山东科学
ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ
第３５卷第３期２０２２年６月出版
Ｖｏｌ.３５Ｎｏ.３Ｊｕｎ.２０２２
收稿日期:２０２１￣０６￣０９
基金项目：中石化科技攻关项目(Ｐ２００７０￣８)
作者简介：高国强(１９６８ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ教授级高工ꎬ研究方向为采油工程ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１５２０４９２８２７＠ｑｑ.ｃｏｍ
∗通信作者ꎬ王照亮(１９７１ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为热能工程ꎮTel:156****9721ꎬE￣mail:ｂ２０１５０００７＠ｓ.ｕｐｃ.ｅｄｕ.ｃｎ
高国强１ꎬ郑炜博１ꎬ王照亮２∗ꎬ陈虹宇２ꎬ陈国富２
(１.中石化胜利油田分公司ꎬ山东东营２５７０００ꎻ２.中国石油大学(华东)新能源学院ꎬ山东青岛２６６５８０)
摘要：对集油管线输运㊁单井储油罐拉油两种生产模式进行建模并实现动态模拟ꎬ进一步探究了两种模式的加热负荷变化规律及最优加热参数的确定ꎮ分别设计了单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式的分布式能源系统方案ꎬ包含水套加热炉㊁电伴热㊁太阳能集热装置㊁太阳能蓄热装置㊁空气源热泵ꎮ对５种热源进行热力计算ꎬ在此基础上建立两种分布式能源系统目标函数及约束条件ꎬ对两种分布式能源系统进行优化ꎬ给出不同模式㊁不同季节㊁不同时刻所需电伴热占比ꎬ可达到对热源的合理利用ꎬ使得投资费用与运行费用最小ꎬ同时对几种分布式热源进行了经济性分析ꎮ关键词：能流模型ꎻ分布式能源ꎻ动态仿真ꎻ系统优化ꎻ经济性分析 中图分类号:ＴＫ１２４㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２２)０３￣００４３￣１１开放科学(资源服务)标志码(ＯＳＩＤ):
Ｓｉｎｇｌｅ￣ｗｅｌｌ￣ｂａｓｅｄｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｕｌｔｉｅｎｅｒｇｙ
ｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ＧＡＯＧｕｏ￣ｑｉａｎｇ１ꎬＺＨＥＮＧＷｅｉ￣ｂｏ１ꎬＷＡＮＧＺｈａｏ￣ｌｉａｎｇ
２∗
ꎬＣＨＥＮＨｏｎｇ￣ｙｕ２ꎬＣＨＥＮＧｕｏ￣ｆｕ２
(１.ＳｉｎｏｐｅｃＳｈｅｎｇｌｉＯｉｌＦｉｅｌｄＢｒａｎｃｈＣｏｍｐａｎｙꎬＤｏｎｇｙｉｎｇ２５７０００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＥｎｅｒｇｙａｎｄ
ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６５８０ꎬＣｈｉｎａ)
ＡｂｓｔｒａｃｔʒＩｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙꎬｔｗｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｆｏｉｌ￣ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｏｉｌ￣ｐｕｌｌｉｎｇｓｉｎｇｌｅ￣ｗｅｌｌｏｉｌｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｓａｒｅｍｏｄｅｌｅｄａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ.Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｌｏａｄ￣ｖａｒｉａｔｉｏｎｒｕｌｅｓａｎｄｏｐｔｉｍａｌｈｅａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｗｏｍｏｄｅｓａｒｅｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐｌｏｒｅｄ.Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｓｏｆｃｒｕｄｅｏｉｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｓｉｎｇｌｅ￣ｗｅｌｌｏｉｌ￣ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｎｄｏｉｌ￣ｐｕｌｌｉｎｇｏｉｌｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｉｎ
