天然气水合物开采平台能量系统优化

马小娟，王彧斐，冯霄

（1 中国石油大学(北京)化学工程系，重质油国家重点实验室，北京 102249；2 西安交通大学化学工程与技术学院，陕西 西安 710049）

随着世界各国对能源矿产的需求量不断激增，急需新型能源来补充常规石油天然气等化石能源的供给。天然气水合物常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，因其分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高等特点，或成为未来主要替代能源而受到世界各国政府和科学界的密切关注。全球范围内已发现非常多的天然气水合物矿点。20世纪90年代中后期以来，南海北部天然气水合物取得了丰硕的勘探成果和里程碑式的重大突破与进展。2017 年和2020 年先后两次探索性试采均获得了产气总量及日均产气量超世界的新纪录和深海浅表层软地层未成岩沉积物储层水平井钻采核心技术，实现了由“探索性试采向试验性试采”的重大跨越和突破。

目前海底非成岩天然气水合物平台多是参照传统油气田开采方式，即水下生产系统+FPSO（浮动生产储存卸载）的方式。作为一个集天然气水合物开采系统、井口气水采集系统、海底系统、系泊系统、卸船系统、供电供热系统、生产指挥系统和生活系统为一体的独立设施，由于平台系统组成的复杂性，功能的丰富性和环境的特殊性，平台的能源消耗很高。因此一些学者考虑将可再生能源引入平台的能量系统来降低平台化石燃料的消耗。例如，梁德青等提出利用海洋区域丰富的风能发电来满足天然气水合物分解所需的能量。赵佳飞等也提出利用风力发电装置的“弃风”，增加了开采所需的能量来源，这种基于风电补偿的开采系统包括依次连接的风电场及辅助装置、海洋平台系统、井下开采系统等。宋永臣等则提出利用海洋区域丰富的波浪能和太阳能发电，同时利用太阳能将海水淡化，将淡化过程中的浓盐水用于海底天然气水合物的开采，白天采用注射浓盐水，夜间注射海水的方式实现开采的连续运行。Klymenko 等提出利用海洋热能转化来提高天然气水合物中甲烷的能效开采。

传统的天然气水合物开采方法有降压法、注热法、注剂法和联合开采法，它们主要通过改变天然气水合物的热力学或动力学来破坏其内部分子间作用力，从而使天然气逸出，达到产气的目的。1996 年日本学者Ohgaki 提出了一种新型的开采方式——CO置换法，该开采方法是将CO作为置换气体注入天然气水合物中，由于CO水合物比天然气水合物更稳定，因此CO被封存在海底，天然气被置换出来，该方法不仅可以维持水合物储层骨架强度，防止发生海底滑坡等地质灾害，较传统的开采方法对海洋环境更有益，同时可以长期封存二氧化碳，改善全球变暖的问题。因此针对CO置换法，孙长宇等提出以有效能为核心的能源效率计算式，研究置换法开采天然气水合物的能源效率，结果表明该开采过程中气体分离的能耗最高，其次是将CO从陆地运输至开采平台点的能耗，而CO注入水合物储层和尾气回注的能耗较低，均低于3%。因此考虑在天然气水合物开采平台上建立甲烷重整装置，用开采出的天然气生成置换所需的CO，同时生产附加值更高的氢气，形成循环开采的模式，此时平台的用能系统则不同于传统的水合物开采平台，平台的稳定运行和甲烷重整装置都需要大量的能量维持。Rice提出了一种循环开采天然气水合物的方案，该方法的最终产品是清洁能源氢气，通过蒸汽重整从气体水合物中生产氢气，而不向大气中排放二氧化碳。并针对该方案选择合适的平台、开采井与重整装置，讨论了方案的可行性与经济性。除此之外Wang 等对CO置换开采天然气水合物耦合甲烷重整制氢的新方法进行了概念性工艺设计。虽然针对传统的开采平台学者们提出了各种降低平台能耗的方法；针对耦合甲烷重整装置的开采平台进行了概念性的工艺设计，但是他们都没有从平台设备的初步设计与运行方案出发进行优化。因为97%天然气水合物藏于海洋之中，开采平台为海上平台，可以借鉴海上油气开采平台能量系统的设计与优化方法，对天然气水合物开采平台耦合甲烷重整装置的能量系统进行设计与优化。

