模糊供給下生物質發(fā)電燃料供應鏈模式研究

檀勤良,王瑞武,潘昕昕,張興平,張 充

(1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206； 2.北京能源發(fā)展研究基地，北京 102206)

模糊供給下生物質發(fā)電燃料供應鏈模式研究

檀勤良1,2,王瑞武1,潘昕昕1,張興平1,張 充1

(1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206； 2.北京能源發(fā)展研究基地，北京 102206)

本文以生物質發(fā)電供應鏈為背景，將農戶的秸稈供給數(shù)量作為模糊變量，在兩種供應模式下建立秸稈燃料供給模型，通過模型推導和算例模型分析了兩種模式下供應鏈三方契約數(shù)量及秸稈供給情況。研究結果表明：中間商的利潤水平很大程度上決定了農戶的供給數(shù)量和電廠的收購數(shù)量，在農戶→中間商→電廠的供給模型中，中間商主動承擔農戶的固定成本，可以很好促進農戶秸稈的供給，但在一定程度上會加大中間商的風險；而在農戶→農村正式組織→電廠的供應模式下，農戶的供給數(shù)量始終保持在較高的水平。

生物質發(fā)電；供應鏈；農村正式組織；模糊供給

一、引言

隨著經濟發(fā)展和社會進步，我國面臨著越來越嚴重的環(huán)境污染問題和能源安全壓力，因此迫切需要發(fā)展可再生清潔能源來替代傳統(tǒng)能源。生物質能作為一種清潔能源，儲量豐富且可再生，具有廣闊的發(fā)展前景。2006年，山東單縣生物質能發(fā)電廠作為我國第一個生物質能發(fā)電廠正式投產運營，標志著我國正式開始大力發(fā)展生物質發(fā)電產業(yè)。此后，國家和地區(qū)分別出臺了有關生物質能源產業(yè)財政補貼及價格政策來扶持生物質發(fā)電產業(yè)的發(fā)展，截至2015年，生物質能利用量約3500萬噸標準煤。2016年10月28日，國家制定了《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，預計到2020年，生物質能產業(yè)新增投資約1960億元，生物質能產業(yè)年銷售收入約1200億元，提供就業(yè)崗位400萬個，農民收入增加200億元，經濟和社會效益明顯。

目前我國生物質發(fā)電產業(yè)發(fā)展較為緩慢，制約生物質發(fā)電產業(yè)發(fā)展的主要因素是秸稈燃料收集困難。針對這個問題，學者分別從農戶秸稈供給行為、供給意愿、供應鏈協(xié)調和定價機制等方面進行了研究，并且取得了顯著的研究成果。王舒娟和張兵通過分析問卷調查獲得的數(shù)據，對農戶出售秸稈的影響因素進行分析，發(fā)現(xiàn)市場秸稈價格、農戶當前處理秸稈方式、政府政策和其他農戶的行為對農戶影響較大[1]；檀勤良等利用因子分析法識別農戶秸稈供給行為和農戶供給意愿影響因素，并用Logistic模型進行分析，提出了由農戶、公益基金組織和電廠三方組成的新型秸稈供應運行模式[2]；張永等通過系統(tǒng)動力學建模對生物質能供應鏈進行模擬，協(xié)調供應鏈的運行機制[3]，許永龍和李龍洙對整個供應鏈管理系統(tǒng)的優(yōu)化問題進行了分析，建立整體效益最優(yōu)批量模型[4]；劉華軍等在分析生物質能發(fā)電產業(yè)特性及競爭態(tài)勢的基礎上，分析比較了多種生物質發(fā)電電價的定價模式的優(yōu)劣[5]。此外，魏巧云[6]、鮑香臺[7]分別對生物質發(fā)電供應鏈的物流成本和運輸方式進行了研究。但生物質發(fā)電產業(yè)發(fā)展時間較短，各地區(qū)供給秸稈類型、供給方式存在較大差異，由于缺乏歷史數(shù)據，很難用確切的供給函數(shù)來描述農戶的秸稈供給情況。并且，秸稈作為農產品的附加物，農戶可以秸稈還田、秸稈收集等多種處理方式。因此農戶秸稈的供給行為及供給量具有較強的模糊性。本文就是基于這一問題，將農戶的秸稈供給作為模糊變量，通過實地調研獲取數(shù)據來確定參數(shù)，在模糊供給下建立兩種生物質發(fā)電供應模型，分析其在模糊環(huán)境下的優(yōu)劣。國內外許多學者對模糊環(huán)境下的供應鏈優(yōu)化研究較多，成果較為豐富。吳雋等利用證據推理和粗集理論來處理主觀判斷信息和客觀歷史信息，從而選擇更符合條件的供應鏈合作伙伴[8]；桑圣舉和張強基于模糊截集理論，建立了模糊需求下N級供應鏈的分散決策模型、集中決策模型和收益共享契約機制，并給出各個模型的最優(yōu)策略[9]；王寧寧等對模糊需求下供應鏈的協(xié)調進行優(yōu)化，進一步考慮了零售商的公平關切行為對整個供應鏈協(xié)調的影響[10]；Ruoning Xu和Xiaoyan Zhai在模糊需求不確定情況下探討了兩階段供應鏈協(xié)作問題[11]；Biao Zhang在引入模糊隨機變量的情況下對基于兩級回購合同的報童模型進行了研究，在分散決策和集中決策兩種情況下分析了供應鏈協(xié)調的條件[12]。但鮮有對模糊供給下的生物質發(fā)電供應鏈模式選擇和供應鏈優(yōu)化方面的研究。

