中亚管道压气站分布式能源系统运行优化

中亚管道压气站分布式能源系统运行优化
段志刚1魏心童2肖俏1秦阳1周鑫1赵炜1
1中油国际管道公司
2中国石油大学（北京）机械与储运工程学院·城市油气输配技术北京市重点实验室
摘要：分布式能源系统具有能源利用率高、能效梯级利用、运行灵活等优点，对实现能源可持续发展有重要意义。

为了提升长输管道压气站的经济效益，从能源结构角度优化可以进一步达到节能降耗的目的。

针对中亚管道某压气站，对分布式能源系统的运行方案进行合理规划，建立了分布式能源系统运行优化的混合整数线性规划（MILP）模型，该模型以分布式能源系统总耗气量最低为目标函数，考虑了系统中不同设备的能量平衡约束以及运行约束，以不同设备的开启方案与选定设备的负荷分配为决策变量。

以中亚管道某压气站为例，应用该模型得出了最优的分布式能源系统运行方案，并通过能耗、经济计算论证了该方案的合理性。

关键词：压气站；分布式能源系统；MILP模型；优化
Operation Optimization of Distributed Energy System in Compressor Station of Central Asia Pipeline
DUAN Zhigang1，WEI Xintong2，XIAO Qiao1，QIN Yang1，ZHOU Xin1，ZHAO Wei1，
1SINO-Pipeline International Company Limited
2College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing）·Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology
Abstract：Distributed energy system has the advantages of high energy utilization，energy efficiency cascade utilization，and flexible operation.It is of great significance to realize the sustainable develop-ment of energy.In order to improve the economic benefits of the compressor station of long-distance pipeline and further achieve the purpose of energy saving and consumption reduction from the perspec-tive of energy structure optimization，this paper makes reasonable planning for the operation scheme of the distributed energy system for a compressor station of Central Asia pipeline，and establishes a Mixed Integer Linear Programming(MILP)model for the operation optimization of distributed energy system.
This model takes the lowest total gas consumption of the distributed energy system as the objective func-tion，the energy balance constraints and operation constraints of different equipment in the system are considered，and the opening scheme of different equipment and the load distribution of selected equip-ment are taken as decision variables.Taking a compressor station of the Central Asia pipeline as an exam-ple，the optimal operation scheme of the distributed energy system is obtained by this model，and the rationality of the scheme is demonstrated by energy consumption and economic calculation.
Keywords：compressor station；distributed energy system；MILP model；optimization
压气站如同天然气长输管线的“心脏”，通过不断加压，保证天然气长距离输送。

在天然气管网整体运行成本中，压气站的自耗气成本占长输天然气管道运行成本的50%以上[1]。

合理配置压气站资源，以能耗最省为目标对压气站进行运行优化可节约大量能源。

目前，针对压气站的能耗优化思路多在算法层面[2-5]，也有学者通过建立数学模型，调整压缩机组的工作参数来达到最小能耗[6-9]，还有部分研究从负荷分析的角度来提升压缩机组的利用率[10-14]。

从优
DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2021.03.002
化能源结构、能源合理分配的角度同样可以进行压
气站能耗的优化，在站场应用分布式能源系统[15-19]
就是一种新的思路。

分布式能源系统是一种以梯级利用、合理分配
为原则的能源系统，能够实现“热电联产”的效
果，一次能源利用效率可达80%～90%，并使二次
能源利用成为可能，有利于降低能耗，提升经济效
益。

