吳金卓，林文樹，王立海

（東北林業(yè)大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

目前我國的能源需求量逐年上升，能源消耗量的增長速度已經遠遠超過了世界其他國家，能源的安全問題和環(huán)境問題變得日益嚴峻[1]。為了保障國家能源安全，降低對常規(guī)化石能源的依賴，改善生態(tài)環(huán)境，我國正在大力開發(fā)和利用各種可再生能源[2]。生物質能源被認為是一種最有潛力的可替代資源之一。生物質能源有許多利用方式，其中生物質發(fā)電是目前最具開發(fā)利用規(guī)模的一種生物質資源利用形式[3-4]。近年來，我國的生物質發(fā)電規(guī)模不斷增長，2005年僅約200萬kW，預計到2015年生物質發(fā)電裝機容量將達到1 300萬kW[5]。生物質能的合理開發(fā)與利用，可以改善我國能源結構，減少溫室氣體排放，緩解日益惡化的生態(tài)環(huán)境，對建設節(jié)約型社會，實現社會的可持續(xù)性發(fā)展有著重要意義[2]。

然而，生物質資源的分布分散以及收集問題，導致了我國現階段的生物質能源還不能進行大規(guī)模地開發(fā)和利用[6]。生物質燃料供應物流系統(tǒng)包括電廠與收購站的選址、燃料的收購、運輸、儲存等一系列的物流過程。電廠與收購站的選址是生物質發(fā)電廠設計規(guī)劃的第一步，合理的選址不僅能保障穩(wěn)定的燃料供應，還能減少燃料運輸距離，從而降低燃料獲取成本。目前，生物質燃料成本居高不下成為制約生物質發(fā)電的一大瓶頸。生物質燃料的物流成本一般占發(fā)電廠燃料總成本的50%-70%[7]。當生物質使用達到一定規(guī)模時，能否保證穩(wěn)定的燃料供應是企業(yè)必須要考慮的關鍵問題，同時燃料的供應成本問題也會愈加明顯[8-9]。因此，優(yōu)化生物質發(fā)電廠的燃料供應物流系統(tǒng)，科學合理的安排生物質收集、儲存、運輸各個環(huán)節(jié)，努力降低生物質物流成本顯得尤為重要。

國內外學者在研究秸稈收儲運模式、降低秸稈收集成本方面做了很多研究。Thorsell等[10]利用計算機程序分析了不同機械與成本之間的關系，從而確定在原料農戶、儲存、運輸等過程的成本。Santisirisomboon等[11]對包括稻谷外殼、固體廢物和燃料木材等不同類型的生物質燃料進行了分析，得到優(yōu)化方法，并將這一方法合理的擴展到發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃中。Caputo等[12]在對生物質發(fā)電廠的經濟性分析后，得到生物質原料收購價格增加、資源密度降低、運輸車輛價格增加、運輸車輛容量下降等因素都會使電廠運行成本增加，從而導致電廠的經濟效益降低。Yu 等[13]在生物質能評價的基礎上，結合完整的原料供應鏈，提出了一個能夠合理定位生物質能源加工廠附近高密度種植的區(qū)域的離散數學模型。劉華財等[14]計算了生物質原料的子過程成本，分析了原料在五種不同模式下的供應成本變化趨勢。王愛軍等[15]為了對生物質發(fā)電成本進行分析，分別對生物質主要的發(fā)電方式進行了討論，并且建立了生物質燃料消耗量模型和燃料成本模型。邢愛華等[16]基于秸稈類生物質資源的島式分布特點，針對生物質秸稈收集過程中的成本、消耗和污染物排放等問題，建立了相關的數學模型。楊樹華等[17]通過對生物質燃料生產廠合理布局的科學分析，提出了生物質秸稈在收集過程中的經濟原料收集半徑、車輛平均運輸半徑及車輛滿載和空載的等效模型。

本文在上述研究的基礎上，以生物質燃料供應成本最小化為目標，構建一個基于集中型收儲運模式的生物質燃料到廠成本優(yōu)化模型。該模型的約束條件包括每個月可供使用的生物質燃料數量、每個月可以采購的生物質燃料數量限制、電廠每個月的需求量，生物質燃料在收儲站和電廠的儲存平衡關系、電廠庫存限制等，并將該模型應用到黑龍江省某生物質發(fā)電廠。研究結果將對于其他同類的生物質發(fā)電企業(yè)降低生物質燃料成本、改善發(fā)電廠的運營狀況具有一定的理論指導和借鑒意義。

