多期生物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈優(yōu)化

摘要：隨著我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，生物質(zhì)發(fā)電裝機容量逐年增加，然

而生物質(zhì)電廠必須依靠政府補貼才能維持正常運吁。本文針對生物質(zhì)電廠盈利能

力差這一現(xiàn)實問題，以電廠利潤最大為目標，考慮燃料的收集、運輸、預處理、

貯存及使用環(huán)節(jié)，建立了生物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈的多期非線性優(yōu)化模型。研究在

現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)和自然資源條件下，電廠能否通過調(diào)整發(fā)電量、燃料收購量及燃

料摻燒比例實現(xiàn)更高的盈利水平。本文通過將模型應用于東北某生物質(zhì)電廠，求

出電廠最大年利潤和相應的決策變量值。證明了在其他條件不變的情況下，電廠

可以通過改變?nèi)剂鲜召徍褪褂媚Ｊ?，提升其盈利能力?/p>

引言

2014年以來，我國已成為世界上能源年消耗量最大的國家?；茉创罅?/p>

使用造成了許多環(huán)境問題，我國早已開始大力扶持可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)，生物質(zhì)

發(fā)電便是其中之一。目前，我國生物質(zhì)發(fā)電主要利用的燃料為農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢交物。

在利用其發(fā)電過程中，產(chǎn)生的二氧化碳即為植物生長過程中光合作用吸收的二氧

化碳，從長遠來看可以實現(xiàn)碳平衡⑴。同時，生物質(zhì)燃料在直燃過程中只產(chǎn)生極

少量的有害氣體，是一種清潔的可再生能源。因此，生物質(zhì)發(fā)電具有廣泛的應用

前景。

但在實際中，生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)仍舊存在一些問題：

（1）由于我國農(nóng)村人均耕地較少，導致秸稈資源分布分散、機械化生產(chǎn)程

度低；（2）雖然我國森林面積廣大，但人均森林面積較少。這些因素造成我國

生物質(zhì)電廠燃料收集困難、燃料成本過高。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)電廠的燃料成

本占到其總成本的三分之二以上；（3）燃料成本過高導致了幾乎所有的生物質(zhì)

電廠必須依靠政府補貼才能盈利，加大了政府財政壓力。

針對生物質(zhì)發(fā)電的燃料供應鏈，中外都有許多相關(guān)的研究：王燕和沈輝⑵

對秸稈發(fā)電燃料供應鏈進行了博弈分析，探討了電廠對農(nóng)戶和中間商的價格激勵

機制；魏巧云⑶構(gòu)建了影響生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應鏈物流成本的關(guān)鍵因素指標體

系，對秸稈發(fā)電的物流成本進行了研究；常春陽⑷建立了適用于新建電廠系統(tǒng)規(guī)

劃的倉庫規(guī)模與庫存控制聯(lián)合動態(tài)優(yōu)化模型，提供了可行的降低生物質(zhì)電廠運營

成本的方法：SilkevarDyken等⑸建立了牛物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈的非線件混合整

數(shù)模型，對燃料熱值和燃料在生物質(zhì)發(fā)電供應鏈各環(huán)節(jié)含水率之間的關(guān)系進行了

研究；NazaninShabani等1°為了提高林業(yè)剩余物發(fā)電的成本競爭力，將一年分

為12期，對林業(yè)生物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈進行了優(yōu)化，測算了一年中各月份最優(yōu)

燃料收購量；之后，NazaninShabani等⑺還在燃料質(zhì)量和可獲得量不確定的情

況下，對林業(yè)生物質(zhì)發(fā)電供應鏈進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果在降低了燃料購買成本的

同時，減小了庫存的季節(jié)性波動。

上述文獻從不同方面，對生物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈進行了研究。其中進行供應

鏈優(yōu)化研究的大都為國外學者，而正如前文所述，我國特殊的地理和社會條件造

成了目前我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)與國外存在較大差別。本文著眼于生物質(zhì)發(fā)電燃料

供應鏈的優(yōu)化，充分考慮我國生物質(zhì)發(fā)電燃料收集困難導致燃料成本過高的現(xiàn)

狀，以生物質(zhì)電廠利潤最大為目標，對燃料的收集、運輸、預處理、貯存和使用

各環(huán)節(jié)進行研究，建立了多期非線性優(yōu)化模型。期望能夠在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，

進一步提高生物質(zhì)電廠盈利能力，為降低政府對生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的補貼提供可能

性。

1生物質(zhì)發(fā)電燃料供應鏈優(yōu)化模型

L1模型的目標函數(shù)

