燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型及應(yīng)用

劉習(xí)文，彭卓寅，胡新強(qiáng)，葉澤，何會(huì)學(xué)，蔡睿，魏文博

(1. 國電湖南寶慶煤電有限公司，湖南 邵陽 422004；2. 長沙理工大學(xué) 電價(jià)研究中心，湖南 長沙 410114)

0 引言

火電廠的燃料成本是構(gòu)成發(fā)電成本的主要部分，對其進(jìn)行研究和分析具有極其重要的意義[1-5]。近年來，火電廠面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。（1）在國家大力支持清潔能源發(fā)展的政策下，新能源的裝機(jī)容量和發(fā)電量不斷增加，未來火電企業(yè)面對的競爭將更加激烈[6]。（2）目前火電廠根據(jù)發(fā)電計(jì)劃分月按次數(shù)進(jìn)行燃料采購，通過經(jīng)驗(yàn)判斷燃料價(jià)格的波動(dòng)情況，總體以相對較低的綜合價(jià)格在確保未來一段時(shí)間內(nèi)燃料庫存的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)?；牟少?，采購成本基本以基于主觀經(jīng)驗(yàn)判斷燃料價(jià)格為導(dǎo)向[7-11]。同時(shí)，從火電廠燃料管理過程可以發(fā)現(xiàn)，燃料管理較為粗放，主要以滿足生產(chǎn)需要的采購、計(jì)量、分析等業(yè)務(wù)管理及成本核算為主，整體上缺乏以年度燃料成本最小為目標(biāo)的經(jīng)營管理[12-16]。（3）國家節(jié)能減排政策不斷加大落實(shí)考核力度，環(huán)保成本不斷增加企業(yè)的支出。探索適用于火電廠的年度燃料成本最小化的管理方法迫在眉睫[17-20]。

目前電廠燃料供應(yīng)多采用信息化的優(yōu)化手段來管理，以求達(dá)到低成本、高效率的目的[21-25]。文獻(xiàn)[23]開發(fā)了集成供應(yīng)鏈軟件，提高了資金周轉(zhuǎn)率，有效降低燃料成本。文獻(xiàn)[24]對電力企業(yè)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化控制。近年來中國針對燃煤采購及庫存管理建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。《關(guān)于建立健全煤炭最低庫存和最高庫存制度的指導(dǎo)意見（試行）》及考核辦法的通知對火電廠燃煤最低庫存和最高庫存數(shù)量都做出了具體規(guī)定。

本文綜合電廠各種經(jīng)濟(jì)性燃料管理經(jīng)營行為，以年度燃料成本最小為目標(biāo)，在保證生產(chǎn)和安全的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代信息技術(shù)和手段，就電廠燃料采購、庫存、運(yùn)輸?shù)热珮I(yè)務(wù)流程提出有科學(xué)依據(jù)的解決方案，降低電廠燃料成本。

1 燃料采購決策模型

燃料采購價(jià)格是實(shí)現(xiàn)燃料采購成本最小化的重要因素，也是燃料采購決策點(diǎn)的決定性因素之一。本文依據(jù)目前火電廠的計(jì)算方法，將燃料運(yùn)輸價(jià)格加入燃料采購價(jià)格中。火電廠燃料通過招標(biāo)進(jìn)行采購。本文以市場及燃料價(jià)格預(yù)測的指導(dǎo)價(jià)格作為采購價(jià)格。根據(jù)火電廠未來一段時(shí)間的發(fā)電計(jì)劃及實(shí)時(shí)燃料庫存量，火電廠燃料采購存在3個(gè)不同的決策點(diǎn)。

（1）當(dāng)燃料價(jià)格在未來一段時(shí)間內(nèi)相對平穩(wěn)或者呈下降趨勢，此時(shí)購買燃料將增加庫存成本、損耗成本、采購成本。因此，在燃料存量滿足未來最低安全庫存量的條件下，為獲得最低的燃料成本，可以不采購燃料。

（2）當(dāng)燃料價(jià)格在未來一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，此時(shí)燃料價(jià)格處于低點(diǎn)，可以提前進(jìn)行采購，以大幅降低采購成本。

（3）當(dāng)燃料庫存量接近燃料的最低庫存量時(shí)，無論燃料價(jià)格的高低與否，必須采購燃料來補(bǔ)充庫存。

采購點(diǎn)觸發(fā)之后，采購量成為燃料成本綜合優(yōu)化的下一個(gè)決策重點(diǎn)。采購量同時(shí)決定了采購成本、新增庫存成本、新增損耗成本。因此，從燃料采購決策點(diǎn)來看，采購量是采購、庫存、損耗的總成本的決定性因素。