2 生物質燃料成本構成

集中型秸稈收集模式主要是以專業(yè)秸稈收儲運公司或農場為主體，負責秸稈原料的收集、晾曬、儲存、保管、運輸等一系列工作，并按照生物質電廠的要求，對農戶或秸稈經紀人交售秸稈的質量進行把關，然后統(tǒng)一打捆、堆垛，進行存儲[18]。在此模式下，生物質燃料秸稈的全部費用主要包含五個部分，即采購成本C1、預處理成本C2、運輸成本C3、裝卸成本C4和儲存成本C5。因此，秸稈燃料的總成本C可以表示為：

2.1 采購成本

秸稈收獲具有數量大并且分散、時間短且集中的特點。秸稈發(fā)電企業(yè)需要常年消耗秸稈原料，如果不能在秸稈收獲季節(jié)里快速收獲秸稈，就不能滿足秸稈規(guī)?；煤瓦B續(xù)化生產的要求，秸稈利用企業(yè)就無法保證正常運營。我國農作物秸稈的收集收獲方式還是以人力收集為主、機械為輔。秸稈的單位采購價格受市場作用的調節(jié)。本文中，采購成本是指單位重量生物質燃料的采購價格與該地區(qū)生物質燃料采購數量的乘積（式（2）），其中pc—單位重量生物質燃料的購買價格（元/t），xim—從供應地i每個月采購生物質燃料的數量（t）。

2.2 預處理成本

一般情況下，農作物秸稈不會從田間直接運往生物質發(fā)電廠，大部分農作物秸稈在收購站進行必要的預處理。這樣不僅可以降低燃料后續(xù)的運輸成本，還可以改善燃料密度、硬度、顆粒度等一些品質。預處理成本可以用單位重量生物質燃料的預處理費用與某地區(qū)每個月收購生物質燃料數量的乘積表示（式（3）），其中p0—單位重量生物質的預處理費用（元/t）。

生物質預處理費用p0按照式（4）進行計算，其中，fpo—生物質燃料預處理設施的固定投資（元/h），rpo—生物質燃料預處理設施的人工費用（元/h），ppo—生物質燃料預處理設施的維護和修理費用（元/h），cpo—生物質燃料預處理設施燃料費用（元/t），Qpo—生物質燃料預處理設施的處理能力（t/h）。

2.3 運輸成本

從田間收集的農作物秸稈經過初步預處理后被打包成捆。生物質電廠或者秸稈收儲運公司可以在秸稈打捆后通過大型車輛將其運輸至電廠。分散的秸稈也可以由農戶利用平板車或三輪車進行短距離的運輸。在計算秸稈運輸費用時，不僅要考慮運輸車輛類型，還要考慮輸送距離、車輛購置費用、運行及維護費用等多方面的因素。運輸成本用單位重量生物質燃料的運輸成本與每個月從供應地到目的地運輸生物質燃料的數量乘積表示（式（5），其中xtijm—每個月從供應地i地到目的地j地運輸生物質燃料的數量（t），τij—單位重量生物質燃料的運輸成本。

τij可以通過式（6）進行計算。其中，Q—平均每輛車的運載能力（t），tij—平均每輛車從生物質燃料供應地i地到目的地j地之間往返運輸的車輛總成本（元）。tij包括從供應地i地到目的地j地的燃料費M、人工費用R、車輛的固定成本折舊費G、利息、保險、稅等費用V 以及車輛的維修費用W（式（7））。

（1）從供應地i地到目的地j地的燃料費用M。平均每輛車運送一次生物質燃料費用等于平均每輛車從供應地i地到目的地j地運送一次生物質燃料的耗油量L與燃油價格fpl（元/l）的乘積（式（8）），其中，dij—供應地i地到目的地j地的距離（km），kpl—為每升柴油可供運行距離（km/l）。

