楊斌， 尹宇起， 胡志華

(上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院，上海 201306)

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途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

楊斌， 尹宇起， 胡志華

(上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院，上海 201306)

為給CO2提供一個(gè)安全的運(yùn)輸方式, 針對(duì)碳運(yùn)輸過程中CO2的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提出考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題.結(jié)合碳捕獲與封存技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的需求，參考軸輻式網(wǎng)絡(luò)特征，提出軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.在該模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建采用規(guī)避策略和繞行策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.以上海市的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為背景，選取碳排放企業(yè)作為碳源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的成本優(yōu)勢(shì)及其模型可行性.通過比較兩種策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，研究?jī)煞N策略下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及途經(jīng)人群密集區(qū)的管道建設(shè)成本對(duì)策略選取的影響.

碳捕獲與封存； 人群密集區(qū)； 危險(xiǎn)品運(yùn)輸； 軸輻式網(wǎng)絡(luò)； 碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

溫室氣體所導(dǎo)致的全球變暖現(xiàn)象已成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注和討論的熱門問題.碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage，CCS)技術(shù)是唯一可以大規(guī)模減少在原料轉(zhuǎn)化、工廠和電力行業(yè)中因使用化石原料而產(chǎn)生的溫室氣體排放的技術(shù)措施.在CCS系統(tǒng)中，通過選用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸方式把在碳源捕獲的CO2運(yùn)輸?shù)椒獯娴?碳匯)進(jìn)行封存，其中運(yùn)輸方式有罐車運(yùn)輸、管道運(yùn)輸和船舶運(yùn)輸.管道運(yùn)輸擁有成熟的技術(shù)，并且是陸上運(yùn)輸CO2最常用的方法.

CO2的運(yùn)輸屬于危險(xiǎn)品運(yùn)輸.空氣中CO2含量高時(shí)，會(huì)對(duì)人類的生命安全和健康造成威脅：空氣中CO2濃度超過2%時(shí)就會(huì)引起人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的衰弱；其濃度超過10%時(shí)人體就會(huì)因窒息而死亡.而且CO2密度比空氣大，若CO2泄漏，則容易產(chǎn)生CO2沉積層，威脅人類和動(dòng)植物生命.CO2的運(yùn)輸卻不同于一般危險(xiǎn)品運(yùn)輸：其一，CCS系統(tǒng)中以熱電廠、水泥廠、化肥廠、鋼鐵廠等大的碳排放源頭為主要碳捕獲對(duì)象，碳源的數(shù)目較大且多分布在工業(yè)園區(qū)和城市周邊；其二，每個(gè)碳源的CO2排放量巨大，如一個(gè)裝機(jī)容量為500 MW的發(fā)電廠每年需要輸送約4×106～5×106t的CO2[1]；其三，與通過管道運(yùn)輸天然氣、煤氣等不同的是，CO2不被居民日常所需且需要以液態(tài)形式在特定條件下運(yùn)輸.NAM等[2]通過對(duì)離岸碳存儲(chǔ)鏈CO2運(yùn)輸?shù)难芯康贸觥?06Pa，-39 ℃”為整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)輸條件.一般危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)难芯坎⒉贿m用于CO2的運(yùn)輸過程.

考慮到CO2的危險(xiǎn)性，在設(shè)計(jì)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮運(yùn)輸管道泄漏對(duì)沿途的社區(qū)及工業(yè)園區(qū)等人群密集區(qū)及局部環(huán)境可能造成的危害，因此本文提出考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題.參考軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型構(gòu)建新型運(yùn)輸管道網(wǎng)，提出軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，并在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過程中，通過采用規(guī)避策略和繞行策略實(shí)現(xiàn)CO2管道運(yùn)輸?shù)陌踩煽?通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模型的可行性及成本優(yōu)勢(shì)；軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中碳匯地注入井的利用更均衡，有利于應(yīng)對(duì)新碳源的添加或原碳源排放量的增加；在考慮碳運(yùn)輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中途經(jīng)人群密集區(qū)的管道建設(shè)成本影響管道建設(shè)方案選??；發(fā)現(xiàn)采用繞行策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型對(duì)支線管道的建設(shè)成本與運(yùn)營(yíng)成本的反映呈現(xiàn)出一致性；考慮途經(jīng)人群聚集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可豐富危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)膬?nèi)涵，為構(gòu)建大規(guī)模碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù).