為了減少燃料庫存量及采購風(fēng)險(xiǎn)，目前火電廠一般從多個(gè)煤礦采購所需的燃料。本文暫不考慮不同煤礦的采購價(jià)及采購量，把全年的燃料采購分為n次，以每一次整體采購的燃料總量作為參數(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化。

假定每次最小的采購量為Lmin，第1次燃料采購成本Ccb1可表示為

式中： Pcg1為第1次燃料采購的價(jià)格 ；為第1次燃料的采購量。

若燃料價(jià)格在未來一段時(shí)間將持續(xù)降低或維持平穩(wěn)波動(dòng)，則只要最小采購量就可獲得最小的燃料采購成本。

若采購的燃料價(jià)格在未來一段時(shí)間將呈現(xiàn)上升的趨勢，則在Ccb1這一天的燃料價(jià)格比未來R天的燃料價(jià)格都要低，采購成本比未來R天的采購成本都要低。燃料采購量增加，燃料庫存量就會(huì)增加。此時(shí)需要對比未來一段時(shí)間內(nèi)減少的采購成本與增加的庫存成本之間的差值來確定最佳的燃料采購量，實(shí)現(xiàn)燃料成本最小化。

由于燃料價(jià)格在上升，第1次采購的煤價(jià)P1。比接下來R天的煤價(jià)P1R都要低，則減少第i天燃料的采購成本Ccbe1i為

式中： X1為日燃料消耗量；為采購天數(shù)；為第1個(gè)采購循環(huán)的天燃料采購價(jià)格；為第1個(gè)采購循環(huán)的第天的燃料價(jià)格。

增加的庫存成本為

式中：Kcbz1i為第i天電廠燃料庫存量增加的庫存成本；α為燃料庫存資金占用率，可根據(jù)每日銀行利率來取值；f1為第一次采購燃料之后當(dāng)天新的庫存量。

增加的損耗成本為

式中： Scbz1i為保證第i天電廠燃料庫存量增加的損耗成本；β1為燃料熱值損耗率，可根據(jù)火電廠實(shí)際燃料熱值損耗計(jì)算獲得；β2為燃料煤場損失率，可根據(jù)火電廠實(shí)際燃料煤場損失率獲得。

為了確定最佳的燃料采購量，獲得第1次最小的燃料采購成本。對比未來一段時(shí)間內(nèi)減少的采購成本與增加的庫存成本之間的差值，計(jì)算決策第i天的最佳燃料采購量為

2 燃料庫存及損耗子模型

火電廠燃料的庫存成本及損耗成本由燃料的庫存量來決定。此外，庫存成本主要來源于燃料庫存所占用的資金成本、管理成本、場地成本等。其中，管理、場地、人工等成本與燃料數(shù)量與火電廠發(fā)電量無關(guān)，是必須要支出的成本。本文暫不考慮這部分成本，而主要考慮燃料庫存所占用的資金成本，并以銀行利率來表示資金占用率。燃料損耗包括燃料的熱值損耗及燃料在煤場保存時(shí)的損耗，可通過火電廠實(shí)際損耗來計(jì)算獲得。本文通過年度燃料管理中每一次的燃料采購量來建立燃料庫存及損耗模型。

以第1次燃料采購為基礎(chǔ)，假定燃料采購周期N天以后，燃料全部到廠入庫，此時(shí)的庫存量f1將在原始當(dāng)日庫存的基礎(chǔ)上增加新采購的庫存量。此時(shí)，這第1個(gè)庫存周期內(nèi)的燃料庫存基礎(chǔ)上增加了L1的采購量，就形成了一個(gè)新的庫存量，把這個(gè)庫存量定義為f1，即

3 年度燃料成本最小化決策模型

通過建立燃料采購子模型、燃料庫存及損耗子模型，可得年度燃料成本最小化決策模型，即

在該模型中，存在以下條件。

（1）當(dāng)燃料庫存量達(dá)到火電廠燃料安全庫存警戒線的時(shí)候，無論燃料價(jià)格高低與否，必須進(jìn)行采購。

（2）當(dāng)燃料價(jià)格呈現(xiàn)上升的趨勢，需要通過以下模型求解獲得最佳采購量，即

（3）每次最小采購量≤Ln≤煤場最大庫存量。

本文建立的燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型主要分為燃料采購、儲存、損耗3個(gè)部分。按照發(fā)電計(jì)劃，火電廠制定了年度每個(gè)時(shí)間段所需的燃料需求量。根據(jù)當(dāng)前價(jià)格及未來一段時(shí)間內(nèi)的價(jià)格變化趨勢，確定燃料采購時(shí)間決策點(diǎn)，從燃料價(jià)格上確保燃料采購成本最小化。當(dāng)未來燃料價(jià)格是下降的趨勢，則采購最小的燃料。當(dāng)未來燃料價(jià)格是上升的趨勢，則根據(jù)采購、儲存及損耗模型進(jìn)行燃料采購量的決策。通過燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型，最終獲得年度最小成本。

