生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法

摘要

本发明是生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法。本发明根据生物质原料的类型和数量情况测算限定范围内的生物质潜能，同时估算生物质原料重量；确定原料收集点负责不同区域时对运输成本影响；确定一个层级原料收集点模式乃至多个层级的原料收集点模式对运输成本影响；确定原料收集点一级模式或多级模式的应用不同区域对运输成本影响；用GIS将上述影响因素分析范围取交集，来进行综合分析，得出最终结果。本发明使原料收集点的数量与分布有更详细的量化分析基础，相对于以往的运输成本计算具有更为复杂的影响因素与干扰因子，数据来源有据可依容易获取，运算方式成本低且结果准确度高，尽可能减少生物质热电厂的运输成本。

说明书

技术领域

本发明涉及城市规划领域，是一种生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法。

背景技术

生物质作为仅次于煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，在我国分布范围广泛，载体存量巨大，现阶段我国对生物质能源利用日益重视，但是生物质能源技术发展和市场发育还不够完善，生物质能利用技术整体水平与发达国家还有差距，市场亟需规范。

发明内容

本发明针对国内村镇农作物的秸秆等生物质载体并未达到高效利用且缺少集约成本运作模式与统一规划的现状，提供了一种生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法，提供了以下技术方案：

一种生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：根据生物质载体的类型和数量测算限定范围内的生物质潜能，计算生物质热电厂负责区域内各种生物质载体的总质量；

步骤二：确定生物质热电厂原料收集点负责不同区域时对生物质运输成本的影响；

步骤三：确定一个层级生物质热电厂原料收集点模式与两个层级或者多个层级的生物质热电厂原料收集点模式对生物质热电厂运输成本的影响，选取节约成本的分级收集模式；

步骤四：确定生物质热电厂原料收集点一级模式或者多级模式应用不同区域对生物质热电厂运输成本的影响，比较得出不同区域相对应的节约成本的收集点模式；

步骤五：采用GIS将步骤二到步骤四的分析范围取交集，综合分析后，得出生物质热电厂原料收集点的分布和数量结果。

优选地，所述步骤一具体为：

第一步：利用城市规划部门测绘的矢量地图、远红外遥感图纸和无人机航拍照片，确定村镇农作物的范围、位置和类型；在所述村镇中的全部农作物类型中确定可使用的农作物类型，将可使用的农作物作为生物质原料的来源；

第二步：根据生物质载体重量测算模型获取所述村镇中的全部农作物类型每年所产生的生物质载体重量，所述生物质载体重量测算模型：

其中，H为一个生物质发电厂负责面积内各种生物质载体的总重量，单位为kg；i为农作物编号，q为农作物的总数量，P_i为对应农作物编号的农田区域的面积，单位为㎡，D_i为对应农作物编号农田区域的种植密度，单位是棵/㎡，W_i为农田区域内对应农作物编号的一棵农作物的废弃物产生的生物质载体重量，单位为kg/棵，F_i为对应农作物编号的农作物一年内收割的次数。

优选地，所述步骤二具体为：

第一步：选取一个生物质热电厂的供应面积内的道路现状输入到ArcGIS中，分析路网分布情况，生物质热电厂供暖距离上限为8km；

第二步：设选定的生物质热电厂的n个原料收集点为O₁、O₂、O₃、...、O_n，通过生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的成本C_T1，所述生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T1为生物质收集到原料收集点再运输到生物质发电厂的运输成本，D_Bi为一个原料收集点到生物质发电厂的直线距离，单位为m，K_Bi为生物质原料从原料收集点运输到生物质发电厂的道路非直线系数，C₁为每100米单位重量生物质原料的运输成本，L_Ai为任意一个生物质原料收集到原料收集点运输距离，单位为m。

第三步：根据第一步得到的路网情况，计算四类道路长度占总长度的比例，得出高速公路占运输总长度为R_r1,国道和省级公路占运输总长度为R_r2，县级公路占运输总长度为R_r3，乡镇道路占运输总长度为R_r4；