（2）人工費用R。人工費用等于平均每輛車從供應地i地到目的地j地之間運送生物質燃料的時間t與平均每小時的人工費用dwh（元/h）的乘積（式（9），其中，kph—運載車輛的運行速度（km/h）。

（3）固定成本折舊費G。固定成本折舊費等于單位時間車輛的固定成本折舊費和平均每輛車從供應地i地到目的地j地之間運送生物質燃料的時間t 的乘積（式（10））。其中，P—每臺車輛購買價格（元），S—每臺車輛報廢后殘值（元），T=n·smh·ut表示平均每輛車的全部實際工作時間，它等于車輛使用年限n、每年車輛規(guī)定使用時間smh及車輛利用率ut的乘積。

（4）利息、保險、稅等費用V。平均每輛車每次運送生物質燃料的利息、保險、稅等費用等于單位時間車輛的利息、保險、稅等費用和平均每輛車從供應地i地到目的地j地之間運送生物質燃料的時間t的乘積（式（11）），其中，iitr—利息、保險、稅費占年平均投資成本的比例（%）。

（5）車輛的維修費用WD(t)=(a-bp)θt。平均每輛車每次運送生物質燃料的維修費用等于單位使用時間的維修費用與平均每輛車從供應地i地到目的地j地之間運送一次生物質燃料的時間t的乘積（式（12）），其中，mr—維修、維護率（%）。

綜上所述，將式（8）-（12）分別代入式（7）中，整理得出平均每輛車從生物質燃料供應地i地到目的地j地之間往返運輸的車輛總成本tij。

2.4 裝卸成本

不同狀態(tài)下的生物質燃料裝卸方式不同，堆密度也相差很大。耗時最長的是田間散料的裝車，一般需要2-3人；預處理后的生物質燃料顆粒使用裝卸機進行裝車，到電廠后可以進行自卸；秸稈包在收儲站裝卸時使用叉車。裝卸費用要根據裝卸方式決定，若是人工裝卸只需計算人工費用，若是機器裝卸，則其費用還要計算機器的燃料、折舊和維護費用等。

式（14）中，Fl—裝卸機器固定費用（元/年）；Nd—收儲站年運行天數；Vl表示裝卸機器可變費用（元/h）；Tl—裝卸機器工作時間（h）；Ml—裝卸量（t）

2.5 儲存成本

秸稈的收集特點是時間短、量大分散、含水量高。這些特點導致生產與燃料供應之間存在著時間間隔，如何長期有效地儲藏生物質燃料顯得尤為重要。大多數學者建議采用的生物質燃料儲存方式是將燃料收集后直接堆垛在田間地頭，并在上面用油布覆蓋以防雨水。但受到電廠需求、場地規(guī)模等多種因素的限制，最為普遍的農作物秸稈儲存方式還是露天儲存。這種儲存方式成本較低，但是生物質燃料極易腐爛變質、降低燃料的質量[19]。

生物質燃料的儲存成本分為生物質燃料在收購站（供應地）儲存和在電廠儲存兩個部分（式（15））。sc1—單位生物質燃料在供應地i地的儲存成本（元/t），xsim—每個月在供應地i地儲存的數量（t），sc2—單位生物質燃料在目的地j地的儲存成本（元/t），xssjm—每個月目的地j地儲存數量（t）。

3 模型構建及約束條件

3.1 目標函數

假設秸稈收購包括以下流程：生物質燃料的采購、生物質燃料在供應地i地的預處理與儲存、生物質燃料從供應地i地到目的地j地的運輸和生物質燃料在目的地j地的儲存和使用，則秸稈到廠成本函數為：

3.2 約束條件

該模型的約束條件包括每個月可供使用的生物質燃料數量、每個月可以采購的生物質燃料數量限制、電廠每個月的需求量，生物質燃料在收儲站和電廠的儲存平衡關系、電廠庫存限制等。

（1）生物質燃料供應約束。生物質燃料供應地i地每年收購的生物質燃料數量不能超過供應地i地的生物質燃料可利用量的總量（式（17）），其中，pi—供應地i地生物質燃料可利用的比例；Ri—供應地i地農作物收集半徑，km；k1c—c類農作物播種比例；αc—c類農作物每平方千米的產量；k2c—c類農作物的草谷比。

