徐孝軒，張 琴，邱偉偉，李焯超，閆亞敏，梁永圖

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術(shù)重點實驗室，北京102249）

目前，在我國海洋石油開發(fā)中70%以上的產(chǎn)能由FPSO支撐，其具有海域適應(yīng)性強、成本低、可靠性高和可重復(fù)利用的特點[1]。FPSO的主要功能包括油氣水處理、原油儲存與外輸、生產(chǎn)、發(fā)電和系泊等，由油氣處理系統(tǒng)、船體系統(tǒng)、儲油與外輸系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、海底系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)、供電供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和生活基地組成[2]，是集生產(chǎn)和生活于一體的綜合海上設(shè)施。FPSO工作環(huán)境特殊，通常不與常規(guī)供能設(shè)施相連，所以既是耗能設(shè)備也是產(chǎn)能設(shè)備，能源系統(tǒng)較為復(fù)雜[3]，對其能耗系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，不僅節(jié)約能源，還能提高FPSO的經(jīng)濟效益。

目前，國內(nèi)外學者主要從兩方面來降低FPSO的能源浪費。一是盡量減少系統(tǒng)對能源的需求，不斷提高設(shè)備的工作效率，減少不必要的能源損失[4]。A.B.Ali等[5]以FPSO的總?cè)剂舷淖钚槟繕撕瘮?shù)，優(yōu)化7個與設(shè)備工作壓力相關(guān)的參數(shù)，采用遺傳算法進行求解。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的方案，優(yōu)化后的方案燃油消耗、電站功耗以及輕組分回收等方面的效率有所提高。顏廷俊等[6]用具有吸入特性的射流泵代替注水井閥門，并建立三維模型進行測試。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，相比于使用節(jié)流閥門的海上注水系統(tǒng)，采用可調(diào)射流泵可顯著降低海上注水開發(fā)的能耗。T.V.Nguyen等[7]通過分析幾個節(jié)能場景，得出了最大的節(jié)能改進與容量限制有關(guān)的結(jié)論。二是使能源之間的轉(zhuǎn)化變得更加順理成章，例如用熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備代替燃氣輪機和燃氣鍋爐[8]。L.O.Nord等[9]認為海上油氣田的能量聯(lián)合循環(huán)可產(chǎn)生較大效益，與簡單的循環(huán)燃氣輪機相比，它更靈活高效。M.E.Mondejar等[10]和 M.M.L.Reis等[11]建立廢氣余熱回收有機朗肯循環(huán)模型，并進行了準穩(wěn)態(tài)仿真。結(jié)果表明，有機朗肯循環(huán)可以顯著降低能源消耗和碳排放量。H.T.Walnum等[12]通過建立簡單的單級循環(huán)和雙級系統(tǒng)模型，得出了聯(lián)合循環(huán)比燃氣輪機的效率更高的結(jié)論。從以上研究可以看出，對FPSO上的能源系統(tǒng)進行經(jīng)濟性優(yōu)化設(shè)計具有較大前景。

在FPSO上，盡管供能設(shè)備可不斷更新?lián)Q代以提高能源利用效率，但能源供給系統(tǒng)的集成仍存在改進空間[13]。例如，燃氣輪機在發(fā)電的同時，其排氣還可提供熱能，熱能也可為制冷提供能量。分布式能源系統(tǒng)（DES）是指利用供能設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，將其以模塊式、分散式的形式建立在用戶末端，獨立或同時供給用戶電、熱、冷等能源的系統(tǒng)，可大幅度減少能源輸送時的損耗，包括能源產(chǎn)生、能源轉(zhuǎn)換和能源輸出單元[14]。與傳統(tǒng)的集中大規(guī)模能源系統(tǒng)相比，DES更加節(jié)能、環(huán)保和安全，有利于緩解危機和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[15]。此外，大部分FPSO具有無法連接常規(guī)能源供給設(shè)施的特點，也與分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用場合優(yōu)勢相匹配[13]。本文在具備自發(fā)電模塊以及熱能冷能需求的FPSO上引入分布式能源系統(tǒng)，同時以追求最佳經(jīng)濟效益為出發(fā)點，對FPSO分布式能源系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。

1 FPSO分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

FPSO是兼具產(chǎn)能和耗能的油氣生產(chǎn)裝置。在耗能方面，用能需求包括電能、熱能和冷能三類。電能主要用于驅(qū)動生產(chǎn)過程中的泵和壓縮機等設(shè)備以及滿足生產(chǎn)生活需求；熱能主要包括油氣生產(chǎn)處理工藝和生活用熱等；冷能需求主要來自生活系統(tǒng)。在產(chǎn)能方面，F(xiàn)PSO上所需的各種能量都由系統(tǒng)自己產(chǎn)出，即電能、熱能和冷能。鑒于FPSO生產(chǎn)環(huán)境特殊，要求所用發(fā)電機組具有占地小、重量輕的特點，同時為了避免油氣處理過程中分離出來的伴生氣的放空浪費[16]，F(xiàn)PSO上廣泛采用燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電；在用熱方面，通常采用直燃式的熱介質(zhì)鍋爐通過加熱導(dǎo)熱油從而對用熱設(shè)備進行供熱，或者直接釆用電加熱設(shè)備供熱；在需要制冷的季節(jié)，采用電驅(qū)動壓縮式制冷裝置對生活系統(tǒng)進行供冷[13]。