对于海上平台的能量系统，以冷热电联产为代表的分布式能源系统遵循科学用能和能量梯级利用的原则，使系统能源利用率可达70%～90%，被广泛应用于海上平台，此外分布式能源系统除常规能源外也可引入可再生能源。

基于上述分析，把平台中包括能量产生、转换和储存在内的所有能量生产过程视为一个分布式能量系统，将天然气水合物开采平台耦合甲烷重整装置的能量系统与海上风力发电相结合，建立平台能量系统的设计模型以求解最经济的能量设备配置方案。

1 问题陈述

本文提出将海上风电接入该平台的能量系统之中，同时考虑平台的生产生活需要稳定的能源，由于风力发电具有不稳定性，因此依旧需要使用化石燃料，在平台上形成多能互补的能源系统，确保平台的运行，平台的能量系统优化思路如图1所示。

图1 平台能量系统分析

作为集生产生活为一体的海上平台，平台的能量需求包括电能、热能和冷能。电能主要用于各种生产设备的正常运行以及生活需要。热能主要用于重整装置的能量供应以及平台温度运行。冷能则是人员的日常生活需求，例如夏季空调的使用以及食物的储存等。

海上平台作为一个独立完整的设施，各种能量需求都是自给自足。在平台上有动能组模块和热能组模块。传统的动能组模块为主要动力站，设计人员可根据开采条件和需求选择原动机，该平台将产品天然气作为燃料供应，因此可以选择燃气轮机。热能组模块是主要的热生产系统，目前各种类型的直燃式燃料锅炉和余热锅炉都可作为供热设备。吸收式制冷和压缩式制冷可以利用现有的热能和电能，因此可作为冷能供应模块。

基于平台的能量需求和常用的能源设备，该平台的能量系统框架如图2所示。

图2 平台能量系统结构

对于平台的动力需求，替换设备包括燃气轮机和风力发电机，可以充分利用天然气和风能发电，保证平台稳定生产。典型的燃气轮机可将所消耗燃料能量的28%～34%转化为电能，其余的燃料能量则通过排气散热损失，燃气轮机所排放废气的温度通常在500～650℃，但它重量轻、体积小，适合用于恶劣的海洋环境，为了降低燃料的消耗，提高能源利用率，可以选择余热锅炉利用其余热，同时采用直燃式热油锅炉，在燃气轮机的余热不足的情况下燃烧天然气来满足平台的热量需求。冷能需求则由吸收式制冷和压缩式制冷提供，压缩式制冷可以利用电能产生冷量，吸收式制冷则可利用现有的热能，此时便形成了冷热电联产的能源系统。通常为了满足平台上的能量供应，实际生产的能量往往大于平台所需的能量，为了减少过剩能量的浪费，可以考虑使用储能设备，在能量供应过剩的情况下将多余的能量储存起来。

本文所求解的问题为最经济的能源系统设备配置方案，即选择合理容量的设备保证平台正常运行，因此对模型进行简化，假设不考虑具体的系统运行参数。

2 优化问题模型

文章所研究的是非线性优化问题，以开采平台能量系统的年总成本为目标函数，建立考虑各种约束的最优化模型。选择4个典型的天数分别表示春天、夏天、秋天和冬天。将4天的各能耗数据、能源价格和设备的技术参数作为模型的输入参数。决策变量是设备的容量和输入设备的能量。

2.1 目标函数

以平台能量系统的最低年总成本为目标函数，其年总成本包括设备的年投资成本和系统的年能量成本。目标函数表达式为式(1)，平台上的年设备成本计算方法如式(2)、式(3)。

式中，为能量系统中所有设备的集合；B为二元变量，选择设备时取1，否则取0；W表示系统中设备的额定容量，储能设备额定容量单位是kWh，风机额定容量单位是m，其余设备额定容量单位是kW；CF表示设备的固定成本，CNY；CL表示设备的线性容量成本，CNY/kW 或CNY/kWh或CNY/m；CR表示设备的资本回收系数；表示设备的折旧率，%；n表示设备寿命，a。

平台生产的天然气是主要燃料来源，天然气能量成本与天然气价格和消耗量有关，年能量成本计算方法如式（4）。

式中，表示总的时间集合；表示输入系统的能源；CE表示能源的价格CNY/kWh；P表示时刻的能源的消耗量，kW；w表示每个周期的持续时间，h；Pr表示时刻的天然气产量，m³/h；表示天然气的利用率，%；为天然气的低位热值，kJ/m³。