ｖｏｌｖｅａｗａｔｅｒｊａｃｋｅｔｈｅａｔｉｎｇｆｕｒｎａｃｅꎬｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔｔｒａｃｉｎｇꎬａｓｏｌａｒｈｅａｔ￣ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅꎬａｓｏｌａｒｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｄｅｖｉｃｅꎬａｎｄａｎａｉｒｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐ.Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｖｅｔｙｐｅｓｏｆｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄꎬａｎｄｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔ￣ｔｒａｃｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｓꎬｓｅａｓｏｎｓꎬａｎｄｔｉｍｅｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｕｓｅｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｎｄｍｉｎｉｍｉｚｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｃｏｓｔｓ.Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅꎬｅｃｏｎｏｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ
ｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｅｎｅｒｇｙｆｌｏｗｍｏｄｅｌꎻｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍꎻｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｓｙｓｔｅｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻｅｃｏｎｏｍｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ
㊀㊀胜利油田既是产能大户ꎬ也是耗能大户ꎬ生产过程中的加热能耗占到总能耗的３０％左右ꎮ油田现有各类燃气加热炉５２００余台ꎬ但是ꎬ当前国内环保形势日趋严峻ꎬ能源结构调整㊁节能减排的标准越来越高ꎬ目前油田部分加热炉排放不达标ꎬ电伴热㊁外购天然气能耗成本高ꎬ亟需开拓太阳能等清洁能源替代项目ꎮ分布式能源作为一种新兴㊁可靠的新能源利用技术ꎬ在各行各业中越来越受重视ꎮ分布式能源系统一般指以可再生能源(生物质)或天然气等清洁化石燃料为能源的㊁孤立的或只与配电网相联系的小型能量系统[１]ꎬ其中冷热电三联供(ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｃｏｏｌｉｎｇꎬｈｅａｔｉｎｇａｎｄｐｏｗｅｒꎬＣＣＨＰ)系统是分布式能源系统中最常用的一种技术ꎮＣＣＨＰ是一种能源梯级利用技术ꎬ可提高能源的利用效率ꎬ缓解电力紧张状况ꎬ削峰填谷ꎬ降低能耗[２]ꎬ但是该系统由于设计容量不宜选择且冷㊁热㊁电负荷难以同时匹配ꎬ很难独立推广使用ꎮＬｉ等[３]对分布式能源系统进行建模仿真ꎬ以系统经济性㊁环境性和一次能源节约率为目标ꎬ分别对住宅型和办