基于滿足FPSO用能需求的同時，盡可能減少能源浪費，提高FPSO經(jīng)濟效益的訴求，本文在FPSO上引入了分布式能源系統(tǒng)（DES），其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FPSO上的分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

由圖1可以看出，F(xiàn)PSO上的分布式能源系統(tǒng)包括燃氣鍋爐（GB）、燃氣輪機（GT）、原油發(fā)電機（COG）、壓縮式制冷機（COC）、吸收式制冷機（ABC）、蓄電裝置（BT）、蓄熱裝置（HS）和蓄冷裝置（CS）。在電力需求方面，考慮到如果FPSO上分離出的伴生氣量較大，則部分FPSO上可能存在伴生氣脫水后經(jīng)管道外輸銷售的工況，因此在設(shè)計分布式能源系統(tǒng)時考慮引入原油發(fā)電機和燃氣輪機兩種產(chǎn)電裝置。對于供冷需求，可采用壓縮式冷水機組，也可采用吸收燃氣鍋爐余熱的吸收式冷水機組供應(yīng)。滿足供熱需求的熱源有燃氣鍋爐、燃氣輪機以及原油發(fā)電機三種。為了減少過余能源的浪費，達到充分利用供能設(shè)備產(chǎn)出的所有能量的目的，在系統(tǒng)中考慮配置儲能設(shè)備[17-22]，其在削峰中起至關(guān)重要的作用，有助于減少不必要的能源損失。

2 模型的建立

以分布式能源系統(tǒng)年總成本最小為目標函數(shù)，考慮能量平衡和設(shè)計約束條件，建立MILP模型。在最優(yōu)問題中，根據(jù)年溫度變化，選取3天分別代表夏季、冬季以及春秋季，從而獲取年能量需求。以典型3天的能耗數(shù)據(jù)、各能源的價格以及設(shè)備的技術(shù)參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)，決策變量為設(shè)備的容量和輸入能源量[23]。對該模型求解得到FPSO分布式能源系統(tǒng)的最佳設(shè)計和運行方案，優(yōu)化過程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程框架

2.1 目標函數(shù)

以DES年總成本最小為目標函數(shù)，目標函數(shù)包括年設(shè)備投資以及年輸入能源費用。目標函數(shù)表達式為：

式中，CTot為年FPSO總費用，元/a；CFac為年設(shè)備費用，元/a；CEne為年輸入能源費用，元/a；F為系統(tǒng)供能設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和能量儲存設(shè)備集合；Wf為連續(xù)變量，表示系統(tǒng)設(shè)備f的額定容量，kW或kW·h；Bf為二元變量，當系統(tǒng)選擇第f個設(shè)備時，Bf=1，系統(tǒng)未選擇第f個設(shè)備時，Bf=0；CFf為第f個設(shè)備的固定費用，元；CLf為第f個設(shè)備隨容量線性變化的費用，元/kW 或元/（kW·h）；CRf為第f個設(shè)備的資本回收系數(shù)；i為折舊率；nf為第f個設(shè)備的壽命，a；T為時間集合；E為輸入能源種類集合；Pt,e為能源e在t時刻的消耗量，kW·h；CEt,e為第t步消耗的能源e的價格，元/（kW·h）；wt為一年內(nèi)設(shè)備的運行時長，h。

2.2 約束條件

考慮能源平衡和技術(shù)約束限制，以促進電力、供熱和制冷的供需協(xié)調(diào)，引入包括能源的產(chǎn)生、儲存和充放電約束，旨在滿足FPSO上每一個系統(tǒng)的能源需求。

（1）電能需求約束。分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生的電能減去使用的電能大于等于FPSO上總系統(tǒng)的電能需求。

（2）冷能需求約束。分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生的冷能大于等于FPSO上生活系統(tǒng)的冷能需求。

（3）熱能需求約束。分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能減去用于制冷的熱能大于等于FPSO上所有系統(tǒng)的熱能需求。

式中，ηf，ele為設(shè)備f的發(fā)電效率；ηf，heat為設(shè)備f的產(chǎn)熱效率；COPCOC和COPABC分別為壓縮式制冷機和吸收式制冷機的制冷系數(shù)；Qt，f為t時刻設(shè)備f的輸入能量，kW·h；和分別為t時刻的電能、熱能以及冷能的需求，kW·h；和分別為t時刻能量儲存設(shè)備f的充入能量和放出能量，kW·h。

