一种低碳化远海油气平台电力系统及规划方法

1.本发明属于电力系统规划技术领域，尤其涉及微电网容量优化配置方法。


背景技术：

2.随着我国在海上油气平台的不断发展，平台用电对于海上油田的正常开采作业成为了一个越来越重要的问题。其中，远海平台由于海底电缆太长，投资大，成本高等因素，导致远海油气平台主要采用平台上安装多台大功率的透平发电机，通过燃烧自产出气来供电。燃机燃烧油田开采出来的伴生气来发电，效率低，成本昂贵，且碳排放量巨大。随着国家“碳达峰，碳中和”目标的提出，油田减排也成为一大难题。海上风电同样受限于海底电缆的成本、运维等因素。海上风电直供海上油气平台优势巨大，风电代替透平发电，节约的油气直接变为油气田的增产量，又提高了远海油气平台的经济效益，同时也减少了油田燃气发电产生的碳排放。由于油田的开采作业同样会产生大量的碳排放，为进一步减少碳排放的量，采用二氧化碳捕集封存与利用技术(ccus)进行碳捕捉，并将捕捉的碳用于二氧化碳驱油，既减少了碳排放，还可以增加油田的产量与开采寿命，同时，还可架设管道从外界输入二氧化碳用于驱油，又为油田创造了经济效益。综合以上，研究这种低碳的远海油气平台电力系统具有重大的意义。


