中国能源结构优化的多目标决策

中国能源结构优化的多目标决策 ○ 邱立新1 ， 雷仲敏2 ， 周田君3， （1. 中国煤炭科学研究总院，北京 100013； 2. 青岛科技大学 经济与管理学院，山东，青岛 266061；3. 青岛科技大学 高分子科学与 工程学院，山东，青岛 266042） [摘 要] 我国能源发展战略正在由主要关注能源系统供需平衡，转向关注能源与经济、环境的协调发展。这 涉及到技术、成本、资金与环境等一系列问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。其中的关键问题是，在目前的经济、技术条件下，如何通过能源 结构的优化，使得经济增长和环境保护的目标都能实现。本文将这一问题转化为运用多目标决策 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，对与社会 经济、环境协调发展的能源结构优化模型进行研究，并运用所构建的模型对2020年我国能源结构进行优化。通过 对优化结果的分析讨论得出几点结论：1. 能源结构发生变化，2. 深度利用煤炭资源，3. 能源安全问题需要重视， 4. 进一步加快水电建设，5. 积极发展核电，6. 提高煤炭转换成电力的比重，7. 高度重视新能源和可再生能源的开 发和利用。 [关键词] 多目标决策；能源结构；优化 [中图分类号] F206.92 [文献标识码] A [文章编号] 1671-8372(2006)03-0049-06 Multi-objective decision in energy structure optimizing of China QIU Li-xin1，LEI Zhong-min2，ZHOU Tian-jun3 （1. China Coal Research Institute, Beijing 10013， China ; 2. College of Economy and Management , Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061， China; 3. Institute of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042 ，China） Abstract: The contents of energy development strategy have been changing from showing concern for balance between supply and demand of energy system to showing concern for coordinative development among energy social-economy and environment. This change would deal with a series of problems in technology, cost, finance and environment. It is essential to achieve the aims of economic growth and environmental protection together through the energy structure optimizing in the present posture of economy and technology. According to the theory of a multi-objective decision, this thesis studies and builds an optimum model of energy structure in coordinative development among energy social-economy and environment. This model has an application in energy structure optimizing of China in the future of 2020 years. The calculation shows as follows:1. Energy structure will be changed; 2. Coal resource will be used more and efficiently; 3. The problem of energy safety needs to be regarded; 4. Water power should be built with a further speed; 5. Nuclear power will play an important role in promoting the coordinative development among energy economy and environment so as to be developed actively; 6, Increase the proportion of transforming coal into fire power; 7. Highly attach importance to exploit and utilize the new energy and renewable energy. Key words: multi-objective decision; energy structure; optimizing ［基金项目］国家社会科学基金项目（03DJY036） ［收稿日期］2006-03-24 ［作者简介］邱立新（1967-），女，山东济宁人，中国煤炭科学研究总院博士研究生，副教授； 雷仲敏（1952-），男，陕西韩城人，青岛科技大学经济与管理学院副院长，教授，博士生导师。 