一種海洋平臺發電優化和二氧化碳減排方法與流程
本發明涉及電氣信息技術領域，尤其涉及一種海洋平臺發電優化和二氧化碳減排方法。
背景技術：
傳統的海洋平臺發電通常只考慮天然氣(或柴油)等單一燃料輸入到燃氣輪機發電，并排放出與負荷相應的二氧化碳。提高其能量利用效率包括提所高輸入天然氣的熱值和改善燃氣輪機的發電效率兩個方面。然而，燃氣輪機的發電轉換效率提高到一定值之后，就非常難再有很大的提高；同時，傳統發電的方法沒有對二氧化碳這一重要溫室氣體進行約束考慮。在經濟結構迫切改變的局勢下，各國對于二氧化碳的排放提出了嚴苛的規范，我國也設定了單位gdp的二氧化碳排放峰值，所以傳統的海洋平臺發電模式已經不能滿足節能減排的需求。
如今，傳統化石能源因過度開發，而面臨著枯竭的危險。而且，化石能源燃燒后排放的二氧化碳、二氧化硫等溫室酸性氣體已經給環境造成了很大的壓力。所以近年新型能源的研究課題成為熱門，例如，風能電、太陽能發電、潮汐能發電等。但是這幾種流行的新型發電方式都各有其相應的缺點和不足，比如風力發電的不穩定性、太陽能發電的成本太高等。特別地，面臨更多復雜環境影響的海洋平臺要采用上述新型能源的難度將更大，成本也更高，所以采用新的發電優化模式和燃料分配非常必要。
能量效率的分析方法有很多，例如，基于傳統的熱力學第一定律的能效評估方法、火用分析的方法等。火用分析的方法雖然能很好地從物質的角度評估出能量效率，但由于反應的物理過程模糊且不可逆，導致計算過程很難做到清晰，所以此分析方法效率提高很難。相對而言，依照熱力學第一定律建立的計算方程式雖然能夠較為準確地計算出系統的能量效率，但是無法約束能量流動的方向。
技術實現要素：
本發明的目的之一至少在于，針對上述現有技術存在的問題，提供一種海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法，其適用于輸入能源分配、能量流動方向約束、排放限制等多目標優化，且內部能源結構計算過程清晰，能量流動方向明確，能夠實現新型能源輸入、多重能源的相互制約，準確地實現節能減排目標。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法，其包括：
建立海洋平臺發電模型，其包括天然氣燃氣輪機、氫氣燃氣輪機、二氧化碳預處理裝置、二氧化碳存儲裝置、電能存儲裝置；
設置多目標函數，其中，多目標函數至少包括第一目標函數和第二目標函數；
確定約束條件；
求解第一目標函數和第二目標函數在約束條件下的最優解，獲取海洋平臺發電模型的設計參數。
優選地，上述第一目標函數為輸入的發電能源總成本tcinput＝a·ph+b·(pg1+pg2)小于預設閾值，其中，a為單位體積的氫氣價格，b為單位體積的天然氣價格，ph為輸入的氫氣總量，pg1為輸入二氧化碳預處理裝置的天然氣量，pg2為輸入天然氣輪機的天然氣量。
優選地，上述第二目標函數為二氧化碳和電能存儲成本
優選地，上述海洋平臺發電模型的系統矩陣
優選地，上述約束條件為
優選地，上述輸出矩陣
優選地，上述方法包括通過多目標遺傳優化算法求解第一目標函數和第二目標函數在約束條件下的最優解。例如，上述多目標遺傳優化算法可以為帶有精英策略的非支配排序遺傳算法nsga-ii，或者也可以采用nsga、spea、spea2、paes、pesa等多目標優化算法。
優選地，上述方法獲取的海洋平臺發電模型的設計參數包括：氫氣的輸入總量ph滿足0≤ph≤1000；天然氣輸入總量pg滿足0≤(pg＝pg1+pg2)≤1500；且天然氣的分配系數α滿足0≤α≤1。
優選地，上述約束條件進一步包括二氧化碳約束排放量限制和相應時刻的電負荷上限。
綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明至少具有以下有益效果：
通過優化輸入能源的最優分配同時考慮二氧化碳排放的最優存儲，采用多目標優化對平臺進行優化，其適用于輸入能源分配、能量流動方向約束、排放限制等多目標優化，且內部能源結構計算過程清晰，能量流動方向明確，能夠實現新型能源輸入、多重能源的相互制約，準確地實現節能減排目標。
附圖說明
圖1是根據本發明一實施例的海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法的流程示意圖。
圖2是根據本發明一實施例的海洋平臺發電模型的結構示意圖。
圖3是根據本發明一實施例的海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法與傳統方法的效果對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明，以使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
