楊斌， 尹宇起， 胡志華

(上海海事大學 科學研究院，上海 201306)

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途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲網(wǎng)絡設計

楊斌， 尹宇起， 胡志華

(上海海事大學 科學研究院，上海 201306)

為給CO2提供一個安全的運輸方式, 針對碳運輸過程中CO2的泄漏風險，提出考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲網(wǎng)絡設計問題.結(jié)合碳捕獲與封存技術(shù)大規(guī)模應用的需求，參考軸輻式網(wǎng)絡特征，提出軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型.在該模型的基礎上，構(gòu)建采用規(guī)避策略和繞行策略的網(wǎng)絡設計模型.以上海市的碳存儲網(wǎng)絡設計為背景，選取碳排放企業(yè)作為碳源進行實驗，驗證軸輻型碳存儲網(wǎng)絡的成本優(yōu)勢及其模型可行性.通過比較兩種策略的網(wǎng)絡設計方案，研究兩種策略下網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及途經(jīng)人群密集區(qū)的管道建設成本對策略選取的影響.

碳捕獲與封存； 人群密集區(qū)； 危險品運輸； 軸輻式網(wǎng)絡； 碳存儲網(wǎng)絡

0 引 言

溫室氣體所導致的全球變暖現(xiàn)象已成為國際社會關(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?shù)倪\輸方式把在碳源捕獲的CO2運輸?shù)椒獯娴?碳匯)進行封存，其中運輸方式有罐車運輸、管道運輸和船舶運輸.管道運輸擁有成熟的技術(shù)，并且是陸上運輸CO2最常用的方法.

CO2的運輸屬于危險品運輸.空氣中CO2含量高時，會對人類的生命安全和健康造成威脅：空氣中CO2濃度超過2%時就會引起人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的衰弱；其濃度超過10%時人體就會因窒息而死亡.而且CO2密度比空氣大，若CO2泄漏，則容易產(chǎn)生CO2沉積層，威脅人類和動植物生命.CO2的運輸卻不同于一般危險品運輸：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，每個碳源的CO2排放量巨大，如一個裝機容量為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輸.NAM等[2]通過對離岸碳存儲鏈CO2運輸?shù)难芯康贸觥?06Pa，-39 ℃”為整個系統(tǒng)的最優(yōu)運輸條件.一般危險品運輸?shù)难芯坎⒉贿m用于CO2的運輸過程.

考慮到CO2的危險性，在設計碳存儲網(wǎng)絡時必須考慮運輸管道泄漏對沿途的社區(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)的碳存儲網(wǎng)絡設計問題.參考軸輻式物流網(wǎng)絡設計模型構(gòu)建新型運輸管道網(wǎng)，提出軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型，并在網(wǎng)絡的設計過程中，通過采用規(guī)避策略和繞行策略實現(xiàn)CO2管道運輸?shù)陌踩煽?通過實驗驗證軸輻型碳存儲網(wǎng)絡模型的可行性及成本優(yōu)勢；軸輻型碳存儲網(wǎng)絡中碳匯地注入井的利用更均衡，有利于應對新碳源的添加或原碳源排放量的增加；在考慮碳運輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的網(wǎng)絡設計中途經(jīng)人群密集區(qū)的管道建設成本影響管道建設方案選??；發(fā)現(xiàn)采用繞行策略的網(wǎng)絡設計模型對支線管道的建設成本與運營成本的反映呈現(xiàn)出一致性；考慮途經(jīng)人群聚集區(qū)的碳存儲網(wǎng)絡設計，可豐富危險品運輸?shù)膬?nèi)涵，為構(gòu)建大規(guī)模碳存儲網(wǎng)絡提供依據(jù).