4 算例分析

本文以某電廠2019年的年度燃料成本的數(shù)據(jù)為參考對象，按照年度燃料成本最優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算。目前，電廠根據(jù)發(fā)電計(jì)劃管理燃料采購量及庫存量。本文在發(fā)電計(jì)劃的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算出2019年每個(gè)月的燃料采購及庫存情況。

某電廠2019年各月份的相關(guān)情況如表1所示。根據(jù)本文建立的燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型，當(dāng)前燃料采購價(jià)格高于未來一段時(shí)間的采購價(jià)格時(shí)，每次的燃料采購量按照最低庫存天數(shù)的燃料需求量進(jìn)行采購。2018年剩余庫存量較大，足以滿足2019年1月和2月的燃料計(jì)劃需求量，因此，根據(jù)燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，2019年1月不需要進(jìn)行燃料采購。同理，2019年4月也不需要進(jìn)行燃料采購。按照燃煤火電廠年度燃料成本最小化決策模型計(jì)算，在2019年全年，每月月底剩余庫存量都足以滿足下一個(gè)月的燃料計(jì)劃需求量。2019年7月的燃料價(jià)格略高于6月的燃料價(jià)格，根據(jù)燃料采購模型中燃料采購量進(jìn)行計(jì)算求解獲得最佳的燃料采購量，既能滿足下一個(gè)月的燃料計(jì)劃需求量，也能夠獲得最低的燃料采購及庫存成本。同理，2019年10月可通過模型計(jì)算獲得最佳的燃料采購量?；谌济夯痣姀S年度燃料成本最小化決策模型計(jì)算，可以在保證最低庫存警戒的基礎(chǔ)上，大幅度降低了火電廠每月采購量及庫存量。

表1 某電廠2019年各月份的相關(guān)情況Table 1 Relevant monthly information of a power plant in 2019

按照火電廠2019年度12個(gè)月的燃料采購量及燃料庫存量來看，火電廠每個(gè)月的燃料庫存量都遠(yuǎn)高于最低燃料庫存警戒線，雖然避免了發(fā)電過程中的燃料缺失，但增加了燃料的庫存成本。

某電廠2019年各月份的實(shí)際數(shù)據(jù)及模擬計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。對比該電廠12個(gè)月的實(shí)際燃料庫存量和計(jì)算燃料庫存量可以發(fā)現(xiàn)，積累起來的每個(gè)月的燃料庫存量都過多，這樣會(huì)導(dǎo)致燃料庫存成本的大大增加?；诨痣姀S年度燃料成本最小化決策模型，對火電廠進(jìn)行燃料采購指導(dǎo)，年度任何時(shí)候的燃料庫存量既能夠滿足未來最低庫存警戒線以上天數(shù)的燃料耗用，又不會(huì)過量的進(jìn)行燃料存儲。

表2 某電廠2019年各月份的實(shí)際數(shù)據(jù)及模擬計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 The monthly actual and simulated data of a power plant in 2019

在燃料價(jià)格預(yù)測的指導(dǎo)下，保證每次的燃料采購價(jià)格最優(yōu)，年度燃料采購價(jià)格最小。通過計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比2019年度實(shí)際數(shù)據(jù)，年度燃料總成本降低了1.18%，年度燃料采購成本降低了1.14%，日平均庫存量降低了1.43%，年度燃料庫存及損耗成本能夠得到有效的降低。

綜上，基于電廠年度燃料成本優(yōu)化模型及決策方法能夠降低電廠燃料成本，并且能夠聯(lián)合電廠的動(dòng)態(tài)庫存警戒線來調(diào)控燃料采購量及燃料庫存量，為發(fā)電企業(yè)的燃料管理提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文基于電廠燃料成本的管控原則及實(shí)際情況，建立了電廠年度燃料成本優(yōu)化及決策模型，主要結(jié)論如下。

（1）建立了年度燃料采購決策子模型，利用節(jié)約的燃料采購成本與新增燃料庫存損耗成本之間的對比關(guān)系，模擬確定了最佳的燃料采購量，獲得了最小化的年度燃料采購成本，以燃料采購-庫存-損耗成本聯(lián)合優(yōu)化決策的方式為火電廠燃料采購提供指導(dǎo)。

（2）聯(lián)合燃料采購-庫存-損耗成本綜合優(yōu)化，建立了電廠年度燃料成本最小化決策模型。通過上一年度燃料成本計(jì)算，電廠燃料成本管理能夠降低年度燃料總成本約1.18%，降低年度燃料采購成本約1.14%，降低年度燃料庫存和損耗成本約1.43%，實(shí)現(xiàn)了年度燃料成本最小化的目標(biāo)。