1 碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家能源科技圖書館的統(tǒng)計(jì)資料，世界上正在運(yùn)行和計(jì)劃建設(shè)的CCS項(xiàng)目(包括單純的碳捕獲項(xiàng)目)已有247項(xiàng)，而到2020年，全球范圍內(nèi)運(yùn)行的CCS項(xiàng)目將達(dá)到100個(gè).由于CCS技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CO2的永久性或半永久性隔離，而且海洋封存技術(shù)目前還不成熟，且涉及海底生態(tài)、法律等諸多方面的問題[3]，因此上述已經(jīng)實(shí)施的CCS項(xiàng)目中CO2的封存方式主要是地質(zhì)封存.地質(zhì)封存包括CO2加強(qiáng)采油和采氣、廢棄油氣田封存、地下咸水層封存等.本文中考慮選擇廢棄油氣田和地下咸水層封存作為CO2的封存方式.

CO2的管道運(yùn)輸技術(shù)已經(jīng)成熟，通過改進(jìn)管道技術(shù)壓縮成本的空間不大，因此優(yōu)化碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)高效的運(yùn)輸網(wǎng)是降低網(wǎng)絡(luò)成本的關(guān)鍵.國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者已經(jīng)開始碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究.[4-11]李永等[4]將源匯匹配問題歸結(jié)為一個(gè)具有多背包問題性質(zhì)的組合最優(yōu)化問題，建立CCS的源匯匹配數(shù)學(xué)模型，采用結(jié)合貪婪算法的混合遺傳算法求解模型.劉巍等[5]將碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題抽象為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)問題，通過構(gòu)建樹形網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用模擬退火算法和最小支撐樹算法進(jìn)行求解.MORBEE等[6]使用k-均值聚類法減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)，并且運(yùn)用InfraCCS工具在運(yùn)輸管道的預(yù)選方案基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò).CHANDELA等[7]討論干線管道的潛在經(jīng)濟(jì)性，由于地理位置影響封存成本，通過主干線管道運(yùn)輸CO2到一個(gè)成本低的封存點(diǎn)可能使該網(wǎng)絡(luò)更經(jīng)濟(jì).孫亮等[10]提出基于GAMS的源匯匹配動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，借鑒Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)造潛在運(yùn)輸路徑，將源匯匹配問題簡(jiǎn)化為混合整數(shù)規(guī)劃問題，應(yīng)用GAMS/CPLEX進(jìn)行建模求解.MIDDLETONA等[11]通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的成本、建設(shè)和環(huán)境問題進(jìn)行詳細(xì)全面的建模，構(gòu)建考慮時(shí)空優(yōu)化的SimCCSTIME模型,研究如何及何時(shí)部署大規(guī)模CCS的基礎(chǔ)設(shè)施.結(jié)合上述文獻(xiàn)信息，借鑒軸輻式網(wǎng)絡(luò)特征[12-13]，提出軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.

特殊的地理?xiàng)l件(如人口稠密區(qū))對(duì)管道成本有很大影響[13]，而且運(yùn)輸管道中泄漏的CO2對(duì)周圍的人群、動(dòng)物和環(huán)境危害巨大[14].WALLQUIST等[15]為評(píng)估公眾對(duì)CCS中捕獲、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等3部分的偏好，在人群中進(jìn)行抽樣調(diào)查，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)公眾對(duì)社區(qū)周圍的CO2運(yùn)輸管道和存儲(chǔ)罐特別敏感.因此，在軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，考慮運(yùn)輸管道途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園等人群密集區(qū)的安全運(yùn)輸問題.

