不确定条件下的SFMP区域能源规划模型研究

赵新一

(国家能源投资集团有限责任公司，北京 100034)

能源是经济社会发展的源动力，而能源供需关系、产业结构、环境污染等问题都会影响区域社会的经济发展。王丽等[1]研究了我国能源结构，并指出了电力发展存在的结构和供需上的矛盾；张坤民等[2]分析了中国环境面临的严峻挑战，并阐述了中国环境政策框架的演变和完善过程；夏德建等[3]针对我国煤电高污染的行业背景和电力行业低碳化发展的时代要求，研究了煤电能源链各单元过程的温室气体排放来源和排放大小，明晰了减排调控的关键环节；闫华光等[4]对国家的电力需求侧管理作了系统性分析；梁晓丽等[5]研究发现，加强电能对煤、石油等化石能源的替代，有利于减少环境污染、缓解能源危机、提高能源利用率。合理规划区域能源结构，缓解经济发展与环境保护的矛盾，优化区域能源供需关系，最终实现区域低碳、可持续发展是政府需首要解决的关键问题。

中国是世界上最大的发展中国家，能源生产量大。能源系统是复杂的巨系统，其中的不确定性错综复杂、不易辨识；多能源系统的构建是促进可再生能源吸纳、实现多种形式能源协调运行、提高能源使用效率的重要途径[6-7]；区域综合能源系统对提高社会能源利用效率、社会基础设施利用率和能源供应安全，实现中国节能减排目标具有重要意义。优劣势区间全无限整数规划模型(SFMP)包含了模糊数学规划模型(FMP)、区间混合整数线性规划模型(IMILP)、全无限规划模型(FIP)的优点[8-9]，可有效解决模糊集、区间参数、区间函数等的不确定性，通过不同的优、劣势度直接反映模糊参数间的关系。本文基于此模型，对新疆某区域的能源系统进行了分析，研究了能源转换效率对能源系统的影响，以协助政府制定不确定条件下的能源规划政策。

1 模型建立

以新疆某区域为研究对象，研究系统示意图如图1所示，包括能源的供应、生产、加工、转换及利用等各个环节。运用SFMP方法处理系统中的不确定性，目标函数包括能源生产、加工成本、能源交易、电力生产成本、污染物处理成本及电力扩容等。

(1)

式中：t为规划期；L为规划期长度；i表示能源类型，i=1，2，3，分别代表原煤、原油、天然气；j表示能源加工的技术类型，j=1，2，3，分别代表洗煤、炼焦、炼油；k表示能源转换的技术类型，k=1，2，…，8，分别代表水电、煤电、天然气发电、燃油发电、燃煤热电联产、燃气热电联产、燃煤供热、燃气供热；n表示能源购买类型，n=1，2，…，10，分别代表原煤、原油、天然气、汽油、洗精煤、柴油、燃料油、焦炭、电力、热；m表示能源输出类型，m=1，2，3，…，7，分别代表原煤、原油、天然气、汽油、洗精煤、柴油、燃料油；EPM为能源生产量，t/年；PC为能源生产成本，103元/t；CE为能源购买成本，103元/t；EPC为能源供应量，t/年；CO为能源输出价格，103元/t；EXO为能源输出量,t/年；PT为能源加工成本，103元/t；XP为能源加工量，t/年；XE为发电量，MW·h/年；CC为发电成本，103元/(MW·h)；ECT为装机容量，MW；B为维护成本，103元/MW；XH为供热量，TJ/年；HCC为供热成本，103元/年；YE为发电转换技术扩容选项；FEC为发电扩容固定成本，103元；VE为发电扩容可变成本，103元/MW；PE为发电技术扩容量，MW；YM为供热转换技术扩容选项；FMC为供热扩容固定成本，103元；VH为供热扩容可变成本，103元/TJ；PM为发电技术扩容量，TJ；LE为线损，%；TCE为电力传输成本；h为电厂每年发电小时，h；ZZN为转换系数；λks,λkc,λkn为污染物参数；EC、ES、EN分别为颗粒物、SO2、NOx处理成本，元/t。