公型建筑进行优化ꎬ得出办公型建筑综合性能优于住宅型建筑ꎬ系统有蓄能装置和空气调节装置ꎬ经济性更优ꎻＨａｊａｂｄｏｌｌａｈｉ等[４]对以汽轮机㊁内燃机和柴油机作为驱动源的ＣＣＨＰ系统建立了性能和部分负荷率的关系ꎬ对系统在不同的负荷下进行了优化ꎻＳｔａｎｅｋ等[５]对基于内燃机为主要动力源ꎬ太阳能光伏发电为辅ꎬ利用内燃机缸套水提供生活热水并驱动吸收式制冷机的分布式供能系统进行热力－生态费用分析ꎬ并与传统的热力经济分析作对比ꎬ提出了联供系统的优化策略ꎻＧｏｙａｌ等[６]针对单缸四冲程水冷恒转速柴油机余热ꎬ采用实验和模拟的方法ꎬ分别研究了单纯发电㊁冷热电㊁热电㊁冷电４种模式的能源利用效率和火用效率ꎬ结果显示在冷热电和热电模式下ꎬ系统性能最好ꎻＦａｎｇ等[７]
提出了将ＣＣＨＰ系统与有机郎肯循环(ｏｒｇａｎｉｃｒａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅꎬＯＲＣ)结合(ＣＣＨＰ￣ＯＲＣ)的互补配置方案ꎬ并对北京一酒店进行了假设性的案例研究ꎬ采用Ｅｎｅｒｇｙｐｌｕｓ模拟４个季节典型日冷热电需求ꎬ结果表明电制冷主要应用在夏季ꎬＯＲＣ主要应用在其他３个季节ꎬ一次能耗的ＣＯ２排放和运行费用均好于常规的ＣＣＨＰ系统ꎮ
胜利油田东部油区年平均太阳总辐射量为５１９９ＭＪ/ｍ２ꎬ即１４４１ｋＷ ｈ/ｍ２ꎬ年平均日照时数２７１２.５ｈꎬ水平面上的年平均峰值日照时数为４.２９ｈꎬ即年峰值日照时数为１３９０ｋＷ ｈ/ｍ２左右ꎬ为太阳能资源三类地区ꎬ接近资源较丰富的二类地区ꎮ文献对太阳能蓄热[８￣９]㊁太阳能集热器[１０￣１４]都有较多的研究ꎬ但都局限于单个设备ꎬ没有应用到大系统ꎮ
本文对单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式建立能流模型并实现动态运行模拟ꎬ在此基础上探究了两种模式的加热负荷变化规律及最优加热参数ꎻ分别设计了单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式的分布式能源系统方案ꎬ包含水套加热炉㊁电伴热㊁太阳能集热装置㊁太阳能蓄热装置㊁空气源热泵ꎻ分别对５种热源进行热力建模ꎬ在此基础上建立两种分布式能源系统的能流模型并建立目标函数及约束条件ꎬ对两种生产模式的分布式能源系统进行优化ꎬ从而保证系统节能降耗ꎬ并到参数的最佳组合ꎮ
１㊀分布式能源系统优化
１.１㊀分布式能源系统方案设计
对于不同的生产模式ꎬ即单井集油管线输送和储油罐拉油ꎬ采用５０ｋＷ水套加热炉㊁电伴热㊁太阳能集热装置㊁太阳能蓄热装置㊁两级压缩式空气源热泵进行加热ꎬ确保不同生产模式在环境参数㊁产液参数变化的情况下ꎬ也能够满足生产条件ꎮ单井储油罐拉油如图１(ａ)所示ꎬ单井集油管线输送如图１(ｂ)所示ꎮ
图１㊀单井集油管线输送和储油罐拉油管道加热示意图
Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｓｉｎｇｌｅ￣ｗｅｌｌｏｉｌ￣ｐｕｌｌｉｎｇｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋａｎｄｓｉｎｇｌｅ￣ｗｅｌｌｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｈｅａｔｉｎｇ
㊀㊀对于不同子系统的能流模型ꎬ已有较多的计算方法ꎬ如对于单井输油[１５￣２１]㊁储油罐模型[２２]㊁太阳能蓄热[８￣９]㊁太阳能集热器[１５￣１９]ꎮ详细热力计算㊁费用计算本文不再给出ꎮ
１.２㊀子系统模型计算结果
(１)太阳能集热器
针对集热器不同型号ꎬ选取了不同面积进行经济性分析比较ꎮ此时ꎬ简化热源ꎬ仅考虑太阳能集热与电伴热ꎮ结果需尽量体现出集热器的作用ꎬ也不能完全忽略其他分布式热源ꎬ因此未选择太阳能充足的夏季ꎬ而选择太阳能较为均衡的春季ꎮ计算春季典型日各时刻负荷及相应的费用ꎬ费用包括集热器的投资费用和电伴热的运行费用ꎮ具体取值与对应的费用如表１所示ꎮ
表１㊀不同型号㊁不同面积对应费用
５１８.８２８０１３３８８.８５５４１.５１９０１３７０５.８９５４１.８９０１３４０３.１７
５９２.９３２０１３１２０.８７５９８.５２１０１３９４９.６８６０２.０１００１３２１５.４５
７２２.４１２０１２９１４.９８
㊀㊀注:ｎ为太阳能集热器数量ꎮ