東，表示日出的方向，與“西”相對，詩云：“嚖彼小星，三五在東?！?《詩·召南·小星》)西，則表示日落的方向，“自西徂東，靡所定處?！?《詩·大雅·桑柔》)“東西”最早出現(xiàn)時也表示方位，與“南北”相呼應(yīng)。

（4）能量守恒約束。分布式能源系統(tǒng)所消耗的天然氣全部用于燃氣輪機和燃氣鍋爐，所消耗的原油全部用于原油發(fā)電機。

式中，Pt，e為能源e在t時刻的消耗量，kW·h。

（5）儲能設(shè)備的運行狀態(tài)約束。儲能設(shè)備中的能量儲存與充能、放能速度以及能量損失有關(guān)。在此，設(shè)置一天為儲能設(shè)備運行的一個周期。式（11）適用于除一天中第一個小時的任何時間；式（12）適用于一天中第一個小時。此外，該設(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。

（6）設(shè)備容量約束。設(shè)備的額定容量不能超過最大容量。

（7）設(shè)備運行約束。各功能設(shè)備在運行過程中，輸入設(shè)備的能量不能超過額定容量。

（8）儲能設(shè)備運行約束。儲能設(shè)備在運行過程中，任何時刻儲入的能量都不能超過設(shè)備額定容量。

2.3 求解方法

基于MATLAB R2014a編程實現(xiàn)MILP模型，采用商業(yè)求解器GUROBI 8.1.0對該模型進行求解。

3 算例分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 能源需求 FPSO的用能需求包括電能、熱能和冷能。各系統(tǒng)和主要設(shè)備的用能需求如圖3—5所示。圖5中，由于只有生活系統(tǒng)存在冷能需求，所以其他系統(tǒng)的冷能需求為0，其他系統(tǒng)的相關(guān)冷能需求曲線與橫坐標重合。

圖3 各系統(tǒng)設(shè)備電能需求

圖4 各系統(tǒng)設(shè)備熱能需求

圖5 各系統(tǒng)設(shè)備冷能需求

為了保證地層壓力，海上油氣田配有注水系統(tǒng)。注水系統(tǒng)包括注水泵、驅(qū)動電機、注水管線、注水井、配水間和各類閥門，通常注水泵流量大，出口壓力高[24]。因此，注水系統(tǒng)耗電最多，機采系統(tǒng)和原油處理系統(tǒng)次之，而生活用電與其他系統(tǒng)用電則相對較少（見圖3）。在熱能需求方面，F(xiàn)PSO上大部分熱能用于燃氣輪機發(fā)電以及使待處理原油的溫度達到處理設(shè)備所需溫度[25]，因此透平發(fā)電機和原油處理系統(tǒng)用熱最多，其他系統(tǒng)設(shè)備用熱極少（見圖4）。至于冷能，只有生活系統(tǒng)在夏季才對其有需求（見圖5）。

選取3天分別代表夏季、春季和冬季，各季時長分別為92、153 d和120 d。不同季節(jié)的能量需求如圖6所示。由圖6可知，在電能需求方面，各季節(jié)總耗電量相對平穩(wěn)，電能需求隨季節(jié)的變化很?。辉跓崮苄枨蠓矫?，由于冬季溫度低，需要更多的熱能用于生活模塊取暖，所以熱能需求在冬季增加；在冷能需求方面，對于整個系統(tǒng)來說，夏季溫度較高，F(xiàn)PSO上的工作人員需要空調(diào)制冷，因此僅在夏季對冷能存在需求。從總體來看，由于FPSO上生活模塊的用能需求比生產(chǎn)設(shè)施用能需求小得多，所以FPSO上電能和熱能需求隨季節(jié)波動不大，各季節(jié)用能需求較平穩(wěn)；生產(chǎn)活動不需要冷能，因此僅生活系統(tǒng)在夏季存在需求。生產(chǎn)生活活動大部分在白天進行，每日用能需求高峰處于白天，能量需求日波動較大。

圖6 FPSO不同季節(jié)能量需求

3.1.2 能源價格和設(shè)備的技術(shù)成本信息 能源價格和技術(shù)信息等市場數(shù)據(jù)是另一個重要的輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，天然氣價格取0.38元/(kW·h)，原油價格取 0.34 元/（kW·h）。由于 FPSO一般都靠自身供電，配有發(fā)電機和變壓器，因此不考慮電價。運行設(shè)備年折舊率取8%。DES設(shè)備參數(shù)見表1。將設(shè)備的運行效率設(shè)為常數(shù)，以保持MILP模型的線性。