近年来，对天然气分布式能源系统的研究成为
热点，如张丽君等[20]针对天然气分布式能源系统进
行了节能减排效益分析，认为分布式能源系统可以
减少可观的碳排放量；为了有效提高能源综合利用
率，张璇哲等[21]对天然气分布式能源系统的“以热
定电”和“以电定热”两种运行模式进行研究，提
出了以“年平均综合利用率”、“热电比”、“供热
比”三个参数作为合理选择系统运行模式的参考定
量指标；而蔡广星等[22]按“以热定电”的原则设计
了油气集输分布式能源系统，并以实例计算证明了
该系统能量利用率较传统方式有所提高；吴洁等[23]
针对小型建筑空间设计了一套燃气分布式能源系
统，该分布式能源系统既可作为独立能源供能，又
可与其他分布式能源共同工作，提升了分布式能源
系统的灵活性；王歆宇[24]对某典型酒店燃气冷热电
分布式供能系统进行了负荷特征分析，对负荷随时
间的波动进行了预测，通过负荷分配提高了分布式
能源系统的能源利用率；李正茂等[25]则强调了自动
化技术的应用，采用天然气分布式发电与网电构成
双电源模式，在某油气田集气站引入了智能管控系
统和能控制三通阀开度的自动控制装置，实现了数
据实时传输，提高了系统的安全性；在能源结构优
化角度上，王宝琳[26]提出最优的运行方式即燃机满
发余热全利用的运行方式，从提高分布式能源系统
的火用效率角度上实现天然气的梯级利用；崔悦等[27]
探讨了油田集输分布式能源系统的构成与节能思路
方面的构建问题，认为我国的燃气分布式能源系统以燃气轮机热电联产方式比较普遍；DAVOR BI S C' AN[28]等从能源利用的角度对长输管道压气站进行
了能耗优化，为了利用站场的热能，引入余热锅炉
进行余热回收，并在经济效益上寻求了火用损失成
本和余热锅炉投资成本的折中。

因此，一个可行的节能降耗思路是将分布式能
源系统中常用的热电联产设备应用于油气集输联合
站和长输管道压气站中，并对设备运行情况、开启
方案策略进行最优化设计。

实际上，燃气发电机组
等设备虽然可以产生热能、电能作为系统供能能
源，但其同样需要与压缩机组共同消耗天然气，燃气发电机组的设备选型、运行台数确定就至关重要。

站场系统的能耗量不仅与能源结构有关，与设备开启的方案策略也有关[29]。

为保证在应用多种能源形式的过程中分布式能源系统能够稳定运行，并且尽可能减少资源浪费，从整体上提升经济效益，在保证该分布式能源系统的能量输出与压气站的能量消耗相平衡的前提下，需要对不同分布式能源系统运行方案进行比选，并对不同的机组进行开机、停机选择，在选定机组之间进行负荷分配的优化，从而在满足各种约束条件的前提下，能够保证能耗最省。

因此，本文构建了压气站分布式能源系统，以能量流向平衡和设备运行为约束建立了混合整数线性规划（MILP）模型，对采用分布式能源系统为供能结构的压气站的运行方案进行优化。

1问题描述
中亚输气管道某压气站共3条管道，采用AB/C 线并排敷设。

其中AB线共用沿线的压气站，可以近似于同一个水力系统；C线是一个独立的水力系统。

WKC1是AB线的首站，UCS1是C线的首站。

由于两个站相隔只有500m左右，所以有能源优化的空间。

WKC1站场共5台压缩机组、3台燃气机发电机组，目前现场工作时（下文称为方案一，流程如图1所示）运行2台GE压缩机组、2台GE燃气发电机组，余下1台GE压缩机组、2台SOLAR 压缩机组和1台GE燃气发电机组作为备用。

UCS1站场共4台压缩机组、4台燃气发电机组，工作时运行1台SOLAR压缩机组、1台KAT燃气发电机组，余下3台SOLAR压缩机组、3台KAT燃气发电机组作为备用。

压气站设备参数见表1。

由于站场
上所有压缩机组和发电机组均为燃气机组，燃烧后的气体直接排放，不仅造成能源浪费，还影响生态环境。

图1方案一压气站系统能源流向示意图
Fig.1Compressor station system energy flow diagram of SchemeⅠ该分布能源系统由输入能源模块（天然气）、能源转换与储存装置模块（燃气发电机组、燃气压缩机组）、电能需求模块（生活生产用电、电驱压
缩机组）三个模块组成。

该系统的输入能源为天然气，输出能源为电能，中间能源为燃气发电机组、燃气压缩机组产生的热能。

通常情况下WKC1站运行2台GE 压缩机组和2台发电机组；UCS1站运行1台压缩机组和1台发电机组。

现拟投资1.2亿元人民币进行改造，加入1套蒸汽轮机回收两个站的余热用于发电（下文称为方案二，流程如图2所示），驱动电驱压缩机组。

将燃气发电机组、蒸汽轮机用于系统中，天然气流入燃气发电机组中，连续流动的天然气为工质带动叶轮高速旋转，将天然气的化学能部分转化为机械功，并输出电功，而从透平中排出的高温废气排至蒸汽轮机入口，即将热能流向蒸汽轮机。

