一种基于企业枢纽的生态工业园区建模方法

摘要

本发明属于工业生态系统分析技术领域，具体为一种生态工业园区建模方法。其中建模方法包括提出企业枢纽的基本概念，用企业枢纽分别描述组成生态工业园区的四种基本企业类型：能源生产者、物质生产者、消耗者、分解者，企业之间的共生关系用企业枢纽接口之间的能源与物质输入输出关系描述，以企业枢纽模型及基于平衡方程建立的企业之间的共生关系组成了生态工业园区模型。本发明方法能够清晰完备地描述生态工业园区的组织结构及其运行行为，通用性及可重用性强，计算效率高，可以为生态工业园区的设计与规划提供量化的分析方法。

说明书

技术领域

本发明属于工业生态系统分析技术领域，具体为一种基于企业枢纽的生态工业园区建模方法。

背景技术

在能源、经济、环境协同发展需求的推动下，生态工业园区作为生态工业学的典型代表，成为现代工业组织形态的主流发展模式。生态工业园区是工业企业遵循可持续发展理念的重要体现，它以循环经济所提倡的提高资源循环利用、降低污染物排放为核心思想，从本质上为能源、经济、环境之间的协同发展提供了有效解决方案。随着生态工业园区在各国工业企业中的逐步应用和推广，该组织形态已经成为工业企业改变组织结构与运行模式的重要指导依据。

生态工业园区是工业领域借鉴自然界生态系统的演化规律而发展起来的一种组织形态。这种组织形态在组织管理和运行行为上相比单个企业更加复杂。主要表现在：生态工业园区围绕产业链结构，将不同类型、不同规模的企业进行有机整合，企业之间的共生关系错综复杂，产业关联度高；生态工业园区的运行行为主要体现在企业之间的能源流与物质流的交互活动，如何从系统层面重构并优化能源流与物质流的协同运行，决定了生态工业园区的运行效率。因此，建立生态工业园区模型，全面、准确地描述生态工业园区的组织结构和运行行为，并以此为基础，分析园区能源流与物质流的交互行为，揭示园区企业成员之间共生关系的潜在价值，对生态工业园区的建设与运行具有重要的战略意义和应用价值。

针对生态工业园区建模问题，学术界展开了深入的研究。主要提出了生态工业园区的概念模型及其优化模型两种方法。针对概念模型，《Journal of Cleaner Production》发表的《The conceptual model of an eco-industrial park based upon ecological relationships》从生态学的角度，提出了生态工业园区的概念模型，分析了生态工业园区的生态结构、企业分类、能源流与物质流，以及企业之间的生态关系；《Journal of Cleaner Production》发表的《The application of industrial ecology principles and planning guidelines for the development of eco-industrial parks: an Australian case study》以澳大利亚的实际生态工业园区的建设案例为依据，阐述了工业生态学的基本概念及其准则，提出了包含微观、中观和宏观三个层面的生态工业发展的应用层次，分析了运用工业生态学从当前非生态工业集群向生态工业园区转变的指导原则和具体措施；《Journal of Cleaner Production》发表的《Critical success and limiting factors for eco-industrial parks: global trends and Egyptian context》分析了不同国家生态工业园区的典型案例，揭示出影响生态工业园区建设成功与否的关键因素包括：共生关系、信息共享、经济效益、组织结构和法律政策框架，为未来生态工业园区建设提供了指导依据。总结上述文献，可以看出，生态工业园区的概念模型主要运用工业生态学的基本原理，从工业可持续发展的角度定性地描述了生态工业园区的基本概念、组织模式、组建原则和应用成效，为生态工业园区的建设和规划提供了有指导意义的实施准则，但在生态工业园区的具体设计和运行决策方面缺乏量化的分析功能，只能在概念层面进行分析与指导。优化模型是近年来生态工业园区建模研究的重要研究内容，较多学者在该领域展开了比较深入的研究。发表的有代表性的文献包括：《Clean Techn Environ Policy》发表的《MILP model for energy optimization in EIP water networks》、《Computers and Chemical Engineering》发表的《Optimal reconfiguration of multi-plant water networks into an eco-industrial park》、《Clean Techn Environ Policy》发表的《Designing eco-industrial water exchange networks using fuzzy mathematical programming》、《Applied Energy》发表的《Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park》、《Computers and Chemical Engineering》发表的《A global optimal formulation for the water integration in eco-industrial parks considering multiple pollutants》等。这些文献的主要特点是针对生态工业园区的废水及余热的再循环利用问题，提出了以混合整数线性规划、混合整数非线性规划、模糊数学规划等一批以数学规划为理论基础的生态工业园区优化模型，模型包括优化目标和约束条件两部分，该类模型主要解决生态工业园区的废弃物循环利用的优化问题，并且主要针对废水与余热的再利用，尚未涉及不同类型能源载体的综合转化与二次利用，以及物质与能源之间的耦合关系，无法对生态工业园区的共生关系给予全面的分析。此外，根据对现有专利的检索，尚未涉及对生态工业园区建模方法展开研究的相关专利。

