成品油物流系統(tǒng)優(yōu)化與碳排放研究進展

侯明春，沈瑞灝

（1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東 廣州 510180；2.中國石油大學 （北京）／城市油氣輸配技術(shù)北京重點實驗室，北京 100000）

1 緒論

我國的油田與煉廠主要分布于西北和東北，而油品的消費市場卻主要集中于華北、華南和西南等。不只是中國，各個國家都面臨石油資源產(chǎn)出地區(qū)與消費地區(qū)相距較遠等資源分布不均衡的問題。發(fā)展完善的油品物流體系是解決該問題的途徑之一，完善的成品油物流系統(tǒng)也是保障國家能源供應的基礎(chǔ)。

多年來我國各成品油銷售企業(yè)主要通過提高產(chǎn)品銷量和市場占有率來增加企業(yè)利潤［1］。隨著國內(nèi)成品油市場的開放，以及國內(nèi)原油儲量和開采能力的降低，進口原油比例逐漸增加，來自國際石油公司的競爭壓力逐步增加。近年我國的成品油物流程序運輸規(guī)模逐年遞增、運輸成本持續(xù)升高、運輸和配送范圍廣、品種多等特點。然而與國際領(lǐng)先的石油公司相比，我國的成品油物流系統(tǒng)的水平仍存在較大差距［2］。我國一直以來所依賴的成品油傳統(tǒng)獲利空間不斷被擠壓。加上我國成品油資源配置結(jié)構(gòu)變化，部分地區(qū)出現(xiàn)成品油需求無法滿足的狀況?；谠撉闆r，通過新建管道、公路、鐵路等運輸方式來提高運力，針對成品油物流系統(tǒng)進行優(yōu)化可以為企業(yè)節(jié)約成本，降低能耗。

成品油物流系統(tǒng)的運行需要消耗大量的能源，并產(chǎn)生相當數(shù)量的碳排放。2014年，全球二氧化碳排放總量約為355億噸，中國的排放量居世界首位，達到97.6億噸［3］。國際社會制定并通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和 《京都議定書》來應對氣候變化。作為世界上主要的碳排放國，我國正面臨前所未有的減排壓力。在不久的將來，制定嚴格的碳排放相關(guān)法律法規(guī)將成為全世界的必然趨勢。因此，將碳排放與成品油物流系統(tǒng)優(yōu)化相結(jié)合具有為國家節(jié)能減排的環(huán)保工作做貢獻以及為企業(yè)創(chuàng)造利潤的重要意義。

2 成品油物流系統(tǒng)

我國成品油物流業(yè)務體系分為一次物流和二次物流。一次物流主要包括成品油從煉廠通過管道、鐵路、公路和水運各種運輸方式到達各成品油銷售油庫的過程；二次物流包括將成品油從油庫配送至到加油站和市場用戶等節(jié)點的過程［4，5］。為了保證成品油物流成本最低，需要降低一次物流、二次物流及庫存等環(huán)節(jié)的成本，以及協(xié)同上游煉化企業(yè)，制定合理的項目投產(chǎn)與生產(chǎn)計劃，有必要分階段進行優(yōu)化。

目前，我國成品油物流優(yōu)化總體處于起步階段［2，6］，缺乏統(tǒng)一的成品油物流調(diào)度指揮和實時監(jiān)控系統(tǒng)，尚未實現(xiàn)計算機動態(tài)或自動化控制［7］。

成品油物流優(yōu)化本質(zhì)上屬于能源供應鏈管理優(yōu)化問題，自19世紀80年代，供應鏈管理及其優(yōu)化數(shù)學模型被應用于石油石化企業(yè)各環(huán)節(jié)領(lǐng)域，包括設施選址、煉化生產(chǎn)、原油生產(chǎn)以及供銷計劃等［8-10］。根據(jù)優(yōu)化模型的變量類型、數(shù)學表達以及目標函數(shù)等，可以將模型進行如下幾種分類：1）連續(xù)變量和混合整數(shù)變量；2）線性模型和非線性模型；3）單目標函數(shù)和多目標函數(shù)；4）確定性模性和不確定性模型。

針對成品油物流優(yōu)化問題，Donald等［11］提出將煉廠油庫路線、油品種類及運輸方式的動態(tài)選擇問題利用0-1變量建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。后來眾多學者對混合整數(shù)線性規(guī)劃模型加以改進以解決煉廠化工產(chǎn)品生產(chǎn)供應［12］和海上油田基礎(chǔ)設施規(guī)劃［13］等問題。

以上模型均為確定性模型。確定性優(yōu)化模型在成品油物流優(yōu)化的研究中主要集中在混合整數(shù)線性規(guī)劃模型方面。但是當能源供應鏈的規(guī)劃周期較長時，如需求、價格等參數(shù)具有不確定性，會對目標函數(shù)產(chǎn)生影響。