目前，我國生物質(zhì)電廠燃料收購模式主要為經(jīng)紀人收購模式，即：經(jīng)紀人負

責收集農(nóng)業(yè)剩余物（主要包括玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈等）或林業(yè)剩余物

（主要包括木板、樹枝、樹皮等）并進行預處理，使其達到電廠對燃料的含水率

要求，隨即打包運往電廠，如圖1所示。處理后的燃料貯存在電廠，直到將其用

于直燃發(fā)電。因此生物質(zhì)電廠的總成本包括固定成本（折舊、大修、工資福利等）

和變動成本（發(fā)電成本、燃料購買成本、庫存成本等）兩部分[8],而收益來源

為售電收入。以表示生物質(zhì)燃料種類，k表示不同的經(jīng)紀人，表示期數(shù)（以一年

為周期，將一年分為t期）。則目標函數(shù)一一電廠年利潤最大化如式（1）所示。

Maxproflc工Px-EC)xZ4一,FC?gGCfg$八@,+￡3%/型UVxcxfraY

rj

其中:戶為售電單價；￡C為廠川電率；%為生物質(zhì)燃料的價格；y為o-i變址,刖來判斷岸

第，期發(fā)電證;/C為電廠年固定成本;SC為每噸存吊是否超出電廠合理牌存.若庫存玳大廠?合理

撼料每期E:存成本；2,為第/明末第j種生物質(zhì)懋庫存上界($Eh),則由「?庫存管理址度增加以

料的庫存ht；S0,為住第，期內(nèi)電廠向經(jīng)紀人k收及需要租用更多土地等問題,電廠編負擔版外犀

購第，種生物質(zhì)燃料的總質(zhì)；叱為電廠收購第，種存成本a，mY.

務

農(nóng)業(yè)列余期與紀人收5

TT-iw..發(fā)電上網(wǎng)

林叱川余村經(jīng)紀人收桌運往電廠

圖1生物質(zhì)發(fā)電燧料供應依

1.2模型的約束條件

生物質(zhì)發(fā)電供應鏈各環(huán)節(jié)包括:經(jīng)紀人收購燃料、經(jīng)紀人對燃料進行預處理、

電廠收購經(jīng)紀人的燃料、電廠貯存和發(fā)電。在這些環(huán)節(jié)中都存在一定的主客觀條

件制約.

1.2.1經(jīng)紀人收購燃料約束

調(diào)研中得知，大型經(jīng)紀人與電廠之間一般簽訂限制年最低生物質(zhì)燃料供應量

和燃料最高含水率的固定合約，且生物質(zhì)燃料產(chǎn)量受季節(jié)影響明顯。因此經(jīng)紀人

收購燃料數(shù)量受到其自身收購能力(包括運輸能力、預處理能力)、與電廠之間

的固定合約以及當?shù)厣镔|(zhì)燃料可獲得量約束，如式(2)~(5)所示。

-5。港I>SQminlk,VzeBF,k€B(2)

t

ZPQikj?PQmaXk，PkwBjjTS(3)

i

￡P(guān)Qik“<AQm^l(fVzeBF,teTS(4)

SQikl/PQikt=WRikttV/eBF,keB,teTS(5)

其中：8廠為生物質(zhì)燃料種類集合；B為經(jīng)紀

人集合；7S為時間段集合；S。加以為合約規(guī)定的

經(jīng)紀人女第，?種生物質(zhì)燃料年最低供應量；PQ加為

第/期經(jīng)紀人《第，?種生物質(zhì)燃料收購量；PQmaXk

為經(jīng)紀人k的最大收購能力；4。加%為第，期第，

種生物質(zhì)燃料的區(qū)域內(nèi)最大可獲得量；網(wǎng)此次第

muxprofit=P*(J-EC)x&q,-<FC+；GCxg,SCxIQlt?[膻法戶理)￥Kxet/r</KjJ

sJ.Z取，2SQmin*.V/eBF.k6B

9

ZPQU,<PQmaxk.\fkeB.teTS

*

ZPQA,SAQmax,JtVi6BFj€TS

WRAt^(/-MCoriu)/(/-MCmax,),Vi€BF,kEB.IGTS

ZZSQu,xPR2FCb,+EEsa,x「(APtl+2xTCcb,xDchd)/W&,+2xTClp產(chǎn)Dipk]x(/+￡/?),V*wB

IQ“=x(/-/￡)+?50山-/x〃-ex/(§〃匕xbRux￡)2SIlb,,V/6BF,t€75

Z!QtJ4IQmax,VlwT3

0：9X@°S/2,E4/./“2“，*BF

q,4qmax.V/e75

Qinin4gg,4Qmax

/

ZBR,,=L中WTS

HVniin立H匕xBR,,<>HVmax,V/€75(21)