第四步：考虑到不同等级道路会导致运输成本不同，基于第二步计算基础上，通过生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算考虑道路等级影响下的生物质原料运输到原料收集点再运输到生物质热电厂运输成本C_T，所述生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T考虑道路等级影响下的生物质原料运输到原料收集点再运输到生物质热电厂运输成本，C_r1为高速公路对应的每100m单位重量生物质原料的运输成本，C_r2为国道和省级公路对应的每100m单位重量生物质原料的运输成本，C_r3为县级公路对应的每100m单位重量生物质原料的运输成本，C_r4为乡镇道路对应的每100m单位重量生物质原料的运输成本；

第五步：设选定生物质热电厂原料收集点收集生物质原料的m条收集路线为B₁、B₂、B₃、...、B_m，通过生物质收集到原料收集点的运输距离的测算模型计算生物质原料运输到原料收集点的运输距离和L_A，所述生物质收集到原料收集点的运输距离的测算模型如下：

其中，L_A为生物质原料运输到原料收集点的运输距离和，K_Ai为生物质原料运输到原料收集点运输距离的道路非直线系数，r_i为生物质原料运输到原料收集点的距离与原料收集点的负责面积的半径的比值，R为原料收集点负责不同面积时对应的半径。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：利用生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型确定一个层级原料收集点模式对运输成本的影响；

第二步：两个层级的原料收集点模式的运输路径长度对运输成本产生影响，通过两个层级的原料收集点模式的运输成本测算模型计算两个层级的原料收集点模式的运输成本C_T2，所述两个层级的原料收集点模式的运输成本测算模型如下：

其中，C_T2为生物质收集到两层级原料收集点再运输到生物质发电厂的运输成本，D_1i和D_2i分别为一级原料收集点到生物质发电厂的直线距离和二级原料收集点到一级原料收集点的直线距离，K_1i和K_2i分别为一级原料收集点到生物质发电厂的道路非直线系数和二级原料收集点到一级原料收集点的道路非直线系数；

第三步：通过生物质运输到各层级原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算多层级的原料收集点模式的运输成本C_T3，所述生物质运输到各层级原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T3为多层级的原料收集点模式的运输成本，D_1i、D_2i、D_3i、...、D_ni分别为一级原料收集点到生物质发电厂的直线距离、二级原料收集点到一级原料收集点的直线距离、三级原料收集点到二级原料收集点的距离、...、n级原料收集点到n-1级原料收集点的直线距离，单位为m，K_1i、K_2i、K_3i...、K_ni为一级原料收集点到生物质发电厂、二级原料收集点到一级原料收集点、三级原料收集点到二级原料收集点、...、n级原料收集点到n-1级原料收集点的道路非直线系数；

第四步：比较一级原料收集点与二级和多级原料收集点的运输成本，比较不同层级原料收集点位置选择不同时对应的运输成本的数值，得出最节约成本的分级收集模式。

优选地，所述步骤四具体为：

第一步：根据长宽比例来划分区域，当长宽比例大于4:1时，划分为带状区域；当长宽比例小于4:1时，划分为块状区域；

第二步：确定带状区域应用到一级模式或多级模式时对生物质运输成本的影响，选用运输成本低的分级模式作为带状区域的分级模式；

第三步：确定块状区域应用到一级模式或多级模式时对生物质运输成本的影响，选用运输成本低的分级模式作为块状区域的分级模式；

优选地，所述步骤五具体为：

第一步：将步骤二到步骤四的分析结果分别导入GIS中，采用GIS将步骤二到步骤四的分析结果取交集，进行综合分析；

第二步：将综合分析结果代入实际模型中检验，验证通过后，得出生物质热电厂原料收集点分布与数量结果。

本发明具有以下有益效果：

1、对村镇的农田产生的生物质载体进行系统的评估，确定村镇农作物的范围、位置和类型，在所述村镇中的全部农作物类型中确定可使用的农作物类型作为生物质载体的来源，估算区域内生物质载体的重量，使原料收集点的数量与分布有更详细的量化分析基础。

