沼氣發(fā)電工程秸稈物流配送中心選址規(guī)劃研究

張彩慶， 李麗萍， 臧鵬飛

(1.華北電力大學 經(jīng)濟管理系， 河北 保定 071003; 2.國家電網(wǎng)黃山供電公司， 安徽 黃山 242700)

沼氣發(fā)電工程秸稈物流配送中心選址規(guī)劃研究

張彩慶1， 李麗萍1， 臧鵬飛2

(1.華北電力大學 經(jīng)濟管理系， 河北 保定 071003; 2.國家電網(wǎng)黃山供電公司， 安徽 黃山 242700)

秸桿物流是沼氣發(fā)電工程可持續(xù)運行的原料供應(yīng)保障。秸稈的分散性、低密度特性決定了秸稈物流配送中心選址研究對于降低收集難度、擴大物流網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、降低物流成本具有重要意義。文章提出了在秸桿收儲點和沼氣發(fā)電工程之間建設(shè)配送中心的秸桿物流配送模式，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了以總物流成本最低為目標的配送中心選址混合整數(shù)規(guī)劃模型。通過模擬應(yīng)用驗證了模型可以有效地確定配送中心數(shù)量、選址方案以及秸稈配送方案，可以為優(yōu)化秸稈配送中心選址方案，降低沼氣發(fā)電工程秸稈供應(yīng)成本提供參考依據(jù)。

沼氣發(fā)電； 秸稈物流配送中心； 選址規(guī)劃； 物流成本

我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量豐富，每年近7億噸[1]。沼氣發(fā)電是秸稈資源綜合利用的一種新趨勢，能夠高效地利用各種秸稈，并且產(chǎn)生的電能方便傳輸與利用[2-3]。在一些歐洲發(fā)達國家生物質(zhì)發(fā)電并網(wǎng)占到國家能源量的大約百分之十，其中沼氣發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，并且前景廣[4]。沼氣發(fā)電工程的運行需要大量的秸稈作原料[5]。在中國，由于秸稈原料地域分布不均勻且供需失衡，再加上秸稈密度小、難運輸?shù)忍匦?，使得秸稈配送成本居高不下，成為制約沼氣發(fā)電工程健康可持續(xù)性發(fā)展的重要因素[6-10]。物流配送中心[11]作為物流配送活動的主要基礎(chǔ)設(shè)施，連接上游的供貨點和下游的需求點，在整個物流系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。因此，物流配送中心的合理選取對優(yōu)化整個秸稈物流網(wǎng)絡(luò)，合理控制物流成本具有重要意義。H W Yu等人將沼氣發(fā)電技術(shù)作為研究重點，對生物質(zhì)如何轉(zhuǎn)化為沼氣[12-16]以及如何實現(xiàn)沼氣發(fā)電[17-19]等方面進行研究；劉華財[20]等人研究了秸稈原料總成本分析，而沒有將秸稈物流成本從中剝離出來；Wen W[21-22]等人研究了基于供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)作用的秸稈采集模式，而缺乏對秸稈整個供應(yīng)鏈的研究。

筆者研究一定區(qū)域內(nèi)秸桿物流配送中心的選址問題，在沼氣發(fā)電工程需求以及收儲點、配送中心總?cè)萘康燃s束條件下，構(gòu)建以總配送成本最低為目標的配送中心選址模型，并應(yīng)用LINGO智能算法對模型求解，驗證模型及算法的有效性。

1 沼氣發(fā)電工程秸稈物流

秸稈量大，且產(chǎn)地分布不均，需要通過一定的物流過程來實現(xiàn)秸稈收集、存儲、加工、運輸;秸稈本身附加值低決定了必須達到一定的物流量后，才能在各倉儲、配送、運輸?shù)任锪鳝h(huán)節(jié)體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng);秸稈密度小，松散決定了秸稈在進行運輸前，尤其是長途運輸前需要進行加工處理，借此增加秸稈密度，降低運輸成本[23-25]。此外，秸稈作為清潔、可再生能源有著很好的社會及經(jīng)濟效益，農(nóng)村的生活、生產(chǎn)中對其需求量越來越多，秸稈資源豐富卻呈現(xiàn)出區(qū)域分布不均的狀況，使得秸稈的收集與運輸變得困難[26]。