共中；?：SQ八%、為門變及；2八丫、為因變累；其余為參數(shù)

2實證分析

2.1實例簡介

在對我國多家生物質(zhì)電廠進行實地調(diào)研之后，以東北地區(qū)某1X30MW生物質(zhì)

電廠為例進行實證分析。將一年按月分期，即二1,2,3…12；該電廠有8個固定合

約經(jīng)紀人，按規(guī)模從大到小分別為=1,2,3…8；用于生物質(zhì)發(fā)電的燃料分為兩類:

農(nóng)業(yè)剩余物(-1)和林業(yè)剩余物(-2)o目前我國的生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價為。.75

元/千瓦時期，在各地不同的火電標桿電價基礎(chǔ)上由政府負擔補貼電價。通過對

調(diào)研資料的總結(jié)和整理，參數(shù)取值如表「3所示。

?1參數(shù)取值表(與k.t無關(guān)的一一)

均無其的叁數(shù)

卷故取做整位叁敗卷故取值單位

P0.75元/千禮時KR0.20-21.000.000千瓦時/月

EC0.1-IL0.01-Qmin240.000.000千瓦時7年

H；25.<MKJ.(M)0元，年HV>3MJ0r急/「瓦時Vinax加.ouo.ax)「比時/年

CC0.06元/T?禮時E0.18-HVmin/照/千克

SC1.5元八月?噸)IQnvix50,000晚HVnutx17.4001■焦/千克

ExIruY50.000元/月Slub40.000噸

僅Ui何方的&數(shù)

參數(shù)1RM單位參數(shù)取值單位參數(shù)取值單位

0.25-TCtp,0.470R元“岫?千米)Sllh(8000千瓦時

MCmax】0.20-TCg03409元"噸?千米)SIII>2IO.OOO干焦/千克

TCrb,0.R663元八咤?TX)HV,15,000丁焦/T克IQslo.ono

TObj0.3409無八噸?F米)H、？I8&J0千焦/千克IQX18.000晚

表2參數(shù)取值表（與k有關(guān)的參數(shù)）

僅、k有關(guān)的金故取值

卷故單位L>1k?2k?3k?4k?Sk?6k?7k?8

一/月7(X)06MX)550()52()04M()3M)0MKX)2300

F(八元，年632J10619.130517.880498.860445.7M)3743M)325510241.180

1g千米2530404050605045

與讓有美的與散取(ft

金數(shù)小值k=lk?2k?3k=4k=Sk=6k?7k=B

SQminn岫/年13.00012.0009(X)()MXX)7(1005(XX)4(100MXM)

SQtnin^噸/年IK.(XX)17.00014.000B.ono12.00010,000MMX)7000

千米1538353340423635

lNha千米65M)62M70667067

?3參數(shù)賦值賽（與t有關(guān)的參數(shù)）

Oij"美的&數(shù)收ffi

參政制僅t=lt=21=3t=4t=5t=61=7t=91=10仁IIE2

AQmatn千噸2618106241612681830

AQUMM,千噸30242015II10865102036

-(M50350.40.430.48OS(1550350.4H0.450.40.38

MGri)-0.270.28(130.320350360.380.M0.36033030.2?