2、对原料收集点负责面积和分级模式的估算，设定原料收集点负责不同面积和不同模式时对生物质运输成本的多影响因子的逻辑公式，可以根据区域内生物质载体的分布数据、不同负责面积和不同分级方式时生物质载体的道路运输路径数据进行运输成本的计算，相对于以往的运输成本计算具有更为复杂的影响因素与干扰因子，数据来源有据可依容易获取，运算方式成本低且结果准确度高。

3、在前面的基础上，考虑到道路等级不同会有不同的单位运输成本，增加计算各等级道路所占的道路总长度的比例，对应其相应的单位运输成本，因此具有与现实情况更为接近的模拟测算结果，可以尽可能减少生物质热电厂的运输成本，进而间接地提高其运营的经济效益，可以更准确地为原料收集点的分布与数量的确定提供经济成本估算的规划建议。

附图说明

图1是生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法原理模式图。

图2是原料收集点分级模式的一种理想化分布模式图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示的生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法原理模式图，本发明提出一种生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：根据生物质载体的类型和数量测算限定范围内的生物质潜能，计算生物质热电厂负责区域内各种生物质载体的总质量；

步骤二：确定生物质热电厂原料收集点负责不同区域时对生物质运输成本的影响；

步骤三：确定一个层级生物质热电厂原料收集点模式与两个层级或者多个层级的生物质热电厂原料收集点模式对生物质热电厂运输成本的影响，选取节约成本的分级收集模式；

步骤四：确定生物质热电厂原料收集点一级模式或者多级模式应用不同场合对生物质热电厂运输成本的影响；

步骤五：采用GIS将步骤二到步骤四的分析范围取交集，综合分析后形成最终结果。

步骤一所述限定范围内的生物质载体潜在的能源存量的具体过程包括：

第一步：利用城市规划部门测绘的矢量地图、远红外遥感图纸和无人机航拍照片，确定村镇农作物的范围、位置和类型；在所述村镇中的全部农作物类型中确定可使用的农作物类型，可使用的农作物即为生物质载体的来源；也是后续步骤所需分析的目标；

第二步：根据生物质载体重量测算模型获取所述村镇中的全部农作物类型每年所产生的生物质载体重量，所述生物质载体重量测算模型：

其中，H为一个生物质发电厂负责面积内各种生物质载体的总重量，单位为kg；i为农作物编号，q为农作物的总数量，P_i为对应农作物编号的农田区域的面积，单位为㎡，D_i为对应农作物编号农田区域的种植密度，单位是棵/㎡，W_i为农田区域内对应农作物编号的一棵农作物的废弃物产生的生物质载体重量，单位为kg/棵，F_i为对应农作物编号的农作物一年内收割的次数。

进一步的，步骤二所述的原料收集点负责不同区域对生物质运输成本影响的比较方法的具体过程包括：

第一步：确定原料收集点负责不同面积时对生物质热电厂成本影响的比较方法，首先要确定的是原料收集点负责不同面积的情况下村镇道路现状。假定生物质热电厂的位置是一定的，根据中国供热规范规定6-8km为适宜供暖距离，从节能以及减少投资成本的目的出发，采取供暖距离上限8km进行规划。选定一个生物质热电厂的供应面积内的道路现状输入到ArcGIS中，进行分析得到路网分布情况。

第二步：生物质载体的运输路径包括生物质收集并运输到原料收集点和从收集点运输到发电厂两个部分。设选定的生物质热电厂的n个原料收集点为O₁、O₂、O₃、...、O_n，通过生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的成本C_T1，所述生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T1为生物质收集到原料收集点再运输到生物质发电厂的运输成本，D_Bi为一个原料收集点到生物质发电厂的直线距离，单位为m，K_Bi为生物质原料从原料收集点运输到生物质发电厂的道路非直线系数，C₁为每100米单位重量生物质原料的运输成本，L_Ai为一个生物质原料收集到原料收集点运输距离，单位为m。