2.2 约束条件

为保证平台连续正常的生产生活需求。该模型的约束条件包括能量平衡、能量供应和技术约束。

2.2.1 能量平衡约束

为了保证顺利生产，分布式能量系统所产生的电能减去使用的电能应该大于或等于平台的电能需求。当无风能时只有燃气轮机发电，压缩式制冷装置将电能转化为冷能，该约束见式(6)。式中，Q表示时刻输入设备的能量，kW；η表示设备的发电效率，%；Nc表示时刻储能设备的充电量，kW；N表示时刻储能设备的放电量，kW。

有风能时产电设备有风力发电机、燃气轮机。此时，风机和燃气轮机产生的电能减去使用所需的电能应该大于或等于海上平台所有系统的电能需求，该约束见式(7)，其中P表示时刻风机扫过单位面积产生的电能，kW/m；表示风机总面积，m。

供热设备主要为直燃式燃料锅炉和余热锅炉，吸收式制冷设备通过消耗热量而产生冷量，此时分布式能源系统产生的热能减去用于冷却的热能应该大于或等于海上平台所有系统的热能需求，该约束见式(8)。式中，η表示设备的产热效率，%。

分布式能源系统产生的冷能应该大于或等于海上平台上生活系统的冷能需求，该约束见式(9)，其中COP表示制冷设备的制冷系数，该平台的制冷设备有压缩式制冷与吸收式制冷。

余热锅炉的输入热量来自燃气轮机的余热，该约束见式(10)。

吸收式制冷只能利用现有的热能，因此输入到吸收式制冷的热能应小于或等于余热锅炉产生的热量，该约束见式(11)。

储能设备中的储能与充电，放电速度和能量损耗有关，所以储能设备的运行状态约束见式(12)和式(13)。本文以一天为一个周期来运行能量存储设备，式(12)可用于一天中除第一个小时外的任意时间；相反地，式(13)能用于一天中第一个小时。此外，设备在第一个小时存储的能量与一天结束时存储的能量相同。式中，ηl表示储能设备的损耗效率，%；ηc表示储能设备的充电效率，%；ηdis表示储能设备的放电效率，%；SP表示时间内储能设备的储量，kWh。

2.2.2 能量供应约束

分布式能源系统消耗的天然气全部用于燃气轮机和直燃式燃料锅炉，该约束见式(14)。

2.2.3 技术约束

设备的额定容量不得超过最大容量，该约束见式(15)。其中，Max 表示设备的最大容量，储能设备额定容量单位是kWh，风机额定容量单位是m，其余设备额定容量单位是kW。在每个功能设备运行过程中，输入设备的能量不得超过其额定容量，该约束见式(16)。在储能设备运行过程中，任意时刻存储的能量都不能超过设备的额定容量，该约束见式(17)。

2.3 求解方法

本文所建立的模型采用MATLAB R2018a编程，使用商业求解器GUROBI 9.1.1 对模型进行求解，模型变量总数为1148，求解时间为173s，得到平台能量系统的最低年总成本和设备最佳运行方案，同时评估引入风能后平台的经济效益。

3 案例

天然气水合物置换开采耦合甲烷重整系统包括海水淡化系统、置换开采系统、重整制氢系统、水气变换系统、气体分离系统及产品储存运输系统等。考虑到风能的应用，本文以南海北部风力数据为例，进行平台能量系统运行方案优化。

3.1 风能资源

南海气候属于赤道带、热带海洋性疾风气候，因为与赤道的距离较近，受到较多的太阳辐射，所以四个季节的气温变化不大，年平均气温能够达到25～28℃，平均风速大小为3～8m/s，不同时刻风速如图3 所示。风功率密度和空气温度呈线性关系，与风速呈立方关系，不同时刻单位海域面积的发电功率如图4所示。

图3 不同时刻的风速大小

图4 单位海域面积的风力发电功率

3.2 能量需求

海上平台主要能量需求有电能、热能和冷能。开采所得的天然气一部分用于下游重整制氢及水气变换装置，用来生产置换开采所需的CO，一部分被当作燃料燃烧，满足平台的能量需求。重整反应为吸热反应，需要热量供应。海水淡化采用的是反渗透工艺，需要消耗电能，产生的浓盐水可辅助置换开采过程，提高开采效率，除此之外气体分离混输等也需要消耗电能。