（2）生物質燃料供應地i地每個月收購的數量限制。由于秸稈生物質燃料的收集具有很強的季節(jié)性，因此每個月能夠收集到的數量也有所不同。一般從11月份到次年的五月份為主要的收集期[20]。

（3）第m月時，供應地i地當月采購的生物質燃料數量和上月儲存后本月可用的生物質燃料數量之和與運輸到電廠的生物質燃料數量和本月儲存在供應地的燃料數量之和是相等的。式（19）中，θ—供應地i地生物質燃料的可用系數（%），表示儲存過程中的損耗情況；θ·xsm-1—上個月（第m-1 月）儲存后m月可利用的燃料數量（t）。

（4）生物質燃料采購條件。要求全年采購的生物質燃料數量等于全年運輸到電廠的燃料數量加上由于儲存而損耗的燃料數量。

（5）生物質燃料在電廠的儲存平衡條件。要求第m月運輸的燃料可用量與電廠第m-1 月所儲存的燃料數量的總和要等于電廠當月的儲存燃料數量和燃燒量的總和。式（21）中，δ—運輸過程中的損耗（%）；mc—生物質燃料的平均含水率（%）；ψ—目的地j地生物質燃料的可用系數（%）。

（6）電廠當月的處理數量要等于電廠當月的需求量。式（22）中，ρ為每個月電廠工作的天數；Q—每天電廠的生物質燃料需求量（t/天）。

4 模型應用

4.1 基礎數據

將該模型應用到黑龍江省某典型的秸稈直燃發(fā)電廠。根據調研數據，該秸稈發(fā)電廠現有1 臺25MW 發(fā)電機組在運行，每年發(fā)電量約2 億kW·h。全年發(fā)電消耗農作物秸稈量約為28 萬t，平均每天消耗農作物秸稈量約為850t；電廠庫存秸稈量最大為16萬t，自然消耗率8‰。該電廠使用的生物質燃料主要來自于發(fā)電廠周圍30km 半徑內的農作物秸稈資源。這一區(qū)域內的農作物播種面積、產量以及農作物秸稈產量見表1。

表1 距電廠30km半徑內秸稈資源分布

該電廠根據自身需要，租用了六個收儲站，每個收儲站占地約2.5 萬m2，收儲站距電廠分別為收購站1-7km、收購站2-9km、收購站3-20km、收購站4-12km、收購站5-18km、收購站6-25km。采用廠內儲存與廠外儲存（收購站儲存）相結合的方式進行燃料的儲存。生物質電廠最小的庫存數量應滿足電廠一個月的農作物秸稈使用量，最大的庫存則不能多于六個月的農作物秸稈使用量。圖1 為秸稈生物質的“收集-儲存-運輸”模型。

圖1 秸稈燃料“收集-儲存-運輸”模型

考慮到當地農作物秸稈燃燒需要、運輸條件等限制因素，電廠估計當地的生物質燃料可利用系數約為50%左右，當地農作物秸稈收集價格約為100元/t，預處理成本約為31.35 元/t。由于秸稈資源并不是全年都有的，按照調研數據，一年中大約有8 個月是工作月份，假定每個月為30 天，每天工作時長為8h，那么有效工作小時數就為8×30×8=1 920h。通過考察當地實際情況，收集和整理了模型中所用的參數及其具體數值，見表2。

表2 電廠實際數據

4.2 模型求解

將該數學模型在GAMS 環(huán)境下進行編程，并選擇CPLEX solver求得最優(yōu)解。通用代數建模系統(tǒng)（GAMS）是一個數學規(guī)劃和優(yōu)化高層次的建模系統(tǒng)。它是一種語言的編譯器和一個集成的高性能求解方法，可以很快適應新形勢的大規(guī)模建模應用程序，并且允許用戶建立大型的維護模式。

將調研得到的秸稈發(fā)電廠有關數據代入優(yōu)化模型，并在GAMS環(huán)境下運行該模型，得到秸稈的最優(yōu)到廠成本為214.69元/t。根據式（26）計算燃料平均運輸距離為12.15km。

值得注意的是，通過模型計算得到的最優(yōu)到廠成本并不包含第三方承運人的預期利潤，因為這一數字根據生物質發(fā)電廠的具體情形而定。根據該生物質電廠近幾年的實踐經驗可知，這一利潤預期在50 元/t 左右。因此，如果考慮這一利潤，生物質燃料的到廠成本約為264.69 元/t，這個結果要比電廠實際收購價格減少了10.31元/t。

