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張欽1，2，常春陽1，2
(南京航空航天大學1.經濟與管理學院；2.能源軟科學研究中心，江蘇南京211106)
摘要：生物質直燃電廠倉庫以及收儲站的規模大小與庫存水平，對于降低電廠的固定成本和運營成本至關重要。為解決這些問題，建立了電廠倉庫、收儲站規模與其庫存控制聯合動態規劃優化模型。以30MW生物質電廠為例，根據模型及其相關參數的敏感性分析，得到了一些結論，比如，在使用多種生物質燃料情形下，電廠倉庫、收儲站的最優規模分別為35887m2、24147m2；當收儲站和電廠的安全庫存分別在6000t以下和17000t以下時，總費用會有降低，否則會相反。使用單一生物質燃料有類似的結論。
為了解決原料供應的間斷性與生產的連續性問題，生物質發電廠(以下簡稱為“電廠”)需要持有大量庫存才能不中斷生產。一個25MW電廠，若想保持正常運轉，每年需要約20萬t的農林殘留物作為原料。
一般情況下，電廠占地面積為66666～133333m2，庫容從5000t到30000t不等。某25Mw的電廠內存儲量5000t，可維持10d的用量，每天需采購700—800t燃料。規模為2×50Mw的湛江生物質直燃發電項目，每天用料3000～4000t；規模為2×12MW的山東京能生物質發電項目，其料場總庫存約2萬t，每天用料500t。江蘇國信如東電廠(25MW)存儲15000t燃料，可維持22d的生產。國能射陽生物質發電廠(25MW)的倉庫容量有8000t。
由于原料供應的分散性，發電廠還需在周邊數十公里范圍內建立4～12個秸稈收儲站，每個收儲站占地10000～40000m2(15—60畝)。凱迪宿遷電廠(2×12Mw)有12個收儲站，每個站點每月可提供1000～2000t原料給電廠，可滿足總需求量的60％。山東單縣發電廠在全縣建立了8個秸稈收儲站J。江蘇國信電廠在縣轄鄉鎮設有4個收儲站，平均占地面積約為26667m2。國能射陽電廠有10個收儲站，總貯存能力為5～6萬t。
從整體看，我國生物質發電項目的原料庫容相差較大，即使有相同的裝機規模也存在這個問題。電廠倉庫投資成本主要是在土地征用費用上，占地面積越大費用越高。過大的庫容會造成浪費，而過小的庫容也會使得原料無處可放。昌圖電廠的料場面積在項目投產后就擴增了33333m2，國信如東電廠也增加料場占地面積近20000m2。
盡管已有若干文獻涉及了生物質能源供應鏈，但只有很少的學者研究了庫存問題。由于供需雙方的隨機性、生物質網絡的獨特的特點，該類成果將有很好的理論和實際價值。Rentizelas等考慮了存儲方法，即封閉的通過熱空氣噴射干燥生物質的倉庫(WD方案)、有屋頂沒有干燥能力的棚架倉庫(CND方案)，以及用塑料薄膜覆蓋的野外存儲(AS方案)，指出儲存和加工成本占物流總成本的50～60％，并認為多生物質方法可以降低儲存空間。Zhu等分析了生物質能精煉廠配套的物流系統問題，建立一個混合整數規劃模型，該模型包含了確定倉庫和生物煉制廠的數量，位置和規模，規定的收獲方式，以及確定運輸方式、能力、車隊。
綜上所述，結合現有研究成果和實際問題，考慮原料季節性供應和發電廠生產需求的特點，建立動態規劃模型，對電廠和收儲站的倉庫規模、庫存進行聯合優化，實現季節性供應的秸稈在收儲站與電廠之間的調度。
1符號及含義
為方便起見，本文所用的符號及其含義匯總如下。
2采購流程
假設某生物質發電廠有m個收儲站，電廠和收儲站的庫存管理服從電廠生產。將電廠的生產時間劃分為n個階段。在每一個階段，電廠根據庫存的消耗情況決定是否訂貨，當庫存水平達到訂貨點時，電廠向收儲站發出訂單，也可直接從市場采購，但在數量上后者只占很少的一部分。收儲站的燃料來自農戶或經紀人。因為農作物生長的周期性，電廠和收儲站都面臨燃料供應的淡季和旺季問題。無論何時，它們均需更及時更新和交換庫存信息，其采購流程如圖1所示。
以收儲站與電廠的倉庫規模作為自變量，庫存費用和倉庫運營費用最小為目標，構建一個庫存控制與倉庫規模聯合優化模型。
3模型構建
由于電廠直接外購燃料的量較少且送到電廠可直接送人鍋爐燃燒，故不考慮外購燃料的庫存成本，另外將收儲站的燃料收購價格為電廠的內部成本。因此，電廠在每一階段的總費用只涉及訂貨成本、電廠的庫存成本和收儲站的庫存成本。
式(5)表示1～n階段電廠和收儲站庫存的最小費用。
根據動態規劃，得到逆推關系式：
4應用實例
4.1基本數據
我國已建的單個生物質項目的組裝機容量，除了極個別的為50MW之外，其余基本上均不超過30MW。不失一般性，本文以一個30MW電廠為例來應用上述模型，以下數據來自調研和計算。
