计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法技术方案

本发明专利技术公开了计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法。针对含有电‑气混合储能的海上微能系统，建立该系统的单向无环能量物质流模型，通过确定各个单元的能量转换效率、物质转换系数与

Optimal scheduling method of offshore micro energy system considering constraints of production process system

The invention discloses an optimal scheduling method of an offshore micro energy system taking into account the constraints of a production process system. A one-way acyclic energy material flow model is established for the offshore micro energy system with electric gas mixed energy storage. The energy conversion efficiency, material conversion coefficient and

【技术实现步骤摘要】
计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法
本专利技术涉及考虑电-气混合储能的海上微能系统，特别涉及计及生产工艺系统约束的优化调度方法，属于能源技术经济领域。
技术介绍
我国正在构建综合能源系统推动能源战略转型，应对能源发展的一系列挑战。海上微型综合能源系统(Offshoremicrointegratedenergysystem，OMIES)是由海上油气平台、大型舰船、远洋海岛等形成的远离海岸的完整独立的综合能源系统，集成了电、热、气等多种能量物质。这类系统容量一般在几兆瓦至几十兆瓦之间，因此称之为微型综合能源系统。电-气混合储能的OMIES是针对海上油气开采加工平台建立的微型综合能源系统，由供能系统和生产工艺系统两大部分构成，其生产工艺系统完成油气开采加工过程，由多个物质能量转换单元组成，供能系统涉及电、气、热等多种能源，且储能系统是由伴生气储库和储电设备构成的电-气混合储能系统。这类多时间多空间尺度的复杂系统中，不同能源网络遵循不同的物理规律，有不同的数学模型但又互相耦合。在OMIES这类复杂系统中，由于其多能耦合的特性无法用仿真平台直接模拟，EH(Energyhub)是多能源系统建模与分析的重要方法，而采用EH建模需要对各个转换单元进行详尽分析，推导多个耦合矩阵，子系统之间的能量分配系数通常还将引出非线性优化问题。目前，采用以矩阵为基础的标准化多能源元件、能量枢纽、网络模型及以矩阵运算为基础的综合能源系统分析方法成为综合能源系统面临的重要技术问题之一。
技术实现思路
考虑电-气混合储能的OMIES包含供能系统(EnergySupplySystem，ES)和生产工艺系统(ProductionProcessSystem，PS)两大部分。其供能系统主要由伴生气储库(Associatedgasstoragemodel，AGS)、余热梯级利用单元(Wasteheatcascadeutilizationunit，WSCU)、电储能设备(Electricitystorage，ES)、CO2捕捉存储装置(CarbonCaptureandStorage，CCS)四个部分组成，生产工艺系统由钻井和采矿系统(Drillingandminingsystem，DMS)、原油处理系统(Crudeoilprocesssystem，COPS)、天然气处理系统(Naturalgasprocesssystem，NGPS)、注水系统(Waterinjectionsystem，WIS)和生活平台(Living-quarterssystem，LQS)五大子系统组成。系统结构图如图1。供能系统与生产工艺系统之间通过电能、热能、以及伴生气相互耦合，两部分通过电能、热能和伴生气联系在一起。供能系统产生的电与热供给生产加工单元使用，生产工艺系统生产的伴生气作为供能系统的燃料，生产工艺系统对供能系统来说既是源也是负荷。对于这类结构复杂的多能源系统，采用传统方法建模难度较大，加之系统中含有伴生气储库这类特殊的储能元件，在储存和释放伴生气的过程中都要消耗电能，和生产工艺中大部分子系统类似，属多输入单输出的能量物质转换单元，使得系统的分析建模过程更加复杂。针对以上问题，本专利技术提出对考虑电-气混合储能的海上微能系统进行标准化建模与计及生产工艺系统进行优化调度的方法，基于EH建立系统的标准化矩阵模型描述其中的复杂耦合关系，并在此基础上建立生产工艺系统与供能系统的联合优化调度模型。本专利技术采用的技术方案如下：步骤1、对于给定的电-气混合储能的海上微能系统，分析其能量物质流动关系，建立该系统的单向无环能量物质流模型；步骤2、确定各个单元的能量转换效率，涉及物质生产与消耗的单元采用分析法，确定其物质转换系数与增量；步骤3、建立整个系统的能量物质耦合矩阵，基于EH模型、通过能量物质耦合矩阵建立系统的能量物质平衡方程；步骤4、基于系统的能量物质平衡方程，建立供能系统与生产工艺系统联合优化调度模型。图1所示的系统结构图反映了系统的物质能量流动情况，步骤1所述的单向无环能量物质流模型是在此基础上，通过分析每条能量流与物质流的流动路径，将节点、反馈支路与双向支路改写，得到由输入到输出单向流动的能量物质流模型，如图2。步骤2所述的能量转换效率由系统中各单元的特性决定，对于多输出单元还包含了不同能量之间的分配系数。分析法的应用主要是针对海上微能系统，尤其是生产工艺系统中的物质流。通过增加虚拟支路——增量来展现物质转换过程中的能量变化情况。步骤3采用能量物质耦合矩阵表达系统的各能量流、物质流之间的关系，根据EH模型的思想，以能量物质耦合矩阵为基础建立整个系统的能量物质平衡方程，该方程以矩阵形式表达，涵盖了系统中所有单元的能量流、物质流转换关系。一般的优化调度模型通常只考虑供能系统的运行约束，步骤4将两个子系统之间的联系和生产工艺系统的能量物质平衡约束考虑进去，在步骤3建立的平衡方程基础上，提出了供能系统与生产工艺系统联合优化调度策略并建立了统一的优化调度模型。本专利技术具有如下有益效果：考虑生产工艺系统中能量物质平衡约束和供能系统与生产工艺系统相关性的优化调度模型，充分考虑了生产工艺中的能量物质流关系，更加真实地反映实际系统的运行情况，以运行成本和二氧化碳排放量惩罚成本为优化目标，兼顾了经济性与环保性。在此基础之上的优化调度策略对全系统能流进行统筹优化引导，有效实现能源互补、提高效率、降低成本的目标。附图说明图1是本专利技术中考虑电-气混合储能的海上微能系统的系统结构图；图2是本专利技术建立的海上微能系统的能量物质流模型；图3是AGS单元模型；图4是LQS单元模型；图5是平台夏季某天的电/热负荷；图6是平台夏季某天的伴生气产量预测曲线；图7是不同场景下优化运行结果具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术中的优化调度方法进行清楚、详细的说明。图1为含有电-气混合储能系统的海上微能系统结构示意图，图中包括伴生气储库和电储能设备构成的电-气混合储能系统，以及余热梯级利用单元、CO2捕捉存储装置、钻井和采矿单元、原油处理单元、天然气处理单元、注水系统和生活平台。1)AGS单元储存和释放伴生气，在此过程中消耗一定电能，耗能系数与压缩和释放气体的速率有关；2)WSCU单元利用伴生气和柴油产生电和热，能够满足海上微能系统对余热的灵活高效利用，但同时会排放CO2气体；3)CCS装置实现对海上能源系统的CO2排放控制，将捕捉的CO2经化学反应变为其他固态物质，减少对环境的影响，其工作过程消耗电能和热能，耗能系数与捕捉速率有关；4)DMS实现采油功能，消耗定量的生产原料(Productionmaterial，PM)，从油井中采出混合原油，工作过程消耗电能；5)COPS将混合原液分离为石油原液、混合伴生气、混合水溶液，石油原液被加工成石油输出，混合伴生气、混合水溶液分别输送到NGPS和WIS两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n步骤1、对于给定的电-气混合储能的海上微能系统，分析其能量物质流动关系，建立该系统的单向无环能量物质流模型；/n步骤2、确定各个单元的能量转换效率，涉及物质生产与消耗的单元采用