2 問題定義

2.1 問題描述

碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題需要考慮碳捕獲、碳運(yùn)輸、碳封存等3個(gè)過程，其被劃分為2個(gè)子問題：

子問題1 碳源相對(duì)于碳匯點(diǎn)的分配問題(源匯匹配).CO2排放源被分配給多個(gè)碳封存點(diǎn)，每個(gè)封存點(diǎn)都有自己的服務(wù)對(duì)象即封存特定的碳源排放的CO2.為滿足子問題描述，假設(shè)：(1)每個(gè)碳源只可以被分配給一個(gè)碳匯點(diǎn)，即同一個(gè)碳源捕獲的CO2只可以由唯一的碳匯點(diǎn)進(jìn)行封存；(2)碳匯點(diǎn)只有在提供封存服務(wù)時(shí)才啟用，即潛在的碳匯點(diǎn)有多個(gè)，當(dāng)有碳源被分配給潛在的碳匯點(diǎn)時(shí)，潛在的碳匯點(diǎn)才成為真正的CO2的封存點(diǎn).

子問題2 源匯間CO2運(yùn)輸網(wǎng)的設(shè)計(jì).由于CO2排放源數(shù)目多且分散，如何將捕獲的CO2運(yùn)輸?shù)椒獯纥c(diǎn)成為碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn).本文通過借鑒軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)的軸-輻間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建關(guān)系設(shè)計(jì)CO2的運(yùn)輸網(wǎng).首先，在碳匯點(diǎn)輻射的碳源中確定收集點(diǎn)，在收集點(diǎn)與碳匯點(diǎn)間建設(shè)CO2運(yùn)輸?shù)母删€管道；然后，將碳源分配給相應(yīng)的碳匯點(diǎn)，在碳源與收集點(diǎn)間建設(shè)CO2運(yùn)輸?shù)闹Ь€管道.通過構(gòu)建軸輻型CO2運(yùn)輸網(wǎng)，將支線的CO2集中到干線上運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)干線運(yùn)輸過程的規(guī)模效應(yīng).關(guān)于CO2運(yùn)輸網(wǎng)的設(shè)計(jì)，假設(shè)：(1)碳匯點(diǎn)所輻射的CO2排放源的集合中收集點(diǎn)數(shù)目無(wú)限制；(2)碳排放源只可以被分配給同匯集合中的某一個(gè)收集點(diǎn)；(3)碳源間、收集點(diǎn)間沒有管道連接；(4)不考慮收集過程所產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)成本.

圖1 碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)示意圖

由子問題1和2得到碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的示意圖，見圖1.然而若此時(shí)管道網(wǎng)絡(luò)途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人群密集區(qū)，碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)決策者不得不考慮管道的泄漏造成的風(fēng)險(xiǎn).因此，當(dāng)管道途經(jīng)人群密集區(qū)時(shí)，就需要決策者選擇必要的應(yīng)對(duì)策略，通常是增加額外的防護(hù)裝置.此時(shí)，決策者又面臨新的問題：防護(hù)裝置的配置增加了管道的單位成本(建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本)，通過這種事后策略得到的網(wǎng)絡(luò)還是否是最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案？

為得到途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人群密集區(qū)的最優(yōu)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，提出考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題，給出兩種應(yīng)對(duì)策略：規(guī)避策略和繞行策略.

圖2 規(guī)避策略的示意圖

圖3 繞行策略的兩種模式示意圖

規(guī)避策略是通過改變收集點(diǎn)的選取和碳源相對(duì)于收集點(diǎn)的分配進(jìn)而使“碳源-收集點(diǎn)”管道避開人群密集區(qū)的策略.如圖2中收集點(diǎn)由碳源A變?yōu)樘荚碈，CO2運(yùn)輸管道可完全避開人群密集區(qū).

繞行策略包括兩種模式：增加防護(hù)裝置的模式和管道繞行的模式(見圖3).兩種模式造成的影響相似——增加節(jié)點(diǎn)間直線距離管道的單位成本，因此稱之為繞行策略.