1 碳存儲網(wǎng)絡設計

根據(jù)國家能源科技圖書館的統(tǒng)計資料，世界上正在運行和計劃建設的CCS項目(包括單純的碳捕獲項目)已有247項，而到2020年，全球范圍內(nèi)運行的CCS項目將達到100個.由于CCS技術(shù)的目標是實現(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)實施的CCS項目中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的管道運輸技術(shù)已經(jīng)成熟，通過改進管道技術(shù)壓縮成本的空間不大，因此優(yōu)化碳存儲網(wǎng)絡，設計高效的運輸網(wǎng)是降低網(wǎng)絡成本的關(guān)鍵.國內(nèi)外相關(guān)研究者已經(jīng)開始碳存儲網(wǎng)絡設計和優(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]將碳存儲網(wǎng)絡規(guī)劃問題抽象為運輸網(wǎng)絡問題，通過構(gòu)建樹形網(wǎng)絡，運用模擬退火算法和最小支撐樹算法進行求解.MORBEE等[6]使用k-均值聚類法減少網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)，并且運用InfraCCS工具在運輸管道的預選方案基礎上設計最優(yōu)網(wǎng)絡.CHANDELA等[7]討論干線管道的潛在經(jīng)濟性，由于地理位置影響封存成本，通過主干線管道運輸CO2到一個成本低的封存點可能使該網(wǎng)絡更經(jīng)濟.孫亮等[10]提出基于GAMS的源匯匹配動態(tài)規(guī)劃模型，借鑒Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)造潛在運輸路徑，將源匯匹配問題簡化為混合整數(shù)規(guī)劃問題，應用GAMS/CPLEX進行建模求解.MIDDLETONA等[11]通過對網(wǎng)絡的成本、建設和環(huán)境問題進行詳細全面的建模，構(gòu)建考慮時空優(yōu)化的SimCCSTIME模型,研究如何及何時部署大規(guī)模CCS的基礎設施.結(jié)合上述文獻信息，借鑒軸輻式網(wǎng)絡特征[12-13]，提出軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型.

特殊的地理條件(如人口稠密區(qū))對管道成本有很大影響[13]，而且運輸管道中泄漏的CO2對周圍的人群、動物和環(huán)境危害巨大[14].WALLQUIST等[15]為評估公眾對CCS中捕獲、運輸和存儲等3部分的偏好，在人群中進行抽樣調(diào)查，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)公眾對社區(qū)周圍的CO2運輸管道和存儲罐特別敏感.因此，在軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型基礎上，考慮運輸管道途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園等人群密集區(qū)的安全運輸問題.

2 問題定義

2.1 問題描述

碳存儲網(wǎng)絡設計問題需要考慮碳捕獲、碳運輸、碳封存等3個過程，其被劃分為2個子問題：

子問題1 碳源相對于碳匯點的分配問題(源匯匹配).CO2排放源被分配給多個碳封存點，每個封存點都有自己的服務對象即封存特定的碳源排放的CO2.為滿足子問題描述，假設：(1)每個碳源只可以被分配給一個碳匯點，即同一個碳源捕獲的CO2只可以由唯一的碳匯點進行封存；(2)碳匯點只有在提供封存服務時才啟用，即潛在的碳匯點有多個，當有碳源被分配給潛在的碳匯點時，潛在的碳匯點才成為真正的CO2的封存點.

子問題2 源匯間CO2運輸網(wǎng)的設計.由于CO2排放源數(shù)目多且分散，如何將捕獲的CO2運輸?shù)椒獯纥c成為碳存儲網(wǎng)絡設計的關(guān)鍵點.本文通過借鑒軸輻式物流網(wǎng)絡的軸-輻間網(wǎng)絡構(gòu)建關(guān)系設計CO2的運輸網(wǎng).首先，在碳匯點輻射的碳源中確定收集點，在收集點與碳匯點間建設CO2運輸?shù)母删€管道；然后，將碳源分配給相應的碳匯點，在碳源與收集點間建設CO2運輸?shù)闹Ь€管道.通過構(gòu)建軸輻型CO2運輸網(wǎng)，將支線的CO2集中到干線上運輸，實現(xiàn)干線運輸過程的規(guī)模效應.關(guān)于CO2運輸網(wǎng)的設計，假設：(1)碳匯點所輻射的CO2排放源的集合中收集點數(shù)目無限制；(2)碳排放源只可以被分配給同匯集合中的某一個收集點；(3)碳源間、收集點間沒有管道連接；(4)不考慮收集過程所產(chǎn)生的運營成本.

