檀勤良^1,2，王婷然¹，張一梅³，苗新燕¹，祝君¹

（1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京102206；2.北京能源發(fā)展研究基地，北京102206；3.華北電力大學蘇州研究院，蘇州215123）

　　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行。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(yù)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(yīng)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(yīng)用于東北某生物質(zhì)電廠，求出電廠最大年利潤和相應(yīng)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剑嵘溆芰Α?/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。化石能源大量使用造成了許多環(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)廢棄物。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^[1]。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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)鏈，中外都有許多相關(guān)的研究：王燕和沈輝^[2]對秸稈發(fā)電燃料供應(yīng)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^[3]構(gòu)建了影響生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)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^[4]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；Silkevan Dyken等^[5]建立了生物質(zhì)發(fā)電燃料供應(yīng)鏈的非線性混合整數(shù)模型，對燃料熱值和燃料在生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)含水率之間的關(guān)系進行了研究；Nazanin Shabani等^[6]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(yīng)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，Nazanin Shabani等^[7]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(yīng)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(yīng)鏈進行了研究。其中進行供應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yù)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(yīng)鏈優(yōu)化模型

　　1.1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(yù)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)——電廠年利潤最大化如式（1）所示。

　　1.2模型的約束條件

　　生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)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(yù)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(yīng)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(yù)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。

　　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1×30MW生物質(zhì)電廠為例進行實證分析。將一年按月分期，即=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）。目前我國的生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價為0.75元/千瓦時^[10]，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1~3所示。

　　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)——電廠年利潤最大值約為4067.35萬元，此時相應(yīng)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。可看出電廠在1~4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(yīng)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(yīng)；在生物質(zhì)燃料供應(yīng)淡季，經(jīng)紀人收集燃料困難且燃料價格較高，導(dǎo)致電廠因燃料不足而減少發(fā)電量。可看出燃料收購量是影響電廠發(fā)電量最關(guān)鍵的因素，因此電廠應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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。可看出燃料收購量存在著明顯的季節(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?fù)緸槎⑾膬杉尽淠镜目撤ヒ话悴粫x擇在春季和夏季進行，則林業(yè)剩余物的收購?fù)局饕诙尽?/p>

　　2.2.4摻燒比例

　　各期燃料摻燒比例如圖4所示。在1~6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(yīng)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。可看出2~3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1~3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1~3月呈上升趨勢，3~5月呈下降趨勢，但在5~6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。

　　2.3對比分析

　　將優(yōu)化結(jié)果與調(diào)研中獲得的電廠2015年各項實際數(shù)據(jù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)：（1）最優(yōu)年發(fā)電量與電廠2015年實際發(fā)電量（約2億千瓦時）幾乎相等，而最大利潤卻遠高于電廠2015年獲得的實際利潤（約兩千萬元）。證明在技術(shù)條件、環(huán)境資源、政府補貼不變的條件下，可以通過優(yōu)化燃料供應(yīng)鏈實現(xiàn)生物質(zhì)電廠利潤的大幅增加；（2）最優(yōu)燃料收購價格大大低于實際的燃料收購價格（農(nóng)業(yè)剩余物260元/噸、林業(yè)剩余物300元/噸），表明經(jīng)紀人的實際利潤率大大超出預(yù)期。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分經(jīng)紀人僅需2~3年就可以收回全部投資。而相應(yīng)的，電廠負擔了過高的燃料成本；（3）農(nóng)業(yè)剩余物年最優(yōu)收購總量大于電廠2015年實際農(nóng)業(yè)剩余物收購量，而林業(yè)剩余物年最優(yōu)收購量小于電廠2015年實際林業(yè)剩余物收購量。表明優(yōu)化結(jié)果增大了發(fā)電過程中農(nóng)業(yè)剩余物的利用比率，而現(xiàn)實中追求利潤最大化的經(jīng)紀人往往更愿意向電廠供應(yīng)可獲得更高利潤的林業(yè)剩余物；（4）最優(yōu)解中燃料的摻燒比例不固定，而是隨燃料供應(yīng)量的季節(jié)波動而變化。但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，雖然混合燃料熱值在一定范圍內(nèi)即可正常發(fā)電，生物質(zhì)電廠卻都將兩種燃料的摻燒比例維持在1/3:2/3。固定的摻燒比例不利于電廠根據(jù)燃料供應(yīng)狀況靈活調(diào)整直燃發(fā)電的燃料用量，增大了燃料收集難度。因此，電廠不得不提高生物質(zhì)燃料的收購價格才能獲得足夠的燃料。同時，電廠必須在燃料供應(yīng)旺季加大收購量，負擔更多的燃料貯存成本。

