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基于非常规能源的水-能耦合系统模拟评估与多层决策

陈义忠  
【摘要】:近年来,页岩气等非常规能源作为最有潜力的可替代能源而备受各国政府广泛关注;对其进行勘探和开发对于降低日益加大的常规油气供需矛盾缺口和确保国家能源安全具有重大的战略意义。然而,由于页岩气等非常规能源系统决策过程的多目标、多层次性及其对环境的潜在危害性,传统的优化模型已难以解决其决策过程中的动态性和复杂性。同时,页岩气供应系统是一个复杂的巨系统,涉及到各种不确定的环境、经济和技术参数,如气井总产量、压裂用水量、温室气体排放强度和废水处理设施容量等。这些不确定性参数不仅会影响相关的页岩气输配过程,而且容易影响最终的能源管理决策方案。因此,迫切需要加强不确定性条件下页岩气供应系统全过程决策的科学性以满足多方利益群体需求。本文在页岩气藏气-水两相流模拟和碳-水足迹分析的基础上,采用不确定性规划方法与非合作博弈理论,开发了一系列优化决策模型。具体包括:(1)基于页岩气典型的生产特征,建立基质和裂缝子系统的气-水两相渗流模型,应用数值模拟技术预测、分析页岩气和水流在储层中的运移规律。结合因子分析方法,定量分析不同基质、裂缝、流体性质和生产制度对系统产能的影响。研究结果表明:裂缝间距对系统累积产气量的主效应值最大且表现为负效应,而裂缝渗透性和气体扩散系数对系统产能具有明显的交互作用。该模拟技术不仅能够识别不同因子对系统产能的影响,而且能够为后续的优化决策模型开发提供数据支持。运用全生命周期评价方法和Tsinghua-CA3EM模型定量分析了页岩气的能源-碳-水足迹,并与常规能源(天然气和煤炭)相应的核算结果进行对比分析。在此基础上,构建了碳-水足迹优化调控模型,在多重技术约束下制定了页岩气最优的甲烷逸散率([5.75%,7.89%])、最佳的回流比和循环利用率组合([0.37,0.80])。(2)为表征决策目标间的层次关系,构建了基于非合作博弈的双层规划模型。该模型运用区间规划方法处理系统中的不确定信息,并采用分式规划方法反映系统的经济和环境效率问题。将所开发的区间双层分式规划模型应用于美国Pennsylvania的Marcellus页岩区。研究结果表明:双层规划中的系统累积页岩气产量比经济目标下的产气量降低了[38.44%,85.84%],而比环境目标下的产气量提高了[38.88%,85.93%];双层规划系统的经济效益比经济效益单目标下的方案降低了11.84%,而比温室气体单目标下的方案提高了 15.39%。通过与单目标规划和多目标规划结果的综合对比分析表明:只有综合与平衡不同层次决策的资源配置方案,才能实现区域页岩气等非常规能源的可持续发展。(3)考虑页岩气供应链的上游、中游和下游不同的涉利主体及气井总产量的随机性,构建了具有主从关系的非合作博弈双层机会约束规划模型(DSCCP),其中以下游电力部门的管理成本最小化为上层决策目标,以上游页岩气开发商的系统经济效益最大化和取水量最小化为下层决策目标。模型将非合作博弈理论、结构优化、过程控制、成本分析、环境影响评价和随机模拟技术整合至同一框架中。将所开发的模型应用于Beaver郡的Marcellus页岩区块,并提出随机因素干扰下的模糊满意度算法,从而得到符合上游和下游决策者的综合规划方案。研究结果表明:不同的违约概率水平将会带来不同的系统经济和环境效益。较高的风险水平对应较低的系统经济效益和水资源供应量,而违约水平的增大将降低系统的可靠性。因此,决策者需要权衡目标函数值与系统风险的动态关系以制定最优的决策方案。此外,以上游的经济效益最大化为主要控制目标的MPS模型将产生经济导向型管理策略,该策略一定程度上符合上游页岩气开发商的需求,但严重违背下游电力生产部门的需求;MCS(下游系统管理成本最小化)和MWS(上游水资源用量最小化)模型倾向于制定保守的管理策略;当未考虑分层决策时,MPWS(上游系统经济效益最大化和水资源用量最小化)模型的优化结果可作为DSCCP模型结果的一种替代方案。(4)构建了页岩气-水资源耦合系统的多层规划模型。该模型同时将温室气体排放控制模块、页岩气经济生产模块和水资源高效利用模块整合到全生命周期供应链中。多层规划模型有效地克服了双层规划模型难以体现更为复杂层次结构的不足。将所开发的多层规划模型应用于美国四大页岩区块,并利用改进的交互式满意度方法求解多层规划模型。研究结果表明:双层规划模型仍会产生环境倾向或经济倾向政策,而多目标规划模型和多层规划模型由于考虑更多维度的目标函数,其将能够有助于制定更为全面的经济和环境决策方案。传统的多目标规划模型由于未能充分考虑页岩气供应系统中决策者的层次结构,其决策方案则略显主观且难以被决策者所采纳。研究结果不仅能够有助于评估页岩气供应系统全生命周期温室气体排放潜值、水-能源消耗、废水处理等经济和环境影响;而且能够有效地避免不同决策者间的利益冲突,从而得到非妥协的优化管理方案。


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