PDF《生物质电站燃料供应系统物流模型建立与仿真》

第29 卷第1期农业工程学报Vol.

29 No.1

180 2013 年1月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan.

2013 生物质电站燃料供应系统物流模型建立与仿真 赵亮1,王勤辉

1 ,Klein E. Ileleji2 ,余春江

1 ,骆仲泱

1 (1. 浙江大学热能工程研究所,杭州 310027;

2. 美国普渡大学农业与生物工程系,西拉法叶 47907-2064) 摘要:生物质物流设计与管理是生物质产品转化过程中最为重要的环节之一,为了优化设计物流过程,降低物 流成本,该文建立了生物质电站燃料供应系统的物流模型,模拟生物质从不同收购站运至电站的物流过程.通过 对广东湛江生物质直燃电站的物流系统进行分析,给定了设备数量的初值.利用该文建立的模型,以车次平均耗 时、设备利用率和平均等待时间等参数考察物流状态,应用 ExtendSim 软件分析了货车、取样台、称质量站和卸 载机等的数量变化对系统性能的影响,并进行了敏感性分析.针对不同时节,得到了农闲时成本最低,农忙时收 购量最大的优化结果.该模型的建立与仿真可为生物质电站燃料物流系统的优化,保证燃料稳定供应提供参考. 关键词:生物质,燃料,发电,运输,物流,仿真,ExtendSim doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.01.024 中图分类号:S216.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-01-0180-09 赵亮,王勤辉,Klein E. Ileleji,等. 生物质电站燃料供应系统物流模型建立与仿真[J]. 农业工程学报,2013, 29(1):180-188. Zhao Liang, Wang Qinhui, Klein E. Ileleji, et al. Modeling and simulation of inbound fuel logistics from regional collection stations to biomass powerplant in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(1): 180-188. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质能是清洁的可再生能源,生物质在生长 过程中固定大气中的 CO2,燃烧利用时再将 CO2 释 放至空气,如果不考虑运输等处理过程中的碳排 放,整个循环可以看作是 CO2 的零排放.近年来各 国大力发展生物质能源,但由于生物质燃料密度 低,体积大,导致生物质能的物流成本占生物质产 品的比例较大[1] . 国外文献报道, 在瑞士, 30~42 km 范围内生物质运输成本占生物质总成本的 20%~ 25%,230 km 时占到了约 60%[2] .在国内,有文献 报道,生物质能产品生产成本的 50%~70%为生物 质能的物流成本[3] .目前,国内的某些生物质电站, 如兴化中科生物质电厂、国电东海龙源生物质电 厂、大唐安庆生物质电厂,出现长期停产或破产倒 闭的情况,都直接与燃料的收集、存储困难有关. 一方面,电站生物质原料严重紧缺,生物质供不应 求,另一方面,部分地区生物质无人利用,农户私 收稿日期:2012-04-09 修订日期:2012-12-19 基金项目:高等学校学科创新引智计划;

国际科技合作项目(2011DFA61060) 作者简介:赵亮(1986-) ,男,江苏淮安人,研究方向为生物质电 站的设计与优化.杭州 浙江大学热能工程研究所,310027. Email: [email protected] 通信作者:王勤辉(1970-) ,男,浙江江山人,教授,博士生导师, 主要从事循环流化床燃烧,热电气多联产,煤气化技术等方面的研究. 杭州 浙江大学热能工程研究所,310027.Email: qhwang@ zju.edu.cn 自燃烧秸秆造成 桑拿 天气频发.可见优化生物 质能物流成本对于生物质能的发展有着重要的意 义. 中国对于生物质物流研究处于起步阶段,而生 物质能被普遍利用的北欧国家在该领域已经有了 比较多的研究,但许多研究并不适合中国国情.早期Clegg 等[4] 和Alle 等[5] 使用静态分析方法研究生 物质物流,但此种方法不能描述生物质物流过程的 复杂性和动态变化的特点. Cundiff 等[6] 、 Nilsson[7] 、 Shahab Sokhansanj 等[8] 和Mahmood Ebadian 等[9] 采 用数学线性规划的方法,建立的生物质物流模型的 运输过程相对简单,所研究区域的农作物种植大型 化程度较高,一般只是从一个收购站运输到电站, 不同于中国 一家一户 耕作模式.在中国,由于 单用户种植面积小,造成交易次数增加,交易成本 增加,提高了收购难度.随着计算技术的发展,目 前出现了应用地理信息系统(GIS)优化物流过程 的方法. Frombo 等[10] 和Perpina 等[11] 通过 GIS 优化 物流路径来优化物流.而国内没有建立比较完备的 GIS 数据库,路网还不是非常发达,燃料运输距离 亦不会过远,道路选择性相对较少,优化空间小. 俞宏德等[12] , Mukunda 等[13] 建立了生物质从收 购站到电站之间的简单的物流模型,该模型以物流 成本为优化目标来优化系统,得到了一些优化结 果.但该文未考虑电站需对生物质含水量进行控 制, 由于生物质的含水率差异性较大, 从10%~70% 第1期赵亮等:生物质电站燃料供应系统物流模型建立与仿真