二、農戶模糊供給下的供應鏈模式研究

通過實地調研和查閱相關文獻，發(fā)現(xiàn)目前生物質發(fā)電供應鏈的主要運營模式有三種，即：農戶→電廠，農戶→中間商→電廠，農戶→農村正式組織→電廠。其中，農戶→中間商→電廠模式是主流的供應模式，中間商或者代理人受利益驅動，會主動到田間收集農戶的秸稈，經過干燥、打包等預處理后，運送到電廠，這種模式下，農戶前期資金投入較少，有利于供應鏈上游農戶端供給數(shù)量的增加，同時也減少電廠對干燥、打捆等設備的資金投入。但這種模式也面臨著較多的問題：(1)對中間商或代理人的資金實力有一定要求，中間商或代理人不僅需要出資購買秸稈燃料打捆、運輸?shù)仍O備，還需要有秸稈燃料的儲存?zhèn)}庫，在農村中準入門檻較高；(2)中間商或代理人為了維持一定的利潤水平，一方面與電廠討價還價，要求較高的收購價格，另一方面，壓低農戶的收集價格，打壓了農戶供給秸稈的積極性，使電廠收集秸稈困難、秸稈燃料供不應求；(3)隨著新增生物質電廠的投產運行，對生物質秸稈的需求逐漸增大，地區(qū)間生物質電廠可能存在惡性競爭，中間商趁機哄抬價格，導致價格偏離價值，影響電廠正常運行，使整個供應鏈不斷惡化。

農戶→電廠模式則是最理想的供應模式，去除了中間商，可以使農戶和電廠獲得整個供應鏈的利潤。但在目前條件下實施起來難度較大，僅適合小數(shù)量供應，主要是因為：(1)生物質秸稈在運送到電廠前，需要進行收集、干燥、打捆等預處理，機器設備價格相對較高，前期資金投入較大，對農戶來說負擔過重；(2)秸稈的收集工作需要大量的勞動力，而農村中青壯年部分選擇進城打工，勞動力匱乏；(3)秸稈收集工作在農村推廣起來較為困難，農戶供給意愿較弱，而電廠工作人員人數(shù)較少，尋租成本大；(4)電廠對農戶直接供給的秸稈質量不好控制，會額外增加電廠的檢驗、處理成本和人工成本，農戶的無序供給也會額外增加管理成本。

