【摘要】河南是中原重要省份，经济虽然有所发展，但是以煤为主的能源消费结构没有发生根本性变化，第二产业能源消费比重占全市总能耗2/3 以上，能源结构不合理，产业结构也不合理。按目前能源结构和产业结构运行，必须采取有效的措施，调整能源结构、优化产业结构和工业结构。文章建立优化模型，对河南六市的产业结构、工业结构、能源结构进行优化。

【关键词】能源；环境；结构调整；优化

通过对河南六市（郑州市、开封市、平顶山市、洛阳市、商丘

市、安阳市）能源消费现状的分析和能源需求的预测，可以发现

河南六市目前的能源消费结构是不合理的。“十一五”以后河南

省已经对能源消费结构进行了相应的调整，但距离能源消费结

构合理化的总目标仍然有差距，能源消费结构调整还需要进一

步实施。需求预测表明全市能源消费量增长较快。为在满足河

南经济快速发展的基础上，实现能源消费量最小的目标，作者

建立了数学优化模型对河南六市产业结构、工业结构和能源结

构进行优化。

一、结构优化数学模型

河南六市能源消费结构优化的数学模型为：

目标函数：

min（f x）=c1 x1 +c2 x2 +…+cn xn （1）

约束条件为：

a11 x1 +a12 x2 +…+a1n xn =b1

a21 x1 +a22 x2 +…+a2n xn =b2

………………………… （2）

am1 x1 +am2 x2 +…+amn xn =b1

x1 ≥0，x2 ≥0，…，xn ≥0 （3）

假定n逸m，（2）的系数矩阵A=

a11 a12 … a1n

a21 a22 … a2n

am1 am2 … amn

晌

尚

上上上上上上上上上上上上

裳

捎

梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢

的秩为

m，并假设可行基是{x1 ，x2 ，…，xm }，也就是说x1 ，x2 ，…，xm 是基

变量，而xm+1 ，…，xn 是非基变量。

我们把系数矩阵A 写成A=（B，N），其中B=（p1，p2，…，pm）

是基阵，N=（pm+1，…，pn）。向量X，C 也可以相应地分成两段：

X=

XB

XN 蓸蔀，C=（XB ，XN）

XB ，XN 是X，C 中基变量对应的m 个分量组成的维m 向

量，XN ，CN 是X，C 中与非基变量对应的n-m 个分量组成的nm

维向量。

方程组AX=b 现在可以写成：

（B，N）

XB

XN 蓸蔀=b

利用矩阵分块乘法法则，可得到：

BXB +NXN =b

两边乘以B-1，得：

XB+B-1NXN=B-1b

移项，得：XB=B-1b-B-1NXN

令B-1 b=

a1

a2

am

晌

尚

上上上上上上上上上上上上裳

捎

梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢

，B-1 N=

茁1m+1 茁1m+圆… 茁1n

茁2m+1 茁2m+圆… 茁2n

茁mm+1 茁mm+圆… 茁mn

晌

尚

上上上上上上上上上上上上

裳

捎

梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢

则上式可以写成：

x1 =a1 -茁1m+1 xm+1 -…-茁1n xn

x1 =a2 -茁2m+1 xm+1 -…-茁2n xn

…………………………

xm =am -茁mm+1 xm+1 -…-茁mn xn

扇

墒

设设设设设设

缮设设设设设设

（4）

将（4）带入目标函数（1），可以把目标函数用非基本变量表

示出来：

（f x）=f0 -姿m+1 xm+1 -姿m+2 xm+2 -…-姿n xn

f0 =c1 a1 +c2 a2 +…+cm am =CB B-1 b

姿m+1 =c1 茁1m+1 +c2 茁2m+1 +…+cm 茁mm+1 -cm+1 =CB B-1 Pm+1 -Cm+1

………………

姿n =c1 茁1n +c2 茁2n +…+cm 茁mn -cn =CB B-1 pn -Cn

因此用矩阵和符号来写，则线性规划（1），（2），（3）可以写成：

二、河南六市产业结构调整

（一）优化目标

通过按产业能源消费需求预测，可以看到随着河南六市经济发展，能源消费总量过大，因此产业结构优化的目标是，在满足社会发展需求的前提下，全市能源消费总量最低。数学模型为：min（f x）=c1 x1 +c2 x2 +c3 x3