压缩机组出口的温度常超过400℃，使蒸汽轮机利用压缩机组高温排气携带的这部分热能也被蒸汽轮机高效利用。

蒸汽轮机中的蒸汽在涡轮内膨胀推动涡轮做功，完成了热能—动能—电能的转化。

而这种分布式能源的结构，实现了热电联产[30]，有利于能源的多级利用，提升了能源的利用效率。

方案二的能源结构框架如图2所示。

与方案一不同的是，燃气发电机组和蒸汽轮机产生的电能用
来满足系统的电能需求。

图2
方案二、方案三压气站系统能源流向示意图
Fig.2Compressor station system energy flow diagram of Scheme
Ⅱ，Ⅲ
在某些来气量较小的时期，WKC1站场只需开启1台GE 压缩机组和1台SOLAR 压缩机组、UCS1站场开启1台SOLAR 压缩机组即可（下文称方案三，流程如图2所示），考虑同样采用方案二的用能方式并驱动电驱压缩机组。

下文将对三种方案进行运行优化，并对方案一与方案二进行能耗对比
分析。

2模型建立
系统模型由几组节点组成。

一个站场可以包括
一个或多个管道水力系统，为了区分这些管道系统，以i ∈I ={}1，2，⋯，i max 表示各管道系统节点。

除此之外，模型还包括各压缩机组节点j ∈J ={}1，2，⋯，j max ，各燃气发电机组节
点k ∈K ={}1，2，⋯，k max 。

已知不同规格设备的技术参数、压气站的电能需求，考虑了能量平衡约束和设备运行约束[31]，以各压缩机组的实际耗气量、热能输出量，各燃气发电机组的开启状态、实际耗气量、电能输出量、热能输出量，以及汽轮机的开启状态、热能输入量、电能输出量为决策变量，以所有管道系统的天然气消耗量最低为目标函数，建立MILP 模型。

对该模型求解，即可得到压气站分布式能源系统的最佳运行方案。

2.1
目标函数
以设备的开启、关闭运行状态的选取为决策变量，以所有管道系统的天气消耗量最低为目标函数，建立压气站分布式能源系统优化模型。

保证各个约束条件满足的情况下，目标函数可以表示为
min f =∑i
P GAS i Δt
（1）
式中：P GAS i 为i 管道系统的天然气消耗量，kg；Δt
为模型的时间步长，h。

2.2约束条件2.2.1
能量平衡约束
（1）一个站场中可以包括多个管道系统，对于每个管道系统而言，每小时天然气的消耗量等于所有燃气发电机组与压缩机组的输入能量，公式为
P GAS i =∑k
P GTIN i ,k +∑j
d COGA i ,j
∀i （2）
式中：P GTIN i ,k 为i 管道系统的k 燃气发电机组每小
表1
压气站场设备参数
Tab.1Equipment parameters of compressor
station
设备燃气压缩机组
GE SOLAR 额定功率/kW 3000015000最低运行功率/kW 压缩机组需天然气量/(kg·h -1)40152030
效率/%3535
发电率/%产热率/
%9090WKC1站场设备数量32UCS1站场设备数量
04
时的天然气输入量，kg；d COGA i ,j 为i 管道系统的j 压缩机组每小时的耗气量，kg。

（2）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，每小时输出的电能与输入气量、天然气热值、发电效率有关，公式为
P GTOUTE i ,k =ηGTE i ,k ·ϑ·P GTIN i ,k ′
∀i ，k
（3）
式中：P GTOUTE i ,k 为i 管道系统的k 燃气发电机组每小时的电能输出量，kW；ηGTE i ,k 为i 管道系统的k
燃气发电机组的发电率；ϑ为天然气热值，kW·h/kg。

（3）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，每小时的输出热能与输入气量、天然气热值、产热率有关，公式为
P GTOUT Si ,k =ηGT Si ,k ·ϑ·P GTIN i ,k ′
∀i ，k
（4）
式中：P GTOUT Si ,k 为i 管道系统的k 燃气发电机组每小时的热能输出量，kW；ηGT Si ,k 为i 管道系统的k
燃气发电机组的产热率。

