本發(fā)明涉及電氣信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)化和二氧化碳減排方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)發(fā)電通常只考慮天然氣(或柴油)等單一燃料輸入到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，并排放出與負(fù)荷相應(yīng)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?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率兩個(gè)方面。然而，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率提高到一定值之后，就非常難再有很大的提高；同時(shí)，傳統(tǒng)發(fā)電的方法沒(méi)有對(duì)二氧化碳這一重要溫室氣體進(jìn)行約束考慮。在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)迫切改變的局勢(shì)下，各國(guó)對(duì)于二氧化碳的排放提出了嚴(yán)苛的規(guī)范，我國(guó)也設(shè)定了單位gdp的二氧化碳排放峰值，所以傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)發(fā)電模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足節(jié)能減排的需求。

如今，傳統(tǒng)化石能源因過(guò)度開(kāi)發(fā)，而面臨著枯竭的危險(xiǎn)。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(jīng)給環(huán)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(mén)，例如，風(fēng)能電、太陽(yáng)能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等。但是這幾種流行的新型發(fā)電方式都各有其相應(yīng)的缺點(diǎn)和不足，比如風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性、太陽(yáng)能發(fā)電的成本太高等。特別地，面臨更多復(fù)雜環(huán)境影響的海洋平臺(tái)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(fā)電優(yōu)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(tǒng)的熱力學(xué)第一定律的能效評(píng)估方法、火用分析的方法等?；鹩梅治龅姆椒m然能很好地從物質(zhì)的角度評(píng)估出能量效率，但由于反應(yīng)的物理過(guò)程模糊且不可逆，導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程很難做到清晰，所以此分析方法效率提高很難。相對(duì)而言，依照熱力學(xué)第一定律建立的計(jì)算方程式雖然能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出系統(tǒng)的能量效率，但是無(wú)法約束能量流動(dòng)的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一至少在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)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(dòng)方向約束、排放限制等多目標(biāo)優(yōu)化，且內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程清晰，能量流動(dòng)方向明確，能夠?qū)崿F(xiàn)新型能源輸入、多重能源的相互制約，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)化和二氧化碳減排的方法，其包括：

建立海洋平臺(tái)發(fā)電模型，其包括天然氣燃?xì)廨啓C(jī)、氫氣燃?xì)廨啓C(jī)、二氧化碳預(yù)處理裝置、二氧化碳存儲(chǔ)裝置、電能存儲(chǔ)裝置；

設(shè)置多目標(biāo)函數(shù)，其中，多目標(biāo)函數(shù)至少包括第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)；

確定約束條件；

求解第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)在約束條件下的最優(yōu)解，獲取海洋平臺(tái)發(fā)電模型的設(shè)計(jì)參數(shù)。

優(yōu)選地，上述第一目標(biāo)函數(shù)為輸入的發(fā)電能源總成本tcinput＝a·ph+b·(pg1+pg2)小于預(yù)設(shè)閾值，其中，a為單位體積的氫氣價(jià)格，b為單位體積的天然氣價(jià)格，ph為輸入的氫氣總量，pg1為輸入二氧化碳預(yù)處理裝置的天然氣量，pg2為輸入天然氣輪機(jī)的天然氣量。

優(yōu)選地，上述第二目標(biāo)函數(shù)為二氧化碳和電能存儲(chǔ)成本小于預(yù)設(shè)閾值，其中，selectric為電能的存儲(chǔ)量，為二氧化碳的存儲(chǔ)量，a為存儲(chǔ)每一單位電能所需要的硬件成本，b為存儲(chǔ)每一單位二氧化碳所需要的硬件成本。

優(yōu)選地，上述海洋平臺(tái)發(fā)電模型的系統(tǒng)矩陣其中，η^ht為氫氣燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，η^gt為天然氣燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，為預(yù)處理的氫氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，為預(yù)處理的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，為燃?xì)廨啓C(jī)二氧化碳轉(zhuǎn)化系數(shù)。

優(yōu)選地，上述約束條件為其中，l為輸出矩陣，p為輸入矩陣為輸入的氫氣總量ph的上限、為輸入的天然氣總量pg的上限，α為天然氣的分配系數(shù)。

優(yōu)選地，上述輸出矩陣其中，lelectric為電能負(fù)荷，為二氧化碳預(yù)處理器所需的電能，selectric為電能的存儲(chǔ)量，lemission為經(jīng)過(guò)限制的預(yù)設(shè)二氧化碳排放量，為二氧化碳的存儲(chǔ)量。