选择4 个典型的天数来表示春、夏、秋、冬4个季节，即用4天的能耗数据来代表不同季节的能耗数据。因此图5～图7分别为不同季节下平台的电量、热量和冷量的需求，从图中可以看出，不同季节平台的能耗不同，冬季平台的热量需求较高，夏季平台的冷量需求较高；同一季节中不同时刻的能耗数据也不同，即平台的能耗一直存在波动。

图5 不同时间段4昼夜的电量需求

图6 不同时间段4昼夜的热量需求

图7 不同时间段4昼夜的冷量需求

3.3 设备参数

根据平台需求选择了燃气轮机，风力发电机、直燃式燃料锅炉、余热锅炉、压缩式制冷机、吸收式制冷机和储能设备，各种设备的最大容量以及具体的成本参数如表1所示。

表1 设备成本参数[13]

平台的能量需求包括电量、热量和冷量。各种设备都有其能量输出效率，燃气轮机和风力发电机具有发电效率；燃气轮机余热较高，可用来产热，因此它与直燃式燃料锅炉和余热锅炉一样具有发热效率；压缩式制冷和吸收式制冷设备具有制冷系数。对于储能设备包括了损耗效率、充电效率以及放电效率。各种设备的技术参数如表2所示。

表2 设备技术参数[13]

4 结果与分析

4.1 经济效益评估

图8为接入风能前后能量系统的各项年成本费用的变化情况，由图可知，能量系统接入风能之后平台的年总成本降低。在无风能接入时，系统年能量成本为8.77×10CNY，年设备成本为0.33×10CNY。系统的主要成本为能量成本，即燃烧天然气所产生的成本。不考虑设备的维护成本，在接入风能之后，系统的设备成本增加至1.44×10CNY，而能量成本降低为5.66×10CNY，降低约35.48%。主要是因为接入风能后减少了天然气的使用，使平台上开采出来的天然气更多的作为产品销售。虽然引入风能后设备成本增加了77.31%，但总体来说，能量成本降低的程度高于设备成本增加的程度，所以年总成本也是显著降低。所以在平台能量系统引入风能的经济效益得到提高，系统的年总成本为7.10×10CNY，降低约21.93%。

图8 接入风能前后年成本变化

4.2 最佳平台配置

由图9可知，风能和天然气作为能量载体，能量系统接入风能使燃气轮机和余热锅炉的容量都降低，即天然气的消耗量降低了。由于风机不能产生余热，为了满足平台的热量需求，直燃式燃料锅炉的容量和储热设备的容量增加。引入了压缩式制冷使吸收式制冷机的容量降低。

图9 最佳配置方案对比

4.3 能源供应方案

无风能时平台上所有生产生活需要都由天然气燃烧提供，此时年耗量为2.64×10m。接入风能降低了天然气的消耗，具体能量供应如图10 所示。有风能时，在最佳经济条件下，因为风力发电有4.35×10kWh，使燃气轮机发电从7.84×10kWh 降低为4.41×10kWh。进入燃气轮机的天然气量降低使燃气轮机废气余热降低，即余热锅炉供热降低至4.54×10kWh，因此需引入直燃式燃料锅炉产热，产热量1.67×10kWh。引入压缩式制冷机冷量1.26×10kWh，使冷能吸收式制冷的冷量由1.52×10kWh降低至0.387×10kWh。

图10 平台能源供应方案

4.4 灵敏度分析

4.4.1 天然气价格

风能的比例受天然气价格影响，图11 显示随着天然气价格的不断增长，能量系统的年总成本增加，风能的最佳占比也逐渐增大，因为天然气价格增加使能量成本增加，所以应该提高风能的比例降低燃料的消耗，即降低能量成本。随着天然气价格的降低，系统的年总成本降低，风能的占比降低，且降低速度较快，因为当天然气价格较低时，引入风能所产生的设备成本增加显著，因此天然气价格较低时，风能占比随着天然气价格的降低显著降低。

图11 天然气价格灵敏度分析

4.4.2 风能占比

从图12中可以看出，基于当前天然气的价格，风能的最佳占比约为49%，在此基础上，不论风能占比增大或者减小，平台的年总成本都是增大的。当风能占比小于49%时，随着风能占比的逐渐减少，系统的年总成本增加缓慢。当风能占比大于49%时，随着风能占比的逐渐增大，系统的年总成本显著提高，说明：虽然风能比例增加可以减少天然气的使用，但是增加风能所需要的风机的线性容量成本也大大增加了，同时仍需消耗天然气为平台提供热能，导致系统的年总成本明显升高。