181 不等,而含水率过高会降低锅炉的燃烧效率,增加 烟气量, 提高设备操作难度, 减少设备运行寿命[14] . 所以控制生物质燃料的含水率非常重要.取样测含 水率这个流程在实际电站物流过程中必须存在,因 为生物质的定价跟含水率密切相关,如果不检测含 水率,无法对生物质进行定价.目前中国未见生物 质物流系统模型中考虑燃料含水率的报道. 中国的生物质电站燃料含水率控制多采用自 然干燥,这种方式对天气的依赖性比较高,需要 场地较大,自然干燥后的含水率仍难以控制.对 于秸秆类生物质,农户并不愿意晒干后再运至收 购站,一是农户不愿投入资金购入机械设备进行 翻晒,单靠人工劳动强度又太大,而且农忙时节 农户粮食优先晾晒,无暇管理秸秆;

二是农户对 收割后的农田需要清理种植下一季度作物,不愿 提供晾晒土地.所以如果想大量利用秸秆类生物 质, 还需要电站或者第三方统一处理这些生物质. 这样能够自然晾晒生物质的土地主要集中在收购 站和电站内部.但对于大型的生物质电站,燃料 耗量高,需要晾晒土地很难满足晾晒全部的含水 率不符要求的生物质. 但是电站内存在大量的低品位能量, 国外已有文 献[15-16] 报道利用电站烟气干燥生物质的可行性与经 济性分析.另外还有相对多的研究机构和厂家拟开 发相关的干燥技术及设备,到目前还没有经济,合 适的可应用于生物质电厂的生物质干燥技术及设 备.但需要注意的是,在生物质干燥技术和设备的 研制方面无论国内和国外都没有停止过.利用电站 废弃热量干燥生物质在提高电站效率的同时,还可 以迅速提高电站燃料的储备能力,增加农忙时节的 收购力度.故本文通过假设电站内部若采用人工干 燥的方式,分析对物流过程的影响. 本文对物流过程最为重要的收购站到电站之 间的物流过程进行了建模.在俞宏德等工作的基础 上,细化了物流过程,考虑到了实际电站的取样检 测站的存在,以及货车在不同处理平台间的移动耗 时等,并对模型进行了优化.运用 Extendsim7 对该 模型进行模拟,ExtendSim 能够模拟实际流程的动 态过程,是唯一采用物件流和信息流可以同时在模 块图标上动态表达的仿真软件.利用该软件,从收 购站到电站间生物质流负载的平衡,到分析收购站 装载设备,电站的车辆、取样设备、称质量设备和 卸载设备的分配对系统的影响,都可以进行计算并 帮助优化设计.并且通过其优秀的可视化界面,可 以清楚地了解各处的吞吐量以及排队情况.通过对 物流过程中的设备配置进行初步的研究和探讨,为 电站物流过程优化给予一些指导.

1 模型的建立 1.1 模型概述 生物质能源利用方式涉及的物流过程复杂,直 燃电站的物流包括生物质、燃烧灰渣、水处理的化 学药品和厂内生活垃圾的物流;

混燃电站还涉及煤 的物流过程,某些生物质气化系统[17] 还可能涉及钙 基和燃气的物流过程.由此可见生物质利用过程物 流的复杂性.并且由于生物质能源密度相对较低的 特性,导致运输量尤为繁重.以广东湛江直燃电站 为例,该电站每年需生物质

60 万t,产生灰渣

3 万t,厂内生活垃圾

65 t.但在所有物流过程中,最为 重要的是生物质的物流运输过程. 对于利用生物质作为燃料的电站,一般有 生 物质-电站 和 生物质-收购站-电站

2 种生物质 收集模式[18] .国外文献多采用前者,Rentizelas[19] 等认为建立收购站,增加了额外的运输和装卸费 用,导致物流成本增加约 10%~20%.但由于国内 机械化、农作物种植大型化程度低,国内规模较大 的发电厂,一般在距电站几十公里范围内适当设几 个收购点收集农户的生物质.潘盛艺等[3] 认为采用 能源公司+第三方物流+农户 模式,在解决生物 质能资源可供性问题上具有较大的优势.即农户 (或者木材加工厂等)负责生物质的收割、基础打 捆和运送至收购站,并以一定价格卖给收购站,这 样第三方物流只负责将生物质从收购站运至能源 公司(电站),本文亦采用这种模式. 系统流程如图

1 所示,每天物流工作启动后, 货车进行初始编队,编队后各车队车辆同时前往各 自收购站运载生物质后返回.进入电站的生物质首 先驶至取样平台检测含水率(MC).对于不同的 生物质类型,含水率的要求是不同的,设定 MC≤ MC1 可以直接燃烧利用,MC>

MC1 的需要进行干 燥处理.如果要安全存储,MC 需小于安全存储极 限值 MC2, 一般 MC2........