我国能源— 经济 — 环境协调发展过程中出现的 严重不协调问题，使长期处于短缺经济条件下所形 成的能源总量平衡战略与全面小康社会建设的要求 越来越不相适应，因此，能源发展战略正在由主要 关注能源系统供需平衡，转向关注能源与经济、环 境的协调发展。 Vol.22,No.3 Sept.2006 第22卷第3期 2006年9月 青岛科技大学学报（社会科学版） Journal of Qingdao University of Science and Technology(Social Sciences) 数，则上述规划为一个线性规划问题。 （2）若某些函数或约束条件为非线性的，则该问 题为一个NLP问题。 （3）若为线性规划问题，用单纯形法可求得问题 （1-2）最优解。该最优解即为问题（1-1）的一个非 劣解。 （4）若为NLP问题，可用K-T条件或其他方法 求得问题（1-2）的最优解，即为问题（1-1）的一 个非劣解。 （5）但由于wk的取值不同，则问题（1-2）的目 标函数就不同，这样问题（1-2）的最优解可能不同， 即可得到问题（1-1）的另一些非劣解。可以通过改 变wk的取值来获取原多目标问题的一部分或全部非 劣解。 2．模型结构 目标函数：采用各种能源的消费量为决策变量， 因单位不同，均换算成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤。以能源投资最小、环 境污染治理费用最小为目标函数。即 Min F(x)=[f1(x)，f2(x)] 其加权法的运筹形式： Min F(x)=w1f1(x)+ w2f2(x) 其中: 式中：Ai为各种能源的投资，Bi为各种能源污染 治理费用，X1为除发电以外的其他用煤，X2为石油 消费量，X3为天然气消费量，X4为发电用煤，X5为 一次电力。 约束条件: （1）能源消费总量大于规划值，即:∑Xi≥C，C 为规划值（即表2中的预测值）。 （2）主导性约束：由于各地区资源禀赋不同，主 导性约束边界条件也不尽相同。 从全国角度设置，未来20年，我国能源消费结 构的变化范围如下： 煤炭(50%-65%)，即:0.5≤(X1＋X4)/∑Xi≤0.65 石油(20%-30%)，即:0.2≤X2/∑Xi≤0.3 天然气(2%-15%)，即:0.02≤X3/∑Xi≤0.15 一次电力(2%-10%)，即:0.02≤X5/∑Xi≤0.1 发电用煤(40%-75%)，即:0.4≤X4/(X1＋X4)≤ 0.75 其他各省的边界条件是在各地区现有能源结构 的基础上参照全国能源结构波动幅度设定的，见 从我国以煤为主的能源生产消费结构看，要满 足未来日益增长的能源需求，可能的能源供应路线 有两种选择：一是继续保持以煤为主的供应结构， 但这将面临煤炭生产利用过程中的环境污染、输煤 带来的运输压力等一系列问题；另一种是转向优质 化、多样化的能源供应路线，以核能和可再生能源 为重要替代能源，逐步建立高效、洁净和持久的能 源系统。但这又将面临技术、成本及资金等一系列 障碍。其中的关键问题是，在目前的经济、技术条 件下，如何通过能源结构的优化，使得经济增长的 目标和环境保护的目标都能实现。本文将这一问题 转化为运用多目标决策方法，对与社会经济、环境 协调发展的能源结构优化模型进行研究。 一、多目标决策模型的设计 多目标决策（Multiple Objectives Decision Making ——MODM）是现实生活、工程或管理中普遍存在 的决策问题。在现实生活中，人们在决策时往往需 要考虑多个目标，而且有些目标之间相互矛盾，给 决策带来了一定的困难。针对多目标决策中决策变 量是连续或离散的两种状态，多目标决策又分为连 续决策技术和离散决策技术。连续决策技术主要解 决无限多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 且变量是连续的决策问题，主要方法 有加权法、ε－约束法、综合法和多目标规划法 ； 离散决策技术主要解决具有离散决策变量和有限方 案集的决策问题。目前较为成熟的方法有线性加权 法、逼近于理想解的排序方法（TOPSIS法）、层次 分析法等。本文的研究目的是通过能源结构的优化， 实现社会经济、环境的协调发展，属于具有无限多 方案且决策变量是连续的决策问题，运用加权法解 决此问题较为适宜。 1．