不確定性的優(yōu)化理論主要有期望值模型、相關(guān)機會規(guī)劃和機會約束規(guī)劃，而隨機規(guī)劃和模糊規(guī)劃是處理不確定問題的數(shù)學工具，在水資源供需［14］、電力市場［15］以及系統(tǒng)工程［16］等諸多領(lǐng)域以及應用比較成熟，但在成品油物流優(yōu)化方面不常見。

Cohen等［17］最早將不確定性優(yōu)化理論引入成品油物流優(yōu)化，其論述了石油供應鏈建模的一般框架。提出采用概率密度函數(shù)對市場需求進行描述。后來Escudero等［18］基于確定性模型建立了基于市場需求和價格不確定性的隨機規(guī)劃模型。該模型引入了懲罰補償函數(shù)項來彌補不確定性帶來的影響。Dempster等［19］在此基礎(chǔ)上建立了基于情景分析的隨機規(guī)劃模型。

相對隨機規(guī)劃，模糊規(guī)劃在成品油物流方面應用很少，主要是因為模糊規(guī)劃適用于不確定參數(shù)不能以概率形式表示或目標函數(shù)不確定的情況。模糊規(guī)劃一般分為約束條件模糊和目標函數(shù)模糊。如李紹軍等［20］將需求和價格波動性用模糊變量表示。Selim等［21］建立了多模糊目標的物流模型。

不確定物流模型在成品油物流優(yōu)化中主要集中于隨機規(guī)劃。該類模型考慮了參數(shù)的不確定性，可以在一定程度上規(guī)避風險。

除了較為傳統(tǒng)的優(yōu)化模型之外，大量的智能算法也被用于成品油物流的優(yōu)化中。王岳等［22］采用多目標加權(quán)法，以生命周期內(nèi)管道與罐區(qū)的投資與維護費用現(xiàn)值、能耗費用現(xiàn)值及混油處理費用現(xiàn)值之和為目標函數(shù)，管網(wǎng)布置情況為決策變量，建立了成品油樹狀管網(wǎng)優(yōu)化布置數(shù)學模型，采用遺傳算法求解。張博等［23］基于成品油長距離方式的分析，以運輸成本和運輸風險為目標函數(shù)，建立了成品油運輸方式選擇的多目標規(guī)劃模型，并且使用粒子群算法對模型進行了求解。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將成品油物流系統(tǒng)的優(yōu)化同先進技術(shù)結(jié)合的需求也越來越迫切。智能算法則是將先進技術(shù)與物流優(yōu)化結(jié)合的關(guān)鍵。

3 碳排放研究

從國際上看，應對全球氣候變化的主要政策工具有兩種：一種是基于價格控制的碳稅政策；另外則是基于總量控制的包括排放限額、額度交易以及清潔發(fā)展機制 （CDM）等在內(nèi)的諸多政策措施。

基于價格控制的碳稅政策主要是指按照消耗化石燃料的碳排放量來計征的一種調(diào)節(jié)稅。與總量控制和排放貿(mào)易等市場競爭為基礎(chǔ)的溫室氣體減排機制不同，征收碳稅只需要額外增加非常少的管理成本就可以實現(xiàn)。碳稅政策能夠有效減少碳排放、增加政府收入、拉動經(jīng)濟增長，并且可以影響能源消費結(jié)構(gòu)，促使企業(yè)節(jié)能降耗。但也存在著諸如對生存排放和發(fā)展排放占比較大的地區(qū)和國家減排效果不好、抑制經(jīng)濟增長以及加大社會收入分配不公等一系列問題。

基于總量控制的碳交易市場是指基于市場機制和清晰界定碳排放權(quán)的一種制度。碳排放交易計劃能夠有效緩解我國減排的壓力，同時它也被認為是減少全球溫室氣體排放的有效措施［24］。目前，碳市場的運行機制有如下兩種形式。根據(jù)交易形式的不同，可以分為兩種形態(tài)：配額型交易 （即強制交易市場）和項目型交易 （即自愿交易市場）。碳交易市場有減排目標清晰可控、效果直接確定且便于在任何區(qū)域?qū)用骈_展的優(yōu)點，但也存在著造成發(fā)達國家與發(fā)展中國家、市場先入者與后入者之間的不公平的缺點。