表１可以得到费用最低的太阳能集热器型号为真空管式集热器ꎬ输油管线加热时取面积４８１.６ｍ２ꎬｎ＝８０ꎻ储油罐拉油时取面积７２２.４ｍ２ꎬｎ＝１２０ꎮ
(２)太阳能蓄热器
储热罐的结构参数如表２所示ꎮ
表２㊀结构参数及物性参数
碳钢２０.１２５０.５９５矿渣棉０.１０.０５８
碳钢３０.０４碳钢８０.０５５０.５９５５０.５９５
㊀㊀不同季节太阳能热负荷不同ꎬ所需的储能材料体积自然不同ꎬ根据四季不同的环境温度及光照强度来优化储能罐的容量ꎮ计算得到不同生产条件的配置容量如表３所示ꎮ
表３㊀不同生产条件配置容量优化
春季１３.０３集油管线加热
储油罐拉油０.３９６
夏季２５.９０集油管线加热０.６９０储油罐拉油０.６０８
拉挤模具
秋季１４.４０集油管线加热
储油罐拉油０.５０１
冬季－０.９３㊀集油管线加热储油罐拉油
医用消毒灭菌㊀㊀其中ꎬ春㊁秋季的集油管线加热的生产模式及冬季的两种生产模式ꎬ太阳能负荷较小ꎬ加热热水温度较低ꎬ蓄热效果较差ꎮ选择相变材料体积时ꎬ保证在太阳能最充足ꎬ即夏季时ꎬ所有富余的太阳能均能
侧翻手机
得到有效的储能ꎬ因此材料体积选取夏季计算得到的结果ꎮ优化后的储能热效率为２５.８％左右ꎮ其余热源包括电伴热㊁５０ｋＷ加热炉及空气源热泵ꎬ都为较为稳定的热源ꎮ针对方案实施的具体情况ꎬ电伴热的投资费用及运行费用都最小ꎬ因此在计算时只考虑了电伴热一种稳定的热源ꎮ
１.３㊀目标函数及约束条件
ccc29对于两种生产模式ꎬ均考虑四季对生产参数的影响ꎬ所需总负荷与４种子系统的能量供给示意图如图２所示ꎮ
图２㊀能量供给示意图
Ｆｉｇ.２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｎｅｒｇｙｓｕｐｐｌｙ
日每小时负荷供应关系式为
Ｑｉ＝ＱＴꎬｉ＋ＱＣꎬｉ＋ＱＬꎬｉ＋ＱＤꎬｉꎬ(１)式中ꎬＱｉ为井口输油管道每小时所需加热总负荷(ｋＪ/ｈ)ꎬＱＴꎬｉ为ｉ时刻太阳能集热器供热负荷(ｋＪ/ｈ)ꎬＱＣꎬｉ为ｉ时刻太阳能蓄热罐供热负荷(ｋＪ/ｈ)ꎬＱＬꎬｉ为ｉ时刻加热炉供热负荷(ｋＪ/ｈ)ꎬＱＤꎬｉ为ｉ时刻电伴热供热负荷(ｋＪ/ｈ)ꎮ
并且ꎬ日太阳能集热器供热负荷ＱＴ与日太阳能蓄热罐供热负荷ＱＣ有以下平衡关系
ð(ＱＴꎬｉ－Ｑｉ)＝ðＱＣꎬｉꎮ(２)
对于整个太阳能分布式能源系统的优化ꎬ从运行总费用方向考虑ꎬ不同的生产模式都有共同的子系统ꎬ运行费用计算方法相同ꎬ约束条件不同ꎮ费用关系图如图３所示
ꎮ
图３㊀费用关系图
Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｓｔｇｒａｐｈ
每日各小时费用ｆｉ包括太阳能集热器费用ｆＴ㊁太阳能储热罐费用ｆＣ㊁水套加热炉费用ｆＬ㊁电伴热费用ｆＤꎬ
ｆｉ＝ｆＴꎬｉ＋ｆＣꎬｉ＋ｆＬꎬｉ＋ｆＤꎬｉꎬ
(３)
式中ꎬｆｉ为每日各小时费用ꎬｆＴꎬｉ为ｉ时刻太阳能集热器供热费用(元/ｈ)ꎬｆＣꎬｉ为ｉ时刻太阳
能蓄热罐供热费用(元/ｈ)ꎬｆＬꎬｉ为ｉ时刻加热炉供热费用(元/ｈ)ꎬｆＤꎬｉ为ｉ时刻电伴热供热费用(元/ｈ)ꎮ
目标函数为最小日运行总费用ＦｍｉｎＦ＝ｍｉｎðｆｉꎮ
(４)
１.４㊀计算步骤
根据费用计算公式ꎬ对初始种进行赋值
ｘ０＝ｘ１ꎬ１
ｘ１ꎬ２ ｘ１ꎬ２４ｘ２ꎬ１
ｘ２ꎬ２ ｘ２ꎬ２４⋮⋮
⋮⋮ｘ４ꎬ１
ｘ４ꎬ２
ｘ４ꎬ２４éëêêê
一次性手腕带êêêù
û
úú
úúúúꎬ(５)
式中:ｘ１ꎬｉ为某季某时刻输油管线加热所需热负荷ꎬ即Ｑｉꎻｘ２ꎬｉ为某季某时刻太阳能集热器能提供的供热负荷ꎬＱＴꎬｉꎻｘ３ꎬｉ为某季某时刻太阳能储热罐所能储存的热量ꎬＱＣꎬｉꎻｘ４ꎬｉ为某季某时刻电伴热所需提供的热量ꎬ
ＱＤꎬｉꎮ
耐火砖比重
根据每日不同时刻ꎬ有以下几种约束条件的情况:
(１)当输油管线加热所需热负荷ｘ１ꎬｉ小于太阳能集热器能提供的供热负荷ｘ２ꎬｉ时ꎬ
ＱＣꎬｉ＝ＱＴꎬｉ－ＱｉꎬＱＤꎬｉ＝０ꎮ㊀
{
(６)(２)当输油管线加热所需热负荷ｘ１ꎬｉ大于太阳能集热器能提供的供热负荷ｘ２ꎬｉ时ꎬＱＤꎬｉ＝Ｑｉ－ＱＴꎬｉ－ＱＣꎬｉꎮ
(７)日太阳能集热器供热负荷ＱＴ与日太阳能蓄热罐供热负荷ＱＣ有以下平衡关系
ð(ＱＴꎬｉ－Ｑｉ)＝
ðＱＣꎬｉꎮ
(８)遗传算法约束非线性规划问题的一般描述是
ｍｉｎｘｓꎬｔꎬＧ(ｘ)ɤ０
ｆ(ｘ)ꎮ
(９)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议