優(yōu)選地，上述方法包括通過(guò)多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法求解第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)在約束條件下的最優(yōu)解。例如，上述多目標(biāo)遺傳優(yōu)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(biāo)優(yōu)化算法。

優(yōu)選地，上述方法獲取的海洋平臺(tái)發(fā)電模型的設(shè)計(jì)參數(shù)包括：氫氣的輸入總量ph滿(mǎn)足0≤ph≤1000；天然氣輸入總量pg滿(mǎn)足0≤(pg＝pg1+pg2)≤1500；且天然氣的分配系數(shù)α滿(mǎn)足0≤α≤1。

優(yōu)選地，上述約束條件進(jìn)一步包括二氧化碳約束排放量限制和相應(yīng)時(shí)刻的電負(fù)荷上限。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

通過(guò)優(yōu)化輸入能源的最優(yōu)分配同時(shí)考慮二氧化碳排放的最優(yōu)存儲(chǔ)，采用多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，其適用于輸入能源分配、能量流動(dòng)方向約束、排放限制等多目標(biāo)優(yōu)化，且內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程清晰，能量流動(dòng)方向明確，能夠?qū)崿F(xiàn)新型能源輸入、多重能源的相互制約，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)化和二氧化碳減排的方法的流程示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)化和二氧化碳減排的方法與傳統(tǒng)方法的效果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)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(tái)發(fā)電模型

參考圖2示出的根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電模型結(jié)構(gòu)，其包括天然氣燃?xì)廨啓C(jī)gt、氫氣燃?xì)廨啓C(jī)ht、二氧化碳預(yù)處理裝置pre-co2、二氧化碳存儲(chǔ)裝置co2-storage、電能存儲(chǔ)裝置e-storage。其中，氫氣輸入氫氣燃?xì)廨啓C(jī)ht后所產(chǎn)生的電能分為三部分，一部分用于第一電能負(fù)荷，一部分用于維持二氧化碳預(yù)處理裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，另一部分存儲(chǔ)于第一電能存儲(chǔ)裝置。天然氣經(jīng)過(guò)分配，按照分配系數(shù)α分別輸入二氧化碳預(yù)處理裝置pre-co2和天然氣燃?xì)廨啓C(jī)gt。天然氣輸入天然氣燃?xì)廨啓C(jī)gt后所產(chǎn)生的電能一部分用于第二電能負(fù)荷，一部分存儲(chǔ)于第二電能存儲(chǔ)裝置。在一些實(shí)施例中，第一電能負(fù)荷與第二電能負(fù)荷可以相同或者不同，第一、第二電能存儲(chǔ)裝置也可以相同或者不同。天然氣輸入二氧化碳預(yù)處理裝置pre-co2后產(chǎn)生部分氫氣，其也被輸入氫氣燃?xì)廨啓C(jī)ht用于發(fā)電，且二氧化碳預(yù)處理裝置所需的電能由氫氣燃?xì)廨啓C(jī)ht提供。

天然氣燃?xì)廨啓C(jī)gt和二氧化碳預(yù)處理裝置所產(chǎn)生的二氧化碳除去預(yù)設(shè)排放量的部分，其他部分才捕捉存儲(chǔ)在二氧化碳存儲(chǔ)裝置中。上述海洋平臺(tái)發(fā)電模型將二氧化碳排放量作為抑制，并使用傳統(tǒng)能源與清潔能源聯(lián)合供電，以便實(shí)現(xiàn)發(fā)電模型的聯(lián)合優(yōu)化，從而使二氧化碳排放量在預(yù)設(shè)的規(guī)定范圍之內(nèi)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，可以使用系統(tǒng)矩陣c來(lái)表示海洋平臺(tái)發(fā)電模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，系統(tǒng)矩陣可以包括多個(gè)用于表示描述海洋平臺(tái)發(fā)電模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，其中，η^ht為氫氣燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，η^gt為天然氣燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，為預(yù)處理的氫氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，為預(yù)處理的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，為燃?xì)廨啓C(jī)二氧化碳轉(zhuǎn)化系數(shù)。其中，這些系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系可以通過(guò)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和所使用的工藝來(lái)形成耦合。

步驟102：設(shè)置多目標(biāo)函數(shù)

