生物质直燃发电厂仓库规模动态规划

张钦^1，2，常春阳^1，2

(南京航空航天大学1.经济与管理学院；2.能源软科学研究中心，江苏南京211106)

　　摘要：生物质直燃电厂仓库以及收储站的规模大小与库存水平，对于降低电厂的固定成本和运营成本至关重要。为解决这些问题，建立了电厂仓库、收储站规模与其库存控制联合动态规划优化模型。以30MW生物质电厂为例，根据模型及其相关参数的敏感性分析，得到了一些结论，比如，在使用多种生物质燃料情形下，电厂仓库、收储站的最优规模分别为35887m²、24147m²；当收储站和电厂的安全库存分别在6000t以下和17000t以下时，总费用会有降低，否则会相反。使用单一生物质燃料有类似的结论。

　　为了解决原料供应的间断性与生产的连续性问题，生物质发电厂(以下简称为“电厂”)需要持有大量库存才能不中断生产。一个25MW电厂，若想保持正常运转，每年需要约20万t的农林残留物作为原料。

　　一般情况下，电厂占地面积为66666～133333m²，库容从5000t到30000t不等。某25Mw的电厂内存储量5000t，可维持10d的用量，每天需采购700—800t燃料。规模为2×50Mw的湛江生物质直燃发电项目，每天用料3000～4000t；规模为2×12MW的山东京能生物质发电项目，其料场总库存约2万t，每天用料500t。江苏国信如东电厂(25MW)存储15000t燃料，可维持22d的生产。国能射阳生物质发电厂(25MW)的仓库容量有8000t。

　　由于原料供应的分散性，发电厂还需在周边数十公里范围内建立4～12个秸秆收储站，每个收储站占地10000～40000m²(15—60亩)。凯迪宿迁电厂(2×12Mw)有12个收储站，每个站点每月可提供1000～2000t原料给电厂，可满足总需求量的60％。山东单县发电厂在全县建立了8个秸秆收储站J。江苏国信电厂在县辖乡镇设有4个收储站，平均占地面积约为26667m²。国能射阳电厂有10个收储站，总贮存能力为5～6万t。

　　从整体看，我国生物质发电项目的原料库容相差较大，即使有相同的装机规模也存在这个问题。电厂仓库投资成本主要是在土地征用费用上，占地面积越大费用越高。过大的库容会造成浪费，而过小的库容也会使得原料无处可放。昌图电厂的料场面积在项目投产后就扩增了33333m²，国信如东电厂也增加料场占地面积近20000m²。

　　尽管已有若干文献涉及了生物质能源供应链，但只有很少的学者研究了库存问题。由于供需双方的随机性、生物质网络的独特的特点，该类成果将有很好的理论和实际价值。Rentizelas等考虑了存储方法，即封闭的通过热空气喷射干燥生物质的仓库(WD方案)、有屋顶没有干燥能力的棚架仓库(CND方案)，以及用塑料薄膜覆盖的野外存储(AS方案)，指出储存和加工成本占物流总成本的50～60％，并认为多生物质方法可以降低储存空间。Zhu等分析了生物质能精炼厂配套的物流系统问题，建立一个混合整数规划模型，该模型包含了确定仓库和生物炼制厂的数量，位置和规模，规定的收获方式，以及确定运输方式、能力、车队。

　　综上所述，结合现有研究成果和实际问题，考虑原料季节性供应和发电厂生产需求的特点，建立动态规划模型，对电厂和收储站的仓库规模、库存进行联合优化，实现季节性供应的秸秆在收储站与电厂之间的调度。

　　1符号及含义

　　为方便起见，本文所用的符号及其含义汇总如下。

　　2采购流程

　　假设某生物质发电厂有m个收储站，电厂和收储站的库存管理服从电厂生产。将电厂的生产时间划分为n个阶段。在每一个阶段，电厂根据库存的消耗情况决定是否订货，当库存水平达到订货点时，电厂向收储站发出订单，也可直接从市场采购，但在数量上后者只占很少的一部分。收储站的燃料来自农户或经纪人。因为农作物生长的周期性，电厂和收储站都面临燃料供应的淡季和旺季问题。无论何时，它们均需更及时更新和交换库存信息，其采购流程如图1所示。

　　以收储站与电厂的仓库规模作为自变量，库存费用和仓库运营费用最小为目标，构建一个库存控制与仓库规模联合优化模型。

　　3模型构建

　　由于电厂直接外购燃料的量较少且送到电厂可直接送人锅炉燃烧，故不考虑外购燃料的库存成本，另外将收储站的燃料收购价格为电厂的内部成本。因此，电厂在每一阶段的总费用只涉及订货成本、电厂的库存成本和收储站的库存成本。

　　式(5)表示1～n阶段电厂和收储站库存的最小费用。

　　根据动态规划，得到逆推关系式：

　　4应用实例

　　4.1基本数据

　　我国已建的单个生物质项目的组装机容量，除了极个别的为50MW之外，其余基本上均不超过30MW。不失一般性，本文以一个30MW电厂为例来应用上述模型，以下数据来自调研和计算。