圖1 碳存儲網(wǎng)絡示意圖

由子問題1和2得到碳存儲網(wǎng)絡的示意圖，見圖1.然而若此時管道網(wǎng)絡途經(jīng)社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人群密集區(qū)，碳存儲網(wǎng)絡決策者不得不考慮管道的泄漏造成的風險.因此，當管道途經(jīng)人群密集區(qū)時，就需要決策者選擇必要的應對策略，通常是增加額外的防護裝置.此時，決策者又面臨新的問題：防護裝置的配置增加了管道的單位成本(建設成本和運營成本)，通過這種事后策略得到的網(wǎng)絡還是否是最優(yōu)的網(wǎng)絡設計方案？

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)碳存儲網(wǎng)絡設計方案，提出考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲網(wǎng)絡設計問題，給出兩種應對策略：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的選取和碳源相對于收集點的分配進而使“碳源-收集點”管道避開人群密集區(qū)的策略.如圖2中收集點由碳源A變?yōu)樘荚碈，CO2運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 符號定義

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

3 模 型

3.1 軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型(模型1)

參考軸輻式物流網(wǎng)絡特征，構(gòu)建軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型如下.

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)

目標函數(shù)(1)是實現(xiàn)碳存儲網(wǎng)絡年總成本(建設成本和運營成本)的最小化，包括支線管道的年總成本(2)，收集點的年建設成本(3)，干線管道的年總成本(4)和注入井的年總成本(5)；約束(6)表示支線管道建設的邏輯約束；約束(7)表示每個碳源只可以被分配給一個CO2收集點；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)表示每個收集點的CO2只能封存到同一個碳匯點，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為非負變量.

3.2 途經(jīng)人群密集區(qū)碳存儲網(wǎng)絡設計模型

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)碳存儲網(wǎng)絡設計方案，采用規(guī)避策略和繞行策略分別設計CO2運輸管道網(wǎng)，建立兩種策略下的網(wǎng)絡設計模型.為描述CO2運輸管道“途經(jīng)人群密集區(qū)”的特征，假設稀疏矩陣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，在軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型的基礎上建立考慮規(guī)避策略的碳存儲網(wǎng)絡設計模型，應對CO2運輸管道泄漏對沿途人群的危害，滿足CCS系統(tǒng)設計的要求.為使建設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)不可以建設運輸CO2的支線管道.

minf|f=f1+f2+f3+f4

s.t.

式12)～(15)

通過血清學檢測發(fā)現(xiàn)，在51280份標本中，51043份標本為HBsAg陰性，25份標本為單試劑陽性，212份標本為雙試劑陽性。

xij≤1-rij, ?i,j∈E

(16)

3.2.2 繞行策略模型(模型3)

在軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型的基礎上建立繞行策略模型.相對于規(guī)避策略模型，如何衡量支線管道的成本(建設成本和運營成本)是繞行策略模型的重點.已知增加防泄漏的保護裝置和管道繞過人群密集區(qū)都會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)時支線管道成本計量的參數(shù)集采用{αOb,λCb}；未經(jīng)過人群密集區(qū)時支線管道成本計量的參數(shù)集采用{Ob,Cb}.通過對目標函數(shù)改進得到的模型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的捕獲過程對碳存儲網(wǎng)絡尤其是運輸網(wǎng)的影響較小，本文在構(gòu)建碳存儲網(wǎng)絡過程中并未考慮CO2的捕獲成本.