由于該模型中的參數會受到外界因素的影響，所以針對不同條件下的燃料供應總成本進行敏感性分析（見表3 至表8），以增加優(yōu)化結果的可靠性。

（1）可利用系數。秸稈燃料有很多利用途徑，如提供農村生活能源、飼料化用途、秸稈還田、工業(yè)利用、食用菌基料等，因此，秸稈能源化的利用只能占可收集量的一定比例。由表3可以看出，生物質燃料的到廠成本隨著生物質燃料的可利用量的增加而降低，反之亦然。當然，秸稈利用系數不能過低，否則將不能滿足電廠的生產需求。本案例中，當秸稈燃料的可利用系數低于36%時，模型得不到可行解，這說明生物質燃料的供應不能滿足該電廠的需求。

表3 生物質燃料的可利用系數與平均成本

（2）預處理費用。一般情況下，農作物秸稈不會從田間直接運往生物質發(fā)電廠，大部分農作物秸稈在收購站進行必要的預處理。這樣不僅可以降低燃料后續(xù)的運輸成本，還可以改善燃料密度、硬度、顆粒度等一些品質。秸稈打包是主要發(fā)生的費用。本案例中采用紐荷蘭BB960A秸稈打捆機，每臺打捆機每天能打100捆秸稈，草捆重量可達0.7t/捆。根據機器小時率法（Machine Hour Rate Method）得到打捆機每小時費用為250.85元，按照每小時處理8t計算，則秸稈預處理費用為31.35元/t。本文分析了預處理費用變化±10%、±20%的情況。由表4可以看出，生物質燃料的到廠成本隨著生物質燃料預處理費用的增加而增加。預處理費用增加10%，平均成本將增加4.67元/t。在實際生產中，采用不同的打包機械或者生物質收購量增減等因素，都會影響預處理費用的變化。

表4 預處理費用與平均成本

（3）燃油價格。在整個生物質燃料的收集過程中，收集機械、打包機械和運輸車輛等都要使用燃油。所以，燃油價格的變化，必然會引起平均成本的變化。本案例中，燃油價格為7.5元/升。由于模型中的收購成本采用固定值，因此收集費用隨燃油價格的變化并沒有考慮，而是重點考慮了秸稈打捆機和運輸車輛使用燃油的變化情況。由表5可以看出，生物質燃料的到廠成本隨著燃油價格的增加而增加，平均每升燃油（柴油）增加0.5元，平均成本將增加1.57元/t。

表5 燃油價格與平均成本

（4）燃料含水率。秸稈資源的含水率直接影響了秸稈的燃料熱值的多少。自然干燥是一種常用的生物質燃料干燥方式，即將農作物秸稈盡量放在陰涼、通風處，通過自然風、太陽光的照射等方式去除其中水分，可以防止其緩慢干燥，使酶活動加劇，降低秸稈的燃料熱值，可有效保證秸稈的含水量在10%至15%之間。本案例中的秸稈含水率為25%，平均成本為214.69 元，如果通過自然干燥的方式使秸稈含水率降低到15%，那么平均成本將下降25.22元/t，對生物質燃料到廠成本產生很大的影響（見表6）。

表6 燃料含水率與平均成本

（5）運輸車輛。本案例中秸稈資源的運輸車輛為7.2m 的貨車，其運輸能力為13.5t/車。若采用運載能力更大的9.6m貨車，運輸能力為18t/車，那么生物質燃料的到廠成本將減少約0.88元/t（見表7）。

