《基於超結構的二氧化碳管道網路運輸建模與最佳化》是依託清華大學，由劉培擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於超結構的二氧化碳管道網路運輸建模與最佳化
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉培
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
管道運輸是長距離、大規模輸送二氧化碳的有效手段。當前對二氧化碳捕集與封存(CCS)的研究多集中於工業系統內部的二氧化碳捕集及後續的地質封存環節，對二氧化碳運輸，尤其是管道運輸的研究尚不充分，管道運輸在CCS系統中的套用尚存在選址，能耗、經濟性和環保性綜合評價，風險規避等諸多問題。本課題提出一個基於超結構（superstructure）的建模與最佳化體系，對含多個二氧化碳排放源和地質封存點的區域內部二氧化碳管道輸運體系進行最佳化設計，並結合京津冀地區的實際排放數據和地質封存潛力進行案例分析。本課題將採用混合整數非線性規劃、多時段多目標規劃、不確定規劃等方法，對二氧化碳管道輸送體系設計中存在的a、管道路徑選擇和加壓泵站選址；b、能效、經濟性、環境特性等多設計目標；c、運行過程中的不確定性及安全性等問題進行系統的計算與分析，給出滿足所有約束條件、兼顧所有設計目標、降低系統運行風險的最佳化設計方案。
結題摘要
提出並完成了基於超結構的大規模超臨界CO2遠距離輸運管道網路最佳化設計方法，並對京津冀地區年排放10萬噸CO2規模以上的排放源進行了案例分析並給出最佳化設計方案。具體工作如下： 1. 給出了適用於管道網路最佳化設計的CO2管道流動的壓降公式。對Churchill，Cole and White，Filonenko，Wang and Touber，Nikuradse和Althul改進形式等公式進行了比較，並用於不同工況下的壓降計算。結果顯示Althul公式的改進形式是與全工況實驗數據吻合的最好的一個公式，而Althul公式的改進形式是計算二氧化碳管道流動壓降比較可靠的一種方法。對基於經驗公式的算例計算結果與數值計算結果進行了對比，結果顯示Churchill公式的計算結果與數值結果符合的最好。 2. 運用超結構建模的方式，在考慮滿足二氧化碳運送量要求和運營安全性要求的以及其他假設的情況下，搭建了最佳化二氧化碳運輸管網系統的模型。並設計了運用混合整數非線性規劃（MINLP）的方法來刻畫該問題並通過編程求解的方法。建模的過程中的關鍵假設包括：中間加壓站加壓值的範圍為0-6.4MPa；中間加壓站的成本主要為電價支付，固定投資與運營成本可以忽略；假設二氧化碳只能從排放源流出而不能流入排放源，只能流入封存匯不能從封存匯流出；假設每個節點的流入壓力與流出壓力都是常量，對於流入超過該節點流入壓力的二氧化碳流則使其壓力降至流入壓力再流入該節點；所研究區域任何一處都可以鋪設管道，安置中間加壓站，且成本都完全相同。模型最終的目標是使運輸系統的總成本最小化。與之前的研究相比，本模型的特點是在模型中更真實的刻畫了管網系統的水力特性。本文的模型同時也考慮到了管徑選擇，中間加壓站，以及捕集源選擇的問題。 3. 建立了同時考慮經濟性和二氧化碳排放的多目標最佳化方法，以及考慮碳排放限額、碳稅等未來不確定性因素影響的不確定最佳化方法，並用於京津冀地區的案例分析。多目標最佳化的結果給出了不同經濟性和二氧化碳排放量限制之下的管道網路最佳化設計方案，為不同發展情景及限制條件下的最佳化設計提供了依據。不確定最佳化部分給出了考慮未來不確定性因素影響之下的最佳化設計方法，並對不確定性因素的定量影響進行了定量分析。
