天然气管网与地下储气库的协同运行优化：经济调度与低碳控制

《Geoenergy Science and Engineering》：Cooperative operation optimization of natural gas pipeline network and underground gas storage: economic scheduling and low-carbon control

天然气管道网络与地下储气库协同优化模型研究，综合考虑经济与碳排放目标，提出多周期动态调度方法，创新融合储气库膨胀机发电技术降低6745吨碳排放，验证了储气库在供需平衡中的关键作用。

　　随着全球能源消费结构的不断变化和“双碳”政策的深入推进，天然气作为清洁能源在能源转型中的地位日益凸显。天然气管网系统（NGPN）作为连接上游气源与下游用户的基础设施，其运行效率和环境影响成为当前研究的重要方向。同时，地下储气库（UGS）在天然气调峰和供需平衡中的作用也逐渐受到重视。本文针对NGPN系统与UGS的综合调度优化问题，提出了一种兼顾经济性和环境效益的优化模型，并通过实际案例验证了该模型的有效性。

天然气因其清洁、高效的特点，被认为是实现低碳能源转型的重要载体。随着天然气消费量的持续增长，其在能源结构中的比重不断上升，尤其是在中国等国家，天然气管网系统的建设和发展已成为国家能源战略的重要组成部分。然而，天然气管网系统的运行不仅受到市场需求波动的影响，还面临着如何在保障供气安全的同时，实现低碳排放和成本节约的双重挑战。特别是在当前“双碳”目标背景下，如何在天然气运输过程中减少碳排放，提升能源利用效率，成为亟需解决的问题。

在实际运行中，天然气管网系统的调度涉及多个复杂的因素，包括管道流量分配、输气路径规划、压缩机站和储气库的操作等。传统的调度优化方法往往仅关注经济性，如降低输气成本或提高输送效率，而忽视了对环境效益的考量。这种单一目标的优化方式难以满足当前低碳转型的需求。因此，有必要构建一个同时考虑经济性和环境效益的综合优化模型，以实现天然气管网系统的高效、低碳运行。

地下储气库作为一种重要的调峰设施，其注入和抽取策略直接影响天然气管网系统的供需平衡和运行效率。在实际应用中，储气库的注入和抽取不仅受到地质条件和储气能力的限制，还与管网系统的压力分布、流量分配等因素密切相关。因此，如何合理安排储气库的注入和抽取计划，以优化整个系统的运行，成为研究的重点之一。同时，储气库中的压缩机组和膨胀机组在运行过程中也会产生一定的碳排放，这进一步增加了优化模型的复杂性。

针对上述问题，本文提出了一种综合经济与环境优化模型，该模型结合了天然气管网系统的结构和水力特性，以及地下储气库的物理特性，旨在通过优化调度方案和注入抽取策略，实现多周期用户需求的响应。模型中特别考虑了压缩机站和储气库压缩机组的碳排放目标，并创新性地引入了储气库膨胀机组的差压发电（DPPG）优化策略。差压发电技术通过利用天然气在膨胀过程中的压力能，转化为电能，从而实现绿色能源的利用和碳排放的进一步减少。该技术的应用不仅有助于提升系统的能源利用效率，还能有效降低碳排放水平。

为了应对模型中复杂的非线性特性，本文设计了一种高维线性化松弛方法，该方法结合了一维非线性函数的分段线性逼近和多维非线性函数的空间网格逼近，从而有效降低了模型求解的复杂度。通过这种方法，模型能够在保持物理特性的基础上，实现更高效的优化计算。此外，本文还分析了管道流量分配和流量方向决策对系统运行的影响，验证了地下储气库在平衡供需方面的优势。

在实际案例分析中，本文对两个不同规模和特性的天然气管网系统进行了优化计算。结果显示，通过优化调度方案，天然气压缩机站的碳排放量减少了16.34%。同时，合理安排地下储气库的注入和抽取策略，使得压缩机组的碳排放量进一步降低了23.35%。更重要的是，通过储气库膨胀机组的差压发电优化，系统每年可减少碳排放6745.3吨。这些结果表明，综合考虑经济性和环境效益的优化方法，不仅能够提升天然气管网系统的运行效率，还能显著降低其碳排放水平。

在天然气管网系统的调度优化中，管道流量分配和方向决策是影响系统运行的关键因素。合理的流量分配可以减少不必要的能源浪费，提高输气效率。而流量方向的决策则直接影响到管网的压力分布和运行稳定性。因此，本文在优化模型中充分考虑了这些因素，并通过案例分析验证了其对系统运行的实际影响。此外，地下储气库在平衡供需方面的作用也得到了进一步的确认，其通过时间与空间上的天然气调配，提高了整个系统的灵活性和稳定性。

当前，针对天然气管网系统的优化研究主要集中在经济性目标上，缺乏对环境效益的系统性考虑。因此，本文的综合优化模型在这一方面具有重要的创新意义。该模型不仅能够有效减少碳排放，还能为天然气管网系统的低碳运行提供科学的决策支持。同时，差压发电技术的应用，使得储气库在实现能源回收和碳减排方面发挥了更大的作用，为天然气行业的绿色转型提供了新的思路和方法。

在模型构建过程中，本文还对天然气管网系统的拓扑结构、设施位置和管道连接关系进行了详细的描述。通过将系统划分为上游、中游和下游三个基本模块，并结合地下储气库的注入和抽取功能，形成了一个完整的优化框架。这一框架不仅考虑了天然气管网系统的物理特性，还结合了地下储气库的运行特点，使得优化模型更加贴近实际应用需求。

此外，本文还对现有的相关研究进行了回顾，发现当前研究在以下几个方面存在不足：一是大多数研究未考虑气源和用户供需波动对系统运行的影响，忽略了地下储气库在平衡供需中的作用；二是尽管有少数研究探讨了地下储气库的调峰策略，但其模型通常过于简化，未能充分考虑地下储气库的水力特性和运行状态；三是多数研究主要关注经济性目标，较少涉及碳排放优化和绿色能源技术的深度整合。因此，本文提出的综合优化模型在一定程度上弥补了这些不足，为天然气管网系统的低碳运行提供了新的研究方向和方法。

本文的优化方法不仅在理论上有创新，而且在实际应用中也具有较强的可行性。通过构建一个综合的优化模型，并采用高维线性化松弛方法，有效解决了模型中的非线性问题，提高了求解效率。同时，模型的优化结果表明，通过合理的调度和注入抽取策略，可以显著降低碳排放，提高能源利用效率，从而实现天然气管网系统的高效、低碳运行。

在研究过程中，本文还对天然气管网系统的运行进行了深入分析，揭示了不同调度策略对系统运行成本和碳排放的影响。通过对比不同优化方案，进一步验证了综合优化模型的优越性。同时，本文还探讨了地下储气库在调峰和供需平衡中的作用，强调了其在实现系统灵活性和稳定性方面的价值。

总之，本文提出的综合经济与环境优化模型，不仅能够有效应对天然气管网系统在“双碳”政策下的挑战，还能为实现天然气行业的绿色低碳发展提供科学的决策支持。通过合理安排调度方案和注入抽取策略，可以显著降低碳排放，提高能源利用效率，从而推动天然气管网系统的可持续发展。