表7 運輸車輛類型與平均成本

5 結論

本文分析了生物質燃料成本的構成，建立了基于集中型收儲運模式的生物質資源燃料從田間到電廠的整個供應鏈的成本優(yōu)化模型，并對影響農作物秸稈獲取成本的主要因素進行了敏感性分析。結果表明：在沒有考慮第三方物流運輸企業(yè)利潤的情況下，將生物質資源到廠成本優(yōu)化為214.69 元/t，燃料平均運輸距離為12.15km。敏感性分析的結果表明，生物質燃料的預處理費用和含水率對于生物質資源總成本的影響較大，生物質燃料可利用系數、燃油價格和運輸車輛類型對總成本的影響較小。因此，建議該生物質電廠有效地提高秸稈生物質的處理效率，將秸稈含水率控制在一個較低的水平，以實現降低燃料供應成本，提高企業(yè)利潤的最終目的。另外，盡管生物質燃料的可利用系數對總成本影響不大，但是，這一結論是在建立在保證秸稈生物質長期穩(wěn)定供應的基礎上。因此，對于其他的秸稈生物質發(fā)電廠而言首先要合理選擇電廠的廠址，確定燃料供應的長期性和穩(wěn)定性。秸稈燃料收購站的選址也是秸稈發(fā)電廠重點設計規(guī)劃的內容，這對于減少燃料運輸距離，降低燃料獲取成本具有重要作用。

[1]何瓊.中國能源安全問題探討及對策研究[J].中國安全科學學報,2009,19(6):52-57.

[2]吳金卓,馬琳,林文樹.生物質發(fā)電技術和經濟性研究綜述[J].森林工程,2012,28(5):102-106.

[3]沈明忠,王新雷.我國生物質發(fā)電的發(fā)展環(huán)境分析[J].能源技術經濟,2011,(1):41-45.

[4]趙振宇,閆紅,令文君.我國生物質發(fā)電產業(yè)SWOT 分析[J].可再生能源,2012,(1):127-132.

[5]中國行業(yè)研究網.生物質能源發(fā)電產業(yè)發(fā)展的現狀分析[EB/OL].http://www.chinairn.com/news/20111117/751201.html,2011-11-17.

[6]胡越.生物質能秸稈發(fā)電:可再生能源的開發(fā)與利用[J].科技傳播,2010,(24):196-198.

[7]田宜水.生物質發(fā)電[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.

[8]傅友紅,樊峰鳴,傅玉清.我國秸稈發(fā)電的影響因素及對策[J].沈陽工程學院學報,2007,(3):68-72.

[9]張艷麗,王飛,趙立欣,孫麗英.我國秸稈收儲運系統(tǒng)的運營模式,存在問題及發(fā)展對策[J].可再生能源,2009,(1):1-5.

[10]Thorsell S,Epplin F M, Huhnke R L,et al.Economics of a coordinated biorefinery feedstock harvest system:lignocellulosic biomass harvest cost[J].Biomass and Bioenergy,2004,27(4):327-337.

[11]Santisirisomboon J,Limmeechokchai B,Chungpaibulpatana S.Least

cost electricity generation options based on environmental impact abatement[J].Environmental Science and Policy,2003,6(6):533-541.

[12]Caputo A C,Palumbo M,Pelagagge P M, et a1.Economics of Biomass Energy Utilization in Combustion and Gasification Plants：Effect of Logistic Variables[J].Biomass and Bioenergy,2005,28(1):35-51.

[13]Yu Y,Battle J,Li C,et al.Mallee biomass as a key bioenergy source in western Australia: importance of biomass supply chain[J].Energy and Fuels,2009,23(3):2 523-2 526.

[14]劉華財,陰秀麗,吳創(chuàng)之.秸稈供應成本分析研究[J].農業(yè)機械學報,2011,42(1):106-112.

[15]王愛軍,張燕,張小桃.生物質發(fā)電燃料成本分析[J].農業(yè)工程學報,2011,27(增刊1):17-20.

[16]邢愛華,劉罡,魏飛,金涌.生物質資源收集過程成本、能耗及環(huán)境影響分析[J].過程工程學報,2008,8(2):305-313.

[17]楊樹華,雷廷宙,何曉峰,等.生物質致密冷成型原料最佳收集半徑的研究[J].農業(yè)工程學報,2006,22(增1):132-134.

[18]田宜水,孟海波,孫麗英,等.秸稈能源化技術與工程[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[19]于興軍.王黎明.王鋒德,等.我國東北地區(qū)玉米秸稈收儲運技術模式研究[J].農機化研究,2013,(5):24-28.

[20]王敏玲,鐘榮珍,周道瑋.玉米適宜收獲期及秸稈飼料利用方式的研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究,2012,30(3):18-24.