第三步：我国村镇道路分为高速公路、国道、省级公路、县级公路和乡级公路五类，道路等级的不同会导致运输成本的不同。根据速度因素，将五类道路等级进行合并，即A类为高速公路、B类为国道和省级公路、C类为县级公路和D类为乡镇道路。根据第一步得到的路网情况，计算四类道路长度所占总长度的比例。基于第二步计算基础上，通过生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算考虑道路等级影响下的生物质原料运输到原料收集点再运输到生物质热电厂运输成本C_T，所述生物质运输到原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T考虑道路等级影响下的生物质原料运输到原料收集点再运输到生物质热电厂运输成本，R_r1为A类道路所占的比例，R_r2为B类道路所占的比例，R_r3为C类道路所占的比例，R_r4为D类道路所占的比例；C_r1为A类道路对应的每100m单位重量的运输成本，C_r2为B类道路对应的每100m单位重量的运输成本，C_r3为C类道路对应的每100m单位重量的运输成本，C_r4为D类道路对应的每100m单位重量的运输成本。

第四步：寻求L_A生物质原料运输到原料收集点的运输距离和L_A与原料收集点负责不同面积的关系。设选定的生物质热电厂原料收集点收集生物质原料的m条收集路线为B₁、B₂、B₃、...、B_m，通过生物质收集到原料收集点的运输距离的测算模型计算生物质原料运输到原料收集点的运输距离和L_A，所述生物质收集到原料收集点的运输距离的测算模型如下：

其中，L_A为生物质原料运输到原料收集点的运输距离和，K_Ai为生物质收集到原料收集点运输距离的道路非直线系数，r_i为生物质载体与原料收集点的距离与原料收集点的负责面积的半径的比值，R为原料收集点负责不同面积时对应的半径。

进一步的，步骤三所述的确定一个层级原料收集点模式与两个层级乃至多个层级的原料收集点模式对生物质载体运输成本影响的比较方法的具体过程包括：

第一步：一个层级原料收集点模式对运输成本影响在第二步负责面积的确定中已经论述，故不重复。

第二步：两个层级的原料收集点模式的运输路径长队对运输成本的影响也主要是在运输路径的长度上，两个层级的原料收集点模式的运输路径长度对运输成本产生影响，通过两个层级的原料收集点模式的运输成本测算模型计算两个层级的原料收集点模式的运输成本C_T2，所述两个层级的原料收集点模式的运输成本测算模型如下：

其中，C_T2为生物质收集到两层级原料收集点再运输到生物质发电厂的运输成本，D_1i、D_2i分别为一级原料收集点到生物质发电厂的直线距离、二级原料收集点到一级原料收集点的直线距离，单位为m；K_1i、K_2i为一级原料收集点到生物质发电厂、二级原料收集点到一级原料收集点的道路非直线系数。

第三步：比较一个层级原料收集点模式与两个层级乃至多个层级的原料收集点模式对生物质载体运输成本的影响的主要影响因子是运输路径的长度。接下来重点比较不同分级模式对运输路径的影响。通过生物质运输到各层级原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型计算多层级的原料收集点模式的运输成本C_T3，所述生物质运输到各层级原料收集点再运输到生物质发电厂的测算模型如下：

其中，C_T3为多层级的原料收集点模式的运输成本，L_Ai为一个生物质收集到原料收集点运输距离，单位为m；D_1i、D_2i、D_3i、。。。、D_ni分别为一级原料收集点到生物质发电厂的直线距离、二级原料收集点到一级原料收集点的直线距离、三级原料收集点到二级原料收集点的直线距离...n级原料收集点到n-1级原料收集点的直线距离，单位为m，K_1i、K_2i、K_3i...、K_ni为一级原料收集点到生物质发电厂、二级原料收集点到一级原料收集点、三级原料收集点到二级原料收集点...n级原料收集点到n-1级原料收集点的道路非直线系数。

