馬小娟，王彧斐，馮霄

（1 中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程系，重質(zhì)油國家重點(diǎn)實驗室，北京 102249；2 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

隨著世界各國對能源礦產(chǎn)的需求量不斷激增，急需新型能源來補(bǔ)充常規(guī)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(diǎn)，或成為未來主要替代能源而受到世界各國政府和科學(xué)界的密切關(guān)注。全球范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)非常多的天然氣水合物礦點(diǎn)。20世紀(jì)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(jìn)展。2017 年和2020 年先后兩次探索性試采均獲得了產(chǎn)氣總量及日均產(chǎn)氣量超世界的新紀(jì)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(shù)，實現(xiàn)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(tǒng)油氣田開采方式，即水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO（浮動生產(chǎn)儲存卸載）的方式。作為一個集天然氣水合物開采系統(tǒng)、井口氣水采集系統(tǒng)、海底系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、卸船系統(tǒng)、供電供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和生活系統(tǒng)為一體的獨(dú)立設(shè)施，由于平臺系統(tǒng)組成的復(fù)雜性，功能的豐富性和環(huán)境的特殊性，平臺的能源消耗很高。因此一些學(xué)者考慮將可再生能源引入平臺的能量系統(tǒng)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(qū)域豐富的風(fēng)能發(fā)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(fēng)力發(fā)電裝置的“棄風(fēng)”，增加了開采所需的能量來源，這種基于風(fēng)電補(bǔ)償?shù)拈_采系統(tǒng)包括依次連接的風(fēng)電場及輔助裝置、海洋平臺系統(tǒng)、井下開采系統(tǒng)等。宋永臣等則提出利用海洋區(qū)域豐富的波浪能和太陽能發(fā)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(xiàn)開采的連續(xù)運(yùn)行。Klymenko 等提出利用海洋熱能轉(zhuǎn)化來提高天然氣水合物中甲烷的能效開采。

傳統(tǒng)的天然氣水合物開采方法有降壓法、注熱法、注劑法和聯(lián)合開采法，它們主要通過改變天然氣水合物的熱力學(xué)或動力學(xué)來破壞其內(nèi)部分子間作用力，從而使天然氣逸出，達(dá)到產(chǎn)氣的目的。1996 年日本學(xué)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(wěn)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(qiáng)度，防止發(fā)生海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，較傳統(tǒng)的開采方法對海洋環(huán)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(jié)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(yùn)輸至開采平臺點(diǎn)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(chǎn)附加值更高的氫氣，形成循環(huán)開采的模式，此時平臺的用能系統(tǒng)則不同于傳統(tǒng)的水合物開采平臺，平臺的穩(wěn)定運(yùn)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(huán)開采天然氣水合物的方案，該方法的最終產(chǎn)品是清潔能源氫氣，通過蒸汽重整從氣體水合物中生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)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(jìn)行了概念性工藝設(shè)計。雖然針對傳統(tǒng)的開采平臺學(xué)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(jìn)行了概念性的工藝設(shè)計，但是他們都沒有從平臺設(shè)備的初步設(shè)計與運(yùn)行方案出發(fā)進(jìn)行優(yōu)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(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)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(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。

對于海上平臺的能量系統(tǒng)，以冷熱電聯(lián)產(chǎn)為代表的分布式能源系統(tǒng)遵循科學(xué)用能和能量梯級利用的原則，使系統(tǒng)能源利用率可達(dá)70%～90%，被廣泛應(yīng)用于海上平臺，此外分布式能源系統(tǒng)除常規(guī)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(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和儲存在內(nèi)的所有能量生產(chǎn)過程視為一個分布式能量系統(tǒng)，將天然氣水合物開采平臺耦合甲烷重整裝置的能量系統(tǒng)與海上風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，建立平臺能量系統(tǒng)的設(shè)計模型以求解最經(jīng)濟(jì)的能量設(shè)備配置方案。