技术实现要素：

3.本发明的技术方案是，一种低碳化远海油气平台电力系统的设计，以及该低碳远海油气平台电力系统的规划方法。
4.1、低碳化海上油气平台的设计。
5.远海油气平台结合风电与ccus的低碳系统组成主要由海上油气平台、风电、二氧化碳捕集与二氧化碳驱油四部分组成。
6.海上油气平台：传统的远海油气平台正常进行油气开采时会产生大量的二氧化碳排放。同时远海油田本身具有大量的电负荷，其受制于地理位置，使用岸电成本巨大，不得不在开采平台上装设大容量燃气轮机燃烧油气开采过程中产出的伴生气来发电，不仅减少了油田的产量，且发电产生的碳排放量巨大。
7.风电：远海风力资源充足，装设风机接入海上油气平台电力系统替代大部分的燃机发电，以减少发电成本与碳排放量。接入风机的同时也要注意系统的稳定性等约束。
8.二氧化碳捕集装置：包括烟气预处理装置、吸收塔、冷凝器、压缩机等装置，在海上油气平台上装设ccus设备，捕集燃机发电与油气开采产生的二氧化碳，实现石油开采流程上接近二氧化碳的零排放。
9.二氧化碳驱油装置：包括压缩机、气泵等设备，将捕集的二氧化碳通过泵打入地层，替代传统的水驱油。使用二氧化碳驱油技术可以增产油田产量，提高油田经济效益。此外，还可以架设管道，从外界输入其他地方固定的二氧化碳用于驱油，帮助外界解决二氧化碳的封存利用问题。
10.2、各部分之间的联系。
11.在海上油气平台的附近装设海上风电，风电与平台上的燃机共同为油气平台供电。同时，在海上平台上装设二氧化碳捕集装置捕集油气开采与燃气发电产生的二氧化碳。海上油气开采采用二氧化碳驱油技术，并装设二氧化碳驱油装置，将捕集到的二氧化碳打入地层来实现二氧化碳驱油。二氧化碳捕集与驱油装置共同构成了ccus设备。
12.远海油田电力系统接入风电后，风电会代替大部分的燃气轮机发电，降低了对化石燃料的燃烧，不仅降低了燃料成本，且节省的燃料(油田开采的伴生气)还可以算作油田的产量。接入ccus设备后，燃机发电与油气开采产生的二氧化碳被固定下来，用于二氧化碳驱油，采用二氧化碳驱油技术较传统水驱油的方法可以增加油田的产量，同时，架设管道从外界输入二氧化碳用于驱油，解决了二氧化碳的封存利用问题，又进一步增加了油田的经济效益。
13.传统油气平台发电与开采会产生大量的碳排放。采用风电后，减少了大部分传统燃机发电所产生的二氧化碳排放量；采用ccus技术后，进一步降低油气开采与剩余的燃机发电产生的碳排放，整个海上油田的碳排放量大大降低，实现低碳化的远海油气平台。具体结构见附图1。
14.3、海上油气平台接入风电与ccus设备的规划方法。
15.以考虑碳排放的电力系统发电成本结合加入ccus设备后油田增产量等的综合成本为目标建立目标函数，研究考虑系统的负荷平衡、电压稳定、线路载流量、海上平台可用面积约束等为约束条件建立规划模型，并采用优化算法对该规划模型进行优化求解。目标函数如下：
16.min f＝c
wind
+c
tur
+c
l
+c
cc
+c
p-o
c-o
oil-ky
ꢀꢀꢀ
(1)
17.以海上油田电力系统年发电综合成本f为目标的目标函数函数包括：风电成本c
wind
；燃气轮机发电成本c
tur
；和电力系统的网损成本c
l
；k为电力系统派出的废气与成本的折算系数，即惩罚系数；c
cc
为碳捕捉及利用成本；y为碳捕捉的二氧化碳量；c
p
为架设二氧化碳运输管道成本；oc为帮助外界消纳固定下的二氧化碳所产生的经济效益，其值由市场价格决定；o
oil
为采用二氧化碳驱油技术增产的油气所带来的经济效益，其值由市场价格决定。
18.约束条件主要包括线路载流量、负荷平衡、电压稳定、平台可利用面积等因素。负荷平衡的约束为：
19.∑p
wi
+∑p
turi
＝l
ꢀꢀꢀ
(2)
20.负荷平衡，即在各个风速场景下，各节点的风机出力p
wi
和燃气轮机出力p
turi
要满足海上油田的总负荷l。二氧化碳的捕捉与利用需要压缩机与气泵的安装，传统油气开采只需要电潜泵的注水来驱油，这些设备的安装使油田负荷发生变化，在规划的优化算法中，电力系统的开采负荷由传统不变的电潜泵负荷变为随算法迭代变化的电潜泵+压缩机、气泵。负荷模型如下：
[0021][0022]
接入风机后，各条线路的载流量si要小于线路所允许的最大值s
imax
，即：
[0023]
si≤s
i max
ꢀꢀꢀ
(4)
[0024]
电压稳定的约束要求各节点电压偏差在允许范围内，表示为：
[0025]ui min
≤ui≤u
i max
ꢀꢀꢀ
(5)
[0026]uimax
、u
imin
分别为节点电压允许的上下限。
[0027]
处于运行状态的发电机组的发电出力必须小于其最大发电能力，如下式所示：
[0028]
p
turi min
≤p
turi,j
≤p
turi max
ꢀꢀꢀ
(6)
[0029]