综上所述，现有生态工业园区的建模方法分别从概念层面和系统优化的角度提出了一系列模型，这些模型虽然对生态工业园区的建设与规划具有一定的指导和优化作用，但从系统层面，缺乏对生态工业园区组织结构与运行行为的完备化描述和精确化的定量分析功能。本发明专利为弥补现有模型对生态工业园区组织结构及其运行行为的完备化描述的缺乏，提出企业枢纽的基本概念，分别建立能源生产者、物质生产者、消耗者、分解者的企业枢纽模型，以企业枢纽接口之间的能源与物质输入输出关系描述企业之间的共生关系。以该模型为基础，可以分析生态工业园区能源流与物质流的交互行为，揭示园区企业成员之间共生关系的潜在价值，模型的通用性及可重用性强，计算效率高，可以为生态工业园区的设计与规划提供量化的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于企业枢纽的生态工业园区建模方法。   

本发明提出的一种基于企业枢纽的生态工业园区建模方法，具体步骤如下：

（1）建立企业枢纽及其基本模型；

企业枢纽是生态工业园区的基本建模单元，它描述了组成园区的企业成员，通常情况下表示独立的企业个体。企业枢纽之间的能源与物质的流转分别通过能源基础设施及物流系统的运输功能实现，即企业枢纽分别与能源基础设施及物流系统连接，实现枢纽内部与外部的能源及物质交换。根据组成生态工业园区的企业成员类型，企业枢纽分为能源生产者、物质生产者、消耗者和分解者四种基本结构。能源生产者实现能源的开采、转换、传输、调配等基本能源活动，在此过程中排放对环境产生安全隐患的各类废弃物，产生的一部分能源为能源活动提供动力，该企业类型一般包括：煤炭、石油天然气、电力等企业；物质生产者在能源消耗的辅助下将原材料转化为具有市场价值的增值产品，同时伴随废弃物（或副产品）的产生与排放，该企业类型包括各类产品制造企业；消耗者主要消耗能源或物质，同时伴随废弃物的排放，该类企业提供服务等非物质型产品，多指服务行业和信息产业中的各类企业；分解者负责废弃物的各类处置活动，包括：废气处理、废水处理、固废焚烧等环境治理技术以及废水回收、余热回收、生物质能利用等各类废弃物循环利用技术，在此过程中消耗一定的能源；

企业枢纽的基本模型反映了企业枢纽接口的输入与输出之间的关联：

                                 （1）           

其中：为输入向量，表述从外部输入给企业枢纽内部的能源及物质对象；为输出向量，表示经企业枢纽的基本活动，向外部输出的能源及物质对象；为关联系数矩阵，表示与企业枢纽基本活动相关的产品生产、能源转换、废弃物处置、能源与物质消耗的技术效率；