UR；-0.850.850.800.750.680.660.600.600.680.720.M10.82

事R：-0.900.880M0.850.800.800.750.750.800.M)0.850.88

AP.,元/她25457090150120506090M)4520

AP0元/叱R59095100120130140150IM)1309580

清：“個人用他幼町昵帕、京?:心口齊大.觀上,QRu力。1比天M叁ft

2.2優(yōu)化結(jié)果

在2.1部分的基礎(chǔ)上，利用Lingo11軟件求得全局最優(yōu)解。目標函數(shù)一一電

廠年利潤最大值約為4067.35萬元，此時相應的變量取值如下：

2.2.1發(fā)電量

電廠最優(yōu)年發(fā)電總量約為2.03億千瓦時，各期發(fā)電量如圖2所示?？煽闯?/p>

電廠在「4月、7月、11月和12月的發(fā)電量達到了最大發(fā)電量，而6月和9月

發(fā)電量最低。這與當?shù)厣镔|(zhì)燃料產(chǎn)量的季節(jié)波動密切相關(guān)：在生物質(zhì)燃料供應

旺季，經(jīng)紀人能夠以較低的價格收集到大量燃料，使電廠得到充足的燃料供應；

在生物質(zhì)燃料供應淡季，經(jīng)紀人收集燃料困難且燃料價格較高，導致電廠因燃料

不足而減少發(fā)電量?？煽闯鋈剂鲜召徚渴怯绊戨姀S發(fā)電量最關(guān)鍵的因素，因此電

廠應根據(jù)燃料收購情況合理安排檢修時間。將檢修盡量安排在燃料收購困難的季

節(jié)，可以減小燃料不足給電廠帶來的損失。

2.2.2燃料收購價格

電廠收購農(nóng)業(yè)剩余物與林業(yè)剩余物的最優(yōu)價格分別為217元/噸和277元/

噸。兩種燃料之間的價差不能過大，否則會導致經(jīng)紀人更傾向于收集某一種燃料;

此外，由于經(jīng)紀人購買林業(yè)剩余物的價格較高且林業(yè)生物質(zhì)燃料熱值較高，因此

林業(yè)生物質(zhì)燃料的單價應高于農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃料。

2.2.3燃料收購量

電廠年燃料收購總量約為22.88萬噸，其中：農(nóng)業(yè)剩余物8.21萬噸；林業(yè)

剩余物14.67萬噸。各期燃料收購量如圖3所示?？煽闯鋈剂鲜召徚看嬖谥黠@

的季節(jié)波動，這是由區(qū)域內(nèi)生物質(zhì)燃料產(chǎn)量決定的：當?shù)刂饕N植的農(nóng)作物種類

為春小麥、單季水稻、玉米、大豆等，均為春季播種秋季收獲，農(nóng)作物收割完成

后便是收集秸稈的高峰期。區(qū)域內(nèi)存在大面積濕地，種植的蘆葦可在夏季大量收

集作為發(fā)電燃料，因此農(nóng)業(yè)剩余物的收購旺季為冬、夏兩季。對樹木的砍伐一般

不會選擇在春季和夏季進行，則林業(yè)剩余物的收購旺季主要在冬季。

2.2.4摻燒比例

各期燃料摻燒比例如圖4所示。在廣6月以及8月、11月，林業(yè)生物質(zhì)燃

料的摻燒比例達到最大；在9月和12月，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃料的摻燒比例達到最大。

這反映了當兩種燃料都較易于收集時，經(jīng)紀人傾向于供應更多的林業(yè)生物質(zhì)燃

料，因其收集過程簡便、利潤更高，此時電廠將提高林業(yè)生物質(zhì)燃料的摻燒比例;

當林業(yè)生物質(zhì)燃料收集困難而農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃料收集較易時，電廠會降低林業(yè)生物

質(zhì)燃料的摻燒比例，更多地使用農(nóng)業(yè)剩余物，以節(jié)約成本；當兩種燃料都難以收

集時，電廠只能降低發(fā)電量。

2.2.5庫存量

每種燃料庫存量及庫存總量在一年內(nèi)的變動趨勢如圖5所示?？煽闯??3

月的庫存總量超出了合理庫存量上界，在這兩個月電廠需要支付額外庫存成本。

兩種生物質(zhì)燃料庫存量具有相似的波動情況：農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃料的庫存量在廣3

月呈上升趨勢，3~5月呈下降趨勢，之后基本保持不變；林業(yè)生物質(zhì)燃料的庫存

量同樣在廣3月呈上升趨勢，3~5月呈下降趨勢，但在5飛月又有所上升，6~8

月再次下降，之后基本保持不變。因此8月之后，總庫存量基本保持不變。

K2發(fā)電量曲線

月份

圖3燃料收購量曲線

圖4摻燒比例曲線

汽

A

-

U梭

M

裝

線

量曲

庫存

圖5

分析

對比

2.3

：

發(fā)現(xiàn)

可以

較，

相比

數(shù)據(jù)

實際

各項

5年

201

電廠

得的

中獲

調(diào)研

果與

化結(jié)

將優(yōu)

，而最

相等

兒乎

時）

千瓦

2億

量（約

發(fā)電

實際

5年

201

電廠

量與

發(fā)電

優(yōu)年

（1）最

、

條件

技術(shù)

明在

）。證

萬元

兩千

潤（約

際利

的實

獲得

15年

廠20

于電

遠高

潤卻

大利

利

電廠

物質(zhì)

現(xiàn)生

鏈實

供應

燃料

優(yōu)化

通過

，可以

件下

的條

不變

補貼

、政府

資源

環(huán)境

；

增加

大幅

潤的

/