摘 要

海上油气平台群是集能源生产、传输、消耗为一体的电-气-热综合能源系统，其能源密集、所处环境复杂，保证其高效、经济、环保、稳定地运行，对于海洋资源的开发和研究具有重要意义。

首先，本文借鉴综合能源系统规划相关研究，聚焦于海上油气平台，建立考虑电-气-热多能耦合的海上综合能源系统，构建以污染气体排放成本、天然气放散量为目标函数，以电、气、热网络平衡等作为约束，接入可再生能源和电转气技术，考虑风力发电以及电负荷的不确定性并使用机会约束规划（chance constrained programming，CCP）表征的多目标规划模型。

接着，本文使用改进的混合约束处理策略-NSGA-Ⅱ遗传算法求解模型，通过对等式约束的降维、新个体的修复、违反量的归一化处理步骤，合理地简化、优化了海上油气平台综合能源系统复杂的约束条件。

最后，进行算例分析，通过对算法所求解的分析，对比不同优化方案的优化结果，论证了本文所提模型的经济性与环保性。

关键词：海上油气平台；综合能源系统；机会约束规划；NSGA-Ⅱ；多目标规划

Abstract

The offshore oil and gas platform group is an electric-gas-thermal integrated energy system that integrates energy production, transmission and consumption. It is energy-intensive and has a complex environment to ensure its efficient, economical, environmentally friendly and stable operation, which is of great significance to the development and research of Marine resources.

First, this paper, referring the research of integrated energy system, focusing on the sea oil and gas platform, set up considering electric - gas -thermal coupled offshore integrated energy system focusing on the sea oil and gas platform, set up considering electric heat - gas - pluripotent coupled sea integrated energy system. A multi-objective planning model is constructed, which takes the emission cost of polluting gas and natural gas emission as the objective function, and takes the balance of electricity, gas and thermal network as the constraint, and integrates renewable energy and power to gas technology, considering the uncertainty of wind power generation and electric load, and using the expression of chance constrained programming.

Then, this article uses the improved hybrid constraints handling strategy- NSGA-Ⅱ genetic algorithm to solve the model. Besides, by dimensionality Reduction for the equality constraints, repairing new individual and normalization sum process in selection. the complex constraint conditions of integrated energy systems for offshore oil and gas platforms are simplified and optimized reasonably.

Finally, by analyzing the solution and comparing the optimization results of different optimization schemes. the economy and environmental protection of the model are demonstrated.

Keywords: Offshore oil and gas platforms; Integrated energy systems; Chance constrained programming; NSGA-II; Multi-objective programming

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 4

1.3 本章小结 5

第2章 海上油气平台群综合能源系统模型 7

2.1 海上油气平台群基本构架 7

2.2 系统模型 8

2.2.1 目标函数 9

2.2.2 电力系统模型 10

2.2.3 天然气系统模型 12

2.2.4 热力系统模型 13

2.2.5 耦合环节 13

2.2.6不确定性分析 15

2.3 本章小结 15

第3章 面向OMIES混合约束处理策略NSGA-Ⅱ算法 17

3.1 标准NSGA-Ⅱ 17

3.2 混合约束处理策略 19

3.2.1 OMIES等式约束的降维与转化 19

3.2.2 OMIES新个体的修复过程。 19

3.2.3 OMIES选择中的归一化和加权过程 20

3.2.4 混合约束处理策略-NSGAII优化程序 20

3.3 本章小结 22

第4章 算例分析 23

4.1 海上油气平台综合能源系统节点分析 23

4.2 海上油气平台综合能源负荷预测与Pareto最优解 24

4.3 海上油气平台综合能源系统两种方案的对比 26

4.4 本章小结 30

第5章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

能源是社会发展的物质基础，现代社会中一切经济发展、生活活动都离不开能源的供给。近年来，石油、煤炭为主的不可再生的传统能源日渐紧缺，环境问题愈发严峻。如今能源结构的主体仍然是化石能源，且其在短期乃至较长期限内仍是我们生存发展的基础。在我国国家发展改革委、国家能源局关于印发《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》的通知中明确提出清洁能源是能源转型发展的重要力量。可再生能源是除核能外的主要清洁能源，对于以可再生能源为主的清洁能源的合理、大规模的消纳对国民生计、能源的转型、社会的发展都有着极大的积极作用。在我国，不仅政策倾向于能源转型的推动，具体的企业也在谋求新的能源战略，2019年国家电网提出了“三型两网”的战略意在建设世界一流的能源互联企业，这昭示着不仅对于国民，企业也必须在新的能源发展阶段中，向着能源的利用方式、清洁能源的消纳、能源互联的优化等方向积极地发展于改进。《BP世界能源统计年鉴2019年》指出全球能源消费和使用能源过程中产生的碳排放在2018年的增速达到了2.0%，这一增速达到了近7年的峰值，全球电力需求增速创下20年最高记录，为3.7%。能源与我们的生活、与社会的发展越来越紧密，我们对于能源的需求也在以越来越快的增速膨胀。与之相对，即使可再生能源的比重在10年间扩大三倍达到9%，也远远不足以追上我们对于能源需求、碳排放的增速。且在不同的地域之中，可再生能源的比例差异巨大，欧洲的可再生能源比例约为世界均值的两倍，经济发达区域对于可再生能源的使用远远高于欠发达地区，但与之矛盾，无论是发展中国家、还是发达国家对于能源的需求都越来越高、增速也越来越快。如今必须提高两倍以上的可再生能源增速才能弥补碳排放量的增速。报告直言：我们正走在一条不可持续的陆上。发展新的能源利用方式，实现能源转型刻不容缓。我们迫切地需要一种高效率、清洁、环保、可以大规模消纳可再生能源，可以综合规划、多能协调的能源系统，综合能源系统作为一种集成供电／供气／供暖／供冷／供氢／电气化交通等的能源系统极好地满足了我们的需求，其在提升能源利用率、消纳可再生能源的的同时，打破了不同品种能源之间的壁垒，让系统内各能互补，协调运行与规划。我国综合能源的利用最早可追溯到上世纪80年代的热电联产，其也是一种综合能源利用方式。在电网、天然气网络不断发展、完备的基础下，能源的供应由单一转向多品种，多元化。欧洲最早提出了综合能源系统的概念，并以此为方向开展研究，投入实际生产中。早在2001年，美国便推出综合能源发展计划，其目的在于提高清洁能源消纳、多能源的利用效率、促进分布式能源发展。2007年美国的能源独立和安全法规定社会主要供、用能环节必须开展综合能源规划。综合能源系统对于加拿大是2050减排的重要技术方案，而我国的综合能源系统发展仍在较为初步阶段，国内的综合能源系统绝大多数都是以天然气为能源供应的冷热电三联产。综合能源系统的本质是一种广泛接入可再生能源，以电网为核心，与天然气、热（冷）等能源网络相连的系统，可以生成相应的数据中心，进行相应的优化调度，“一站”式供给区域的电、气、热（冷）能源。示意图如图1.1。