图12 风能占比灵敏度分析

4.4.3 风能波动

将海上风电接入平台的能量系统，但风能本身具有不确定性，因此对风能的波动程度进行灵敏度分析。选择一组波动较大时的风能数据用于平台的能量系统优化模型，风能的大小如图13 所示，可以看出不同时刻风能的波动很大，风的功率密度最高可达225W/m，最低的为2W/m。由图14可知在这种情况下平台的年总成本为7.15×10CNY，其中设备成本5.35×10CNY，能量成本1.80×10CNY，与之前波动较小时相比，年总成本增加0.71%。总体而言风能的不确定性确实对系统有不小的影响，在未来的工作中，也会将不确定性加入到优化模型的构建中，使模型计算更为精确。

图13 单位海域面积的风力发电功率

图14 风能波动的灵敏度分析

5 结论

以冷热电联产为代表的分布式能源系统遵循科学用能和能量梯级利用的原则被广泛应用于海上平台，除了常规能源外可集成可再生能源。本文以天然气水合物置换开采耦合甲烷重整装置的能量系统为研究对象，将海上风电接入平台微电网中，形成风能和燃料互补的平台能量供应系统。在不考虑天然气产品收益的前提下，以系统的最低年总成本为目标函数建立优化模型，从开采平台生产装置的初步设计及能量系统集成出发来优化平台的能量系统，降低天然气的消耗，得到最佳的设备运行方案，评估该方法的经济效益。

由结果可知，在引入风能之后，平台的能源供应方案发生变化，年总成本降低，经济效益良好。最后分析了天然气的价格和风能比例对平台经济效益的影响，得到最佳风能比例和平台设备的最佳运行方案。根据模拟结果可以推导出以下结论。

（1）在该平台上建立的能量系统优化模型，可以对平台上包括能量产生、转换和储存在内的所有设备进行最优配置，得到最佳的设备配置方案，降低平台的建设成本，提高平台经济效益。

（2）对于没有风能接入的平台，平台的年总成本为9.10×10CNY。在引入风能后天然气的消耗量降低，系统年总成本降低了21.92%。此外化石燃料用量的减少可以减少碳排放量，有利于环境保护。

（3）引入风能后，通过灵敏度分析发现，风能的最佳比例受天然气的价格影响，风能比例过高或过低都不能达到好的经济性。本文采用《2019年全国天然气价格一览表》中的能源价格，为3.31CNY/m，基于此价格风能的最佳比例为49.56%。

——所有设备

——能源载体，天然气

——时间窗口的数量

——海上平台能量系统年成本，CNY

——能量系统年能量成本，CNY

——能量系统年设备成本，CNY

CL——设备的容量成本，CNY/kW，CNY/kWh，CNY/m

CF——设备的固定成本，CNY

CR——设备的资本回收系数

CE——时刻消耗的能量的价格，CNY/kWh

COP——压缩式制冷的制冷系数

COP——吸收式制冷的制冷系数

D——海上平台时刻的电能需求量，kW

D——海上平台时刻的热能需求量，kW

D——海上平台时刻的冷能需求量，kW

H——低位热值，kJ/m³

Max——最大容量，kW，kWh，m

Pr——时刻油田伴生气产量，m³/h

w——时间窗口中总时间步长

η——设备的寿命，a

η——设备的发电效率，%

η——设备的产热效率，%

η——储能设备的充电效率，%

η——储能设备的放电效率，%

η——储能设备的损失效率，%

——天然气的利用率，%

——风机扫过的总面积，m

N——时刻储能设的充电量，kW

N——时刻储能设备放电量，kW

P——时刻能量的消耗量，kW

P——风机扫过单位面积产生的电能，kW/m

Q——时刻设备的输入能量，kW

SP——时间内设备的储量，kWh

W——系统设备的额定容量，kW，kWh，m

B——选择设备，则B=1，反之，B=0

ABC——吸收式制冷机

BT——电能储存装置

COC——压缩式制冷机

CS——冷能储存装置

DB——直燃式燃料锅炉

FPSO——浮动生产储存和卸载

GT——燃气轮机

HS——热能储存装置

WB——余热锅炉

WT——风力发电机