如圖1所示，根據本發明一實施例的海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法包括如下步驟：
步驟101：建立海洋平臺發電模型
參考圖2示出的根據本發明一實施例的海洋平臺發電模型結構，其包括天然氣燃氣輪機gt、氫氣燃氣輪機ht、二氧化碳預處理裝置pre-co2、二氧化碳存儲裝置co2-storage、電能存儲裝置e-storage。其中，氫氣輸入氫氣燃氣輪機ht后所產生的電能分為三部分，一部分用于第一電能負荷，一部分用于維持二氧化碳預處理裝置的運轉，另一部分存儲于第一電能存儲裝置。天然氣經過分配，按照分配系數α分別輸入二氧化碳預處理裝置pre-co2和天然氣燃氣輪機gt。天然氣輸入天然氣燃氣輪機gt后所產生的電能一部分用于第二電能負荷，一部分存儲于第二電能存儲裝置。在一些實施例中，第一電能負荷與第二電能負荷可以相同或者不同，第一、第二電能存儲裝置也可以相同或者不同。天然氣輸入二氧化碳預處理裝置pre-co2后產生部分氫氣，其也被輸入氫氣燃氣輪機ht用于發電，且二氧化碳預處理裝置所需的電能由氫氣燃氣輪機ht提供。
天然氣燃氣輪機gt和二氧化碳預處理裝置所產生的二氧化碳除去預設排放量的部分，其他部分才捕捉存儲在二氧化碳存儲裝置中。上述海洋平臺發電模型將二氧化碳排放量作為抑制，并使用傳統能源與清潔能源聯合供電，以便實現發電模型的聯合優化，從而使二氧化碳排放量在預設的規定范圍之內。
在優選的實施例中，可以使用系統矩陣c來表示海洋平臺發電模型內部結構。例如，系統矩陣
步驟102：設置多目標函數
其中，多目標函數至少包括第一目標函數和第二目標函數。
例如，第一目標函數可以為輸入的發電能源總成本小于預設閾值，可以使用tcinput＝a·ph+b·(pg1+pg2)表示輸入的發電能源總成本，其中，a為單位體積的氫氣價格(例如，5000元每立方米)，b為單位體積的天然氣價格(例如，3元每立方米)。進一步使用輸入矩陣
第二目標函數可以為二氧化碳和電能存儲成本小于預設閾值，例如，可以使用
步驟103：確定約束條件
在優選的實施例中，約束條件可以為多個，例如輸入的氫氣總量的上限
其中，l為輸出矩陣，c為系統矩陣，戶為輸入矩陣，α為天然氣的分配系數，取值范圍在0與1之間。
步驟104：求解第一目標函數和第二目標函數在約束條件下的最優解，獲取海洋平臺發電模型的設計參數
在預先設定電能負荷和上述約束條件的情況下，根據輸入矩陣p與系統矩陣c之乘積可得輸出矩陣l。根據海洋平臺發電模型的場景參數、歷史負荷變化、二氧化碳規定排放量、以及能量守恒定律可以確定輸出矩陣
可得
其中，lelectric為電能負荷，
進一步地，可以通過多目標遺傳優化算法求解第一目標函數和第二目標函數在約束條件下的最優解，例如，帶有精英策略的非支配排序遺傳算法nsga-ii，該方法通過快速非支配排序循環和精英策略，可以在不需要指定參數的情況下，獲取比其他算法更為平滑的邊界值。
最終獲取海洋平臺發電模型的優化設計參數：氫氣的輸入總量ph滿足0≤ph≤1000；天然氣輸入總量pg滿足0≤(pg＝pg1+pg2)≤1500；且天然氣的分配系數α滿足0≤α≤1。
參考圖3所示的根據本發明一實施例的海洋平臺發電優化和二氧化碳減排的方法與傳統方案的總成本對比圖。其中，橫軸為根據一天24小時的海洋平臺用電量需求的不同所劃分的24個時間分組，單位為小時。每個分組對應一個縱軸上相應的電能負荷上限(例如，分別為6、5.4、4.5、4.5、5.4、6.3、11.1、12、12.9、12.9、14.7、18、15.6、15、15、15、15、15、15.6、11.1、11.1、11.1、6.6、6.6兆瓦)，通過本發明所公開的方法，在以二氧化碳約束排放量為1000千克的排放限制和相應時刻的電負荷上限的情況下，所獲取的系統設計參數氫氣的輸入總量、天然氣輸入總量以及天然氣分配系數能夠實現系統的總成本最優。
如圖3所示，通過上述技術方案所獲取的海洋平臺發電模型的總成本在滿足二氧化碳排放限制的前提下明顯低于傳統方案，不僅有效地節約了成本，且能量流動方向明確。上述方案不僅適用于輸入能源分配、能量流動方向約束、排放限制等多目標優化，且內部能源結構計算過程清晰，能夠實現新型能源輸入、多重能源的相互制約，準確地實現節能減排目標。
以上所述，僅為本發明具體實施方式的詳細說明，而非對本發明的限制。相關技術領域的技術人員在不脫離本發明的原則和范圍的情況下，做出的各種替換、變型以及改進均應包含在本發明的保護范圍之內。
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