最優(yōu)化秸稈收集成本模型的選擇及成本計(jì)算

李訓(xùn)領(lǐng)++尹平++鄧麗麗

摘 要

本文建立了生物質(zhì)發(fā)電廠秸稈收集成本模型，給出了模型的數(shù)學(xué)描述，并依據(jù)國(guó)內(nèi)某電廠的數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了應(yīng)用，得出了秸稈收集的最小成本。結(jié)果表明：電廠最佳的收集模式是集中收集和分散收集相結(jié)合的模式。本文對(duì)指導(dǎo)秸稈發(fā)電廠科學(xué)的建立收集模式，降低燃料成本具有積極的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì) 收集成本模型 數(shù)學(xué)描述

在我國(guó)的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中對(duì)可再生能源發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了明確，提出了可再生能源新裝機(jī)容量在2020年時(shí)必須要達(dá)到1億千瓦，其中生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)必須要達(dá)到2000萬(wàn)千瓦。生物質(zhì)發(fā)電受到政策的支持，但是在發(fā)展過(guò)程中也遇到一些難以解決的問(wèn)題。因此，對(duì)秸秸稈收集、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)合理的安排，降低秸稈的成本是相當(dāng)重要的。

1 模型建立

秸稈的收集按照收購(gòu)方式和運(yùn)輸方式主要有三種模式：

模式一、在電廠設(shè)置一個(gè)大型中心收購(gòu)站，散戶直接將秸稈送至中心收購(gòu)站，在中心收購(gòu)站進(jìn)行壓縮加工。這一模式稱為集中收集模式，如圖1，收集成本用C1表示；

模式二、在電廠周圍均勻設(shè)置n個(gè)收購(gòu)站，散戶先將秸稈送至中心收購(gòu)站，在收購(gòu)站對(duì)秸稈進(jìn)行壓縮加工后，再由收購(gòu)站將加工后的秸稈送至電廠。這一模式稱為分散收集模式，如圖2，收集成本用C2表示；

模式三、在電廠設(shè)置一個(gè)收購(gòu)站，同時(shí)在周圍均勻設(shè)置n個(gè)收購(gòu)站，散戶自行將秸稈送至任意收購(gòu)站，在收購(gòu)站對(duì)秸稈進(jìn)行壓縮加工后送至電廠。這一模式稱為集中-分散收集模式，如圖3，收集成本用C3表示。

那么，秸稈收集成本模型：C=min（C1、C2、C3）；（1）

為了對(duì)以上三種模式建立秸稈收集成本的數(shù)學(xué)描述，我們對(duì)秸稈收集過(guò)程做如下假設(shè)：

（1）秸稈資源在同一區(qū)域內(nèi)均勻分布，忽略同種作物由于種植條件不同造成的產(chǎn)量差異，農(nóng)作物在該區(qū)域內(nèi)分布均勻，疏密程度相同，同時(shí)保持總產(chǎn)量不變；

（2）忽略不同種類秸稈的收集運(yùn)輸及加工差異，多種作物秸稈產(chǎn)量可以加和；

（3）收集秸稈量相同時(shí)，忽略因收購(gòu)點(diǎn)設(shè)置不同而產(chǎn)生的壓縮成本差異；

（4）忽略道路的彎曲對(duì)運(yùn)費(fèi)的影響，所有的運(yùn)輸均按照直線距離；

（5）秸稈收集范圍是以電廠為中心的圓形區(qū)域。

基于以上假設(shè)，可以得到收集成本的數(shù)學(xué)描述如下：

收集成本過(guò)程是散戶把秸稈送到收購(gòu)站，收購(gòu)站進(jìn)行壓縮加工后再把秸稈送到電廠；主要收集成本包括秸稈的收購(gòu)成本Csg、運(yùn)輸成本Cys、壓縮成本Cjg、其他成本Cqt（裝卸、儲(chǔ)存、耗損、倒運(yùn)等）。

秸稈的收集量用Q來(lái)表示：

秸稈收集的運(yùn)輸成本Cys包括兩種：一是散戶將秸稈運(yùn)輸?shù)礁魇召?gòu)站的費(fèi)用Cys1，二是收購(gòu)站將壓縮加工后的秸稈運(yùn)輸?shù)诫姀S的費(fèi)用Cys2，所以對(duì)于不同的收集運(yùn)輸模式，運(yùn)輸成本不同。