式中：x1 ，x2 ，x3 分别为第一产业、第二产业、第三产业GDP

产值；c1 ，c2 ，c3 分别为第一产业、第二产业、第三产业单位GDP能耗。表1、表2 是1996—2001 年，河南六市第一产业、第二产业、第三产业的GDP 和能源消费量。表1 河南六市各产业GDP（2006—2011）表2 河南六市各产业能源消费量（2006—2011）由表1、表2 可以计算得到河南六市单位GDP 能耗（见表3）。表3 河南六市各产业单位GDP 能耗（2006—2011）由表3 可得：河南六市第二产业随着技术水平的提高,单位GDP 能耗逐年下降，年平均下降9％。第一产业单位GDP 能耗波动很大，第三产业能耗波动却很小。根据河南六市十一五期间能源发展规划，节能目标是年平均节能率达到4％，因此第一产业、第三产业节能目标为2.2％。因此第一产业、第二产业、第三产业单位GDP 能耗可以通过数学回归方法获得：第一产业单位GDP 能耗：c1 =xt （1-0.022）n-2001 （8）式中：xt———2001 年第一产业能耗；n———目标年份。第二产业单位GDP 能耗：c2 =1.57（1-驻E）n-2001 （9）驻E=ni = 2 移xt-1 -xtxt-1 n-1=0.049式中：驻E———能耗下降率；xt———历年能耗；n———目标年份。第三产业单位GDP 能耗：c3 =xt （1-0.022）n-2001 （10）式中：xt ———2001 年第一产业能耗；n———目标年份。通过公式（8）、（9）、（10）计算得到河南六市2014 年、2019年第一产业、第二产业、第三产业单位GDP 能耗为：2014：c1 =1.22c2 =1.28c3 =0.442019：c1 =1.09c2 =1.06c3 =0.412014 年河南六市产业结构调整的目标函数为：min（f x）=1.22x1 +1.28x2 +0.45x32019 年河南六市产业结构调整的目标函数为：min（f x）=1.09x1 +1.06x2 +0.41x3

（二）约束条件

以2011 年作为基年，对河南六市2014 年、2019 年产业结构进行优化，则目标函数的约束条件为：x1 +x2 +x3 跃ba1 x2 =a2 x1a3 x2 =a2 x3x1 ，x2 ，x3 跃0扇墒设设设设设设缮设设设设设设式中：x1 ，x2 ，x3 分别为第一产业、第二产业、第三产业GDP；b 为GDP 目标值；x1 ∶x2 ∶x3 =a1 ∶a2 ∶a3 为农业、工业、第三产业之间的比例。根据“十一五”期间河南六市第一产业、第二产业、第三产业GDP 增长的速度，预测2014 年其三者的比例为：x1 ∶x2 ∶x3 =1.5∶43.5∶55河南六市GDP 目标增长率为10％，预测2014 年河南六市GDP 总值为：b=4950×（1＋0.1）4=7200（亿元）预测2019 年其三者的比例为：x1 ∶x2 ∶x3 =1.5∶38.5∶60河南六市GDP 目标增长率为8.5％，预测2019 年河南六市GDP 总值为：b=4950×（1＋0.085）9=10000（亿元）

