不確定條件下的SFMP區域能源規劃模型研究

趙新一

(國家能源投資集團有限責任公司，北京 100034)

能源是經濟社會發展的源動力，而能源供需關系、產業結構、環境污染等問題都會影響區域社會的經濟發展。王麗等[1]研究了我國能源結構，并指出了電力發展存在的結構和供需上的矛盾；張坤民等[2]分析了中國環境面臨的嚴峻挑戰，并闡述了中國環境政策框架的演變和完善過程；夏德建等[3]針對我國煤電高污染的行業背景和電力行業低碳化發展的時代要求，研究了煤電能源鏈各單元過程的溫室氣體排放來源和排放大小，明晰了減排調控的關鍵環節；閆華光等[4]對國家的電力需求側管理作了系統性分析；梁曉麗等[5]研究發現，加強電能對煤、石油等化石能源的替代，有利于減少環境污染、緩解能源危機、提高能源利用率。合理規劃區域能源結構，緩解經濟發展與環境保護的矛盾，優化區域能源供需關系，最終實現區域低碳、可持續發展是政府需首要解決的關鍵問題。

中國是世界上最大的發展中國家，能源生產量大。能源系統是復雜的巨系統，其中的不確定性錯綜復雜、不易辨識；多能源系統的構建是促進可再生能源吸納、實現多種形式能源協調運行、提高能源使用效率的重要途徑[6-7]；區域綜合能源系統對提高社會能源利用效率、社會基礎設施利用率和能源供應安全，實現中國節能減排目標具有重要意義。優劣勢區間全無限整數規劃模型(SFMP)包含了模糊數學規劃模型(FMP)、區間混合整數線性規劃模型(IMILP)、全無限規劃模型(FIP)的優點[8-9]，可有效解決模糊集、區間參數、區間函數等的不確定性，通過不同的優、劣勢度直接反映模糊參數間的關系。本文基于此模型，對新疆某區域的能源系統進行了分析，研究了能源轉換效率對能源系統的影響，以協助政府制定不確定條件下的能源規劃政策。

1 模型建立

以新疆某區域為研究對象，研究系統示意圖如圖1所示，包括能源的供應、生產、加工、轉換及利用等各個環節。運用SFMP方法處理系統中的不確定性，目標函數包括能源生產、加工成本、能源交易、電力生產成本、污染物處理成本及電力擴容等。

(1)

式中：t為規劃期；L為規劃期長度；i表示能源類型，i=1，2，3，分別代表原煤、原油、天然氣；j表示能源加工的技術類型，j=1，2，3，分別代表洗煤、煉焦、煉油；k表示能源轉換的技術類型，k=1，2，…，8，分別代表水電、煤電、天然氣發電、燃油發電、燃煤熱電聯產、燃氣熱電聯產、燃煤供熱、燃氣供熱；n表示能源購買類型，n=1，2，…，10，分別代表原煤、原油、天然氣、汽油、洗精煤、柴油、燃料油、焦炭、電力、熱；m表示能源輸出類型，m=1，2，3，…，7，分別代表原煤、原油、天然氣、汽油、洗精煤、柴油、燃料油；EPM為能源生產量，t/年；PC為能源生產成本，103元/t；CE為能源購買成本，103元/t；EPC為能源供應量，t/年；CO為能源輸出價格，103元/t；EXO為能源輸出量,t/年；PT為能源加工成本，103元/t；XP為能源加工量，t/年；XE為發電量，MW·h/年；CC為發電成本，103元/(MW·h)；ECT為裝機容量，MW；B為維護成本，103元/MW；XH為供熱量，TJ/年；HCC為供熱成本，103元/年；YE為發電轉換技術擴容選項；FEC為發電擴容固定成本，103元；VE為發電擴容可變成本，103元/MW；PE為發電技術擴容量，MW；YM為供熱轉換技術擴容選項；FMC為供熱擴容固定成本，103元；VH為供熱擴容可變成本，103元/TJ；PM為發電技術擴容量，TJ；LE為線損，%；TCE為電力傳輸成本；h為電廠每年發電小時，h；ZZN為轉換系數；λks,λkc,λkn為污染物參數；EC、ES、EN分別為顆粒物、SO2、NOx處理成本，元/t。