（2）根据生态工业园区的组织结构，分别建立能源生产者、物质生产者、消耗者和分解者的企业枢纽模型，模型的可重用性强；

企业枢纽的四种模型分别如下：

定义企业枢纽类型集合：，其中，

为能源生产者，其相应的企业枢纽模型为：

                         （2）

式中表示能源输入，分别表示能源输出及废弃物输出，分别表示能源转换效率（考虑了为能源活动提供动力的一部分能源消耗）和废弃物排放效率，该参数可表示为常数或变量函数，根据实际应用情况具体定义。

为物质生产者，其相应的企业枢纽模型为：

                         （3）

式中表示物质输入，分别表示增值产品输出、废弃物输出和能源消耗，分别表示产品转换、废弃物排放和能源消耗效率，该参数可表示为常数或变量函数，根据实际应用情况具体定义。

为消耗者，其相应的企业枢纽模型为：

                     （4）

式中，分别表示物质消耗与能源消耗，表示废弃物排放，分别表示物质消耗效率和能源消耗效率，该参数可表示为常数或变量函数，根据实际应用情况具体定义。

为分解者，其相应的企业枢纽模型为：

                            （5）

式中，表示废弃物输入，分别表示能源输出和安全废弃物输出，分别表示能源回收效率、能源消耗效率、废弃物安全处置效率，该参数可表示为常数或变量函数，根据实际应用情况具体定义。

上述四种模型按照生态工业园区企业成员的功能特点，分别描述了能源生产者、物质生产者、消耗者和分解者的基本结构，企业的具体活动封装在枢纽内部结构中，企业成员之间的能源与物质交换通过枢纽的输入输出接口实现，模型以模块化为基本结构特点，可重用性强。

（3）通过企业枢纽接口之间的能源及物质输入输出关系，建立生态工业园区企业成员之间的共生关系；

以生态工业园区为系统边界，针对任一能源载体类型或任一物质类型，建立任一企业枢纽节点的平衡方程：所述平衡方程描述了企业枢纽接口之间的能源及物质输入输出关系；

                      （6）

上述式中， 表示具有共生关系的企业枢纽节点，并且分别是与具有共生关系的上游与下游节点，企业之间的共生关系体现了生态园区的产业链结构，及某一个企业成员的输出是另一个企业的输入；分别描述了与具有共生关系的上游与下游节点集合；表示从节点输入给节点的能源或物质流，表示从节点输出给节点的能源或物质流，分别表示外部与节点之间的能源或物质交换，即表示节点消耗的能源或物质流，表示节点产生并输出的能源或物质流。

针对任一能源载体类型和物质类型，建立组成生态工业园区的所有企业枢纽节点的平衡方程，该方程集合描述了生态工业园区企业成员之间的共生关系，同时反映了生态工业园区的能源流与物质流的交互活动。

（4）以企业枢纽模型及基于平衡方程建立的企业之间的共生关系组成了生态工业园区模型。

按照能源生产者、物质生产者、消耗者和分解者四种基本结构，将生态工业园区的企业成员进行分类。按照公式（2）、（3）、（4）、（5），分别建立各个企业成员对应的企业枢纽模型。针对园区的所有能源载体类型和物质类型，建立各个企业枢纽节点的平衡方程。联合企业枢纽模型与平衡方程，形成生态工业园区模型。确定模型输入，即外界向园区输入的能源流与物质流，运行所建立的园区模型，定量分析园区的运行行为，表现为能源流与物质流的动态活动，为生态工业园区的设计与规划提供量化的分析方法。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1．提出企业枢纽按照能源生产者、物质生产者、消耗者和分解者的四种分类，描述生态工业园区的组织结构；

2.  通过企业枢纽接口之间的能源与物质输入输出关系建立企业之间的共生关系。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1．模型能够全面描述和量化分析生态工业园区的组织结构和运行行为；