（三）优化结果

由优化模型可以得到2014 年、2019 年河南六市产业结构优化结果，表4 为2014 年河南六市产业结构优化结果，表5 为2019 年河南六市产业结构优化结果。表4 2014 年河南六市各产业的GDP 与能耗表5 2019 年河南六市各产业的GDP 与能耗年份 第一产业(亿元) 第二产业(亿元) 第三产业(亿元)2006 71.58 1582.50 1248.122007 75.80 17539 1530.022008 78.50 1847.20 1762.502009 80.00 1953.98 2000.982010 83.20 2163.68 230272011 85.50 2355.53 2509.81年份第一产业（万吨标准煤）第二产业（万吨标准煤）第三产业（万吨标准煤）2006 102.18 3286.98 626.462007 90.53 3565.26 715.312008 91.06 3261.21 828.862009 98.01 3467.48 915.482010 103.38 35941 1096.012011 113.81 3690.04 1220.67年份第一产业（吨标准煤/万元）第二产业（吨标准煤/万元）第三产业（吨标准煤/万元）2006 1.43 2.08 0.52007 1.19 2.03 0.472008 1.16 1.77 0.462009 1.23 1.77 0.472010 1.24 1.66 0.482011 1.33 1.57 0.48优化前结果 优化后结果名称GDP 产值(亿元) 能源消费量(万吨标准煤) GDP 产值(亿元) 能源消费量(万吨标准煤)第一产业 123 150 108 132第二产业 3450 4416 3152 4035第三产业 3623 1630 3986 1793总 量 7246 6196 7246 5961优化前结果 优化后结果名称GDP 产值(亿元) 能源消费量(万吨标准煤) GDP 产值(亿元) 能源消费量(万吨标准煤)第一产业 175 190 154 168第二产业 4909 5203 3971 4209第三产业 5230 2510 6189 2537总 量 10314 7903 10314 6914輥輰工业结构优化前结果 工业优化后结果年份 能源消费总量(万吨标准煤)工业总产值（亿元）能源消费总量(万吨标准煤)工业总产值（亿元）2014 5325 10241 3953 102412019 8065 15399 4136 15399

（四）结果分析

由2014 年、2019 年河南六市各产业GDP 和能源消费表可得：（1）通过产业结构调整，在相同经济发展水平的基础上，河南六市能源消费总量减少较为明显。根据河南六市“十二五”经济发展规划，2014 年河南六市GDP 预计将达到7 246 亿元。按现有产业结构运行，能源消费总量将达到6 196 万吨标准煤。进行产业结构调整，在GDP 相同的情况下，能源消费总量仅为5 898 万吨标准煤。通过产业结构调整，能源消费总量可减少235万吨标准煤。2019 年河南六市GDP 预计将增长到10 314亿元。按现有产业结构运行，全市能源消费总量预测为7 444 万吨标准煤。进行产业结构调整，全市能源消费总量则可降低到6 521 万吨标准煤，减少了990 万吨标准煤。（2）由于第二产业的单位GDP 能耗较大，而第三产业单位GDP 能耗最小，因此减少第二产业GDP 值的比重，提高第三产业GDP 值的比重，可以实现能源消费总量最小的目标。（3）河南六市目前实施了“优先发展第三产业，积极调整第二产业，稳定提高第一产业”的“三、二、一”产业发展方针，提高第三产业在全市GDP 中的比重，优化第二产业的能源消费结构可以使全市能源消费总量在满足经济发展需要的同时，实现低增长率。

三、河南六市工业结构调整

（一）优化目标

产业结构调整实现了河南六市经济快速发展，能源消费总量低速增长的目标。不断降低第二产业的能源消费在全市能源消费总量中的比重，是实现该优化目标的关键，因此工业结构调整的优化目标是在工业总产值保持目标增长的前提下，能源消费总量最低。其数学模型为：min（f x）=c1 x1 +c2 x2 +…+cn xn