对一级原料收集点、二级原料收集点、三级原料收集点...的位置的选择不同，会在运输成本上产生巨大差异。模式一如图2所示呈现树突状，距离生物质发电厂距离越远，原料收集点的层级越低；模式二则是根据村落的聚集情况划分原料收集点的等级，村落越密集的地方原料收集点的层级越高。

第五步：比较一级原料收集点与二级、三级或者多级原料收集点的运输成本的数值，比较不同层级原料收集点位置选择不同时对应的运输成本的数值，然后得出最节约成本的分级收集模式。对一级原料收集点、二级原料收集点、三级原料收集点...的位置的选择不同，会在运输成本上产生巨大差异。模式一呈现树突状，距离生物质发电厂距离越远，原料收集点的层级越低；模式二则是根据村落的聚集情况划分原料收集点的等级，村落越密集的地方原料收集点的层级越高。

进一步的，步骤四所述的确定原料收集点一级模式或多级模式的应用不同区域对生物质运输成本影响的比较方法的具体过程包括：

第一步：对研究区域根据长宽比来划分成带状区域和块状区域，研究表明，长宽比大于4:1的是带状区域，长宽比小于4:1的是块状区域。

第二步：确定带状区域应用一级模式或多级模式时对生物质运输成本的影响。将带状区域代入步骤二的研究方法测算不同的负责面积对应的不同的运输成本，得出负责面积为多少时运输成本最低后代入步骤三，来确定带状区域适合用的原料收集点的分级方式。

第三步：确定块状区域应用一级模式或多级模式时对生物质运输成本的影响。将块状区域代入步骤二的研究方法测算不同的负责面积对应的不同的运输成本，得出负责面积为多少时运输成本最低后代入第步骤三，来确定块状区域适合用的原料收集点的分级方式。

第四步：经计算比较选用运输成本低的分级模式，带状区域更适合一级模式，块状区域更适合二级模式。

进一步的，第五步所述的同时考虑上述几个问题，用GIS将上述步骤的分析范围取交集，来进行综合分析并形成最终结果的具体过程包括：

第一步：同时考虑上述几个问题，将步骤二到步骤四的结果分别导入GIS中，用GIS将上述步骤的分析范围取交集，进行综合分析。

第二步：将综合分析后的结果代入实际模型中检验，验证通过后，形成一种生物质热电厂原料收集点分布与数量对运输成本影响的计算方法的最终结果。

本发明对村镇的农田产生的生物质载体进行系统的评估，确定村镇农作物的范围、位置和类型，在所述村镇中的全部农作物类型中确定可使用的农作物类型作为生物质载体的来源，估算区域内生物质载体的重量，使原料收集点的数量与分布有更详细的量化分析基础。

本发明对原料收集点负责面积和分级模式的估算，设定原料收集点负责不同面积和不同模式时对生物质运输成本的多影响因子的逻辑公式，可以根据区域内生物质载体的分布数据、不同负责面积和不同分级方式时生物质载体的道路运输路径数据进行运输成本的计算，相对于以往的运输成本计算具有更为复杂的影响因素与干扰因子，数据来源有据可依容易获取，运算方式成本低且结果准确度高。

在前面的基础上，考虑到道路等级不同会有不同的单位运输成本，增加计算各等级道路所占的道路总长度的比例，对应其相应的单位运输成本，因此具有与现实情况更为接近的模拟测算结果，可以尽可能减少生物质热电厂的运输成本，进而间接地提高其运营的经济效益，可以更准确地为原料收集点的分布与数量的确定提供经济成本估算的规划建议。

以上所述仅是生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法的优选实施方式，生物质热电厂原料收集点对运输成本影响的计算方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。