3.3 直達型碳存儲網(wǎng)絡設計模型(模型4)

當碳源直接分配給碳匯點時，碳存儲網(wǎng)絡設計問題成為多背包問題，構(gòu)建網(wǎng)絡設計模型.由此模型可得到直達型碳存儲網(wǎng)絡，其中碳源i的CO2由碳匯點k進行封存時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 實驗數(shù)據(jù)

以上海市為背景構(gòu)建碳存儲網(wǎng)絡，選取17個水泥廠和8個化肥廠作為CO2排放源，并選取5個(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；由于無法獲得每個工廠真實的排放數(shù)據(jù)，實驗中采用隨機生成的方式生成每個工廠的碳排放量，隨機數(shù)據(jù)以均勻分布U[20,30]生成；對于地質(zhì)封存的注入成本，假設CCS項目已實現(xiàn)大規(guī)模實施，參考IPCC報告給出地質(zhì)封存成本0.5～8美元/t，確定具體數(shù)值[16].

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

年建設成本=

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

總建設成本=9 970m0.35L0.13FLFTL

式中：m表示管道中CO2的流速，t/d；L表示管道長度，km；FL表示選址影響因子；FT表示地形影響因子.假設FL和FT分別等于1.0和1.3，對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，管道的年建設成本可根據(jù)運營期限和折現(xiàn)率由總建設成本轉(zhuǎn)化.參考IPCC報告，250 km標稱距離管道的運輸成本為1～8美元/t[16]，根據(jù)支線與干線的折扣關(guān)系確定管道運營成本(Ot

4.2 實驗過程及實驗結(jié)果

為驗證新型碳存儲網(wǎng)絡的可行性和分析網(wǎng)絡的設計策略，設計4個實驗，見表1.

表1 考慮途經(jīng)人群密集區(qū)的碳存儲網(wǎng)絡實驗設計

表2 實驗1中模型1的網(wǎng)絡設計與碳匯點分配結(jié)果

表3 實驗1中模型4的網(wǎng)絡設計與碳匯分配結(jié)果

表4 實驗1中兩種碳存儲網(wǎng)絡的年度總成本

4.3 實驗分析

(1)根據(jù)給定的假設條件和實驗數(shù)據(jù)求解實驗1，得到碳存儲網(wǎng)絡的管道建設成本在年度總成本中占比較高，例如軸輻型碳存儲網(wǎng)絡中管道建設成本占年度總成本的75.1%.因此，在實驗條件不變的情況下，其他實驗中同樣會存在較高的管道建設成本.

表5 實驗3中模型2和3的網(wǎng)絡設計與碳匯分配結(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變動時多種網(wǎng)絡設計方案

表7 實驗4中網(wǎng)絡設計方案來源

通過對實驗1中模型1與4實驗結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡模型間的差異：①軸輻型網(wǎng)絡在成本上具有優(yōu)勢，而且這種優(yōu)勢是由管道建設成本部分提供的；②軸輻型網(wǎng)絡與直達型網(wǎng)絡對應的網(wǎng)絡設計方案中，源匯匹配存在差異，因此當由直達型網(wǎng)絡向軸輻型網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型時，必須對相應碳源的分配進行調(diào)整，而且這種差異體現(xiàn)出軸輻型網(wǎng)絡更適合處理遠距離、大規(guī)模的碳運輸任務；③采用軸輻型網(wǎng)絡使得各匯地的注入井具有較為均衡的利用率.

(2)實驗2中，軸輻型碳存儲網(wǎng)絡的干線管道與支線管道單位運營成本的折扣(Ot/Ob)對網(wǎng)絡設計并無影響，這表明在網(wǎng)絡設計過程中高昂的管道建設成本使得干線管道成本的影響減弱.當碳存儲網(wǎng)絡中管道建設成本較高時，網(wǎng)絡設計的核心是如何優(yōu)化碳運輸管道.

(3)當考慮碳運輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)時，碳存儲網(wǎng)絡的設計策略包括規(guī)避策略和繞行策略，在實驗3中模型2和3分別應用上述策略進行求解，然而這兩種策略對應的碳存儲網(wǎng)絡設計方案相同，即網(wǎng)絡的設計方案中每條支線管道都避開人群密集區(qū).此時，對于規(guī)避策略而言，實驗結(jié)果完全符合實驗預期；對于繞行策略而言，實驗結(jié)果表明途經(jīng)人群密集區(qū)的管道的建設成本太高從而使決策者放棄短距離的管道建設方案.由此可見，碳存儲網(wǎng)絡中管道成本對網(wǎng)絡設計影響顯著.

