基于超结构的二氧化碳管道网络运输建模与优化

管道运输是长距离、大规模输送二氧化碳的有效手段。当前对二氧化碳捕集与封存(CCS)的研究多集中于工业系统内部的二氧化碳捕集及后续的地质封存环节，对二氧化碳运输，尤其是管道运输的研究尚不充分，管道运输在CCS系统中的应用尚存在选址，能耗、经济性和环保性综合评价，风险规避等诸多问题。本课题提出一个基于超结构（superstructure）的建模与优化体系，对含多个二氧化碳排放源和地质封存点的区域内部二氧化碳管道输运体系进行优化设计，并结合京津冀地区的实际排放数据和地质封存潜力进行案例分析。本课题将采用混合整数非线性规划、多时段多目标规划、不确定规划等方法，对二氧化碳管道输送体系设计中存在的a)管道路径选择和加压泵站选址；b)能效、经济性、环境特性等多设计目标；c)运行过程中的不确定性及安全性等问题进行系统的计算与分析，给出满足所有约束条件、兼顾所有设计目标、降低系统运行风险的优化设计方案。

提出并完成了基于超结构的大规模超临界CO2远距离输运管道网络优化设计方法，并对京津冀地区年排放10万吨CO2规模以上的排放源进行了案例分析并给出优化设计方案。具体工作如下：.1. 给出了适用于管道网络优化设计的CO2管道流动的压降公式。对Churchill，Cole and White，Filonenko，Wang and Touber，Nikuradse和Althul改进形式等公式进行了比较，并用于不同工况下的压降计算。结果显示Althul公式的改进形式是与全工况实验数据吻合的最好的一个公式，而Althul公式的改进形式是计算二氧化碳管道流动压降比较可靠的一种方法。对基于经验公式的算例计算结果与数值计算结果进行了对比，结果显示Churchill公式的计算结果与数值结果符合的最好。.2. 运用超结构建模的方式，在考虑满足二氧化碳运送量要求和运营安全性要求的以及其他假设的情况下，搭建了优化二氧化碳运输管网系统的模型。并设计了运用混合整数非线性规划（MINLP）的方法来刻画该问题并通过编程求解的方法。建模的过程中的关键假设包括：中间加压站加压值的范围为0-6.4MPa；中间加压站的成本主要为电价支付，固定投资与运营成本可以忽略；假设二氧化碳只能从排放源流出而不能流入排放源，只能流入封存汇不能从封存汇流出；假设每个节点的流入压力与流出压力都是常量，对于流入超过该节点流入压力的二氧化碳流则使其压力降至流入压力再流入该节点；所研究区域任何一处都可以铺设管道，安置中间加压站，且成本都完全相同。模型最终的目标是使运输系统的总成本最小化。与之前的研究相比，本模型的特点是在模型中更真实的刻画了管网系统的水力特性。本文的模型同时也考虑到了管径选择，中间加压站，以及捕集源选择的问题。.3. 建立了同时考虑经济性和二氧化碳排放的多目标优化方法，以及考虑碳排放限额、碳税等未来不确定性因素影响的不确定优化方法，并用于京津冀地区的案例分析。多目标优化的结果给出了不同经济性和二氧化碳排放量限制之下的管道网络优化设计方案，为不同发展情景及限制条件下的优化设计提供了依据。不确定优化部分给出了考虑未来不确定性因素影响之下的优化设计方法，并对不确定性因素的定量影响进行了定量分析。