等[3]對分布式能源系統(tǒng)進行建模仿真，以系統(tǒng)經濟性、環(huán)境性和一次能源節(jié)約率為目標，分別對住宅型和辦公型建筑進行優(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節(jié)裝置，經濟性更優(yōu)；Hajabdollahi等[4]對以汽輪機、內燃機和柴油機作為驅動源的CCHP系統(tǒng)建立了性能和部分負荷率的關系，對系統(tǒng)在不同的負荷下進行了優(yōu)化；Stanek 等[5]對基于內燃機為主要動力源，太陽能光伏發(fā)電為輔，利用內燃機缸套水提供生活熱水并驅動吸收式制冷機的分布式供能系統(tǒng)進行熱力-生態(tài)費用分析，并與傳統(tǒng)的熱力經濟分析作對比，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速柴油機余熱，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)與有機郎肯循環(huán)(organic rankine cycle,ORC)結合(CCHP-ORC)的互補配置方案，并對北京一酒店進行了假設性的案例研究，采用Energyplus模擬4個季節(jié)典型日冷熱電需求，結果表明電制冷主要應用在夏季，ORC 主要應用在其他3個季節(jié)，一次能耗的CO2排放和運行費用均好于常規(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2 712.5 h，水平面上的年平均峰值日照時數為4.29 h，即年峰值日照時數為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，但都局限于單個設備，沒有應用到大系統(tǒng)。

本文對單井集油管線輸運及儲油罐拉油兩種生產模式建立能流模型并實現動態(tài)運行模擬，在此基礎上探究了兩種模式的加熱負荷變化規(guī)律及最優(yōu)加熱參數；分別設計了單井集油管線輸運及儲油罐拉油兩種生產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種熱源進行熱力建模，在此基礎上建立兩種分布式能源系統(tǒng)的能流模型并建立目標函數及約束條件，對兩種生產模式的分布式能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)節(jié)能降耗，并找到參數的最佳組合。

1 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 分布式能源系統(tǒng)方案設計

對于不同的生產模式，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行加熱，確保不同生產模式在環(huán)境參數、產液參數變化的情況下，也能夠滿足生產條件。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，選取了不同面積進行經濟性分析比較。此時，簡化熱源，僅考慮太陽能集熱與電伴熱。結果需盡量體現出集熱器的作用，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荷及相應的費用，費用包括集熱器的投資費用和電伴熱的運行費用。具體取值與對應的費用如表1所示。

表1 不同型號、不同面積對應費用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

儲熱罐的結構參數如表2所示。

表2 結構參數及物性參數Table 2 Structural and physical parameters

不同季節(jié)太陽能熱負荷不同，所需的儲能材料體積自然不同，根據四季不同的環(huán)境溫度及光照強度來優(yōu)化儲能罐的容量。計算得到不同生產條件的配置容量如表3所示。

表3 不同生產條件配置容量優(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模式及冬季的兩種生產模式，太陽能負荷較小，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 目標函數及約束條件

對于兩種生產模式，均考慮四季對生產參數的影響，所需總負荷與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

日每小時負荷供應關系式為

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荷(kJ/h)，QT，i為i時刻太陽能集熱器供熱負荷(kJ/h)，QC，i為i時刻太陽能蓄熱罐供熱負荷(kJ/h)，QL，i為i時刻加熱爐供熱負荷(kJ/h)，QD，i為i時刻電伴熱供熱負荷(kJ/h)。

并且，日太陽能集熱器供熱負荷QT與日太陽能蓄熱罐供熱負荷QC有以下平衡關系

∑(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，從運行總費用方向考慮，不同的生產模式都有共同的子系統(tǒng)，運行費用計算方法相同，約束條件不同。費用關系圖如圖3所示。

圖3 費用關系圖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)。

目標函數為最小日運行總費用F

(4)

1.4 計算步驟

根據費用計算公式，對初始種群進行賦值

(5)

式中：x1,i為某季某時刻輸油管線加熱所需熱負荷，即Qi；x2,i為某季某時刻太陽能集熱器能提供的供熱負荷，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。

根據每日不同時刻，有以下幾種約束條件的情況：

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

(6)

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

QD，i=Qi-QT，i-QC，i。

(7)

日太陽能集熱器供熱負荷QT與日太陽能蓄熱罐供熱負荷QC有以下平衡關系

∑(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m、M分別表示最小值與最大值；A為線性不等式中的系數，B為線性不等式中的常數項；C為非線性條件中的函數；下標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)化結果

根據分布式能源系統(tǒng)能流模型進行優(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，根據不同的生產模式選擇不同的集熱面積進行計算。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。因此，系統(tǒng)所需費用也相應地冬季為最高，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，根據不同的生產模式選擇不同的集熱面積進行計算。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荷及費用明顯大于管線輸油所需的熱負荷及費用。

根據計算可以得到，在生產模式、太陽能集熱器、蓄熱器確定之后，所需的電伴熱負荷占所需熱負荷的比例，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行電伴熱加熱，即可達到對熱源的合理利用，使得投資費用與運行費用最小。

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

根據以上所述費用關系式及經濟性計算結果，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)熱源經濟性進行對比。

以儲油罐一天一拉，夏、冬季加熱為例，不同熱源經濟性計算結果如圖6所示。可以看出，采用分布式熱源進行加熱時，整體經濟性較好。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、夏兩季都要遠低于加熱爐與電伴熱，經濟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，經濟性最好的為空氣源熱泵，其次為電伴熱，經濟性最差的是加熱爐。

圖6 熱源經濟性計算結果Fig.6 Calculation results of heat source economy

2.3 主要加熱方式的經濟性和適應性

目前針對勝利油田井場產液量少、井場可用面積小、分散的特點，現有很多種加熱技術可以滿足為采出液加熱?，F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，對需求相同加熱負荷的液量進行加熱，“太陽能+”加熱設備初始投資最大，電伴熱類最??；“太陽能+”加熱使用壽命最長，可達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“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+”被作為熱源應用于油田井場加熱采出液成為一個很好的選擇。經以上比選分析，太陽能光熱技術替代井口加熱爐是最好的選擇。

3 結論

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

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

(2)在以上兩點的基礎之上，對兩個分布式能源系統(tǒng)進行了加熱的優(yōu)化，對于不同生產模式、不同季節(jié)、不同工況等都給出了相應的最優(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，即在方案設計的分布式能源系統(tǒng)下，按照計算給出的占比進行電伴熱加熱，即可達到對熱源的合理利用，使得投資費用與運行費用最小。

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