天然气长输管道低碳优化运行模型.pdf
《天然气长输管道低碳优化运行模型.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《天然气长输管道低碳优化运行模型.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、312024 年 4 月第 36 卷第 2 期油 气 与 新 能 源文章编号:2097-0021(2024)02-0031-10天然气长输管道低碳优化运行模型刘恩斌1,彭勇2,喻斌3,杨毅4,李长俊11.西南石油大学石油与天然气工程学院,成都 610500;2.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029;3.国家管网集团工程技术创新有限公司,天津 300450;4.国家管网集团油气调控中心,北京 100029引用:刘恩斌,彭勇,喻斌,等.天然气长输管道低碳优化运行模型J.油气与新能源,2024,36(2):31-40.基金项目:四川省自然科学基金项目(2023NSFSC0422)摘要:
2、为了降低天然气长输管道生产运行中的碳排放量,基于不同能源结构背景,建立了一种天然气长输管道低碳运行模型,用于计算天然气管网运输过程中多能源的碳排放量及能耗。采用一种改进的粒子群算法(NHPSO-JTVAC)求解该模型并给出最优调度方案。以西气东输二线和三线西部并联管段进行案例分析,结果表明:优化后,现有系统中的碳排放量减少了 28.80%,能耗降低了 23.05%;若将风电与光电等新能源引入管道系统,碳排放量会减少 32.20%,能耗会降低22.11%。鉴于光伏发电相对于风力发电较为稳定,建议分时段引入光电以减少碳排放量。关键词:天然气;管道优化;NHPSO-JTVAC 算法;碳排放;新能源中
3、图分类号:TE832 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.2097-0021.2024.02.005Study on Optimization of Low-carbon Operation Model for Natural Gas Long-distance PipelinesLIU Enbin1,PENG Yong2,YU Bin3,YANG Yi4,LI Changjun11.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.College of Inf
4、ormation Science&Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;3.PipeChina Engineering Technology Innovation Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China;4.PipeChina Oil&Gas Control Center,Beijing 100029,ChinaAbstract:The paper establishes a low-carbon operation model for natural gas lo
5、ng-distance pipelines based on different energy structure backgrounds used to calculate the carbon emissions and energy consumption of multi-energy sources to reduce the carbon emissions.It adopts an improved particle swarm optimization algorithm(NHPSO-JTVAC)to solve the model as well as provide an
6、optimal scheduling scheme and takes the second and third line western parallel pipeline section of Chinas west-to-East gas pipeline as a practical case to analyze.The results show that the carbon emissions in the existing system decreased by 28.80%and energy consumption reduced by 23.05%after the op