1 問題陳述

本文提出將海上風(fēng)電接入該平臺的能量系統(tǒng)之中，同時考慮平臺的生產(chǎn)生活需要穩(wěn)定的能源，由于風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性，因此依舊需要使用化石燃料，在平臺上形成多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng)，確保平臺的運(yùn)行，平臺的能量系統(tǒng)優(yōu)化思路如圖1所示。

圖1 平臺能量系統(tǒng)分析

作為集生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行以及生活需要。熱能主要用于重整裝置的能量供應(yīng)以及平臺溫度運(yùn)行。冷能則是人員的日常生活需求，例如夏季空調(diào)的使用以及食物的儲存等。

海上平臺作為一個獨(dú)立完整的設(shè)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(tǒng)的動能組模塊為主要動力站，設(shè)計人員可根據(jù)開采條件和需求選擇原動機(jī)，該平臺將產(chǎn)品天然氣作為燃料供應(yīng)，因此可以選擇燃?xì)廨啓C(jī)。熱能組模塊是主要的熱生產(chǎn)系統(tǒng)，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(shè)備。吸收式制冷和壓縮式制冷可以利用現(xiàn)有的熱能和電能，因此可作為冷能供應(yīng)模塊。

基于平臺的能量需求和常用的能源設(shè)備，該平臺的能量系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 平臺能量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于平臺的動力需求，替換設(shè)備包括燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以充分利用天然氣和風(fēng)能發(fā)電，保證平臺穩(wěn)定生產(chǎn)。典型的燃?xì)廨啓C(jī)可將所消耗燃料能量的28%～34%轉(zhuǎn)化為電能，其余的燃料能量則通過排氣散熱損失，燃?xì)廨啓C(jī)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(huán)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?xì)廨啓C(jī)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(chǎn)生冷量，吸收式制冷則可利用現(xiàn)有的熱能，此時便形成了冷熱電聯(lián)產(chǎn)的能源系統(tǒng)。通常為了滿足平臺上的能量供應(yīng)，實際生產(chǎn)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(fèi)，可以考慮使用儲能設(shè)備，在能量供應(yīng)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(jīng)濟(jì)的能源系統(tǒng)設(shè)備配置方案，即選擇合理容量的設(shè)備保證平臺正常運(yùn)行，因此對模型進(jìn)行簡化，假設(shè)不考慮具體的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

2 優(yōu)化問題模型

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

2.1 目標(biāo)函數(shù)

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

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

平臺生產(chǎn)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(guān)，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(tǒng)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(xù)時間，h；Pr表示時刻的天然氣產(chǎn)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(xù)正常的生產(chǎn)生活需求。該模型的約束條件包括能量平衡、能量供應(yīng)和技術(shù)約束。

2.2.1 能量平衡約束

為了保證順利生產(chǎn)，分布式能量系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能減去使用的電能應(yīng)該大于或等于平臺的電能需求。當(dāng)無風(fēng)能時只有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，壓縮式制冷裝置將電能轉(zhuǎn)化為冷能，該約束見式(6)。式中，Q表示時刻輸入設(shè)備的能量，kW；η表示設(shè)備的發(fā)電效率，%；Nc表示時刻儲能設(shè)備的充電量，kW；N表示時刻儲能設(shè)備的放電量，kW。

有風(fēng)能時產(chǎn)電設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)。此時，風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的電能減去使用所需的電能應(yīng)該大于或等于海上平臺所有系統(tǒng)的電能需求，該約束見式(7)，其中P表示時刻風(fēng)機(jī)掃過單位面積產(chǎn)生的電能，kW/m；表示風(fēng)機(jī)總面積，m。

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

分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生的冷能應(yīng)該大于或等于海上平臺上生活系統(tǒng)的冷能需求，該約束見式(9)，其中COP表示制冷設(shè)備的制冷系數(shù)，該平臺的制冷設(shè)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?xì)廨啓C(jī)的余熱，該約束見式(10)。