(4)在實驗4中，通過對途經(jīng)人群密集區(qū)時支線管道單位運營成本(Ob)折扣因子(α)和單位建設成本(Cb)折扣因子(λ)進行靈敏度分析，得到4種網(wǎng)絡設計方案(如圖5).隨著支線管道單位成本(建設成本和運營成本)的變動，某些源點與匯地的匹配關(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(收集點)，這些匹配關(guān)系及收集點應該引起決策者的重視，在網(wǎng)絡設計策略的變換過程中這些匹配關(guān)系和收集點并不會改變其在網(wǎng)絡中的角色.由于碳存儲網(wǎng)絡中管道建設成本在網(wǎng)絡總成本中占有較高比例，α對碳存儲網(wǎng)絡設計的影響符合實驗預期，同時λ對網(wǎng)絡造成相似的影響(見圖4)，因此決策者在采用繞行策略設計網(wǎng)絡時要準確衡量管道網(wǎng)絡的運營成本.

5 結(jié) 論

CCS作為減少溫室氣體排放的有效途經(jīng)，通過對碳排放源頭CO2的捕獲、運輸和封存實現(xiàn)CO2永久或長期隔離.為實現(xiàn)CCS技術(shù)的大規(guī)模應用，不僅要實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的低成本化，而且要合理優(yōu)化碳存儲網(wǎng)絡布局.通過分析碳存儲網(wǎng)絡設計的特征，結(jié)合軸輻式物流網(wǎng)絡的特點，深化傳統(tǒng)的源匯匹配問題，將網(wǎng)絡設計劃分為兩部分：碳源與碳匯的匹配和源匯間軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計，并且提出軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型.由于CO2屬于危險品，考慮到網(wǎng)絡中碳運輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的實際情況，設計規(guī)避策略和繞行策略以確保CO2的安全運輸，并且在軸輻型碳存儲網(wǎng)絡的基礎上，提出兩種策略的網(wǎng)絡設計模型.通過收集數(shù)據(jù)并查閱資料，設置4個實驗，對實驗結(jié)果分析得到：(1)驗證軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型的可行性，而且其設計的碳存儲網(wǎng)絡具有成本優(yōu)勢；(2)相較于直達型碳存儲網(wǎng)絡，軸輻型碳存儲網(wǎng)絡中碳匯地注入井的利用更均衡，此時每個碳匯的CO2接收量具有一定的增長空間，有利于應對新碳源的添加或原碳源排放量的增加；(3)對考慮碳運輸管道途經(jīng)人群密集區(qū)的網(wǎng)絡設計而言，采用規(guī)避策略與繞行策略得到相同的網(wǎng)絡設計方案，即支線網(wǎng)絡中沒有途經(jīng)人群密集區(qū)的線路，表明當途經(jīng)人群密集區(qū)的管道的建設成本太高時，網(wǎng)絡設計過程中決策者會放棄短距離管道的建設方案；(4)采用繞行策略的網(wǎng)絡設計模型對支線管道的建設成本與運營成本的反映呈現(xiàn)出一致性.本文提出的軸輻型碳存儲網(wǎng)絡設計模型只是針對兩階段網(wǎng)絡，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，需要考慮更多階段的網(wǎng)絡模型；文中僅考慮支線管道途經(jīng)人群密集區(qū)的情形，干線管道的泄漏風險依然重要.

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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

國家自然科學基金(71171129，71101088)；教育部博士點基金(20113121120002，20123121110004)；上海市曙光計劃(13SG48)；上海市科學技術(shù)委員會科研計劃(12510501600，14DZ2280200)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(14YZ100)；上海海事大學研究生創(chuàng)新基金(2014ycx013)

楊斌(1975—)，男，山東招遠人，教授，博士，研究方向為綠色物流、知識發(fā)現(xiàn)與智能系統(tǒng)，binyang@shmtu.edu.cn

U113

A