模型求解的約束條件涉及物量平衡約束(能源生產、加工、轉換、交易等過程中滿足其需求量)、需求約束(電力、熱力供應量滿足區域用戶需求)、能力約束(年能源生產量小于等于其生產能力)、環境約束(顆粒物、SO2、NOx排放小于環保要求及區域環境容量)、擴容約束(不能滿足要求時，通過擴容提高區域產能)、非負約束(決策變量值為正值或零)。

根據區域發展實際情況，按能源轉換率取值不同，設定4個模擬情景，見表1。其中，情景a表示現有的實際能源轉換率；情景b表示能源轉換率有所提高，但低于全國平均水平；情景c表示能源轉換率等于全國平均水平；情景d表示能源轉換率高于全國平均水平。

表1 4種能源轉換率模擬情景

2 結果及分析

2.1 不同情景模式下能源加工量分析

能源加工一般指的是將煤、石油、天然氣等一次能源加工成二次能源。為研究不同情景模式下，能源轉換率提高對能源加工量的影響，選取洗煤、煉焦、煉油為研究對象，計算結果分別如圖1～圖3所示。由圖可知，隨著能源轉換率提高，能源消費量將逐漸減少，這是因為大量的原煤、原油被加工為煤炭和石油產品，而煤、石油、天然氣等將用于火力發電或供熱，發電和供熱轉換率提高，可明顯減少這些化石燃料的消耗。與情景a相比，情景d時原煤的消耗量減少了[56.72×106t,68.23×106t]。

圖1 不同情景模式下洗煤量

圖2 不同情景模式下煉焦量

圖3 不同情景模式下煉油量

2.2 不同情景模式下的發電和供熱量

隨著經濟社會的發展，工業及民用電力、供熱量持續增加，因此在區域能源規劃中，發電和供熱量將會不斷增加，但提高能源轉換率對能源結構具有一定影響。計算不同模式下發電和供熱量，計算結果如圖4～圖8所示。由圖可知，能源轉換率對水電發電量沒有影響，煤電量減少，氣電及燃煤、燃氣熱電聯產量增加。計算不同能源結構比例，情景a時燃煤發電比例為[60.41%,61.45%]，情景d時則降至[55.11%,55.73%]；情景a時天然氣發電比例為[2.49%,3.35%]，情景d時則增加至[2.97%,4.12%]。

圖4 不同情景模式下水電發電量

圖5 不同情景模式下煤電發電量

圖6 不同情景模式下天然氣發電的發電量

圖7 不同情景模式下燃煤熱電聯產的發電量

2.3 不同情景模式下的污染物排放量

能源活動勢必會造成環境污染，該區域的能源活動排放的大氣污染物主要是顆粒物、SO2、NOx，計算不同情景模式下各污染物排放量，計算結果如圖9所示。由圖可知，隨著能源轉換率提高，能源結構是向低污染物排放方向發展，污染物的排放總量隨之減少。與情景a相比，情景d時的顆粒物、SO2、NOx排放量分別減少[0.96%,1.22%]、[0.87%,1.17%]、[0.79%,1.01%]。能源轉換率提高，不僅可以提高煤、石油天然氣等一次能源的利用率，還可以促進可再生資源的利用，這些均可減少污染物的排放。

圖8 不同情景模式下燃氣熱電聯產的發電量

圖9 不同情景模式下污染物排放量

3 結論

本文基于SFMP模型，分析不確定條件下區域能源效率提高對能源系統的影響，重點對能源加工量、發電量及污染物排放量進行了討論，主要結論如下：

1)大量的原煤、原油被加工為煤炭、石油和天然氣等產品，而煤、石油、天然氣等將用于火力發電或供熱，發電和供熱轉換率提高，可明顯減少這些化石燃料的消耗，因此隨著能源轉換率提高，生產過程產生的能源消費量將逐漸減少，有效節約了傳統能源消耗。

2)能源轉換率對該區域水電發電量沒有影響，煤電量減少，氣電及燃煤、燃氣熱電聯產量增加，提高了能源轉換率，對能源結構具有一定影響。

3)能源轉換率提高，不僅可以提高煤、石油天然氣等一次能源的利用率，還可以促進可再生資源的利用，這些均可減少污染物的排放。因此隨著能源轉換率提高，能源結構是向低污染物排放方向發展，污染物的排放總量隨之減少。

鑒于此，為進一步保證該區域傳統能源利用的可靠性和持續性，建議鼓勵該區域科技投入，以提高能源轉換率及利用效率，在政策方面，鼓勵實施可再生能源，推動能源結構調整。