（4）对于每个管道系统的压缩机组而言，每小时的输出热能与输入气量、天然气热值、效率和产热率有关，公式为
P COOUT Si ,j =æèçö
ø
÷P COEL i ,j ηCOEL i ,j -P COEL i ,j ηCOS i ,j
∀i ，j
（5）
式中：P COOUT Si ,j 为i 管道系统的j 压缩机组每小时的热能输出量，kW；P COEL i ,j 为i 管道系统的j 压缩机组每小时的额定电功率，kW；ηCOS i ,j 为i 管道系统的j 压缩机组的产热率；ηCOEL i ,j 为i 管道系统的j 压缩机组的效率。

（5）对于蒸汽轮机而言，每小时的热能输入量等于所有燃气发电机组和压缩机组的热能输出量，公式为
P STIN ≤∑i
∑k
P GTOUTS i ,k +∑i ∑j P COOUTS i ,j （6）
式中：P STIN 为蒸汽轮机每小时的热能输入量，kW。

（6）对于蒸汽轮机而言，每小时的输出电能与输入热能、发电效率有关，公式为
P STOUTE =ηSTE ·P STIN
（7）
式中：P STOUTE 为蒸汽轮机每小时的电能输出量，kW；以ηSTE 为蒸汽轮机的发电率。

（7）对于两个站场系统而言，天然气发电机和蒸汽轮机产生的电能可用于生活、生产、电驱压缩机组，公式为
∑i
∑k
P
GTOUTE i ,k
+P STOUTE =∑i
∑j
d COEL i ,j +∑i
d LIEL i +∑i
d PREL i
（8）
式中：d COEL i ,j 为i 管道系统的j 压缩机组每小时的电功率，kW；d LIEL i 为i 管道系统每小时的生活所需电功率，kW；d PREL i 为i 管道系统每小时的生产所需电功率，kW。

2.2.2
设备运行约束
（1）对于每个管道系统的燃气发电机组而言，其运行功率不得超过相应额定功率。

若其处于运行状态
()B
GT i ,k
=1，其运行功率不得低于相应下限。

B GT i ,k ·γGT i ,k ≤P GTOUTE i ,k ≤B GT i ,k ·s GT i ,k
∀i ，k
（9）
式中：s GT i ,k 为i 管道系统的k 燃气发电机组每小时的额定功率，kW；γGT i ,k 为i 管道系统的k 燃气发电机组每小时的最低运行功率，kW。

以二元变量B GT i ,k 判断i 管道系统的k 燃气发电
机组是否处于运行状态：若该燃气发电机组处于运行状态，则B GT i ,k =1；否则，B GT i ,k =0。

（2）对于蒸汽轮机而言，其运行功率不得超过
相应额定功率。

若其处于运行状态()B ST =1，其运行功率不得低于相应下限。

B ST ·γST ≤P STOUTE ≤B ST ·s ST
（10）
式中：s ST 为蒸汽轮机每小时的额定功率，kW；γST 为蒸汽轮机每小时的最低运行功率，kW。

以二元变量B ST 判断蒸汽轮机是否处于运行状
态：若该蒸汽轮机处于运行状态，B ST =1；否则，B ST =0。

2.3
模型求解
基于Inte(R)Core(TM)i7-9750H CPU @2.60GHz 处理器环境下，用GAMS Studio win6430.2.0编程建立了MILP 模型，并使用CPLEX 12.7求解器进行求解。

3
算例分析
3.1
算例基础数据
建立MILP 模型，设置时间步长Δt 为1h。

目
前输入压气站的天然气热值为13.78kWh/kg。

已知该压气站的每小时每个管道系统的消耗情况如下：WKC1系统生活所需电功率为100kW，生产所需电功率为1000kW；UCS1系统的生活所需电功率为0，生产所需电功率为600kW。