p
turimax
、p
turimin
为节点i上的燃机所允许的最大、最小出力。
[0030]
ccus的安装，要满足平台可用面积的约束：
[0031]sccus
≤s
p
ꢀꢀꢀ
(7)
[0032]
即安装的ccus装置所占面积s
ccus
要小于平台总可用面积s
p
。
[0033]
采用多目标粒子群算法，求出考虑ccus接入的最低成本下，风机的最优接入容量σxi与ccus设备碳捕捉的二氧化碳量y。具体优化迭代计算过程如图2所示。
附图说明
[0034]
图1为本实施例的结构图。
[0035]
图2为本实施例的优化算法求解流程图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的实施例，都属于本发明的保护范围。
[0037]
实施例1
[0038]
本实施例的目的是对上述技术方案的实施方式及注意要点做进一步举例阐述，如图1具体如下：
[0039]
一种低碳化远海油气平台电力系统及其规划方法，包括以下步骤：
[0040]
1)目标函数的建立；
[0041]
2)约束条件；
[0042]
3)优化迭代计算。
[0043]
以考虑碳排放的电力系统发电成本结合加入ccus设备后油田增产量等的综合成本为目标建立目标函数，研究考虑系统的负荷平衡、电压稳定、线路载流量、海上平台可用面积约束等为约束条件建立规划模型，并采用优化算法对该规划模型进行优化求解。目标函数如下:
[0044]
min f＝c
wind
+c
tur
+c
l
+c
cc
+c
p-o
c-o
oil-ky
[0045]
以海上油田电力系统年发电综合成本f为目标的目标函数函数包括：风电成本c
wind
；燃气轮机发电成本c
tur
；和电力系统的网损成本c
l
；k为电力系统派出的废气与成本的折算系数，即惩罚系数；c
cc
为碳捕捉及利用成本；y为碳捕捉的二氧化碳量；c
p
为架设二氧化碳运输管道成本；oc为帮助外界消纳固定下的二氧化碳所产生的经济效益，其值由市场价格决定；o
oil
为采用二氧化碳驱油技术增产的油气所带来的经济效益，其值由市场价格决定。其中，风电的成本可描述为:c
wind
＝(ce+c
in
+c
rest
)
×
∑xi。
[0046]
其中，ce设备的设备购置费，约占工程成本的50％，对成本的影响较大；c
in
为风机的建筑安装费，约占总成本的35％；c
rest
为其他费用，其它费用包括项目用海用地费、项目建管费、生产准备费等，占总成本约10％。xi为各节点风机的装机容量。
[0047]
燃气轮机所产生的成本为：c
tur
＝f
gas
α∑p
avgi
t+kβ∑p
avgi
t，f
gas
为燃气费用；α为燃气轮机每兆瓦时所耗燃气量；p
avgi
为根据概率潮流得出的各燃气轮机年平均出力；t为燃气轮机寿命周期里使用时间；k为燃气轮机派出的废气与成本的折算系数，即惩罚系数；β为燃气轮机每兆瓦时所排出废气量。
[0048]
网损p
loss
由潮流计算得出，通过折算系数f
l
网损的成本损失表示为：c
l
＝f
l
p
loss
t。
[0049]
碳捕捉的单位成本：c
cc
＝c
eq
+c
rp
+c
eor
，其中，c
eq
为设备购置费用；c
rp
为设备运维费用；c
eor
为二氧化碳驱油所耗成本，包括驱油泵等设备购置费用以及钻井完井成本等。
[0050]
约束条件主要包括线路载流量、负荷平衡、电压稳定、平台可利用面积等因素。负荷平衡的约束为：∑p
wi
+∑p
turi
＝l。负荷平衡，即在各个风速场景下，各节点的风机出力p
wi
和燃气轮机出力p
turi
要满足海上油田的总负荷l。二氧化碳的捕捉与利用需要压缩机与气泵的安装，传统油气开采只需要电潜泵的注水来驱油，这些设备的安装使油田负荷发生变化，在规划的优化算法中，电力系统的开采负荷由传统不变的电潜泵负荷变为随算法迭代变化的电潜泵+压缩机、气泵。负荷模型：
[0051][0052]
接入风机后，各条线路的载流量si要小于线路所允许的最大值s
imax
，即：si≤s
i max
。电压稳定的约束要求各节点电压偏差在允许范围内，表示为：u
i min
≤ui≤u
i max
，u
imax
、u
imin
分别为节点电压允许的上下限。处于运行状态的发电机组的发电出力必须小于其最大发电能力：p
turi min
≤p
turi,j
≤p
turi max
，p
turimax
、p
turimin
为节点i上的燃机所允许的最大、最小出力。ccus的安装，要满足平台可用面积的约束：s
ccus
≤s
p
，即安装的ccus装置所占面积s
ccus
要小于平台总可用面积s
p
。
[0053]
采用多目标粒子群算法，求出考虑ccus接入的最低成本下，风机的最优接入容量σxi与捕集的二氧化碳量y。