其中，多目標(biāo)函數(shù)至少包括第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)。

例如，第一目標(biāo)函數(shù)可以為輸入的發(fā)電能源總成本小于預(yù)設(shè)閾值，可以使用tcinput＝a·ph+b·(pg1+pg2)表示輸入的發(fā)電能源總成本，其中，a為單位體積的氫氣價(jià)格(例如，5000元每立方米)，b為單位體積的天然氣價(jià)格(例如，3元每立方米)。進(jìn)一步使用輸入矩陣表示輸入海洋平臺(tái)發(fā)電模型的輸入發(fā)電能源的總量，其中，ph為輸入的氫氣總量，pg1為輸入二氧化碳預(yù)處理裝置的天然氣量，pg2為輸入天然氣輪機(jī)的天然氣量，且pg1＝pg·(1-α)，pg2＝pg·α，α為天然氣的分配系數(shù)，取值范圍在0與1之間。

第二目標(biāo)函數(shù)可以為二氧化碳和電能存儲(chǔ)成本小于預(yù)設(shè)閾值，例如，可以使用表示電能和二氧化碳的存儲(chǔ)成本，其中，selectric為電能的存儲(chǔ)量，為二氧化碳的存儲(chǔ)量，a為存儲(chǔ)每一單位電能所需要的硬件成本(例如，5元每安時(shí))，b為存儲(chǔ)每一單位二氧化碳所需要的硬件成本(例如，100元每立方米)。

步驟103：確定約束條件

在優(yōu)選的實(shí)施例中，約束條件可以為多個(gè)，例如輸入的氫氣總量的上限輸入的天然氣總量的上限等。根據(jù)一實(shí)施例的約束條件如下：

其中，l為輸出矩陣，c為系統(tǒng)矩陣，戶(hù)為輸入矩陣，α為天然氣的分配系數(shù)，取值范圍在0與1之間。

步驟104：求解第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)在約束條件下的最優(yōu)解，獲取海洋平臺(tái)發(fā)電模型的設(shè)計(jì)參數(shù)

在預(yù)先設(shè)定電能負(fù)荷和上述約束條件的情況下，根據(jù)輸入矩陣p與系統(tǒng)矩陣c之乘積可得輸出矩陣l。根據(jù)海洋平臺(tái)發(fā)電模型的場(chǎng)景參數(shù)、歷史負(fù)荷變化、二氧化碳規(guī)定排放量、以及能量守恒定律可以確定輸出矩陣

可得以及

其中，lelectric為電能負(fù)荷，為二氧化碳預(yù)處理器所需的電能，selectric為電能的存儲(chǔ)量，lemission為經(jīng)過(guò)限制的預(yù)設(shè)二氧化碳排放量，為二氧化碳的存儲(chǔ)量。

進(jìn)一步地，可以通過(guò)多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法求解第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo)函數(shù)在約束條件下的最優(yōu)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(guò)快速非支配排序循環(huán)和精英策略，可以在不需要指定參數(shù)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(tái)發(fā)電模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：氫氣的輸入總量ph滿(mǎn)足0≤ph≤1000；天然氣輸入總量pg滿(mǎn)足0≤(pg＝pg1+pg2)≤1500；且天然氣的分配系數(shù)α滿(mǎn)足0≤α≤1。

參考圖3所示的根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的海洋平臺(tái)發(fā)電優(yōu)化和二氧化碳減排的方法與傳統(tǒng)方案的總成本對(duì)比圖。其中，橫軸為根據(jù)一天24小時(shí)的海洋平臺(tái)用電量需求的不同所劃分的24個(gè)時(shí)間分組，單位為小時(shí)。每個(gè)分組對(duì)應(yīng)一個(gè)縱軸上相應(yīng)的電能負(fù)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(guò)本發(fā)明所公開(kāi)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(yīng)時(shí)刻的電負(fù)荷上限的情況下，所獲取的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)氫氣的輸入總量、天然氣輸入總量以及天然氣分配系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總成本最優(yōu)。

如圖3所示，通過(guò)上述技術(shù)方案所獲取的海洋平臺(tái)發(fā)電模型的總成本在滿(mǎn)足二氧化碳排放限制的前提下明顯低于傳統(tǒng)方案，不僅有效地節(jié)約了成本，且能量流動(dòng)方向明確。上述方案不僅適用于輸入能源分配、能量流動(dòng)方向約束、排放限制等多目標(biāo)優(yōu)化，且內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程清晰，能夠?qū)崿F(xiàn)新型能源輸入、多重能源的相互制約，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

以上所述，僅為本發(fā)明具體實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原則和范圍的情況下，做出的各種替換、變型以及改進(jìn)均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。