7、timization.If such new energy sources as wind and solar power are introduced into the pipeline system,carbon emissions could decrease by 32.20%and energy consumption would decrease by 22.11%.Considering the relative stability of photovoltaic power generation compared to wind power generation,it is r
8、ecommended to introduce solar power in different time periods to reduce carbon emissions in the paper.Keywords:Natural gas;Pipeline optimization;NHPSO-JTVAC algorithm;Carbon emissions;New energy0引言随着巴黎协定的提出,碳排放问题引起了全世界的关注。2020 年,中国国家主席习近平提出中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和(简称“双碳”目标)1。2004202
9、0 年,中国油气工业碳排放量从 40 621 104 t 增至 106 496104 t,增加了 162.17%2。据Fan 等3的预测,未来中国天然气消费量将逐渐增至 6 300108 m3/a。随着天然气需求量的增加,减少天然气输送过程中的 CO2排放量对中国整个能源供应链早日实现“双碳”目标至关重要。目前,国内外关于天然气管道的相关研究主要集中在管道泄漏4-6、管道建设7-8、天然气需求32油气与新能源 能源科技Vol.36 No.2 Apr.2024预测9以及管网运行调度10-11等方面,针对输送过程中低碳排放的研究较少。据 Howarth 等12的估算,天然气在运输、储存及分配阶段的
10、逸散性排放总量占总输气量的 1.4%3.6%;然而,据Tabkhi 等13的研究,天然气长输管网的压气站自耗气可达整个系统总输气量的 3%5%;Liu 等14也曾计算出西气东输二线管道(简称西二线)压气站一个月内的耗气量达 9 292.3104 m3,耗电量达 3 212.54104 kWh。由此可见,压缩机是天然气管道系统的主要碳排放来源15。在以往研究中,已经有学者关注了管网系统的调度、能耗以及经济优化等方面,如:杨毅等16曾结合黄金分割算法与动态规划算法,减少了某环状管道中燃驱压缩机组的能量消耗;姚麟昱等17建立了长输管道运行经济优化模型,考虑了长输管道的水力、热力以及流态等约束条件,使
11、用惩罚函数法进行求解并编制了相应的计算软件;Kashani等18将碳排放量最小作为优化目标之一,研究发现碳排放量与运营成本直接相关;Wen 等19在2023 年提出了一种以净现值和碳排放量为目标的多周期混合整数非线性规划(MINLP)模型,考虑了储气库的调峰、多管道结构的流量分配、双向管道的流向决策和压气站的加压决策等因素,通过该模型,可以制定天然气管网系统的最佳需求响应策略。以上研究显示,当系统只消耗一种能源时,能耗与碳排放量呈线性关系。近年来,对天然气管网综合能源系统的研究也在逐渐增加20,如:为控制能源消耗产生的碳排放,邱彬等21提出计及碳抵消的阶梯式碳交易机制,考虑天然气管网压力能发电
12、所具有的经济效益和环境效益,建立了电-热-气联供的综合能源系统低碳经济优化调度模型;Liu等22在对中国西气东输天然气管道进行稳态优化时,考虑了燃驱压缩机与电驱压缩机两种类型;陈嘉琦等23运用 TGNET(气体管道瞬态和稳态模拟计算软件)对陕京天然气管道系统进行能耗优化,在总能耗计算中,同时考虑了电驱压缩机与燃驱压缩机。由于电力与天然气的碳排放系数不同,多能源组合工况的碳排放量与能耗将不再呈线性变化,其优化过程更加复杂。为了进一步降低长输天然气管道多能源驱动输送过程中的碳排放量,本文以西二线、西气东输三线管道(简称西三线)并联管道为例,引入风能与光能两种新能源,分别建立现有能源结构与引入新能源