沼氣發(fā)電工程秸稈物流體系是指農(nóng)作秸稈從田間收割后，經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，比如(收集、干燥、粉碎、壓縮、運輸、儲存、配送)等，最后配送至沼氣發(fā)電工程的整個過程[27]。在秸稈收儲點對秸稈進行燥、壓縮、粉碎等預(yù)處理工作，既可以方便沼氣發(fā)電工程直接使用，又可以大大提高了秸稈的密度、運輸距離以及運輸效率[28-29]。

筆者提出在秸桿的收儲點和沼氣發(fā)電工程之間建設(shè)秸稈配送中心，負責信息收集、傳遞以及秸稈存儲配送，協(xié)調(diào)秸稈供需的平衡。基于此，建立秸桿物流配送模式，如圖1所示。

2 秸稈供應(yīng)物流配送中心選址模型構(gòu)建

配送中心的選址影響到運輸成本、倉儲成本、秸稈損失成本等，進而影響秸稈物流總成本[30]。本文秸稈配送中心是提升整個物流網(wǎng)絡(luò)運行效率，降低物流成本的重要節(jié)點。本節(jié)將建立一定區(qū)域內(nèi)秸桿物流配送中心的選址模型，在沼氣發(fā)電工程需求以及收儲點、配送中心總?cè)萘康燃s束條件下，使總配送成本最低。

2.1 模型描述與假設(shè)

某區(qū)域內(nèi)有m個秸桿收儲點，供q個沼氣發(fā)電工程使用。收儲點和沼氣發(fā)電工程的個數(shù)和位置是已知的。給出n個備選供應(yīng)物流配送中心地址，從中最多選擇S個，使以年為單位的秸稈物流總成本最小。假設(shè)：

(1)收儲點到供應(yīng)物流配送中心和供應(yīng)物流配送中心到各個沼氣發(fā)電工程的運輸單價和運距都是已知的；

(2)供應(yīng)物流配送中心固定成本、單位管理成本、容量和個數(shù)已經(jīng)確定；

(3)各個收儲點的供應(yīng)量和各個沼氣發(fā)電工程的需求量已知；

(4)各個供應(yīng)物流配送中心可以由多個收儲點供貨，每個沼氣發(fā)電工程的需求也可以由多個供應(yīng)物流配送中心提供，供應(yīng)物流配送中心之間不互相供貨；

(5)供應(yīng)物流活動包括從收儲點到配送中心的運輸和從配送中心到沼氣發(fā)電工程的運輸。

2.2 建立優(yōu)化模型

2.2.1 模型變量和參數(shù)

表1給出了該模型中使用的變量和參數(shù)。

2.2.2 目標函數(shù)

2.2.3 約束條件

表1 模型相關(guān)變量、參數(shù)設(shè)置和定義

(1)從某收儲點調(diào)出的秸稈總量不超過其倉儲總量：

(2)從各供應(yīng)物流配送中心向某沼氣發(fā)電工程運送秸稈的總量不小于該沼氣發(fā)電工程的需求量：

(3)規(guī)劃期內(nèi)，各個供應(yīng)物流配送中心秸稈送出量不大于收集量：

(4)每次各個收儲點供給任何-個供應(yīng)物流配送中心的秸稈總量不超過其最大容量：

(5)每個沼氣發(fā)電工程接收到接收到的秸稈量都滿足自身需求：

(6)計劃建立的供應(yīng)物流配送中心的數(shù)量小于S：

(7)模型中涉及的變量為非負數(shù)：

xki≥0,yij≥0,k=1,2,...,m;

i=1,2,...,n;j=1,2,...,l

(8)整數(shù)約束：

2.3 模型應(yīng)用

設(shè)在某配送區(qū)域內(nèi)，共有7個秸稈收儲點，6個秸稈配送中心備選地，20個沼氣發(fā)電工程。要求在備選地中選擇不超過3個建設(shè)配送中心，實現(xiàn)配送總成本最小。已知規(guī)模相關(guān)的經(jīng)濟效益指標θ為0.9，各個供應(yīng)物流配送中心備選地到各沼氣發(fā)電工程的單位運費統(tǒng)一為0.12元·t-1×km，各沼氣發(fā)電工程的秸稈年耗量分別為6600 t，13300 t，14500 t，6200 t，5300 t，26000 t，14400 t，15600 t，7800 t，8900 t，17700 t，5800 t，9600 t，23000 t，2600 t，19800 t，6500t，2600 t，8800 t，34500 t，其余相關(guān)數(shù)據(jù)如表2，表3，表4所示。

