[论文解读] Optimised operation of low-emission offshore oil and gas platform integrated energy systems

Harald Svendsen|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2022

Global Energy and Sustainability Research被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于海上油气平台综合能源系统的开源优化模型（Oogeso），通过风能与电池储能的协同运行，实现最优运行并减少二氧化碳排放。研究表明，通过合理配置与控制的风能-燃气混合系统，可实现最高40%的碳排放削减，同时保持系统稳定与运行可靠性。

ABSTRACT

This paper considers the operation of offshore oil and gas platform energy systems with energy supply from wind turbines to reduce local CO2 emissions. A new integrated energy system model for operational planning and simulation has been developed and implemented in an open-source software tool (Oogeso). This model and tool is first presented, and then applied on a relevant North Sea case with different energy supply alternatives to quantify and compare CO2 emission reductions and other key indicators.

研究动机与目标

• 开发一种全面的、开源的优化模型，用于孤立海上油气平台的综合能源系统。
• 评估带电池储能的风能-燃气混合能源系统的运行性能与减排潜力。
• 量化风能渗透率、系统配置与运行策略对排放、成本与稳定性的影响。
• 通过先进控制与能量管理策略，应对风能波动性及换流器接口系统惯性不足的挑战。

提出的方法

• 在开源工具Oogeso中开发了基于混合整数线性规划（MILP）的优化框架，用于海上能源系统的运行规划。
• 采用线性化Weymouth方程与Darcy-Weisbach方程，对燃气与液体管道进行详细物理建模，以表征压强-流量动态特性。
• 通过离散与连续变量对风力涡轮机、燃气轮机、电池与变速驱动装置进行建模，以体现运行灵活性。
• 纳入关键约束条件，包括备用裕度限制、排放速率上限以及设备特定的运行边界，以确保系统安全。
• 在额定运行点附近对非线性流动方程进行线性近似，以高效求解大规模优化问题。
• 将模型应用于北海案例研究，基于真实的平台能源需求与风能可用性，对比多种能源供应情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在孤立海上平台上，何种最优风能渗透率可在维持系统可靠性的同时实现最低排放？
• RQ2 电池储能与灵活负荷在平衡风能波动性与提升系统稳定性方面发挥何种作用？
• RQ3 在风能-燃气混合能源系统中，减排、运行成本与系统配置之间存在何种权衡？
• RQ4 备用裕度与排放速率约束如何影响能源系统的可行运行区域？
• RQ5 在不进行大规模改造的前提下，现有平台基础设施在多大程度上可适应高比例风能？

主要发现

• 研究表明，通过最优配置的风能-燃气混合系统，与传统燃气轮机运行相比，可实现最高40%的二氧化碳排放削减。
• 在类似研究中，约57%的风能渗透率被认定为最优，本研究证实，在合理的能量管理与储能支持下，此类渗透率水平是可行的。
• 电池储能显著提升了系统灵活性，减少了弃风现象，并在风力较低时期增强了系统韧性。
• 当流量保持在额定运行点附近时，线性化管道模型能为运行规划提供准确的近似结果。
• 备用裕度与排放速率约束被证明是塑造可行运行区域的关键因素，对系统设计与调度策略具有重要影响。
• 在具备足够负荷与储能灵活性的前提下，通过合理的控制策略，即使高比例采用换流器接口发电，也能实现电气稳定性。