上海市燃气电厂专线优化选择

柯向华，张仁颐 KE Xiang-hua,ZHANG Ren-yi

（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030）

1 燃气电厂专线的必要性

根据市场分析，2020年上海市天然气需求量约140×108m3/a，城市燃气、大工业用户和天然气电厂的用气量分别为39×108、25×108、76×108m3/a。城市燃气用户基本均匀分布，通过设置于6.0MPa主干网上的调压站供应，而电厂分布相对集中，且大部分由6.0MPa的主干网直接供应。天然气电厂主要有位于城市北部、主干网供应末端的石洞口电厂，位于城市南部的临港电厂、大漕泾电厂、化工区热电联供电厂等，这3座电厂年需求量约50×108m3/a，占上海市年需求量的36%左右，占LNG接收站年供应量的60%左右。一旦管道出现事故，将严重影响到上海的供气安全。如果建设临港—漕泾化工区电厂专线供应上述用户 （该电厂专线不仅供应临港电厂、漕泾化工区热电联供电厂、大漕泾电厂等电厂用户，还供应化工区工业用户），有效地分流这部分天然气，实现电厂等大用户和城市燃气用户分开供气，可以大大提高上海市的天然气供应安全，同时避免出现这3座电厂的启停对其他用户，尤其是管网末端的石洞口电厂的正常用气产生的冲击。

2 燃气电厂专线数学模型

上海2020年气源由三部分组成，分别为 “西气东输”天然气，东海西湖凹陷天然气和进口LNG（一期、二期）。到2020年三个气源的年供应能力为 “西气东输”天然气为40亿m3/年，东海西湖凹陷天然气为10亿m3/年，进口LNG一期为300万吨/年，二期为600万吨/年，合计为76.7亿m3/年。

几个大型电厂在2020年的用气量需求分别为华能燃气电厂为7.53亿m3/年，化工区热电为10.5m3/年，大漕河泾燃机为17.34亿m3/年，临港燃机为21.68亿m3/年，吴泾燃机为8.67亿m3/年，柘中电厂为4.8亿m3/年。

东海西湖凹陷天然气供气量较少，所以基本上是满足城市燃气和大工业用户，给燃气电厂供气的主要依靠“西气东输”天然气和进口LNG（一期、二期）。根据前面的预测，2020年上海城市燃气和大工业用户用气量为50.74亿m3/年，而城市燃气和大工业用户分布较为平均，所以三个气源为城市燃气和大工业供应能力分别为 “西气东输”天然气20.37亿m3/年，东海西湖凹陷天然气为10亿m3/年，进口LNG为20.37亿m3/年。 “西气东输”为上海燃气电厂供应能力为19.63亿m3/年，进口LNG为上海燃气电厂供应能力为56.33亿m3/年。

由于建设燃气电厂专线，气源到电厂之间的管道口径压力基本相同，所以对于配送成本中运价与气源到电厂之间的距离成正比，单位天然气配送成本为L*E， （L为气源到电厂之间的距离，E为管道的输气效率系数）。

这样问题转化为2个生产企业向6个销售客户进行燃气配送业务。已知有m个生产企业，可以提供某种物资，有n个消费地点，需要该种物资，又知这m个产地的可供应量分别为a1,a2,…,am（可简写为ai），n个销地的需要量分别为b1,b2,…,bn（简写为bj），从第i个产地到第j个销地的单位运价为cij。根据现有交通运输网，如何制定调运方案，使总的运输费用最小。

如用xij代表从第i个产地调运给第j个销地的物资数量，那么在总的产量大于销量情况下，

由于总的产量大于销量，就要考虑多余的物资在那一个产地就地储存的问题。设xi,n+1是产地Ai的储存量，于是有：

因此当产大于销时，只要增加一个假想的销地j=n+1（实际上是储存），该销地总需要量为

3 燃气电厂专线优化

从上面可以得知共有两个气源地，其 “西气东输”为上海燃气电厂供应能力为19.63亿m3/年，进口LNG为上海燃气电厂供应能力为56.33亿m3/年。共有6个大型燃气电厂需要用气，其用气量需求为华能燃气电厂为7.53亿m3/年，化工区热电为10.5m3/年，大漕河泾燃机为17.34亿m3/年，临港燃机为21.68亿m3/年，吴泾燃机为8.67亿m3/年，柘中电厂为4.8亿m3/年。又知各产销地之间的单位运行价格为L*E（L为气源到电厂之间的距离，E为管道的输气效率系数）。求运行总价最少的调运方案。

表1 单位运行价格表 单位：元/亿m3

表2 产销平衡表

表3 初始方案

我们用表上作业法求解这个问题，首先给出一个初始方案，我们给定初始方案的方法为最小元素法，这个方法的基本思想就是就近供应，即从单位运价表中最小的运价开始确定产销关系，依次类推，一直到给出初始方案为止。这样得到的结果如表3所示。

用最小元素法给出了初始调运方案，但问题是给出的初始方案是否运行成本最省；如果不是，又如何调整改进，我们采用的判断方案是否最优及进一步改进的方法为闭回路法。

闭回路法的原理如下：从表4给定的初始方案的任一空格出发进行考虑，如把A2,B（）1 处调运方案改变一下，让西气东输气源A（）

1调一亿立方给LNG A（）

2，为了保持平衡，就要依次在A1,B（）1处减少一亿立方，在A1,B（）2

处增加一亿立方，在A2,B（）2处减少一亿立方，即要寻找一条除A2,B（）1 这个空格外，其余均由数字格位顶点组成

的闭回路。可以看出A2,B（）1 处增加一亿立方，总的费用增加了111个单位，说明对于原定的方案，运行费用将会

增加，是不合算的。仿造上面的步骤，找出初始方案中所有空格的检验数，就可以得到一张检验数表。见表4，通过每一个空格闭合回路存在而且唯一，因此对每一个空格可以找到而且只能找到唯一的闭回路。

表4 检验数表

如果检验数表中所有数字大于等于零，表明对调运方案作出任何改变将导致运费增加，即给定的方案是最优方案，假如在检验表中有检验数为负，说明方案需要进一步改进，改进的方法就是从检验数为负值的格出发 （当有两个以上负检验数时，从绝对值最大的负检验数格出发），做一条除该空格外其余顶点均为有数字格组成的闭回路。在这条闭回路上，按上面讲的方法对运量做最大可能的调整。

而我们检验数表中所有数字都大于零，说明给定的方案就是最优方案。

通过表上作业法我们得出燃气电厂专线的优化方案，由 “西气东输”天然气负责华能电厂 （7.53亿立方）与大漕泾电厂 （6.66亿立方）的供气，而进口LNG负责大漕泾电厂 （10.68亿立方），化工区电厂 （10.5亿立方），临港电厂 （21.68亿立方），柘中电厂 （4.8亿立方），吴泾电厂 （8.67亿立方），总的运行费用为最低。

4 结束语

以上这种方法将管道燃气配送模拟成为物流运输问题，通过运筹学的方法求得最优路线，也给其他专线燃气配送管线提供了一种计算方法。

[1] 同济大学，哈尔滨建工学院，北京建工学院.燃气输配[M].北京：中国建工出版社，1988.

[2] 习在筠，郑汉鼎，刘家壮.运筹学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 陈庆勋，李广群.城市输气管网的设计[J].油气储运，1998,17(11):25-28.

[4] 李波.天然气管网系统输配气运行方案优化[J].石油规划设计，2001,12(5):22-25.