2.2 符號(hào)定義

E={1,…,LE}表示碳源集合，?i，j∈E；S={1,…,LS}表示碳匯點(diǎn)集合，?k∈S；Ob表示CO2支線運(yùn)輸管道的單位運(yùn)營(yíng)成本，美元/t；Ot表示CO2干線運(yùn)輸管道的單位運(yùn)營(yíng)成本，美元/t；Ok表示碳匯點(diǎn)k注入平臺(tái)的單位運(yùn)營(yíng)成本，美元/t；Pi表示碳源i每年排放CO2的量，t/a；Cj表示在碳源j處建設(shè)收集點(diǎn)時(shí)每年的建設(shè)成本，美元/a；Ck表示啟用潛在碳封存點(diǎn)k建設(shè)注入平臺(tái)時(shí)每年的建設(shè)成本，美元/a；Cb表示CO2支線運(yùn)輸管道的單位建設(shè)成本，美元/(t·km)；Ct表示CO2干線運(yùn)輸管道的單位建設(shè)成本，美元/(t·km)；Dpipe表示CO2干線運(yùn)輸管道的處理能力限制，t；Dk表示碳匯點(diǎn)k的處理能力限制，t；Lij表示碳源i與選為收集點(diǎn)的碳源j之間的直線距離，km；Ljk表示收集點(diǎn)j與碳匯點(diǎn)k之間的直線距離，km；xj∈{0,1}，碳源j被選為CO2的收集點(diǎn)時(shí)xj=1，否則xj=0；xij∈{0,1}，碳源i被分配給收集點(diǎn)j時(shí)xij=1，否則xij=0；yjk表示由收集點(diǎn)j到碳匯點(diǎn)k的干線管道運(yùn)輸需要CO2的量，t；zk∈{0,1}，啟用潛在的碳匯點(diǎn)k注入CO2時(shí)zk=1，否則zk=0；zjk∈{0,1}，收集點(diǎn)j的CO2由碳匯點(diǎn)k封存時(shí)zjk=1，否則zjk=0.

3 模 型

3.1 軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型(模型1)

參考軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)特征，構(gòu)建軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型如下.

minf|f=f1+f2+f3+f4

(1)

式中：

f1=∑i,j∈E((ObPi+Cb)Lijxij)

(2)

f2=∑j∈E(Cjxj)

(3)

f3=∑j∈E,k∈S(OtLjkyjk)+∑j∈E,k∈S(CtLjkzjk)

(4)

f4=∑j∈E,k∈S(Okyjk)+∑k∈S(Ckzk)

(5)

s.t. ?i,j∈E和?k∈S，

xij≤xj

(6)

∑j∈Exij=1

(7)

∑k∈Syjk=∑i∈E(Pixij)

(8)

yjk≤Dpipe

(9)

∑k∈Szjk=xj

(10)

zjk≤zk

(11)

yjk≤Mzjk

(12)

∑j∈Eyjk≤Dkzk

(13)

xj,xij,zjk,zk∈{0,1}

(14)

(15)

目標(biāo)函數(shù)(1)是實(shí)現(xiàn)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)年總成本(建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本)的最小化，包括支線管道的年總成本(2)，收集點(diǎn)的年建設(shè)成本(3)，干線管道的年總成本(4)和注入井的年總成本(5)；約束(6)表示支線管道建設(shè)的邏輯約束；約束(7)表示每個(gè)碳源只可以被分配給一個(gè)CO2收集點(diǎn)；約束(8)表示管道流量平衡；約束(9)表示干線管道的流量約束；約束(10)表示每個(gè)收集點(diǎn)的CO2只能封存到同一個(gè)碳匯點(diǎn)，與約束(7)共同構(gòu)成子問題的要求；約束(11)表示干線管道建設(shè)的邏輯約束；約束(12)表示干線管道流量的邏輯約束；約束(13)表示碳匯點(diǎn)封存CO2的流量限制；約束(14)表示xj,xij,zjk,zk為0-1變量；約束(15)表示yjk為非負(fù)變量.

3.2 途經(jīng)人群密集區(qū)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型

為得到途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人群密集區(qū)的最優(yōu)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，采用規(guī)避策略和繞行策略分別設(shè)計(jì)CO2運(yùn)輸管道網(wǎng)，建立兩種策略下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.為描述CO2運(yùn)輸管道“途經(jīng)人群密集區(qū)”的特征，假設(shè)稀疏矩陣R=(rij|rij∈{0,1},?i,j∈E)，其中rij=1表示碳源i與j之間的直線管道途經(jīng)人群密集區(qū)，否則不經(jīng)過.