在對生物質發(fā)電供應鏈的優(yōu)化過程中，很多學者提到了由當?shù)卣蛘叽逦瘯M織農戶供給秸稈，或者由村委會和農戶共同成立公益基金組織來承擔起中間商的角色，也就是本文中的農戶→農村正式組織→電廠模式。在這種供應模式下，一方面可以充分發(fā)揮當?shù)卣虼逦瘯谵r戶中的號召力，提高農戶供給意愿，促使農戶做出供給行為，提高供給數(shù)量，農村正式組織獲得的利潤理論上屬于農戶，即使農村正式組織以較低的價格收購秸稈，農戶也有供給意愿，這部分利潤可以集中起來促進新農村建設。另一方面，由農村正式組織及農戶共同承擔初始的資金成本，減小農戶前期資金投入負擔。但這種模式下也有些問題亟需解決：(1)搭便車現(xiàn)象較為嚴重，農戶希望獲得收集秸稈的收益，卻不愿意承擔初期資金投入；(2)農村正式組織由村委會和農戶共同成立，容易出現(xiàn)管理問題，運作效率可能低于中間商或代理人；(3)農村正式組織在利潤分配上可能會產生一定的問題，影響供應鏈的正常運行。

因此，本文中主要基于模糊供給條件下討論農戶→中間商→電廠、農戶→農村正式組織→電廠這兩種供應模式。

(1)

=s1+(s2-s1)λ

(2)

=s3-(s3-s2)λ

(3)

(4)

三、農戶→中間商→電廠模式下的模糊供給模型

在農戶→中間商→電廠這種供應鏈模式下，電廠通過計算秸稈的熱值單價，核算成本，結合當?shù)亟斩捠袌龅墓┣笄闆r，為中間商提供價格數(shù)量契約，保證中間商可以契約的價格供給一定數(shù)量的秸稈，設契約數(shù)量為q，中間商根據這個價格數(shù)量契約向農戶提供秸稈收集價格，則農戶、中間商、電廠以及整個供應鏈的利潤分別為：

(5)

-caf*q

(6)

-cef*q

(7)

(8)

其中：cfv為農戶的可變成本，包括收集、儲存成本和土地補償成本，p1為中間商給農戶提供的秸稈收集價格，cff表示為完成契約數(shù)量而雇傭的人力成本和農戶的固定成本，即機器設備的初始資金投入；cav為中間商的可變成本，包括收集、預處理、運輸和儲存成本，caf為中間商的固定資產投入，p2為電廠給中間商提供的秸稈價格；cev為電廠的可變成本，即處理和儲存成本，cef為除發(fā)電設備外的固定資產投入，專指為收集、儲存燃料投入的固定成本，p3為電廠在當前發(fā)電小時數(shù)下的盈虧平衡燃料價格。

(9)

此時，農戶的模糊期望利潤為：

(10)

(11)

此時，農戶的模糊期望利潤為：

(12)

綜上，農戶的模糊利潤為凹函數(shù)。根據中間商給農戶提供的收集價格，農戶的最優(yōu)契約數(shù)量為：

(13)

中間商服從理性經濟人假定，追求利益最大化，同理可計算中間商的模糊期望利潤，如(14)式所示，其對q的二階導數(shù)均小于零，為凹函數(shù)，中間商的最優(yōu)契約數(shù)量如(15)式所示：

(14)

(15)

生物質電廠作為企業(yè)個體，經營過程自負盈虧，計算電廠的模糊期望利潤，用(16)式表示，其

對q的二階導數(shù)均小于零，為凹函數(shù)，中間商的最優(yōu)契約數(shù)量如(17)式所示：

(16)

(17)

在農戶→中間商→電廠這種供應鏈模式下，農戶作為供給數(shù)量決定者，直接影響自身、中間商和電廠的利潤收益，因此，在農戶最優(yōu)決策條件下，農戶、中間商和電廠的模糊利潤分別為：

(18)

(19)

(20)

當整個供應鏈的農戶、中間商和電廠集中進行決策時，整個供應鏈的利潤可以表示為：

(21)

整個供應鏈的模糊期望利潤為：

(22)

在兩種情形中整個供應鏈的模糊期望利潤對q的二階導數(shù)均小于零，為凹函數(shù)，可以求得最優(yōu)契約數(shù)量為：

(23)

四、農戶→農村正式組織→電廠模式下的模糊供給模型

在農戶→農村正式組織→電廠供應鏈模式下，農村正式組織取代中間商成為電廠與農戶之間的橋梁，農村正式組織的利潤函數(shù)可以用式(24)表示：

-ccf*q

(24)