式中：x1 ，x2 ，…，xn———某一行业的工业总产值；c1，c2，…，

cn———某一行业单位工业产值能耗。由表6 可得2001 年河南六市各行业单位工业产值能耗。表6 河南六市工业结构优化汇总分析工业结构优化结果可得：（1）通过工业结构调整，在工业总产值相同的前提下，能源消费总量明显降低；（2）通过工业结构优化调整，轻工业与重工业在工业总产值中的比重发生明显的变化；（3）重点发展交通运输设备制造业、电子通讯设备制造业、医药制造业等高新技术产业；（4）加快发展都市型行业；（5）控制并减少高能耗、高污染的行业。因此，2005 年各行业单位工业产值能耗为：C2005i =ci （1-灼）42010 年各行业单位工业产值能耗为：C2010i =ci （1-灼）9式中：灼———河南六市节能率（二）约束条件为了保证河南六市工业总产值的增长目标，可以建立以下约束条件：x1 +x2 +…+xn 叟Bai 燮xi 燮bi i=1，2，…，nxi 燮0 i=1，2，…，n扇墒设设设设缮设设设设式中：x1 ，x2 ，…，xn———某一行业的工业总产值（亿元）；ai———某一行业工业总产值允许下限（亿元）；bi———某一行业工业总产值允许上限（亿元）；B———河南6 市工业总产值的目标值（亿元）。其中：ai =（1+驻G+） n伊Gi （11）bi （1+驻G-） n伊Gi （12）式中：Gi———各行业的工业总产值；驻G+，驻G-———工业总产值增减率。B越G（1+驻E） n（13）式中：G———基年河南六市工业总产值；驻E———河南六市工业总产值目标增长率；n———目标年份。如河南六市工业目标增长率为9.5％，则预计2014 年工业总产值＝10000 亿元；如河南六市工业目标增长率为8.5％，则预计2019 年工业总产值＝15000 亿元。

四、河南六市能源结构调整

在能源结构调整实施过程中，主要是控制煤炭的消费量，增加石油、天然气的消费量。

（一）控制煤炭消费量

用于发电、炼焦、直接燃烧的煤炭占消费总量的91％，因此要降低河南六市煤炭消费量，必须控制河南六市的发电用煤、减少直接燃烧用煤量、降低炼焦用煤量。1.控制河南六市发电用煤量。河南六市发电用煤占六市用煤量的45％，2011 年河南六市发电用煤在2 221 万吨，“十一五”期间，河南六市要新增燃煤发电机组180 万千瓦，大约需新增煤炭消费量为250 万吨左右。为了实现河南六市煤炭消费总量在4 500 万吨以内，发电的煤炭消费总量应该控制在2 500万吨左右，不再新建燃煤电厂。2.降低河南六市炼焦用煤的消费量。2011 年河南六市制焦用煤达到1 017 万吨，占河南六市总用煤量的24％。因此河南六市要优化钢铁产业结构，加快技术的改进，淘汰落后的设备和工艺，不再新建炼焦设备，并逐步压缩现有的炼焦规模，鼓励钢铁企业采用新工艺，用天然气取代部分焦炭。3.减少河南六市工业锅炉与炉窑用煤。2011 年河南六市用于工业锅炉和炉窑的直接燃烧煤炭达1 000 万吨。河南六市要大力削减分散燃煤，稳步推进“基本无烟区”建设。外环线内、浦东新区和漕河泾、闵行等开发区不再批准新的燃煤锅炉和炉窑。基本完成市区燃煤锅炉的更新改造，使煤炭直接燃烧量控制在800 万吨之内。

（二）增加石油消费量

河南六市应增加石油进口量，重点发展以90 万吨乙烯工程为代表的深加工石化工业。随着经济不断增长，工业、交通、原料等用油量将有较大增长。

（三）开拓天然气使用市场

河南六市天然气的消费将主要用于发电、城市燃气、工业和其他用途，三者约各占天然气消费总量的1/3。城市燃气中，天然气将作为主要的燃气品种，并取代现有的人工制气用煤、油。现有的人工制气厂将加快改造，以天然气为主要原料的制气工艺将基本取代煤炭、轻重油为主要原料的制气工艺。

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