化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2022年第41卷第3期
马小娟1，王彧斐1，冯霄2
（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）
摘要：随着世界各国对能源需求量的不断增加，急需新型能源来补充常规化石燃料的供给，天然气水合物因其分布广泛、能量密度高等特点或将成为未来主要替代能源之一。CO 2置换开采相对于其他方法可以将温室气体CO 2封存于海底，环境效益更加明显；其次天然气水合物海上开采平台通常兼具生产和生
活为一体，采用经济合理的能量设备运行方案可以有效降低平台运行成本，提高经济效益。如今随着海上风电的不断开发，将海上风力发电引入海上平台的能量系统引起了越来越多的关注。本文以天然气水合物开采平台耦合甲烷重整装置的能量系统为例，以最低年总成本为目标函数建立新的能量系统优化模型，分别模拟无风能接入和有风能接入的分布式能量系统，采用MATLAB 建模，利用商业求解器GUROBI 进行求解，得到最佳设备运行方案，并对有风能接入的能量系统运行方案进行详细的分析。结果显示接入风能后系统的年总成本降低了21.92%，天然气消耗量降低35.41%。此外，通过灵敏度分析发现风能的最佳占比受天然气价格的影响，基于我国当前的天然气的价格，风能的最佳比例为49.56%，随着天然气价格的增加，风能的占比逐渐增大。关键词：天然气水合物；海上平台；风力发电；分布式能源系统中图分类号：TQ021
文献标志码：A
文章编号：1000-6613（2022）03-1667-10
Energy system optimization of natural gas hydrate mining platform
MA Xiaojuan 1，WANG Yufei 1，FENG Xiao 2
(1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,College of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Beijing
102249,China;2School of Chemical Engineering and Technology,Xi ’an Jiaotong University,Xi ’an 710049,Shaanxi,China)Abstract:With the increasing demand for energy in various countries around the world,new types of energy are urgently needed to supplement the supply of conventional fossil fuels.Natural gas hydrate may become the main alternative energy source in the future due to its wide distribution and high energy density.Compared with traditional mining methods,CO 2replacement mining can store the greenhouse gas CO 2on the seabed,and the environmental benefits are more obvious;secondly,and for a natural gas hydrate offshore mining platform,the use of economical and reasonable energy equipment operation
schemes can effectively reduce operating cost and improves economic benefits.Nowadays,with the continuous development of offshore wind power,the introduction of offshore wind power into the energy system of offshore platforms has attracted more and more attention.This paper took the energy system of a natural gas hydrate mining platform coupled with a methane reformer as an example.And the lowest total
研究开发
DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2114
收稿日期：2021-10-13；修改稿日期：2021-12-14。
基金项目：国家自然科学基金（22022816，22078358）。第一作者：马小娟（1997—），女，硕士研究生，研究方向为油气加工工艺与工程。E-mail ：*****************。通信作者：王彧斐，教授，博士生导师，研究方向为化工过程能量系统综合。E-mail ：***************** 。引用本文：马小娟，王彧斐，冯霄.天然气水合物开采平台能量系统优化[J].化工进展,2022,41(3):1667-1676.
Citation ：MA Xiaojuan,WANG Yufei,FENG Xiao.Energy system optimization of natural gas hydrate mining platform[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2022,41(3):1667-1676.
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化工进展，2022，41（3）annual cost was set as the objective function to establish a new energy system optimization model under the consideration with and without wind energy access.The commercial solver GUROBI is used to solve the problem.After solving the problem,the best equipment operation plan can be found,and a detailed analysis of the energy system operation plan with wind energy access was conducted.The results showed that the total ann
ual cost of the system after connecting to wind energy was reduced by21.92%,and the consumption of natural gas was reduced by35.41%.In addition,through sensitivity analysis,it was found that the optimal proportion of wind energy was affected by the price of natural gas.Based on the price of natural gas currently,the optimal proportion of wind energy was49.56%.As the price of natural gas increased,the proportion of wind energy gradually increased.