表1 DES設(shè)備參數(shù)

3.2 經(jīng)濟計算

在傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)中，F(xiàn)PSO上電能完全由燃氣輪機產(chǎn)出，熱能需求僅由燃氣鍋爐滿足，采用壓縮式制冷機制冷，不考慮儲能裝置。根據(jù)傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)簡化分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模型的約束條件，簡化后的模型求解得傳統(tǒng)模式下的能源系統(tǒng)年總成本為6.422×103萬元。FPSO分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模型求解得年總成本為5.488×103萬元，經(jīng)濟目標優(yōu)化降幅為14.6%，取得了較好的經(jīng)濟優(yōu)化效應(yīng)。優(yōu)化后的分布式能源系統(tǒng)設(shè)備的分配方案以及安裝容量如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的分布式能源系統(tǒng)設(shè)備的分配方案及安裝容量

由圖7可知，該FPSO經(jīng)過分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后，傳統(tǒng)FPSO中電能由燃氣輪機供應(yīng)的布置被取代，原油發(fā)電機取代了燃氣輪機，F(xiàn)PSO的電力供應(yīng)完全來自于原油發(fā)電機，天然氣的消耗量減少，原油的消耗量增加。盡管原油發(fā)電機的設(shè)備成本比燃氣輪機高，但是相比于燃料費用，這是微不足道的。由此可以看出，原油發(fā)電機更有利于經(jīng)濟優(yōu)化目標的實現(xiàn)。在制冷方式上，雖然FPSO上原油發(fā)電機和燃氣輪機的廢熱可以供吸收式制冷機使用，但是吸收式制冷機組的固定成本和運行成本都非常昂貴，相比之下選擇壓縮式制冷機組才是經(jīng)濟合理的方式。在能量儲存設(shè)備上，熱能儲存設(shè)備容量最大，突出了削峰的作用。由于電熱較為合理，不需要儲存電能，所以電池的容量為0。蓄冷裝置容量的經(jīng)濟負荷較大，因此取消選擇。

3.3 經(jīng)濟優(yōu)化下能源設(shè)備運行方案

通過求解模型得出最優(yōu)經(jīng)濟目標下各能源設(shè)備的輸出能量，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在經(jīng)濟最優(yōu)的條件下，F(xiàn)PSO上電能全部來自原油發(fā)電機，原油發(fā)電機對經(jīng)濟有決定性作用；絕大部分熱能由燃氣鍋爐提供，同時，原油發(fā)電機在發(fā)電過程中的散熱被合理地用于供熱；冷能全部由壓縮式制冷機組提供，突出了壓縮式制冷機組的優(yōu)越性和高效性。

圖8 能源設(shè)備運行方案

3.4 敏感性分析

針對經(jīng)濟最優(yōu)的FPSO分布式能源系統(tǒng)，分別進行原油價格和天然價格敏感性分析，探究原油價格和天然價格對FPSO分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響，各因素對經(jīng)濟性的影響如圖9所示。

圖9 能源價格對DES經(jīng)濟性影響

由圖9可知，天然氣價格對經(jīng)濟的影響大于原油價格波動的影響；當天然氣價格增長到原來的2倍時，年總成本增加約40.0%，而原油價格增長到原來的2倍時，年總成本增加幅度小于20.0%，表明天然氣在能源系統(tǒng)供應(yīng)中起重要作用。

為了說明原油價格和天然氣價格的影響，將不同增長率下的設(shè)備容量配置列于表2和表3。由表2可以看出，隨著原油價格升高，原油消耗量減少，天然氣消耗量增加，燃氣輪機的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來，其容量不斷增大直至最大值。由表3可以看出，隨著天然氣價格的升高，由于熱能儲存設(shè)備的調(diào)峰作用，各設(shè)備容量基本不變，所以燃料消耗量基本不變，經(jīng)濟成本增加主要是由燃料價格的上漲引起的。

表2 不同原油價格下的DES設(shè)備容量

表3 不同天然氣價格下的DES設(shè)備容量

4 結(jié) 論

在FPSO上引入分布式能源系統(tǒng)，建立經(jīng)濟目標優(yōu)化模型，確定FPSO上能源設(shè)備的類型及其容量組合方案，從而降低系統(tǒng)年總成本，促進節(jié)能，提高經(jīng)濟效益。本模型可應(yīng)用于實際的FPSO環(huán)境中，針對不同的FPSO工況，通過輸入相應(yīng)的能源需求和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，可得到不同的設(shè)備組合方案，為規(guī)劃者提供不同的選擇策略。渤海某FPSO實例計算表明，通過合理的優(yōu)化設(shè)計，分布式能源系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)方案，經(jīng)濟年總成本最大可降低14.6%，F(xiàn)PSO的經(jīng)濟效益得以提高。