　　假设该电厂每月2d大停机，每年有25d时间大修，每天运行24h，年运行时数约7500h((365—12×2—25)×24=7584)，电厂可采购到的农作物秸秆、农作物壳类和林木残留物的比例约为20：5：75。根据文献[15—16]，可算出该电厂对干燥秸秆的年需求量为232333.07t。如果考虑燃料含水、运输损耗等因素，设损耗率为15.45％，则电厂每年至少采购269494.74t燃料。那么，发电厂对草杆类、壳类和林木需求速率分别为172.48、43.12和646.79t/d。

　　对于电厂安全库存水平，若按每月28d用量25871.50t计算，即：农作物为5174.30t，壳类秸秆为1293.57t，林木类为19403.02t。各收购站中三类燃料的存储比例也保持20：5：75。

　　稻草、麦草的到厂价格为260元/t，稻壳400元/t，树枝、树皮260元/t。电厂或收储站承担自己收购燃料的质检、称重、破碎、打捆和装卸等工作。

　　农作物秸秆捆扎容重为192kg/m³，稻壳的自然堆积密度为112—144kg/m³；花生壳、木屑、木板、树枝压实打包后的容重781.25kg/m³。木材下脚料散堆在露天料场，堆积密度为0.3—0.5t/m³，平均堆高取3m，其余物料堆高设为7m。

　　电厂仓库占地面积中的40％为巷道、42％被利用、18％备用，露天料场造价28元/m²，棚库造价64元/m²，草秆、壳类、林木的单位库存成本分别为每月27.11、24.76和24.35元/t。收储站造价19.5元/m²，固定成本3.54元/m²，同样3类燃料的月库存成本分别是19.86、18.29、18.10元/t。这些设施的折旧年限为20年。

　　抓斗起重机平均13min可以卸载燃料8t，加上检测与称重时间6min，如有2组卸载机械及工人倒班作业，每天工作24h，则进料速度最高可达1152t/d。

　　假设有5个收购站分别距电厂10km、25km、40km、55km、70km，由文献[6]方法，得到运费分别为14.28、21.54、28.80、36.06和43.32元/t。

　　电厂和收储站每天收购量，旺季1340t、淡季530t，另外还有电厂在旺、淡季节自行收购的分别为100和50t。电厂向收储站发出订货的费用，每个收购站每次为10元。

　　4.2计算结果

　　根据经验，一般情况下，收储站存储并满足电厂订单的7d用量，电厂储存20d的秸秆用量，将5月1日到第二年4月31日作为运行周期，收储站和发电厂的安全库存分别为5000t、10000t，由以上公式计算得到表1所示的结果。

　　4.3敏感性分析

　　由于可用来敏感性分析的参数比较多，只考虑以下4种情况。如没有特别说明，其参数的输入数据与上述相同。

　　电厂掺烧生物质时SSi的敏感性分析。当SSi<6000t，则电厂与收储站仓库规模保持不变，总成本随最低库存水平的降低而降低；当6000≤SSi≤6500时，电厂仓库规模增加了102.53％，收储站规模增加了40.12％；当SSi>6500时，仓库规模不变，总成本有所增高(见图2)。

　　电厂掺烧生物质时SS的敏感性分析。当SS＞17000时，电厂规模不变，收储站规模递减；SS在17000≤SS≤22000时，电厂和收储站国模分别维持原有规模35887、24147m2；当22000＜SS≤25000时，电厂规模递增，收储站规模递减；当25000＜SS≤30000时，电厂规模递增，收储站规模不变。无论哪种情形，SS增加总费用也随之增加（见图3）。

　　只是用农作物秸秆SSi的敏感性分析。当SS=10000，且500≤SSi≤10000，对电厂与收储站仓库规模没有影响，每增加500t，相应的总费用会增加1.43‰，约13万元。当SSi=5000，且1000≤SS≤11000时，电厂仓库规模不变，和收储站规模从68493m2降到49253m2，相应的总费用增加3.34‰，约28万元。

　　只用林木质秸秆SSi的敏感性分析。当SS=10000，且500≤SSi≤10000，对电厂与收储站仓库规模没有影响，每增加500t，相应的总费用会增加，约16万元。当SSi=5000，且1000≤SS≤18000时，对电厂于收储站仓库规模没有影响，相应的总费用会平均增加3.73‰，约33万元。

　　5结论

　　本文研究了我国直燃生物质电厂的仓储管理问题，建立了仓库规模与库存控制联合动态规划模型，且对直燃生物质电厂的仓库规模进行优化。该模型主要内容包括：1）目标函数是使燃料长裤的运行成本及库存费用最小化；2）约束条件实际到收储站的收购能力和电厂的自购能力；3）考虑燃料季节性供应的特点，使燃料的存储空间变动在收储站与电厂建进行平衡，完成秸秆在从收储站到电厂的调度。

　　对30MW生物质电厂进行实际测算，分别考虑掺烧秸秆和单独使用一种生物质的情况，为企业对30MW及以下电厂的仓库规模规划决策提供依据，通过对收储站与电厂的安全库存进行了敏感性分析，确定了电厂的长裤规模范围。