其中：ccv為農村正式組織的可變成本，包括收集、預處理、運輸和儲存成本，ccf為農村正式組織的固定資產投入。

在這種組織模式下，農戶作為農村正式組織的組成部分，農村正式組織在經營過程中所獲得的歸農戶集體所有，所以決定農戶秸稈供給數(shù)量的不僅是個人所得收入，還有農村正式組織的收入，我們用式(25)來表示農戶的效用，以此衡量農戶供給情況：

(25)

其中0<α<1。

農戶的模糊期望效用為：

(26)

農戶的模糊期望效用對q分別求二階導數(shù)，均小于零，農戶的模糊期望效用為凹函數(shù)，令其一階

導數(shù)等于零，求得該模式下農戶的最優(yōu)契約數(shù)量為：

(27)

五、算例分析

為了更好地分析上述兩種生物質發(fā)電供應模式，現(xiàn)以某生物質電廠為例進行實際分析。本文在這里主要分析：(1)不同價格水平下，農戶、中間商和電廠的最優(yōu)契約數(shù)量研究，以及整個供應鏈進行集中決策時最優(yōu)契約數(shù)量比較；中間商在不同的期望利潤水平下，電廠秸稈燃料收購價格與農戶供給情況；(2)中間商與農戶之間固定成本不同分攤模式下的供給數(shù)量研究；(3)在農戶→農村正式組織→電廠供應鏈模式下，秸稈收購價格對農戶供給數(shù)量的影響。

電廠收集秸稈的盈虧平衡價格為285元/t，也就是說，當收購價格與最后處理成本高于285元/t時，電廠就會面臨虧損，各個變量的單位成本如表1所示。

1.電廠給中間商提供一個契約價格，中間商按照期望利潤水平，給農戶提供一個契約價格，文中考慮10%和20%兩種情況，當價格發(fā)生變化時，觀察農戶、中間商及電廠的最優(yōu)契約數(shù)量以及模糊期望利潤，如表2和表3所示。

結合表中數(shù)據，當中間商維持10%的利潤率時，隨著電廠提供給中間商的價格的不斷上升，農戶的契約數(shù)量不斷增加，電廠的契約數(shù)量則不斷減少，中間商則維持在一個比較穩(wěn)定的水平。在低水平價格下，農戶契約數(shù)量較少，期望利潤較低，農戶供給意愿較弱，電廠可能會面臨秸稈燃料滿足不了需求的情況；在高水平價格下，農戶供給數(shù)量相對增加，略高于模糊供給數(shù)量的期望值，而此時，電廠利潤隨著價格升高急速下降，電廠契約數(shù)量不斷減小。同時，可以從表中看出，秸稈燃料收購價格變化對農戶整體利潤水平影響較大，但其對農戶秸稈供給數(shù)量影響作用較小。

表1 生物質發(fā)電供應鏈各變量單位成本

表2 契約價格與最優(yōu)契約數(shù)量關系表(中間商期望利潤10%)

表3 契約價格與最優(yōu)契約數(shù)量關系表(中間商期望利潤20%)

結合表2和表3數(shù)據，隨著中間商利潤的擴大，其期望的契約數(shù)量不斷增加，而農戶供給數(shù)量快速下降，電廠也期望減少秸稈收購，整個供應鏈趨向惡化。

在這種模式下，農戶、中間商和電廠的集中決策，得出的最優(yōu)決策數(shù)量可以使供應鏈得到協(xié)調，并且優(yōu)于分散決策，集中決策過程的利潤分配則需要繼續(xù)研究。

2.假定中間商維持10%的利潤水平，調整中間商和農戶之間固定成本分攤模式，即由中間商主動承擔農戶的固定成本，觀察當電廠給中間商的價格約為240元時，供給情況的變化。從表4中可以看出，隨著中間商分擔農戶固定成本比例的增加，農戶供給數(shù)量不斷增加，農戶和中間商的模糊期望利潤也不斷增加，但是中間商的契約數(shù)量卻不斷下降，主要原因是中間商前期的固定資產投入過大，風險也逐漸增加。

3.農戶→農村正式組織→電廠供應鏈模式下，農戶的效用不僅取決于農戶獲得的利潤，還取決于農村正式組織獲得的利潤，即農戶對農村正式

組織的歸屬程度，隨著α的增大，農戶效用增加?，F(xiàn)假定電廠給中間商的價格約為240元時，α=0.3，通過農村正式組織調整給農戶的收購價格，觀察農戶秸稈的供給數(shù)量。通過對比表2和表5，即使農村正式組織給農戶的收購價格較低時，剛好可以彌補農戶的所有成本，農戶的契約數(shù)量仍然可以保持較高的水平，保證整個供應鏈良好運行，所以農村正式組織的出現(xiàn)可以很好的促進農戶的秸稈供應。