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

儲能設(shè)備中的儲能與充電，放電速度和能量損耗有關(guān)，所以儲能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)約束見式(12)和式(13)。本文以一天為一個周期來運(yùn)行能量存儲設(shè)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(shè)備在第一個小時存儲的能量與一天結(jié)束時存儲的能量相同。式中，ηl表示儲能設(shè)備的損耗效率，%；ηc表示儲能設(shè)備的充電效率，%；ηdis表示儲能設(shè)備的放電效率，%；SP表示時間內(nèi)儲能設(shè)備的儲量，kWh。

2.2.2 能量供應(yīng)約束

分布式能源系統(tǒng)消耗的天然氣全部用于燃?xì)廨啓C(jī)和直燃式燃料鍋爐，該約束見式(14)。

2.2.3 技術(shù)約束

設(shè)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(shè)備的最大容量，儲能設(shè)備額定容量單位是kWh，風(fēng)機(jī)額定容量單位是m，其余設(shè)備額定容量單位是kW。在每個功能設(shè)備運(yùn)行過程中，輸入設(shè)備的能量不得超過其額定容量，該約束見式(16)。在儲能設(shè)備運(yùn)行過程中，任意時刻存儲的能量都不能超過設(shè)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(yè)求解器GUROBI 9.1.1 對模型進(jìn)行求解，模型變量總數(shù)為1148，求解時間為173s，得到平臺能量系統(tǒng)的最低年總成本和設(shè)備最佳運(yùn)行方案，同時評估引入風(fēng)能后平臺的經(jīng)濟(jì)效益。

3 案例

天然氣水合物置換開采耦合甲烷重整系統(tǒng)包括海水淡化系統(tǒng)、置換開采系統(tǒng)、重整制氫系統(tǒng)、水氣變換系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)及產(chǎn)品儲存運(yùn)輸系統(tǒng)等?？紤]到風(fēng)能的應(yīng)用，本文以南海北部風(fēng)力數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行平臺能量系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)化。

3.1 風(fēng)能資源

南海氣候?qū)儆诔嗟缼?、熱帶海洋性疾風(fēng)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(jié)的氣溫變化不大，年平均氣溫能夠達(dá)到25～28℃，平均風(fēng)速大小為3～8m/s，不同時刻風(fēng)速如圖3 所示。風(fēng)功率密度和空氣溫度呈線性關(guān)系，與風(fēng)速呈立方關(guān)系，不同時刻單位海域面積的發(fā)電功率如圖4所示。

圖3 不同時刻的風(fēng)速大小

圖4 單位海域面積的風(fēng)力發(fā)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(chǎn)置換開采所需的CO，一部分被當(dāng)作燃料燃燒，滿足平臺的能量需求。重整反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，需要熱量供應(yīng)。海水淡化采用的是反滲透工藝，需要消耗電能，產(chǎn)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?shù)纫残枰碾娔堋?/p>

選擇4 個典型的天數(shù)來表示春、夏、秋、冬4個季節(jié)，即用4天的能耗數(shù)據(jù)來代表不同季節(jié)的能耗數(shù)據(jù)。因此圖5～圖7分別為不同季節(jié)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(jié)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(jié)中不同時刻的能耗數(shù)據(jù)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(shè)備參數(shù)

根據(jù)平臺需求選擇了燃?xì)廨啓C(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直燃式燃料鍋爐、余熱鍋爐、壓縮式制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)和儲能設(shè)備，各種設(shè)備的最大容量以及具體的成本參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備成本參數(shù)[13]

平臺的能量需求包括電量、熱量和冷量。各種設(shè)備都有其能量輸出效率，燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有發(fā)電效率；燃?xì)廨啓C(jī)余熱較高，可用來產(chǎn)熱，因此它與直燃式燃料鍋爐和余熱鍋爐一樣具有發(fā)熱效率；壓縮式制冷和吸收式制冷設(shè)備具有制冷系數(shù)。對于儲能設(shè)備包括了損耗效率、充電效率以及放電效率。各種設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)[13]

