上海市燃氣電廠專線優化選擇

柯向華，張仁頤 KE Xiang-hua,ZHANG Ren-yi

（上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030）

1 燃氣電廠專線的必要性

根據市場分析，2020年上海市天然氣需求量約140×108m3/a，城市燃氣、大工業用戶和天然氣電廠的用氣量分別為39×108、25×108、76×108m3/a。城市燃氣用戶基本均勻分布，通過設置于6.0MPa主干網上的調壓站供應，而電廠分布相對集中，且大部分由6.0MPa的主干網直接供應。天然氣電廠主要有位于城市北部、主干網供應末端的石洞口電廠，位于城市南部的臨港電廠、大漕涇電廠、化工區熱電聯供電廠等，這3座電廠年需求量約50×108m3/a，占上海市年需求量的36%左右，占LNG接收站年供應量的60%左右。一旦管道出現事故，將嚴重影響到上海的供氣安全。如果建設臨港—漕涇化工區電廠專線供應上述用戶 （該電廠專線不僅供應臨港電廠、漕涇化工區熱電聯供電廠、大漕涇電廠等電廠用戶，還供應化工區工業用戶），有效地分流這部分天然氣，實現電廠等大用戶和城市燃氣用戶分開供氣，可以大大提高上海市的天然氣供應安全，同時避免出現這3座電廠的啟停對其他用戶，尤其是管網末端的石洞口電廠的正常用氣產生的沖擊。

2 燃氣電廠專線數學模型

上海2020年氣源由三部分組成，分別為 “西氣東輸”天然氣，東海西湖凹陷天然氣和進口LNG（一期、二期）。到2020年三個氣源的年供應能力為 “西氣東輸”天然氣為40億m3/年，東海西湖凹陷天然氣為10億m3/年，進口LNG一期為300萬噸/年，二期為600萬噸/年，合計為76.7億m3/年。

幾個大型電廠在2020年的用氣量需求分別為華能燃氣電廠為7.53億m3/年，化工區熱電為10.5m3/年，大漕河涇燃機為17.34億m3/年，臨港燃機為21.68億m3/年，吳涇燃機為8.67億m3/年，柘中電廠為4.8億m3/年。

東海西湖凹陷天然氣供氣量較少，所以基本上是滿足城市燃氣和大工業用戶，給燃氣電廠供氣的主要依靠“西氣東輸”天然氣和進口LNG（一期、二期）。根據前面的預測，2020年上海城市燃氣和大工業用戶用氣量為50.74億m3/年，而城市燃氣和大工業用戶分布較為平均，所以三個氣源為城市燃氣和大工業供應能力分別為 “西氣東輸”天然氣20.37億m3/年，東海西湖凹陷天然氣為10億m3/年，進口LNG為20.37億m3/年。 “西氣東輸”為上海燃氣電廠供應能力為19.63億m3/年，進口LNG為上海燃氣電廠供應能力為56.33億m3/年。

由于建設燃氣電廠專線，氣源到電廠之間的管道口徑壓力基本相同，所以對于配送成本中運價與氣源到電廠之間的距離成正比，單位天然氣配送成本為L*E， （L為氣源到電廠之間的距離，E為管道的輸氣效率系數）。

這樣問題轉化為2個生產企業向6個銷售客戶進行燃氣配送業務。已知有m個生產企業，可以提供某種物資，有n個消費地點，需要該種物資，又知這m個產地的可供應量分別為a1,a2,…,am（可簡寫為ai），n個銷地的需要量分別為b1,b2,…,bn（簡寫為bj），從第i個產地到第j個銷地的單位運價為cij。根據現有交通運輸網，如何制定調運方案，使總的運輸費用最小。