3.2
对比求解
对三个方案进行对比，UCS1和WKC1两个压气站组成的系统电能共用，认为燃气压缩机组每小时的耗气量不变。

选择额定功率为20000kW，最
低运行功率为2000kW，发电率为20%的蒸汽轮机。

将以上参数输入模型，对两种不同的分布式能源系统中不同时间段的设备开启方案策略进行最优化处理，比较两种能源结构的耗气情况。

3.2.1三种方案下的最优运行结果
方案一运行状况见表2。

WKC1站运行2台GE 燃气压缩机组，2台GE燃气发电机组；UCS1站运行1台燃气压缩机组，1台KAT燃气发电机组。

表2方案一的运行状况
Tab.2Operating status of Scheme I
站场
WKC1 UCS1
压缩机组数
GE
30MW
2（燃驱）
SOLAR
15MW
1（燃驱）
燃气发电机组数
GE
1415kW
2
KAT
1000kW
1
方案二运行状况见表3。

该功率为20000kW 的蒸汽轮机利用燃气压缩机组出口的热能发出的电就已经可以满足站场的生活、生产电能消耗，并可利用产生的电能，将UCS1站场1台功率为15MW 的燃驱SOLAR燃气压缩机组的供能方式改为电驱。

该方案中站场的燃气发电机组可全部撤下。

表3方案二的运行状况
Tab.3Operating status of SchemeⅡ
站场
WKC1 UCS1
压缩机组数
GE
30MW
2（燃驱）
SOLAR
15MW
1（电驱）
燃气发电机组数
GE
1415kW
KAT
1000kW
蒸汽
轮机台数
1
方案三运行状况见表4。

在WKC1站场中开启2台GE燃气发电机组，UCS1管道系统中的燃气发电机组全部撤下，两个站场的燃气压缩机组和发电机组的热量共同驱动蒸汽轮机运行为最优运行方案。

该方案利用燃气发电机组和蒸汽轮机产生的电能，同样可在满足站场生活、生产电能消耗的情况下，在UCS1站场以电驱方式驱动1台功率为15MW的SOLAR燃气压缩机组。

表4方案三的运行状况
Tab.4Operating status of SchemeⅢ
站场
WKC1 UCS1
压缩机组数
GE
30MW
1（燃驱）
SOLAR
15MW
1（燃驱）
1（电驱）
燃气发电机组数
GE
1,415kW
2
KAT
1,000kW
蒸汽
轮机台数
1
3.2.2能耗计算
由目标函数的优化计算结果分析可知，方案一的耗气量为10346.7kg/h，方案二的耗气量为8030.6kg/h，方案三的耗气量为6378kg/h。

方案二较现场目前采用的方案一每小时节约22.4%的天然气。

经计算，与方案一相比，采用方案二的分布式能源系统可为该压气站场节省天然气20289.04t/a。

查当地天然气价格为2.55元/m3，换算为1.97元/kg，计算可得节省的耗气费用为39969400元。

这是因为方案二中将燃气压缩机组、燃气发电机组的高温尾气携带的热能得以利用，将UCS1站场的1台SOLAR燃气压缩机组以电驱方式供能，从而降低了耗气量。

对比拟投入的1.2亿元资金，得出方案二预计在3年内可以将投入的资金回收。

4结论
（1）在能量平衡和设备运行的约束下，以所有管道系统的天然气消耗量最低为目标函数，通过建立求解压气站分布式能源系统的混合整数线性规划模型，对压气站在不同时间段内的运行方案进行了优化选取。

（2）针对中亚天然气管道某压气站场的耗气比较，改进了当前站场采用的方案，可为该站场节省20289.04t/a的耗气，即3996.94万元的耗气费用，约3年可以将投资回收。

证明了以该分布式能源系统模型优化得出的运行方案节能效果较好，实现了能量梯级利用、高效利用，对进一步改善压气站经济效益、促进节能减排具有重要意义。

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作者简介
段志刚：工程师，博士，2017年博士毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，从事长输管道与油气田集输相关工作，138****5609，*********************.cn，北京市朝阳区安定路5号，100029。

收稿日期
2020-11-04
（编辑
焦晓梅）
（上接第6页）
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作者简介
姜俊兴：工程师，2003年毕业于河北工业大学工商管理专业，从事长输油气管道建设、项目管理及相关研究工作，133****1111，********************，河北省廊坊市爱民东道158号，065000。

收稿日期
2020-12-07
（编辑
焦晓梅）。