中國目前正在積極準備出臺碳稅政策，專家們都已做了大量的調(diào)查和可行性分析，得出的結(jié)論和觀點各不相同。其中問題的在于兩個方面，第一，有沒有必要。反對者認為中國經(jīng)濟正處在高速發(fā)展時期，碳稅的出臺可能會減緩中國經(jīng)濟的發(fā)展的速度；但支持者認為應該積極的看待，碳稅可能是會影響經(jīng)濟的發(fā)展，但是只是暫時性的。第二，出臺碳稅的時間。有人認為，現(xiàn)在還沒到必須出臺碳稅的時候，認為應該把碳稅作為我國參與全球氣候變化的護身符；但另一部分人認為，氣候變化日益加劇，應該積極實施碳稅，減少碳排放。

在碳市場建設方面，中國積極開展碳排放權(quán)交易試點。2011年在北京、上海、天津、重慶、湖北、廣東、深圳等七個省市開展碳排放權(quán)交易試點，并對應成立了7家碳交易機構(gòu)。目前已獲正式備案的國家溫室氣體自愿減排交易機構(gòu)已經(jīng)達到九家。2017年中國國家發(fā)改委宣布全國性碳排放權(quán)交易體系已完成了總體設計并正式啟動。

不同的碳監(jiān)管政策對于不同行業(yè)或者領(lǐng)域的影響的相關(guān)研究有很多。他們大多用到了一個可計算的一般均衡模型來模擬碳減排政策對于行業(yè)的影響。有少量研究者利用了場景分析的方法以及其他一些模型來分析碳政策和其所研究的問題之間的相互影響。

Zhou［25］通過建立一個可計算一般均衡模型探討了交通碳稅對交通部門、宏觀經(jīng)濟和社會福利的影響。Tu and Mo［26］建立了部分均衡模型探討了碳定價和可再生電力補貼之間的相互作用。Bretschger and Zhang［27］建立了一個完全內(nèi)生增長的可計算一般均衡模型驗證了過大的碳減排強度會導致社會福利減少。Chan［28］采用了一個可計算的世界經(jīng)濟的一般均衡模型研究了氣候政策對于加拿大油砂行業(yè)的影響。Yu［29］制定了一種混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型 （MINLP）研究了碳稅和碳交易體系下的貨架空間分配問題 （SSAP）。Jin［30］針對最常見的三種碳排放政策：碳稅、碳排放上限和總量管制與排放交易提出了大型零售商在各種碳排放政策下供應鏈設計的優(yōu)化模型。Pagoni［31］通過一種包括供需模型和碳排放估算成本的方法研究了航空運輸業(yè)的碳定價政策，以確保經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)性。Tang［32］基于三種碳減排模式提出了優(yōu)化算法來研究運輸和庫存管理中的碳排放控制。Chen and Wang［33］利用隨機客戶需求模型研究了不同碳減排政策下最優(yōu)的零售商的訂貨和運輸方式選擇的問題。Cao［34］考察了總量管制和交易政策 （CTP）和低碳補貼政策（LCSP）對制造商生產(chǎn)和碳減排水平的影響。Zhao［35］通過集成基于碳排放配額分配均衡策略下的碳排放權(quán)交易機制分析了建材行業(yè)的經(jīng)濟與碳排放的權(quán)衡決策。Laes［36］探討了不同的碳減排政策對住宅行業(yè)的影響。Barragán-Beaud［37］將碳稅與排放交易進行了對比，對墨西哥電力行業(yè)的碳定價工具進行了評估。他們認為排放交易計劃是最適合墨西哥的方案。

4 碳排放在能源行業(yè)的研究

由于我國的碳政策不夠完善，大多數(shù)研究者對于成品油物流中的碳排放不夠關(guān)注。在世界范圍內(nèi)的研究也不多。但有不少關(guān)注能源行業(yè)的碳排放對于環(huán)境的影響的研究。Zhao［38］采用了一種改進的可計算一般均衡模型，與場景分析法結(jié)合分析了碳稅政策以及碳排放交易機制對中國電力行業(yè)的影響。得到了碳稅和碳交易結(jié)合能夠大幅減少碳排放且有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的結(jié)論。Cheng［39］采用場景分析的方法研究了低碳政策對中國廣東省的能源和碳排放目標的影響。Manupati［40］建立了一種基于非線性混合整數(shù)規(guī)劃的數(shù)學模型，從碳稅、碳排放上限和碳排放限額與交易三個方面對多級供應鏈中不同的生產(chǎn)分配和庫存問題進行了研究。

5 結(jié)語

我國已經(jīng)制定了與碳排放相關(guān)的法律法規(guī)，但并不十分完善。間接導致了成品油物流優(yōu)化對于碳排放的關(guān)注不夠多。隨著全球節(jié)能減排大趨勢的到來，我國勢必要建立更加完善的排放管理制度。屆時各個石油企業(yè)勢必要更加關(guān)注成品油物流系統(tǒng)的排放以及環(huán)境問題。