六、結論與政策建議

本文以生物質發(fā)電供應鏈為背景，將農戶的秸稈供給數(shù)量作為模糊變量，在農戶→中間商→電廠和農戶→農村正式組織→電廠這兩種供應模式下建立秸稈燃料供給模型，通過模型推導和算例模型分析了兩種模式下供應鏈三方契約數(shù)量及秸稈供給情況。在農戶→中間商→電廠模式下，中間商的利潤水平很大程度上決定了農戶的供給數(shù)量和電廠的收購數(shù)量，供應鏈各組成部分的最優(yōu)契約數(shù)量對價格波動相對敏感；中間商和農戶之間固定成本不同的分攤情況對雙方影響較大，中間商主動承擔農戶的固定成本，可以很好促進農戶秸稈的供給，雖然中間商的利潤相對增加，但中間商的契約數(shù)量卻減少更多，這是由于中間商資金的大量投入增大了中間商的風險；而在農戶→農村正式組織→電廠的供應模式下，即使農村正式組織給農戶的收購價格較低時，農戶的契約數(shù)量仍然可以保持較高的水平，體現(xiàn)出農村正式組織對農戶收集秸稈有較好的促進作用。

表4 不同固定成本分攤模式下最優(yōu)契約數(shù)量關系表

表5 契約價格與最優(yōu)契約數(shù)量關系表

根據以上結論，為了促進生物質發(fā)電供應鏈的協(xié)調，提高農戶秸稈燃料供給，提出以下建議：(1)本文中，預期收益和固定投資成本對農戶秸稈燃料供給的影響較大，中間商或代理人積極承擔農戶固定投資成本有利于提高農戶供給意愿，農戶→農村正式組織→電廠模式具有較大的可行性，值得推廣；(2)在兩種模式下，供應鏈的集中決策結果優(yōu)于分散決策結果，恰當?shù)囊胧找婀蚕頇C制和風險補償機制可以激勵中間商積極承擔風險，促進農戶供給；(3)充分發(fā)揮政府在生物質發(fā)電供應鏈上的作用，一方面，國家和地方政府出臺政策，補貼發(fā)電企業(yè)高額發(fā)電成本，另一方面，村委會等基層組織應該引導農戶合理的處理秸稈。參考文獻：

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(本文責編：海 洋)

Research on Supply Chain Model of Biomass Power Generation under Fuzzy Supply

TAN Qin-liang1,2, Wang Rui-wu1, Pan Xin-xin1, Zhang Xing-ping1, Zhang Chong1

(1.SchoolofEconomicsandManagement,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;
2.ResearchCenterforBeijingEnergyDevelopment,Beijing102206,China)

In this paper, we take the farmers’ straw supply quantity as fuzzy variable with the background of the supply chain of the biomass power generation.We set the supply models of straw fuel in two kinds of supply mode.The contract quantity of three parts and the supply amounts in two modes are analyzed through model derivation and example analysis.The results show that: The profit of the intermediary determines the supply quantity of the farm households and the contract quantity of the biomass power generation to a large extent.In the supply model of farmers, middlemen and power plant, middlemen taking responsibility for the fixed cost of farmers can be good to improve the supply of the straw fuel from farmers, but it will increase the risk of intermediate business in a certain extent.In the supply model of farmers, formal organization and power plant, the supply quantity of farmers always keep in a high level.

biomass power generation；supply chain；formal organization in rural areas；fuzzy supply

2016-11-09

2017-01-03

國家自然科學基金項目“考慮農戶和農村組織行為的生物質發(fā)電供應鏈優(yōu)化及協(xié)同機制研究”(71373077)；北京市共建項目“北京市新能源產業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展對策研究”(GJ2013012)。

檀勤良(1969—)，男，福建福州人，華北電力大學經濟與管理學院教授、博士生導師，博士，研究方向: 技術經濟評價與優(yōu)化。

F252.1

A

1002-9753(2017)02-0123-09