　　3結(jié)論

　　本文針對我國生物質(zhì)電廠燃料收購成本過高導(dǎo)致盈利能力差的問題，以生物質(zhì)電廠利潤最大為目標建立了生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈的多期非線性優(yōu)化模型。模型中考慮了燃料從收集、運輸、預(yù)處理、儲存直到用于直燃發(fā)電這一完整過程中各個階段產(chǎn)生的收益和費用以及受到的約束，研究了電廠如何選擇發(fā)電量、燃料收購價和收購量、燃料摻燒比例才能使電廠利潤達到最大。將模型應(yīng)用于我國東北某1×30MW生物質(zhì)電廠后，通過對優(yōu)化結(jié)果和與實際情況相比較，可以發(fā)現(xiàn)我國生物質(zhì)電廠的燃料收購和使用模式存在問題，主要表現(xiàn)在電廠沒有充分發(fā)揮其在燃料供應(yīng)鏈中的主導(dǎo)地位。這導(dǎo)致了經(jīng)紀人過度擠占電廠收益，不利于整個生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[11]。針對此問題，具體建議有以下幾點：（1）電廠可適當降低生物質(zhì)燃料收購價格，將經(jīng)紀人利潤率控制在合理范圍內(nèi)：既能保證電廠燃料需求，又不會過多擠占電廠利潤；（2）電廠可與大型經(jīng)紀人簽訂更加細化的燃料供應(yīng)合同，在對當?shù)厣镔|(zhì)產(chǎn)量和經(jīng)紀人供應(yīng)能力進行分析后按月規(guī)定其最低燃料供應(yīng)量；（3）在滿足發(fā)電機組對燃料熱值要求的前提下，電廠應(yīng)根據(jù)燃料供應(yīng)量的季節(jié)波動，對兩種燃料摻燒比例進行適當?shù)膭討B(tài)調(diào)整。

　　目前我國的生物質(zhì)電廠必須依靠政府補貼才能盈利，高昂的電價補貼給政府帶來了巨大壓力。充分發(fā)揮生物質(zhì)電廠在生物質(zhì)發(fā)電燃料供應(yīng)鏈中的主導(dǎo)作用、提高生物質(zhì)電廠盈利能力，對實現(xiàn)電價補貼的降低甚至取消、減輕政府財政壓力、促進生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　參 考 文 獻

　　[1]Claudia Cambero，Taraneh Sowlati.Assessment and O ptimization of Forest Biomass Supply Chains from Economic，Social and Environmental Perspectives-A Review of Literature[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，36：62~73.

　　[2]王燕，沈輝.生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈的完全信息動態(tài)博弈分析[J].價值工程，2010，（19）：41~42.

　　[3]魏巧云.生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)鏈物流成本研究[M].中國農(nóng)業(yè)大學，2014：111.

　　[4]常春陽.生物質(zhì)直燃發(fā)電燃料供應(yīng)鏈庫存系統(tǒng)優(yōu)化[M].南京航空航天大學，2014：111.

　　[5]Silke Van Dyken，Bjorn H.Bakken，Hans I.Skjelbred.Linear Mixed-Integer Models for Biomass Supply Chains with Transport，Storage and Processing[J].Energy，2010，35（3）：1338~1350.

　　[6]Nazanin Shabani，Taraneh Sowlati.A Mixed Integer Non-Linear Programming Model for Tactical Value Chain Optimization of a Wood Biomass Power Plant[J].Applied Energy，2013，104：353~361.

　　[7]Nazanin Shabani，Taraneh Sowlati.A hybrid Multi-Stage Stochastic Programming-Robust Optimization Model for Maximizing the Supply Chain of a Forest-Based Biomass Power Plant Considering Uncertainties[J].Journal of Cleaner Production，2016，112：3285~3293.

　　[8]趙浩亮，張旭，翟明嶺.秸稈直燃生物質(zhì)電廠動態(tài)發(fā)電成本分析[J].動力工程學報，2015，（5）：412~417.

　　[9]曹溢，沈輝.秸稈發(fā)電過程中原料收集的成本分析[J].電力與能源，2012，（5）：463~466.

　　[10]閆慶友，陶杰.中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)效率評價[J].運籌與管理，2015，（1）：173~178.

　　[11]檀勤良，魏詠梅，李旭彥.et al.生物質(zhì)燃料供應(yīng)鏈協(xié)同優(yōu)化研究[J].中國科技論壇，2016，（10）：127~133.