3.2.1 規(guī)避策略模型(模型2)

結(jié)合問題定義中規(guī)避策略的描述，在軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上建立考慮規(guī)避策略的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，應(yīng)對(duì)CO2運(yùn)輸管道泄漏對(duì)沿途人群的危害，滿足CCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求.為使建設(shè)的支線管道避開人群密集區(qū)，在模型1中添加約束(16)建立模型2，其中約束(16)具體涵義為人群密集區(qū)不可以建設(shè)運(yùn)輸CO2的支線管道.

minf|f=f1+f2+f3+f4

s.t.

式12)～(15)

通過血清學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在51280份標(biāo)本中，51043份標(biāo)本為HBsAg陰性，25份標(biāo)本為單試劑陽(yáng)性，212份標(biāo)本為雙試劑陽(yáng)性。

xij≤1-rij, ?i,j∈E

(16)

3.2.2 繞行策略模型(模型3)

在軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上建立繞行策略模型.相對(duì)于規(guī)避策略模型，如何衡量支線管道的成本(建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本)是繞行策略模型的重點(diǎn).已知增加防泄漏的保護(hù)裝置和管道繞過人群密集區(qū)都會(huì)增加直線距離管道的單位成本，因此分別增加成本折扣因子α(α>1)和λ(λ>1)，其中α為Ob的折扣因子，λ為Cb的折扣因子.途經(jīng)人群密集區(qū)時(shí)支線管道成本計(jì)量的參數(shù)集采用{αOb,λCb}；未經(jīng)過人群密集區(qū)時(shí)支線管道成本計(jì)量的參數(shù)集采用{Ob,Cb}.通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)改進(jìn)得到的模型3如下.

(17)

式中：

1=∑i,j∈E((ObPi+Cb)(1-rij)Lijxij)+

∑i,j∈E((αObPi+λCb)rijLijxij)

(18)

s.t. 式(3)～(6), (8)～(16)

式(18)表示繞行策略中支線管道的年總成本.由于碳源CO2的捕獲過程對(duì)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)尤其是運(yùn)輸網(wǎng)的影響較小，本文在構(gòu)建碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)過程中并未考慮CO2的捕獲成本.

3.3 直達(dá)型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型(模型4)

當(dāng)碳源直接分配給碳匯點(diǎn)時(shí)，碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題成為多背包問題，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.由此模型可得到直達(dá)型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其中碳源i的CO2由碳匯點(diǎn)k進(jìn)行封存時(shí)xik=1，否則xik=0.

minf|f=∑i∈E,k∈S((ObPi+Cb)Likxik)+

∑i∈E,k∈S(OkPixjk)+∑k∈S(Ckzk)

(19)

s. t.

∑k∈Sxik=1,?i∈E

(20)

∑i∈E(Pixik)≤zkDk,?k∈S

(21)

xik,zk∈{0,1},?i∈E,?k∈S

(22)

4 算 例

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以上海市為背景構(gòu)建碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，選取17個(gè)水泥廠和8個(gè)化肥廠作為CO2排放源，并選取5個(gè)(LS=5)虛擬碳匯地.結(jié)合社區(qū)、工業(yè)園區(qū)的分布及碳源分布圖，確定R；由于無(wú)法獲得每個(gè)工廠真實(shí)的排放數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采用隨機(jī)生成的方式生成每個(gè)工廠的碳排放量，隨機(jī)數(shù)據(jù)以均勻分布U[20,30]生成；對(duì)于地質(zhì)封存的注入成本，假設(shè)CCS項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)施，參考IPCC報(bào)告給出地質(zhì)封存成本0.5～8美元/t，確定具體數(shù)值[16].

將總建設(shè)成本按下列假設(shè)轉(zhuǎn)換為年建設(shè)成本：(1)所有設(shè)施(如管道、注入設(shè)施等)的運(yùn)行壽命n=20 a；(2)建設(shè)成本的折現(xiàn)率r=10%.