4 結(jié)果與分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益評估

圖8為接入風(fēng)能前后能量系統(tǒng)的各項年成本費(fèi)用的變化情況，由圖可知，能量系統(tǒng)接入風(fēng)能之后平臺的年總成本降低。在無風(fēng)能接入時，系統(tǒng)年能量成本為8.77×10CNY，年設(shè)備成本為0.33×10CNY。系統(tǒng)的主要成本為能量成本，即燃燒天然氣所產(chǎn)生的成本。不考慮設(shè)備的維護(hù)成本，在接入風(fēng)能之后，系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)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(chǎn)品銷售。雖然引入風(fēng)能后設(shè)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(shè)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(tǒng)引入風(fēng)能的經(jīng)濟(jì)效益得到提高，系統(tǒng)的年總成本為7.10×10CNY，降低約21.93%。

圖8 接入風(fēng)能前后年成本變化

4.2 最佳平臺配置

由圖9可知，風(fēng)能和天然氣作為能量載體，能量系統(tǒng)接入風(fēng)能使燃?xì)廨啓C(jī)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(fēng)機(jī)不能產(chǎn)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(shè)備的容量增加。引入了壓縮式制冷使吸收式制冷機(jī)的容量降低。

圖9 最佳配置方案對比

4.3 能源供應(yīng)方案

無風(fēng)能時平臺上所有生產(chǎn)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(fēng)能降低了天然氣的消耗，具體能量供應(yīng)如圖10 所示。有風(fēng)能時，在最佳經(jīng)濟(jì)條件下，因為風(fēng)力發(fā)電有4.35×10kWh，使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電從7.84×10kWh 降低為4.41×10kWh。進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣量降低使燃?xì)廨啓C(jī)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(chǎn)熱，產(chǎn)熱量1.67×10kWh。引入壓縮式制冷機(jī)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(yīng)方案

4.4 靈敏度分析

4.4.1 天然氣價格

風(fēng)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(tǒng)的年總成本增加，風(fēng)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(yīng)該提高風(fēng)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(tǒng)的年總成本降低，風(fēng)能的占比降低，且降低速度較快，因為當(dāng)天然氣價格較低時，引入風(fēng)能所產(chǎn)生的設(shè)備成本增加顯著，因此天然氣價格較低時，風(fēng)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(fēng)能占比

從圖12中可以看出，基于當(dāng)前天然氣的價格，風(fēng)能的最佳占比約為49%，在此基礎(chǔ)上，不論風(fēng)能占比增大或者減小，平臺的年總成本都是增大的。當(dāng)風(fēng)能占比小于49%時，隨著風(fēng)能占比的逐漸減少，系統(tǒng)的年總成本增加緩慢。當(dāng)風(fēng)能占比大于49%時，隨著風(fēng)能占比的逐漸增大，系統(tǒng)的年總成本顯著提高，說明：雖然風(fēng)能比例增加可以減少天然氣的使用，但是增加風(fēng)能所需要的風(fēng)機(jī)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(dǎo)致系統(tǒng)的年總成本明顯升高。

圖12 風(fēng)能占比靈敏度分析

4.4.3 風(fēng)能波動

將海上風(fēng)電接入平臺的能量系統(tǒng)，但風(fēng)能本身具有不確定性，因此對風(fēng)能的波動程度進(jìn)行靈敏度分析。選擇一組波動較大時的風(fēng)能數(shù)據(jù)用于平臺的能量系統(tǒng)優(yōu)化模型，風(fēng)能的大小如圖13 所示，可以看出不同時刻風(fēng)能的波動很大，風(fēng)的功率密度最高可達(dá)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(shè)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%?？傮w而言風(fēng)能的不確定性確實對系統(tǒng)有不小的影響，在未來的工作中，也會將不確定性加入到優(yōu)化模型的構(gòu)建中，使模型計算更為精確。