秸稈的壓縮成本主要有壓縮操作的固定投資Cg和壓縮操作的運(yùn)行成本Cy組成：秸稈壓縮操作的固定投資主要包括建筑投資、設(shè)備投資、土地費(fèi)用、其他投資等；秸稈壓縮操作的運(yùn)行成本主要包括人力成本、維護(hù)成本、電力費(fèi)、其他運(yùn)行成本等，電力費(fèi)用、其他運(yùn)行成本等與生產(chǎn)規(guī)模成正比關(guān)系。

2 秸稈收集模式實(shí)例應(yīng)用

某生物質(zhì)發(fā)電廠電廠周圍燃料的基本資料如表1所示。

根據(jù)式（3）可以得到R=44.39km，取R=50km。收購(gòu)站初步設(shè)置情況如下：

模式一：僅在以電廠為中心，R=35km的半徑上均勻設(shè)置8個(gè)收購(gòu)站；

模式二：僅在電廠內(nèi)設(shè)中心收購(gòu)站；

模式三：在電廠設(shè)中心收購(gòu)站，在電廠為中心R=35km的半徑上均勻設(shè)置8個(gè)收購(gòu)站。

把數(shù)據(jù)帶入式（1）、（10）、（11）、（12）即可得出最小的收集成本。從式（10）、（11）、（12）可以看出，在假定的條件下，他們只有運(yùn)輸費(fèi)用不同。首先比較模式二和模式三，模式二是所有的秸稈都要送到電廠周圍的收購(gòu)站，模式三可以把秸稈送到電廠收購(gòu)站和電廠附近收購(gòu)站，顯然，模式二的收集費(fèi)用要大于模式三。

式（1）等價(jià)于：

對(duì)于模式三，如圖4所示，A1B1為Oa的平分線，對(duì)于散戶來(lái)說(shuō)，OA1B1區(qū)域的用戶把秸稈送到電廠中心收購(gòu)站要比送到a收購(gòu)站費(fèi)用要低，我們就認(rèn)定這一區(qū)域的散戶會(huì)把秸稈送到電廠收購(gòu)站。那么模式三秸稈收集就是OA1B1區(qū)域的用戶把秸稈送到電廠中心收購(gòu)站，ABA1B1區(qū)域的用戶把秸稈送到a收購(gòu)站。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把模式三中OA1B1區(qū)域簡(jiǎn)化為一個(gè)半徑為r1=17.5km的圓，把ABA1B1區(qū)域簡(jiǎn)化為一個(gè)半徑為r2的圓，此圓的面積和ABA1B1面積相等，如圖4。

從實(shí)例可以看出，單純只在電廠周圍設(shè)收購(gòu)站（模式一）和只在電廠中心設(shè)置收購(gòu)站（模式二）都不是最佳的燃料收集模式，二者結(jié)合才是科學(xué)合理的收集模式。

3 結(jié)論

（1）電廠收集秸稈，應(yīng)通過(guò)比較分析，選擇合理的收購(gòu)模式。生物質(zhì)電廠的燃料收集，應(yīng)該在距電廠幾十公里范圍內(nèi)設(shè)置若干收購(gòu)站，同時(shí)，電廠內(nèi)的料場(chǎng)也應(yīng)該設(shè)置收購(gòu)站，此模式可以有效降低燃料的成本；

（2）降低秸稈收集成本，要從收購(gòu)成本Csg、運(yùn)輸成本Cys、壓縮成本Cjg、其他成本Cqt（裝卸、儲(chǔ)存、耗損、倒運(yùn)等）等幾方面入手，科學(xué)合理的組織秸稈收集，使生物質(zhì)發(fā)電廠效益最大化；

（3）確定秸稈收集半徑時(shí)，要充分考慮秸稈的產(chǎn)生量和秸稈的可收集系數(shù)，保證燃料來(lái)源，滿足電廠燃料需求。

參考文獻(xiàn)

[1]李俊峰，王仲穎.中華人民共和國(guó)可再生能源法解讀[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]田宜水，孟海波.農(nóng)作物秸稈開發(fā)利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：73-96.

[3]劉崗，郝德海，董玉平.生物質(zhì)秸稈收集成本研究及實(shí)證分析[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2006（02）：85-88.

作者單位

1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京市 100095

2.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京市 100084