年建設(shè)成本=

采用MCCOLLUM等[17]的管道成本函數(shù)計(jì)算管道成本.管道總建設(shè)成本為

總建設(shè)成本=9 970m0.35L0.13FLFTL

式中：m表示管道中CO2的流速，t/d；L表示管道長(zhǎng)度，km；FL表示選址影響因子；FT表示地形影響因子.假設(shè)FL和FT分別等于1.0和1.3，對(duì)支線和干線管道分別選取固定流速mpipe=30 t/d和mtrunk=150 t/d.因此，管道的年建設(shè)成本可根據(jù)運(yùn)營(yíng)期限和折現(xiàn)率由總建設(shè)成本轉(zhuǎn)化.參考IPCC報(bào)告，250 km標(biāo)稱距離管道的運(yùn)輸成本為1～8美元/t[16]，根據(jù)支線與干線的折扣關(guān)系確定管道運(yùn)營(yíng)成本(Ot

4.2 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證新型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的可行性和分析網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)策略，設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)，見表1.

表1 考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 實(shí)驗(yàn)1中模型1的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與碳匯點(diǎn)分配結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)1中模型4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與碳匯分配結(jié)果

表4 實(shí)驗(yàn)1中兩種碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的年度總成本

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

(1)根據(jù)給定的假設(shè)條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解實(shí)驗(yàn)1，得到碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的管道建設(shè)成本在年度總成本中占比較高，例如軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中管道建設(shè)成本占年度總成本的75.1%.因此，在實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，其他實(shí)驗(yàn)中同樣會(huì)存在較高的管道建設(shè)成本.

表5 實(shí)驗(yàn)3中模型2和3的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與碳匯分配結(jié)果

a)α變化幅度/%b)λ變化幅度/%

圖4 參數(shù)α和λ靈敏度分析

圖5 參數(shù)α和λ變動(dòng)時(shí)多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

表7 實(shí)驗(yàn)4中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案來(lái)源

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)1中模型1與4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)模型間的差異：①軸輻型網(wǎng)絡(luò)在成本上具有優(yōu)勢(shì)，而且這種優(yōu)勢(shì)是由管道建設(shè)成本部分提供的；②軸輻型網(wǎng)絡(luò)與直達(dá)型網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中，源匯匹配存在差異，因此當(dāng)由直達(dá)型網(wǎng)絡(luò)向軸輻型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型時(shí)，必須對(duì)相應(yīng)碳源的分配進(jìn)行調(diào)整，而且這種差異體現(xiàn)出軸輻型網(wǎng)絡(luò)更適合處理遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的碳運(yùn)輸任務(wù)；③采用軸輻型網(wǎng)絡(luò)使得各匯地的注入井具有較為均衡的利用率.

(2)實(shí)驗(yàn)2中，軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的干線管道與支線管道單位運(yùn)營(yíng)成本的折扣(Ot/Ob)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并無(wú)影響，這表明在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中高昂的管道建設(shè)成本使得干線管道成本的影響減弱.當(dāng)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中管道建設(shè)成本較高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心是如何優(yōu)化碳運(yùn)輸管道.

(3)當(dāng)考慮碳運(yùn)輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)時(shí)，碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)策略包括規(guī)避策略和繞行策略，在實(shí)驗(yàn)3中模型2和3分別應(yīng)用上述策略進(jìn)行求解，然而這兩種策略對(duì)應(yīng)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案相同，即網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案中每條支線管道都避開人群密集區(qū).此時(shí)，對(duì)于規(guī)避策略而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期；對(duì)于繞行策略而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明途經(jīng)人群密集區(qū)的管道的建設(shè)成本太高從而使決策者放棄短距離的管道建設(shè)方案.由此可見，碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中管道成本對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)影響顯著.

(4)在實(shí)驗(yàn)4中，通過對(duì)途經(jīng)人群密集區(qū)時(shí)支線管道單位運(yùn)營(yíng)成本(Ob)折扣因子(α)和單位建設(shè)成本(Cb)折扣因子(λ)進(jìn)行靈敏度分析，得到4種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案(如圖5).隨著支線管道單位成本(建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本)的變動(dòng)，某些源點(diǎn)與匯地的匹配關(guān)系并未被打破，而且存在某些碳源一直作為收集中心的選擇點(diǎn)(收集點(diǎn))，這些匹配關(guān)系及收集點(diǎn)應(yīng)該引起決策者的重視，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略的變換過程中這些匹配關(guān)系和收集點(diǎn)并不會(huì)改變其在網(wǎng)絡(luò)中的角色.由于碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中管道建設(shè)成本在網(wǎng)絡(luò)總成本中占有較高比例，α對(duì)碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，同時(shí)λ對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成相似的影響(見圖4)，因此決策者在采用繞行策略設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)要準(zhǔn)確衡量管道網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本.