Keywords:natural gas hydrate;offshore platform;wind power;distributed energy system
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[1]。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[2]。
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[3]。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[4]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[5]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[6]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[7]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——CO2置换法，该开采方法是将CO2作为置换气体注入天然气水合物中，由于CO2水合物比天然气水合物更稳定，因此CO2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CO2置换法，孙长宇等[8]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CO2从陆地运输至开采平台点的能耗，而CO2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CO2，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[9]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[10]对CO2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
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2022年3月马小娟等：天然气水合物开采平台能量系统优化
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%[11]，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。
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。
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
图1
平台能量系统分析
图2平台能量系统结构
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化工进展，2022，41（3）
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℃[12]，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C Tot 为目标函
数，其年总成本包括设备的年投资成本C Fac 和系统的年能量成本C Ene 。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)。
min C Tot =C Fac +C Ene
（1）
CR f =
i (i +1)
n f
(i +1)n f
-1
f ∈F （2）C Fac =∑f
(B f CF f +W f CL f )CR f
f ∈F
（3）
式中，F 为能量系统中所有设备的集合；B f 为二元变量，选择设备f 时取1，否则取0；W f 表示系统中设备f 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 2，其余设备额定容量单位是kW ；CF f 表示设备f 的固定成本，CNY ；CL f
表示设备f 的线性容量成本，CNY/kW 或CNY/kWh 或CNY/m 2；CR f 表示设备f 的资本回收系数；i 表示设备的折旧率，%；n f 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）。
C Ene =∑t ∈T ∑e ∈E
P t ,e CE t ,e w t
t ∈T ,e ∈E （4）pr t ,gas =
P t ,gas
φH l
t ∈T
（5）
式中，T 表示总的时间集合；E 表示输入系统的能源；CE t,e 表示能源e 的价格CNY/kWh ；P t,e 表示t 时刻的能源e 的消耗量，kW ；w t 表示每个周期的持续时间，h ；Pr t,gas 表示t 时刻的天然气产量，m³/h ；φ表示天然气的利用率，%；H l 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 t,f 表示t 时刻输入设备f 的能量，kW ；ηf ,elec 表示设备f
的发电效率，%；N t ,f ch 表示t 时刻储能设备f 的充电量，kW ；N t ,f dis 表示t 时刻储能设备f 的放电量，kW 。
ηGT,elec Q t ,GT -Q t ,COC +N dis t ,BT -N ch t ,BT ≥D elec
t
t ∈T （6）
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 t,WT 表示t 时刻风机扫过单位面积产生的电能，kW/m 2；A WT 表示风机总面积，m 2。
P t ,WT A WT +ηGT,elec Q t ,GT -Q t ,COC +N dis t ,BT -N ch t ,BT ≥D elec t
t ∈T （7）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，ηf ,heat 表示设备f 的产热效率，%。
ηWB,heat Q t ,WB +ηDB,heat Q t ,DB -Q t ,ABC +N dis t ,HS -N ch t ,HS ≥D heat
t t ∈T （8）
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 f 表示制冷设备f 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。
COP COC Q t ,COC +COP ABC Q t ,ABC +N dis t ,CS -N ch t ,CS ≥D cool
t
t ∈T （9）余热锅炉的输入热量来自燃气轮机的余热，该
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2022年3月马小娟等：天然气水合物开采平台能量系统优化
约束见式(10)。
ηGT,heat Q t,GT=Q t,WB t∈T（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)。
Q
t,ABC≤ηWB,heat Q t,WB t∈T（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，ηf loss表示储能设备的损耗效
率，%；ηf ch表示储能设备的充电效率，%；ηf dis表
示储能设备的放电效率，%；SP t,f表示时间t内储
能设备的储量，kWh。
SP
t,f=ηloss f SP t-1,f+ηch f N ch t,f-N dis t,f/ηdis f f∈F,t∈T（12）SP
t,f=ηloss f SP t+23,f+ηch f N ch t,f-N dis t,f/ηdis f f∈F,t∈T（13）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)。
Q
t,DB+Q t,GT=P t,gas t∈T（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m2，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)。
(B f-1)Max≤W f≤B f Max f∈F（15）
Q
t,f≤W f f∈F,t∈T（16）
SP
t,f≤W f f∈F,t∈T（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GUROBI9.1.1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。
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CO2，一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
风
速
/
m
·
s
-
1
时间
图3不同时刻的风速大小
发
电
功
率
/
W
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m
-
2
时间
图4单位海域面积的风力发电功率
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