加权法 加权法就是给不同的目标函数加权，从而使之 成为单一目标函数： max-dominate Z(X)=(Z1(X),Z2(X),⋯,ZP(X)) s.t gi(X)≤0 i=1,⋯,m (1-1) xj≥0 j=1,⋯,n 则加权法的运筹形式为： max Z(X)=w1Z1(x)+w2Z2(x)+⋯+wpZp(x) s.t gi(X)≤0 i=1,⋯,m (1-2) xj≥0 j=1,⋯,n 上述问题中： （1）若Zk(x)（k=1,⋯,p）, gi(X)(i=1,⋯,m)均为线性函 青岛科技大学学报（社会科学版） 第22卷·50· f2(x)=∑BiXi 5 i=1 f1(x)=∑AiXi 5 i=1 表1 未来20年各地区能源结构调整范围 边界1 边界2 地区 北京 天津 河北 山西 内蒙古 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 煤炭 0.73 0.72 0.92 0.79 0.95 0.84 0.86 0.71 0.72 0.84 0.73 0.90 0.65 0.83 0.85 0.89 0.79 0.79 0.58 0.75 0.33 0.73 0.68 0.89 0.80 0.81 0.77 0.67 0.87 0.66 一次电力 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.10 0.08 0.08 0.08 0.11 0.08 0.18 0.11 0.08 0.08 0.12 0.15 0.12 0.17 0.11 0.15 0.15 0.12 0.17 0.09 0.14 0.22 0.09 0.09 天然气 0.12 0.10 0.09 0.08 0.08 0.11 0.09 0.13 0.08 0.13 0.08 0.08 0.08 0.08 0.09 0.10 0.08 0.08 0.08 0.08 0.26 0.21 0.23 0.10 0.11 0.10 0.08 0.15 0.08 0.19 石油 0.38 0.41 0.22 0.18 0.20 0.27 0.26 0.38 0.43 0.38 0.39 0.25 0.40 0.29 0.30 0.24 0.31 0.29 0.53 0.31 0.61 0.22 0.25 0.19 0.24 0.31 0.32 0.27 0.26 0.36 煤炭 0.58 0.57 0.77 0.82 0.80 0.69 0.71 0.56 0.57 0.56 0.58 0.75 0.50 0.68 0.70 0.74 0.64 0.64 0.43 0.60 0.18 0.58 0.53 0.74 0.65 0.66 0.62 0.52 0.72 0.51 一次电力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.03 0.00 0.10 0.03 0.00 0.00 0.04 0.07 0.04 0.09 0.03 0.07 0.07 0.04 0.09 0.01 0.06 0.14 0.01 0.01 天然气 0.04 0.02 0.01 0.00 0.00 0.03 0.01 0.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.18 0.13 0.15 0.02 0.03 0.02 0.00 0.07 0.00 0.11 石油 0.23 0.26 0.07 0.03 0.05 0.12 0.11 0.23 0.28 0.16 0.24 0.10 0.25 0.14 0.15 0.09 0.16 0.14 0.38 0.16 0.46 0.07 0.10 0.04 0.09 0.16 0.17 0.12 0.11 0.21 表1。 （3）非负约束：即Xi≥0 3．基本假设条件 （1）模型以能源与社会经济、环境的协调发展为 目标，以能源结构的优化为实现手段。 （2）假设能源消费量随经济增长而增长，忽略能 源利用效率变化、经济结构调整、管理水平提高等 带来的影响。 （3）能源结构调整的根本驱动因素是投资最小 化和环境污染治理费用的最小化。 （4）环境污染主要考虑SO2和烟尘排放量。 （5）以2000年不变价格进行预测。 4．数据基础 （1）能源需求预测。国内外许多能源或相关机构 都对我国2020年，甚至到2050年的能源需求进行 了预测。由于在预测方法、主要情境的假定和表 述，以及预测基期和预测目标时间上存在差别，能 源需求预测的结果也各不相同。本文以《能源政 策研究》［1］和《中国中长期能源战略》［2］能源预 测结果为背景，分高、低两种方案对全国除台湾、 西藏外30个省市自治区2020年能源需求总量进行 了预测，预测结果见表2。 （2）能源投资费用。全国31个省份按能源自给 程度可划分为能源调出省、能源调入省和能源自平 邱立新 ， 雷仲敏， 周田君. 