模型求解的约束条件涉及物量平衡约束(能源生产、加工、转换、交易等过程中满足其需求量)、需求约束(电力、热力供应量满足区域用户需求)、能力约束(年能源生产量小于等于其生产能力)、环境约束(颗粒物、SO2、NOx排放小于环保要求及区域环境容量)、扩容约束(不能满足要求时，通过扩容提高区域产能)、非负约束(决策变量值为正值或零)。

根据区域发展实际情况，按能源转换率取值不同，设定4个模拟情景，见表1。其中，情景a表示现有的实际能源转换率；情景b表示能源转换率有所提高，但低于全国平均水平；情景c表示能源转换率等于全国平均水平；情景d表示能源转换率高于全国平均水平。

表1 4种能源转换率模拟情景

2 结果及分析

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将煤、石油、天然气等一次能源加工成二次能源。为研究不同情景模式下，能源转换率提高对能源加工量的影响，选取洗煤、炼焦、炼油为研究对象，计算结果分别如图1～图3所示。由图可知，随着能源转换率提高，能源消费量将逐渐减少，这是因为大量的原煤、原油被加工为煤炭和石油产品，而煤、石油、天然气等将用于火力发电或供热，发电和供热转换率提高，可明显减少这些化石燃料的消耗。与情景a相比，情景d时原煤的消耗量减少了[56.72×106t,68.23×106t]。

图1 不同情景模式下洗煤量

图2 不同情景模式下炼焦量

图3 不同情景模式下炼油量

2.2 不同情景模式下的发电和供热量

随着经济社会的发展，工业及民用电力、供热量持续增加，因此在区域能源规划中，发电和供热量将会不断增加，但提高能源转换率对能源结构具有一定影响。计算不同模式下发电和供热量，计算结果如图4～图8所示。由图可知，能源转换率对水电发电量没有影响，煤电量减少，气电及燃煤、燃气热电联产量增加。计算不同能源结构比例，情景a时燃煤发电比例为[60.41%,61.45%]，情景d时则降至[55.11%,55.73%]；情景a时天然气发电比例为[2.49%,3.35%]，情景d时则增加至[2.97%,4.12%]。

图4 不同情景模式下水电发电量

图5 不同情景模式下煤电发电量

图6 不同情景模式下天然气发电的发电量

图7 不同情景模式下燃煤热电联产的发电量

2.3 不同情景模式下的污染物排放量

能源活动势必会造成环境污染，该区域的能源活动排放的大气污染物主要是颗粒物、SO2、NOx，计算不同情景模式下各污染物排放量，计算结果如图9所示。由图可知，随着能源转换率提高，能源结构是向低污染物排放方向发展，污染物的排放总量随之减少。与情景a相比，情景d时的颗粒物、SO2、NOx排放量分别减少[0.96%,1.22%]、[0.87%,1.17%]、[0.79%,1.01%]。能源转换率提高，不仅可以提高煤、石油天然气等一次能源的利用率，还可以促进可再生资源的利用，这些均可减少污染物的排放。

图8 不同情景模式下燃气热电联产的发电量

图9 不同情景模式下污染物排放量

3 结论

本文基于SFMP模型，分析不确定条件下区域能源效率提高对能源系统的影响，重点对能源加工量、发电量及污染物排放量进行了讨论，主要结论如下：

1)大量的原煤、原油被加工为煤炭、石油和天然气等产品，而煤、石油、天然气等将用于火力发电或供热，发电和供热转换率提高，可明显减少这些化石燃料的消耗，因此随着能源转换率提高，生产过程产生的能源消费量将逐渐减少，有效节约了传统能源消耗。

2)能源转换率对该区域水电发电量没有影响，煤电量减少，气电及燃煤、燃气热电联产量增加，提高了能源转换率，对能源结构具有一定影响。

3)能源转换率提高，不仅可以提高煤、石油天然气等一次能源的利用率，还可以促进可再生资源的利用，这些均可减少污染物的排放。因此随着能源转换率提高，能源结构是向低污染物排放方向发展，污染物的排放总量随之减少。

鉴于此，为进一步保证该区域传统能源利用的可靠性和持续性，建议鼓励该区域科技投入，以提高能源转换率及利用效率，在政策方面，鼓励实施可再生能源，推动能源结构调整。