5 結(jié) 論

CCS作為減少溫室氣體排放的有效途經(jīng)，通過對(duì)碳排放源頭CO2的捕獲、運(yùn)輸和封存實(shí)現(xiàn)CO2永久或長(zhǎng)期隔離.為實(shí)現(xiàn)CCS技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，不僅要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的低成本化，而且要合理優(yōu)化碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)布局.通過分析碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的特征，結(jié)合軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，深化傳統(tǒng)的源匯匹配問題，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)劃分為兩部分：碳源與碳匯的匹配和源匯間軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并且提出軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.由于CO2屬于危險(xiǎn)品，考慮到網(wǎng)絡(luò)中碳運(yùn)輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)規(guī)避策略和繞行策略以確保CO2的安全運(yùn)輸，并且在軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出兩種策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型.通過收集數(shù)據(jù)并查閱資料，設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到：(1)驗(yàn)證軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型的可行性，而且其設(shè)計(jì)的碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具有成本優(yōu)勢(shì)；(2)相較于直達(dá)型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中碳匯地注入井的利用更均衡，此時(shí)每個(gè)碳匯的CO2接收量具有一定的增長(zhǎng)空間，有利于應(yīng)對(duì)新碳源的添加或原碳源排放量的增加；(3)對(duì)考慮碳運(yùn)輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)而言，采用規(guī)避策略與繞行策略得到相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，即支線網(wǎng)絡(luò)中沒有途經(jīng)人群密集區(qū)的線路，表明當(dāng)途經(jīng)人群密集區(qū)的管道的建設(shè)成本太高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中決策者會(huì)放棄短距離管道的建設(shè)方案；(4)采用繞行策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型對(duì)支線管道的建設(shè)成本與運(yùn)營(yíng)成本的反映呈現(xiàn)出一致性.本文提出的軸輻型碳存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型只是針對(duì)兩階段網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，需要考慮更多階段的網(wǎng)絡(luò)模型；文中僅考慮支線管道途經(jīng)人群密集區(qū)的情形，干線管道的泄漏風(fēng)險(xiǎn)依然重要.

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(編輯 趙勉)

Design of carbon storage network via crowded area

YANG Bin, YIN Yuqi, HU Zhihua

(Academy of Science & Technology, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)

Against the risk of leakage of CO2during carbon transportation, the design issue of carbon storage network via crowded area is proposed in order to provide a safe transportation mode for CO2. Combined with the needs of large-scale application of carbon capture and storage technology, and referring to the characteristics of hub-spoke network, a carbon storage network design model of hub-spoke type is addressed. Based on the model, the network design models using avoidance strategy and bypass strategy are addressed respectively. Shanghai’s carbon storage network design is set as the background and the carbon emission enterprises are chosen as carbon sources to carry out experiments. The experiments verify the cost advantages of the networks and the feasibility of the models. By comparing the network design schemes using the two strategies, the stability of network structure using the two strategies and the impact of the construction cost of pipelines via crowded area on strategy selection are studied.

carbon capture and storage; crowded area; hazardous material transportation; hub-spoke network; carbon storage network

10.13340/j.jsmu.2015.03.010

1672-9498(2015)03-0057-07

2014-11-05

2015-03-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(71171129，71101088)；教育部博士點(diǎn)基金(20113121120002，20123121110004)；上海市曙光計(jì)劃(13SG48)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃(12510501600，14DZ2280200)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ100)；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(2014ycx013)

楊斌(1975—)，男，山東招遠(yuǎn)人，教授，博士，研究方向?yàn)榫G色物流、知識(shí)發(fā)現(xiàn)與智能系統(tǒng)，binyang@shmtu.edu.cn

U113

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