中国能源结构优化的多目标决策 ·51·第3期 表2 2020年各地区能源需求总量预测 方案 地区 全国 北京 天津 河北 山西 内蒙 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 高方案 （万吨标煤） 13670 7892 19341 5029 950 7320 12449 6352 6445 6552 5931 1675 2141 7783 12260 低方案 （万吨标煤） 11392 6577 16117 4191 792 6100 10374 5293 5371 5460 4943 1396 1784 6486 10217 方案 地区 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 河南 高方案 （万吨标煤） 300000 7084 6050 22519 10726 10164 18857 9273 14359 11174 19096 11820 10739 5503 4744 22101 低方案 （万吨标煤） 250000 5903 5042 18766 8938 8470 15714 7727 11966 9312 15914 9850 8950 4586 3953 18418 表3 单位能源投资费用预测 煤炭（元/吨标煤） 油气（元/吨标煤） 火电（元/吨标煤） 其他加工转换（元/吨标煤） 一次电力（元/吨标煤） 2020年 1.03 E+03 7.89 E+03 8.02 E+07 2.85 E+03 1.36 E+08 2010年 7.36 E+02 5.62 E+03 5.71 E+07 2.03 E+03 9.71 E+07 2015年 8.72 E+02 6.66 E+03 6.77 E+07 2.41 E+03 1.15 E+08 2000年 5.24 E+02 4.00 E+03 4.07 E+07 1.45 E+03 6.92 E+07 注1：根据2002年中国统计年鉴数据整理。 注2：采用科学计数法，保留两位有效数字。 衡省三大类。模型计算中，对于能源调出和能源自 平衡省，其一次能源结构中，煤炭、石油、天然气、 一次电力均采用单位能源投资费用；对于能源调入 省，一次电力及火电用单位投资费用，其他用市场 价格计算能源投资费用。从全国角度考虑，我们忽 略能源进出口量，全部采用单位能源投资费用而非 价格计算总的能源投资费用。1991-2002年全国固 定资产投资价格指数为0.185，2000 -2020年各种能 源投资费用预测值见表3。 （3）污染治理费用。按直接市场法估算的SO2 排放的污染治理费用值，高估计值为8000元/吨 （SO2），低估计值为3300元/吨（SO2）［3］。烟尘的 污染治理费用为373.33元/吨［4］。 根据《资源节约综合利用管理实务》数据整理， 各种能源的污染物排放系数见表4。 （4）w1和w2的取值。对w1、w2的取值问题，应 注意以下几点： 1）首先，wk的变化不能太快，若太快可能会跳 过某极点，从而会漏掉真正的非劣解。 2）wk的取值不能为负，因为对于目标Zk(X)来说， 青岛科技大学学报（社会科学版） 第22卷·52· 表5 2020年优化的中国区域能源结构 地区 全国 北京 天津 河北 山西 内蒙古 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 煤炭 0.54 - 0.63 0.45 - 0.54 0.54 - 0.57 0.70 - 0.77 0.72 - 0.81 0.73 - 0.82 0.58 - 0.68 0.60 - 0.70 0.55 - 0.59 0.45 - 0.54 0.40 - 0.50 0.50 - 0.60 0.65 - 0.76 0.48 - 0.52 0.58 - 0.66 0.53 - 0.65 0.61 - 0.70 0.55 - 0.66 0.54 - 0.61 0.32 - 0.40 0.52 - 0.62 0.22 - 0.30 0.41 - 0.60 0.48 - 0.56 0.60 - 0.74 0.57 - 0.66 石油 0.27 - 0.31 0.38 - 0.40 0.34 - 0.35 0.21 - 0.25 0.16 - 0.20 0.15 - 0.20 0.24 - 0.32 0.24 - 0.28 0.33 - 0.35 0.39 - 0.40 0.20 - 0.25 0.30 - 0.35 0.20 - 0.25 0.28 - 0.30 0.23 - 0.26 0.30 - 0.35 0.20 - 0.25 0.23 - 0.26 0.26 - 0.30 0.50 - 0.50 0.22 - 0.27 0.47 - 0.51 0.15 - 0.26 0.20 - 0.24 0.15 - 0.25 0.16 - 0.19 天然气 0.063 - 0.098 0.07 - 0.14 0.08 - 0.10 0.02 - 0.05 0.03 - 0.06 0.03 - 0.06 0.07 - 0.09 0.05 - 0.11 0.07 - 0.08 0.05 - 0.10 0.08 - 0.12 0.06 - 0.10 0.03 - 0.09 0.07 - 0.09 0.05 - 0.07 0.04 - 0.10 0.07 - 0.09 0.06 - 0.10 0.03 - 0.04 0.05 - 0.10 0.03 - 0.05 0.18 - 0.20 0.15 - 0.18 0.16 - 0.18 0.05 - 0.07 0.08 - 0.10 一次电力 0.036 - 0.05 0.006 - 0.01 0.010 0.005 0.005 0.005 - 0.01 0.010 0.015 - 0.02 0.01 - 0.02 0.02 - 0.05 0.18 - 0.25 0.04 - 0.06 0.005 - 0.01 0.130 0.06 - 0.09 0.01 - 0.02 0.03 - 0.055 0.05 - 0.09 0.1 - 0.12 0.05 - 0.08 0.13 - 0.16 0.05 - 0.07 0.1 - 0.15 0.08 - 0.1 0.06 - 0.08 0.1 - 0.14 若取wk为负值，则原极大化就变成极小化问题， 这样求得的解可能是劣解。 