表2 收儲點到配送中心備選地的單位運費(元·t-1×km)與運距(km)

表3 供應(yīng)物流配送中心備選地與沼氣發(fā)電工程的距離 (km)

表4 供應(yīng)物流配送中心備選地的固定成本、單位管理成本、倉庫容量

應(yīng)用lingo程序求解，結(jié)果為：Z1=Z2=Z5=1，即在備選配送中心地址S1，S2，S5處建秸稈配送中心。該地區(qū)秸稈物流總成本T為1103244元，其中秸稈從收儲點到配送中心的總運輸成本T1為3825254元；從配送中心到沼氣發(fā)電工程總運輸成本T2為7090932元；物流配送中心對秸稈的管理成本T3為 90451元；供應(yīng)物流配送中心的總固定成本T4為 25800元。配送中心S1每年秸稈流量為93500 t，S2每年秸稈流量為 80000 t,S5每年秸稈流量為76000 t。具體的倉儲點向配送中心以及配送中心向沼氣發(fā)電工程供應(yīng)秸稈的方案如圖2所示。

圖2 秸稈供應(yīng)配送方案圖

3 結(jié)論

筆者提出了在區(qū)域內(nèi)建立秸桿配送中心的沼氣發(fā)電工程秸稈物流配送模式。建立了考慮沼氣發(fā)電工程秸桿需求以及收儲點、配送中心總?cè)萘康燃s束條件，以總配送成本最低為目標的配送中心選址模型。該模型能夠快速得到應(yīng)建配送中心的數(shù)量以及具體選址策略，并且設(shè)計出秸稈收儲點與配送中心以及配送中心與沼氣發(fā)電工程之間對應(yīng)的配送方案。通過模擬應(yīng)用，驗證了模型的可行性。

[1] 李景明，薛 梅. 中國生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 農(nóng)業(yè)科技管理，2010，29：1-11.

[2] 陳 羚，趙立欣，董保成，等．我國秸稈沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．可再生能源，2010，28(3)：145-148.

[3] 于海濱. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)沼氣發(fā)電前景廣闊[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2006，S1：58-60.

[4] 岳勝兵,張衍林,梁 浩,雒華杰. 沼氣發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學,2008,01:47-52.

[5] 陳羚，趙立欣，董保成，等．我國秸稈沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．可再生能源，2010，28(3)：145-148.

[6] Nasiri F，Zaccour G. An exploratory game-theoretic analysis of biomass electricity generation supply chain[J].Energ. Policy 2009，37：4514-4522.

[7] 羅立娜，李文哲，徐名漢，李承毅，竇鈺程. 預(yù)處理方式對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2012，4311：152-156.

[8] Zhu X，Li X，Yao Q，Chen Y. Challenges and models in supporting logistics system design for dedicated-biomass-based bioenergy industry[J]. Bioresour Technol.，2011，102(2)：1344-1351.

[9] Wen W，Zhang Q. A design of straw acquisition mode for China's straw power plant based on supply chain coordination[J]. Renew Energy，2015，76：369-374.

[10] Awudu I，Zhang J. Stochastic production planning for a biofuel supply chain under demand and price uncertainties[J]. Appl Energy，2013，103：189-196.

[11] 李 艷，謝能剛，王付宇，等.物流配送中心多目標優(yōu)化選址的仿真設(shè)計[J].計算機仿真，2012，29(7)：234-237.

[12] H W Yu，et al. Energy recovery from grass using two-phase anaerobic digestion [J]. Waste Management，2002 (22)：1-5.