如用xij代表從第i個產地調運給第j個銷地的物資數量，那么在總的產量大于銷量情況下，

由于總的產量大于銷量，就要考慮多余的物資在那一個產地就地儲存的問題。設xi,n+1是產地Ai的儲存量，于是有：

因此當產大于銷時，只要增加一個假想的銷地j=n+1（實際上是儲存），該銷地總需要量為

3 燃氣電廠專線優化

從上面可以得知共有兩個氣源地，其 “西氣東輸”為上海燃氣電廠供應能力為19.63億m3/年，進口LNG為上海燃氣電廠供應能力為56.33億m3/年。共有6個大型燃氣電廠需要用氣，其用氣量需求為華能燃氣電廠為7.53億m3/年，化工區熱電為10.5m3/年，大漕河涇燃機為17.34億m3/年，臨港燃機為21.68億m3/年，吳涇燃機為8.67億m3/年，柘中電廠為4.8億m3/年。又知各產銷地之間的單位運行價格為L*E（L為氣源到電廠之間的距離，E為管道的輸氣效率系數）。求運行總價最少的調運方案。

表1 單位運行價格表 單位：元/億m3

表2 產銷平衡表

表3 初始方案

我們用表上作業法求解這個問題，首先給出一個初始方案，我們給定初始方案的方法為最小元素法，這個方法的基本思想就是就近供應，即從單位運價表中最小的運價開始確定產銷關系，依次類推，一直到給出初始方案為止。這樣得到的結果如表3所示。

用最小元素法給出了初始調運方案，但問題是給出的初始方案是否運行成本最省；如果不是，又如何調整改進，我們采用的判斷方案是否最優及進一步改進的方法為閉回路法。

閉回路法的原理如下：從表4給定的初始方案的任一空格出發進行考慮，如把A2,B（）1 處調運方案改變一下，讓西氣東輸氣源A（）

1調一億立方給LNG A（）

2，為了保持平衡，就要依次在A1,B（）1處減少一億立方，在A1,B（）2

處增加一億立方，在A2,B（）2處減少一億立方，即要尋找一條除A2,B（）1 這個空格外，其余均由數字格位頂點組成

的閉回路。可以看出A2,B（）1 處增加一億立方，總的費用增加了111個單位，說明對于原定的方案，運行費用將會

增加，是不合算的。仿造上面的步驟，找出初始方案中所有空格的檢驗數，就可以得到一張檢驗數表。見表4，通過每一個空格閉合回路存在而且唯一，因此對每一個空格可以找到而且只能找到唯一的閉回路。

表4 檢驗數表

如果檢驗數表中所有數字大于等于零，表明對調運方案作出任何改變將導致運費增加，即給定的方案是最優方案，假如在檢驗表中有檢驗數為負，說明方案需要進一步改進，改進的方法就是從檢驗數為負值的格出發 （當有兩個以上負檢驗數時，從絕對值最大的負檢驗數格出發），做一條除該空格外其余頂點均為有數字格組成的閉回路。在這條閉回路上，按上面講的方法對運量做最大可能的調整。

而我們檢驗數表中所有數字都大于零，說明給定的方案就是最優方案。

通過表上作業法我們得出燃氣電廠專線的優化方案，由 “西氣東輸”天然氣負責華能電廠 （7.53億立方）與大漕涇電廠 （6.66億立方）的供氣，而進口LNG負責大漕涇電廠 （10.68億立方），化工區電廠 （10.5億立方），臨港電廠 （21.68億立方），柘中電廠 （4.8億立方），吳涇電廠 （8.67億立方），總的運行費用為最低。

4 結束語

以上這種方法將管道燃氣配送模擬成為物流運輸問題，通過運籌學的方法求得最優路線，也給其他專線燃氣配送管線提供了一種計算方法。

[1] 同濟大學，哈爾濱建工學院，北京建工學院.燃氣輸配[M].北京：中國建工出版社，1988.

[2] 習在筠，鄭漢鼎，劉家壯.運籌學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 陳慶勛，李廣群.城市輸氣管網的設計[J].油氣儲運，1998,17(11):25-28.

[4] 李波.天然氣管網系統輸配氣運行方案優化[J].石油規劃設計，2001,12(5):22-25.