假設該電廠每月2d大停機，每年有25d時間大修，每天運行24h，年運行時數約7500h((365—12×2—25)×24=7584)，電廠可采購到的農作物秸稈、農作物殼類和林木殘留物的比例約為20：5：75。根據文獻[15—16]，可算出該電廠對干燥秸稈的年需求量為232333.07t。如果考慮燃料含水、運輸損耗等因素，設損耗率為15.45％，則電廠每年至少采購269494.74t燃料。那么，發電廠對草桿類、殼類和林木需求速率分別為172.48、43.12和646.79t/d。
對于電廠安全庫存水平，若按每月28d用量25871.50t計算，即：農作物為5174.30t，殼類秸稈為1293.57t，林木類為19403.02t。各收購站中三類燃料的存儲比例也保持20：5：75。
稻草、麥草的到廠價格為260元/t，稻殼400元/t，樹枝、樹皮260元/t。電廠或收儲站承擔自己收購燃料的質檢、稱重、破碎、打捆和裝卸等工作。
農作物秸稈捆扎容重為192kg/m3，稻殼的自然堆積密度為112—144kg/m3；花生殼、木屑、木板、樹枝壓實打包后的容重781.25kg/m3。木材下腳料散堆在露天料場，堆積密度為0.3—0.5t/m3，平均堆高取3m，其余物料堆高設為7m。
電廠倉庫占地面積中的40％為巷道、42％被利用、18％備用，露天料場造價28元/m2，棚庫造價64元/m2，草稈、殼類、林木的單位庫存成本分別為每月27.11、24.76和24.35元/t。收儲站造價19.5元/m2，固定成本3.54元/m2，同樣3類燃料的月庫存成本分別是19.86、18.29、18.10元/t。這些設施的折舊年限為20年。
抓斗起重機平均13min可以卸載燃料8t，加上檢測與稱重時間6min，如有2組卸載機械及工人倒班作業，每天工作24h，則進料速度最高可達1152t/d。
假設有5個收購站分別距電廠10km、25km、40km、55km、70km，由文獻[6]方法，得到運費分別為14.28、21.54、28.80、36.06和43.32元/t。
電廠和收儲站每天收購量，旺季1340t、淡季530t，另外還有電廠在旺、淡季節自行收購的分別為100和50t。電廠向收儲站發出訂貨的費用，每個收購站每次為10元。
4.2計算結果
根據經驗，一般情況下，收儲站存儲并滿足電廠訂單的7d用量，電廠儲存20d的秸稈用量，將5月1日到第二年4月31日作為運行周期，收儲站和發電廠的安全庫存分別為5000t、10000t，由以上公式計算得到表1所示的結果。
4.3敏感性分析
由于可用來敏感性分析的參數比較多，只考慮以下4種情況。如沒有特別說明，其參數的輸入數據與上述相同。
電廠摻燒生物質時SSi的敏感性分析。當SSi<6000t，則電廠與收儲站倉庫規模保持不變，總成本隨最低庫存水平的降低而降低；當6000≤SSi≤6500時，電廠倉庫規模增加了102.53％，收儲站規模增加了40.12％；當SSi>6500時，倉庫規模不變，總成本有所增高(見圖2)。
電廠摻燒生物質時SS的敏感性分析。當SS＞17000時，電廠規模不變，收儲站規模遞減；SS在17000≤SS≤22000時，電廠和收儲站國模分別維持原有規模35887、24147m2；當22000＜SS≤25000時，電廠規模遞增，收儲站規模遞減；當25000＜SS≤30000時，電廠規模遞增，收儲站規模不變。無論哪種情形，SS增加總費用也隨之增加（見圖3）。
只是用農作物秸稈SSi的敏感性分析。當SS=10000，且500≤SSi≤10000，對電廠與收儲站倉庫規模沒有影響，每增加500t，相應的總費用會增加1.43‰，約13萬元。當SSi=5000，且1000≤SS≤11000時，電廠倉庫規模不變，和收儲站規模從68493m2降到49253m2，相應的總費用增加3.34‰，約28萬元。
只用林木質秸稈SSi的敏感性分析。當SS=10000，且500≤SSi≤10000，對電廠與收儲站倉庫規模沒有影響，每增加500t，相應的總費用會增加，約16萬元。當SSi=5000，且1000≤SS≤18000時，對電廠于收儲站倉庫規模沒有影響，相應的總費用會平均增加3.73‰，約33萬元。
5結論
本文研究了我國直燃生物質電廠的倉儲管理問題，建立了倉庫規模與庫存控制聯合動態規劃模型，且對直燃生物質電廠的倉庫規模進行優化。該模型主要內容包括：1）目標函數是使燃料長褲的運行成本及庫存費用最小化；2）約束條件實際到收儲站的收購能力和電廠的自購能力；3）考慮燃料季節性供應的特點，使燃料的存儲空間變動在收儲站與電廠建進行平衡，完成秸稈在從收儲站到電廠的調度。
對30MW生物質電廠進行實際測算，分別考慮摻燒秸稈和單獨使用一種生物質的情況，為企業對30MW及以下電廠的倉庫規模規劃決策提供依據，通過對收儲站與電廠的安全庫存進行了敏感性分析，確定了電廠的長褲規模范圍。 |