3）对目标函数多、维数多的多目标问题求解是 工作量很大的事情，有时并不能求出全部非劣解， 尽管如此，用这种方法仍然可以求出部分非劣解。 本模型运算中取（w1，w2）＝（1，1）。 二、运算结果及分析 1. 运算结果 根据以上条件，将相关数据代入模型进行计算， 其结果见表5。 2．运算结果分析 从全国角度分析，由于一次电力初始投资高，近 期内从经济效益考虑很难与火电竞争，但随着燃煤 污染治理费用的不断增加及污染排放量的限制，煤 炭消费的增加缓慢，其在能源消费总量中的比重下 降，到2020年下降到54％-63％，但发电用煤将会 邱立新 ， 雷仲敏， 周田君. 中国能源结构优化的多目标决策 ·53·第3期 表4 污染物排放系数取值 单位煤炭排放污染物量 (单位:kg/ 吨标准煤) 单位原油排放污染物量 (单位:kg/ 吨标准煤) 单位天然气排放污染物量 (单位:kg/ 吨标准煤) 20.00 13.10 7.00 1.05 0.47 0.21 SO2 烟尘 SO2 SO2 烟尘 SO2 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 0.57 - 0.62 0.50 - 0.60 0.45 - 0.53 0.63 - 0.73 0.43 - 0.48 0.25 - 0.30 0.27 - 0.33 0.20 - 0.25 0.21 - 0.27 0.31 - 0.33 0.09 - 0.15 0.04 - 0.06 0.09 - 0.10 0.03 - 0.06 0.18 - 0.20 0.040 0.09 - 0.11 0.18 - 0.2 0.03 - 0.04 0.03 - 0.04 继续增长，占煤炭消费总量的比例将达50％-70％； 油气的增长较快，比重由目前的18％提高到2020年 的33％- 40％。未来20年，一次电力进入快速发展 阶段，到2020年在能源消费总量中的比重将达到 5％，能源结构开始由以煤为主，向以核能、风能 等再生能源作为重要替代能源的多元化结构过渡。 三、结论与讨论 1．能源结构发生变化 从资源、社会经济和环境协调发展分析，到2020 年，我国的能源结构将由以煤为主转为以煤炭和油 气为主，一次电力作为替代能源将开始显现出其重 要作用。 2．深度利用煤炭资源 煤炭在能源消费结构中仍占有相当比重，这是 符合我国能源资源禀赋特点的，关键是要重视国产 大型火电机组的发展，提高煤炭利用效率，同时加 强洁净煤技术开发，控制环境污染。 3．能源安全问题需要重视 油气增长较快，这符合世界能源结构演变规律。 但我国人口多，油气资源相对匮乏，已探明的煤炭 储量仅占世界煤炭总储量的11％、原油占2.4％、天 然气仅占1.2％。人均能源资源占有量还不到世界平 均水平的1/2，石油仅为1/10。石油进口依存度2004 年已达40％，预计2020年将上升为58％。未来油气 能源供需的缺口将越来越大，能源安全保障的问题 将提到议事日程。 4．进一步加快水电建设 我国水力资源居全球首位，可开发水电容量为 3.8亿kw，但目前仅开发20％，离发达国家的 50％以上尚有很大差距。所以，水电应是我国优先 发展的能源，用于水电建设的投资应逐年增加，这 对改善我国能源结构和布局有战略意义。 5．积极发展核电 核电是清洁、安全、高效的能源，它在增加我国 能源供应、减排温室气体方面具有重要作用，2000 年，我国核电装机量为600万kw，不到全国发电装 机的1％，远低于世界16％的平均水平。我国核原 料较丰富，有发展潜力，今后传统能源减产时核电 应在能源发展战略中占有重要地位，担当主要能源 角色，尤其近年来地浸砂岩型铀矿找矿取得突破， 能为核工业的可持续发展提供较好的物质前景。 6．提高煤炭转换成电力的比重 当前我国发电用煤仅占煤炭总产量的35％左右， 同发达国家差距很大。为减轻煤烟型污染，要大力 发展高容量火电厂，将更多的煤转换成电力。到 2020年，我国发电用煤的比重将提高到70％。未来 20年，每年新装火电机组1000万kw以上，每年新 增产的煤60％-70％用于发电。 7．高度重视新能源和可再生能源的开发和利用 新能源和可再生能源是指常规能源和大型水力 发电之外的生物质能、风能、太阳能、小水电、海 洋能、地热能等能源资源。中国新能源和可再生能 源资源非常丰富。但由于受技术和建设成本的制约， 目前新能源和可再生能源还难以发挥主要作用，随 着技术的进步和经济的发展，新能源和可再生能源 的作用将越来越大，并最终替代常规能源成为能源 主角。发达国家都在下大力气开发和利用新能源和 可再生能源。因此，高度重视新能源和可再生能源 的研究、开发和利用是一项重要能源发展战略，应 该制定优惠政策，加大资金投入，促进新能源和可 再生能源的更快发展。 ［参考文献］ ［1］中国能源研究会. 能源政策研究［Z］.2002,（1） :18-19. ［2］ 周凤起，周大地. 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