圖13 單位海域面積的風(fēng)力發(fā)電功率

圖14 風(fēng)能波動的靈敏度分析

5 結(jié)論

以冷熱電聯(lián)產(chǎn)為代表的分布式能源系統(tǒng)遵循科學(xué)用能和能量梯級利用的原則被廣泛應(yīng)用于海上平臺，除了常規(guī)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(tǒng)為研究對象，將海上風(fēng)電接入平臺微電網(wǎng)中，形成風(fēng)能和燃料互補(bǔ)的平臺能量供應(yīng)系統(tǒng)。在不考慮天然氣產(chǎn)品收益的前提下，以系統(tǒng)的最低年總成本為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，從開采平臺生產(chǎn)裝置的初步設(shè)計及能量系統(tǒng)集成出發(fā)來優(yōu)化平臺的能量系統(tǒng)，降低天然氣的消耗，得到最佳的設(shè)備運(yùn)行方案，評估該方法的經(jīng)濟(jì)效益。

由結(jié)果可知，在引入風(fēng)能之后，平臺的能源供應(yīng)方案發(fā)生變化，年總成本降低，經(jīng)濟(jì)效益良好。最后分析了天然氣的價格和風(fēng)能比例對平臺經(jīng)濟(jì)效益的影響，得到最佳風(fēng)能比例和平臺設(shè)備的最佳運(yùn)行方案。根據(jù)模擬結(jié)果可以推導(dǎo)出以下結(jié)論。

（1）在該平臺上建立的能量系統(tǒng)優(yōu)化模型，可以對平臺上包括能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和儲存在內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)配置，得到最佳的設(shè)備配置方案，降低平臺的建設(shè)成本，提高平臺經(jīng)濟(jì)效益。

（2）對于沒有風(fēng)能接入的平臺，平臺的年總成本為9.10×10CNY。在引入風(fēng)能后天然氣的消耗量降低，系統(tǒng)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(huán)境保護(hù)。

（3）引入風(fēng)能后，通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能的最佳比例受天然氣的價格影響，風(fēng)能比例過高或過低都不能達(dá)到好的經(jīng)濟(jì)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(fēng)能的最佳比例為49.56%。

——所有設(shè)備

——能源載體，天然氣

——時間窗口的數(shù)量

——海上平臺能量系統(tǒng)年成本，CNY

——能量系統(tǒng)年能量成本，CNY

——能量系統(tǒng)年設(shè)備成本，CNY

CL——設(shè)備的容量成本，CNY/kW，CNY/kWh，CNY/m

CF——設(shè)備的固定成本，CNY

CR——設(shè)備的資本回收系數(shù)

CE——時刻消耗的能量的價格，CNY/kWh

COP——壓縮式制冷的制冷系數(shù)

COP——吸收式制冷的制冷系數(shù)

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(chǎn)量，m3/h

w——時間窗口中總時間步長

η——設(shè)備的壽命，a

η——設(shè)備的發(fā)電效率，%

η——設(shè)備的產(chǎn)熱效率，%

η——儲能設(shè)備的充電效率，%

η——儲能設(shè)備的放電效率，%

η——儲能設(shè)備的損失效率，%

——天然氣的利用率，%

——風(fēng)機(jī)掃過的總面積，m

N——時刻儲能設(shè)的充電量，kW

N——時刻儲能設(shè)備放電量，kW

P——時刻能量的消耗量，kW

P——風(fēng)機(jī)掃過單位面積產(chǎn)生的電能，kW/m

Q——時刻設(shè)備的輸入能量，kW

SP——時間內(nèi)設(shè)備的儲量，kWh

W——系統(tǒng)設(shè)備的額定容量，kW，kWh，m

B——選擇設(shè)備，則B=1，反之，B=0

ABC——吸收式制冷機(jī)

BT——電能儲存裝置

COC——壓縮式制冷機(jī)

CS——冷能儲存裝置

DB——直燃式燃料鍋爐

FPSO——浮動生產(chǎn)儲存和卸載

GT——燃?xì)廨啓C(jī)

HS——熱能儲存裝置

WB——余熱鍋爐

WT——風(fēng)力發(fā)電機(jī)