13、后的管道系统最低碳排放运行优化模型,计算不同站场的电能与天然气的碳排放量,对比引入新能源前后碳排放量与能耗的关系。1模型与方法1.1基础计算1.1.1热力计算输气管道终点温度采用苏霍夫公式24计算。(1)输气管道平均温度计算公式为:(2)(3)式中:TZ输气管道终点温度,K;TQ输气管道起点温度,K;T0管道埋深处地温,K;Tcp输气管道平均温度,K;L输气管道计算段长度,m;K管道的总传热系数,W/(m2K);M气体质量流量,kg/s;cp气体质量定压比热容,J/(kgK);D管道内径,m。1.1.2水力计算由于在长输管道中,管道较长且许多站场间的高程差超过 200 m,因此,输气管道水力计
14、算中须考虑高差和地形的影响,输气管道终点压力计算公式如下24:(4)(5)(6)式中:PZ输气管道计算段终点压力,Pa;PQ输气管道计算段起点压力,Pa;Z天然气压缩因子;S计算管段终点与起点的高程差,m;水力摩阻系数;R理想气体常数,J/(molK);Rg天然气的气体常数,8 314.3/气体摩尔质量,m2/(s2K)。在本文研究的西二线、西三线管道系统中,介33第 36 卷第 2 期2024 年 4 月刘恩斌等:天然气长输管道低碳优化运行模型质压力为 5 11.75 MPa,介质温度接近 298.15 K(25),采用 Papay 公式计算天然气压缩因子25。cc22.261.878cc=
15、13.52e0.274eTTTTPPZPP+(7)式中:P天然气压力,MPa;Pc天然气临界压力,MPa;T天然气温度,K;Tc天然气临界温度,K。本研究中管道直径大于 610 mm,摩阻系数的计算公式采用潘汉德尔(Panhandle)B 式。0.03921=68.03Re(8)式中:Re雷诺数。1.1.3压缩机计算压缩机是天然气管道系统中的动力设备,本文研究的管道系统中包括燃驱和电驱两种类型的压缩机。压缩机在运行过程中需要满足一定的运行特性,其特性方程可表示为:(9)(10)(11)stone34Qss H=+(12)式中:H压缩机的压头,m;h1,h2,h3压 头 曲 线 拟 合 系 数;
16、r 压 缩 机 转 速,r/min;Q压缩机流量,m3/s;e1,e2效率曲线拟合系数;压缩机效率,%;Qsurge压缩机喘振流量,m3/s;Qstone压缩机滞止流量,m3/s;s1,s2喘振曲线拟合系数;s3,s4滞止曲线拟合系数。压缩机特性方程(9)、(10)、(11)、(12)分别为压头曲线、效率曲线、喘振曲线和滞止曲线。在计算过程中,压缩机的开机台数、转速及流量为计算变量,可以通过公式(9)确定压缩机的压头,然后代入公式(13)确定压缩机的出口压力25。(13)式中:Pout压缩机出口压力,MPa;Pin压缩机进口压力,MPa;气体多变指数,本模型中取 1.28;Mn气体分子量,kg
17、/mol。Tin压缩机入口温度,K。天然气经过压缩机压缩后,温度会有所升高,其计算公式如下25:(14)式中:Tout压缩机出口温度,K;kt温升系数,一般取值 0.8。压缩机功率计算公式为24:MHN=(15)式中:N压缩机功率,kW。1.2优化模型1.2.1目标函数本文所研究的管道经过新疆维吾尔自治区与甘肃省,根据中国区域电网二氧化碳排放因子研究(2023)可知,甘肃省级电网排放因子(碳排放系数)为 0.460 kgCO2/(kWh),新疆省级电网排放因子为 0.749 kgCO2/(kWh)26。以天然气管网最小碳排放为目标函数,分别建立基于现有能源结构(目标 1)以及引入新能源(目标
18、2)的两种目标函数。优化模型的建立基于如下假设:气体在管道内为稳态流动;各压气站并联压缩机之间流量均分。优化模型如下:(16)(17)式 中:C1 现 有 能 源 结 构 下 的 碳 排 放 量,kgCO2;C2引入新能源(风电、光电)后的碳排放量,kgCO2;g天然气的碳排放系数,2.162 2 kgCO2/m3;e 电 网 碳 排 放 系 数,0.460 kgCO2/(kWh)、0.749 kgCO2/(kWh);e1风电碳排放系数27,0.011 2 kgCO2/(kWh);e2光电碳排 放 系 数27,0.070 4 kgCO2/(kWh);Cg 各 压气站燃驱压缩机组累计耗气量,m3
19、;Ce各压气站耗电量,kWh;i管道编号,i=1,Yi;j每条管道的燃驱压气站编号,j=1,Yj;k每条管道的电驱压气站编号,k=1,Yk;w每条管道的风电-电驱压气站编号,w=1,Yw;34油气与新能源 能源科技Vol.36 No.2 Apr.2024l每条管道的光电-电驱压气站编号,l=1,Yl;风电及光电占比,由于每年风电与光电的利用小时约为全年的 1/5,故新能源在目标函数中的利用时长占比取值为 1/5;火电占比,取值 4/5。式(16)、式(17)中 Cg、Ce的计算公式如下:g ggegN tCg=(18)e eeeN tC=(19)式中:Ng压气站燃驱压缩机组功率,kW;tg燃驱