[13] 曾國揆，謝 建，尹 芳. 沼氣發(fā)電技術(shù)及沼氣燃料電池在我國的應(yīng)用狀況與前景[J]. 可再生能源，2005，01：38-40.

[14] 田原宇，喬英云. 生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及技術(shù)選擇[J]. 中外能源，2013：27-32.

[15] 宋世昌，崔凱燕，宋龍杰，周 霞. 水洗法沼氣脫二氧化碳工藝流程技術(shù)改進[J]. 中國沼氣，2014，32：59-63.

[16] W Parawira，J S Read，B. Mattiasson，et al. Energy production from agricultural residues：High methane yields in pilot-scale two-stage anaerobic digestion[J]. Biomass and Bio-energy，2008，32：44-50.

[17] 丁福貴，王潤強，張炳宏，任建東，任麗春. 寒冷地區(qū)畜禽糞便沼氣發(fā)電工程典型案例分析[J]. 中國沼氣，2012，02：20-24.

[18] 翟慧娟，劉金朋，王官慶. 大型沼氣發(fā)電綜合利用工程效益評價研究[J]. 華東電力，2012，07：1241-1244.

[19] 李 勇. 沼氣發(fā)電中控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學，2012.

[20] 劉華財,陰秀麗,吳創(chuàng)之. 秸稈供應(yīng)成本分析研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2011,01:106-112.

[21] Zhu X，Li X，Yao Q，Chen Y. Challenges and models in supporting logistics system design for dedicated-biomass-based bioenergy industry[J]. Bioresour Technol，2011，102(2)，1344-1351.

[22] Wen W，Zhang Q. A design of straw acquisition mode for China's straw power plant based on supply chain coordination[J]. Renew Energy，2015，76，369-374.

[23] 盧立新. 基于循環(huán)經(jīng)濟的農(nóng)林剩余物物流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與利益分配研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學,2013.

[24] 魏巧云. 生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)鏈物流成本研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學,2014.

[25] 龐 燕,鄢小藍. 循環(huán)經(jīng)濟下農(nóng)業(yè)廢棄物物流模式的構(gòu)建與實施——以農(nóng)作物秸稈資源回收利用為例[J]. 系統(tǒng)工程,2010,11:82-85.

[26] 賀仁飛. 中國生物質(zhì)能的地區(qū)分布及開發(fā)利用評價[D].蘭州：蘭州大學,2013.

[27] 陳麗歡. 生物質(zhì)發(fā)電秸稈收集儲存運輸物流技術(shù)規(guī)范研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學,2011.

[28] 李建鋒,郝繼紅,呂俊復,冀慧敏,楊 迪. 秸稈發(fā)酵電廠建設(shè)可行性研究[J]. 現(xiàn)代化工,2009,04:63-69.

[29] 王夢婕. 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學,2015.

Location Planning of Straw Logistics Distribution Center for the Biogas Power Generation Project /

ZHANG Cai-qing1, LI Li-ping1, ZANG Peng-fei2/

(1. North China Electric Power University, School of Economics and Management，Baoding 071003,china; 2. State Grid Mount Huangshan power supply company, Huangshan 242700,China)

Straw logistics is the guarantee of raw material supply for the sustainable management of the biogas power generation project. Straw has the characteristics of dispersion and low density. These characteristics make the research of straw logistics distribution center location is of great significance for reducing the difficulty of collecting, expanding the logistics network area, costing down the logistics cost. In this paper, a straw logistics distribution model, that build a distribution center between straw storage and biogas power generation project, was put forward. On this basis, a mixed integer programming model of distribution center location, aiming at the lowest total logistics cost, was constructed. By application simulation，it was validated that the model could effectively determine the number of distribution centers, site-selection scheme and straw distribution plan, and provide reference for optimizing the location and reducing the straw supply cost for biogas power generation project

biogas power generation; straw logistics distribution center; location planning; logistics cost

2016-11-27

2017-01-10

項目來源： 河北省軟科學研究計劃項目(16454317D)

張彩慶(1964-)，男，漢族，河北唐山人，教授，主要從事能源經(jīng)濟、戰(zhàn)略管理的研究工作，E-mail:hdzhangcaiqing@126.com

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0074-05