【技术特征摘要】
1.计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、对于给定的电-气混合储能的海上微能系统，分析其能量物质流动关系，建立该系统的单向无环能量物质流模型；
步骤2、确定各个单元的能量转换效率，涉及物质生产与消耗的单元采用分析法，确定其物质转换系数与增量；
步骤3、建立整个系统的能量物质耦合矩阵，基于EH模型、通过能量物质耦合矩阵建立系统的能量物质平衡方程；
步骤4、基于系统的能量物质平衡方程，建立供能系统与生产工艺系统联合优化调度模型。


2.根据权利要求1所述的计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于，步骤1所述的单向无环能量物质流模型是根据海上微能系统的结构图而来，以转换单元之间的能量流为状态变量，采用图论的方法定义多能源系统的组成部分和结构。


3.根据权利要求1所述的计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于，步骤2所述的在生产工艺系统采用分析法，将其与能量转换效率结合，确定系统各个单元的转换特性参数，并增加了增量为虚拟输出以便建立系统的能量物质耦合矩阵。


4.根据权利要求1所述的计及生产工艺系统约束的海上微能系统优化调度方法，其特征在于，步骤3所述的能量物质平衡方程，具体如下：
根据所建立的系统能量物质流模型，从调度因子出发处理非线性问题；以矢量V涵盖所有能量流，建立描述多能源系统的拓扑结构和能量转换器特性的矩阵Z，从而得到能量平衡方程；
ES能量物质流的矩阵如下：
Ves＝[VE.aVAG.cVAG.wVDOVAG.dVH.cVCO2.cVE.sVH.pVE.pVSMVE.cVE.dΔEΔCΔG]T(1)
矩阵Ze表示该系统的各个单元能量物质转换系数矩阵：



式中，ηAGC、ηAGD为AGS单元存储和释放伴生气的效率，ηAGE为耗电系数；ηE1、ηH1、ηCDE1为WSCU单元伴生气产电效率、产热效率和CO2排放系数，ηE2、ηH2、ηCDE2为消耗柴油产电、产热、排放CO2系数；ηCCS、ηCCE、ηCCH为CCS单元捕捉效率、耗电系数、耗热系数；ηEC、ηED为ES单元储、放电效率。ΔE表示电能存储增量，ΔC表示伴生气储库的耗能量，ΔG为伴生气存储增量；
ES的能量物质流平衡方程为：
Ze·Ves＝0(3)
Vps为PS内所有能量物质流的集合，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茜，毛雅铃，冯雅婷，孙扬帆，黄璜，张安安，杨威，曲广龙，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51