20、压缩机组运行时间,h;g压气站燃气轮机效率,%;ge燃气轮机耗气率,m3/(kWh);Ne压气站电驱压缩机组功率,kW;te电驱压缩机组运行时间,h;e压气站压缩机电机效率,%。1.2.2决策变量目标函数中,碳排放量与压缩机的气耗及电耗直接相关。在模型中影响压缩机能耗的变量即为本模型的决策变量,如下所示:X=q,f,r,s(20)式中:X决策变量集合;q标况下的管道输量,m3/s;f压气站中压缩机的开机数量,台;s管道间的连接状态,若 s=0,管道间的连通阀门关闭,管道中没有流量分配,若 s=1,连通阀门打开,管道之间存在流量分配。1.2.3约束条件1)压缩机转速约束:(21)式中:rmin压
21、缩机最小转速,r/min;rmax压缩机最大转速,r/min。2)管道压力约束:(22)式中:Pm第 m 节点的压力,MPa;Pmin计算管段的最低允许压力,MPa;Pmax计算管段的最高允许压力,MPa。3)流量平衡约束:根据质量守恒定律,管道任意节点都应满足流入该节点的天然气质量等于流出该节点的天然气质量。(23)式中:Cm与第 m 个节点相连元件集合;系数,当元件流入 m 节点时为+1,当元件流出 m 节点时为-1;1,mM与第 m 个节点相连元 件流 入(出)m 节 点 流 量 的 绝 对 值,m3;M2mm 节点与外界交换的流量(流入为正,流出为负),m3;Cg,j第 j 个燃驱压气
22、站自耗气的天然气体积,m3;m管道节点,m=1,Vm。4)压缩机功率约束:压缩机运行应满足以下功率要求:(24)式 中:Nmin 压 缩 机 最 小 允 许 功 率,kW;Nmax压缩机最大允许功率,kW。5)压缩机出口温度约束:压缩机出口温度不应超过压缩机最大出口温度。outout,maxTT(25)式中:Tout压缩机出口温度,K;Tout,max压缩机最高出口温度,K;基于以上,完成对并联管网的碳排放优化模型建立,计算流程如图 1 所示。1.3优化算法本 文 使 用 Ghasemi 等28在 2017 年 提 出 的NHPSO-JTVAC 算法进行模型优化计算。该算法与传统的粒子群算法2
23、9-32相比,最大的区别在于学习因子以及粒子速度的更新公式不同。1.3.1传统的粒子群算法1)初始化:首先设置最大的迭代步数、目标函数的自变量个数、粒子的最大速度,移动范围为整个搜索空间,在速度空间和搜索空间上随机初始化速度和位置。2)个体极值与全局最优:定义适应度函数(目标函数),个体极值为每个粒子找到的最优解。从这些最优解找到一个全局值,为本次全局最优解,与历史全局最优解比较,进行更新。3)更新速度和位置:(26)1,IterIterItert yt yt yxxv+=+(27)35第 36 卷第 2 期2024 年 4 月刘恩斌等:天然气长输管道低碳优化运行模型管道末端压力与温度管道热力
24、计算输入压缩机进口基础参数开始结束管道水力计算管道入口参数建立最小碳排放目标函数C给出能源结构调整建议计算压缩机的耗气量计算压缩机的耗电量计算天然气的碳排放量计算现有/新能源电能的碳排放量引入现有/新能源电能的碳排放因子引入天然气的碳排放因子确定当前能源下的低碳操作方案确定引入新能源下的低碳操作方案流量不分配计算压缩机出口温度与压力流量分配中间阀门是否打开?是否分析能耗与碳排放关系压缩机模型管道模型目标函数图 1优化模型建立流程式中:Iter迭代步数;第 Iter+1次迭代中粒子 t 的飞行速度矢量的第 y 维分量;第 Iter+1 次迭代中粒子 t 位置矢量的第 y维分量;第 Iter 次迭
25、代粒子 t 的位置矢量的第 y 维分量个体最优值;第 Iter 次迭代中粒子 g 的第 y 维分量群体最优值;c1,c2加速常数,c1为每个粒子的个体学习因子,c2为每个粒子的社会学习因子;r1,y,r2,y两个随机函数,取值范围皆为0,1,以增加搜索随机性;惯性权重,非负数,调节对解空间的搜索范围。1.3.2学习因子计算公式在 NHPSO-JTVAC 算法中 c1,c2的确定方式如下:(28)(29)(30)式中:一个标准正态随机数;将会从c1=ct=0.5 变化到 cIter max=cf=0。从式(25)至式(27)可以看出,两个学习因子均为指数型,这样会使得算法在计算过程中更容易跳跃出
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 天然气 管道 优化 运行 模型
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。