2.  模型以模块化为基本结构特点，可重用性强。

附图说明

图1为焦化生态工业园区的主要组成结构及其产业链关系示意图；

图2为基于企业枢纽的焦化生态工业园区模型；

——电网, ——天然气管网, ——热管网；

——热电联产发电厂，——原煤清洗厂，——矸石电厂，——炼焦厂，——炼铁厂，  ——研究所，——废气处理厂，——煤气电厂，——水泥厂；

——外部输入给的天然气，——的天然气输入，——的电能输出，——输出给的电能，——输出给的电能，——的热能输出，——输出给的热能，——的电能消耗，——的电能输出，——输出给的电能，——输出给的电能，——的热能输出，——输出给的热能，——的电能消耗，——的热能消耗，——的电能输出，——输出给的电能，——输出给的电能；

——外部输入给的原煤，——的原煤输入， ——的煤矸石输出，——输出给的煤矸石，——的精煤输出，——输出给的精煤，——的中煤/煤泥输出，——输出给的中煤/煤泥，——的煤矸石输入，——的精煤输入，——的冶金焦输出，——输出给外部的冶金焦，——的焦炉煤气输出，——输出给的焦炉煤气，——的中煤/煤泥输入，——的高炉煤气输出，——输出给的高炉煤气，——的生铁输出，——输出给外部的生铁，——的矿渣输出，——输出给的矿渣，——的废气输出，——输出给的废气，——的废气输入，——的安全气体输出，——输出给外部的安全气体，——的焦炉煤气输入，——的高炉煤气输入，——的矿渣输入，——的水泥输入，——输出给外部的水泥；

——热电联产效率，——清洗转换效率，——矸石发电效率，——炼焦生产效率，——炼铁生产效率，——能源/物质消耗效率，——废气处理效率，——煤气发电效率，——水泥生产效率；

——天然气至电能转换率，——天然气至热能转换率，——原煤至煤矸石转换率，——原煤至精煤转换率，——原煤至中煤/煤泥转换率，——原煤清洗电能消耗率，——煤矸石至电能转换率，——煤矸石至热能转换率，——精煤至冶金焦转换率，——精煤至焦炉煤气转换率，——中煤/煤泥至高炉煤气转换率，——中煤/煤泥至生铁转换率，——中煤/煤泥至矿渣转换率，——电能消耗率，——热能消耗率，——废气至安全气体转换率，——焦炉煤气发电效率，——高炉煤气发电效率，——矿渣至水泥转换率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：以附图1所示的焦化生态工业园区为实施例。园区通过循环利用形成了焦化-钢铁-发电为一体的产业链共生关系。原煤经过原煤清洗厂清洗，按照不同比例生成精煤、煤矸石、中煤/煤泥。煤矸石可以输送给矸石电厂进行发电，并产生余热；精煤经炼焦厂生产出冶金焦，同时排放焦炉煤气供给煤气电厂发电；中煤/煤泥可以用于炼铁厂制造生铁，同时排放的高炉煤气可以输送给煤气电厂发电，排出的矿渣作为水泥厂的原材料用于水泥生产；园区还专门设置热电联产发电厂，通过天然气管网获得天然气进行电能和热能生产；各个发电厂将产生的电能和热能分别发送至电网和热管网，供给园区的主要耗能企业，即原煤清洗厂和研究所使用。研究所利用电能与热能进行试验研究，并产生废气排出；废气经废气处理厂处理，转换为对环境安全的气体排出。

根据本发明提出的基于企业枢纽的生态工业园区建模方法，可以建立附图1所示实施例的基于企业枢纽的焦化生态工业园区模型，见附图2。其中，热电联产发电厂属于能源生产者；原煤清洗厂、炼焦厂、炼铁厂、水泥厂属于物质生产者；研究所属于消耗者；矸石电厂、煤气电厂和废水处理厂属于分解者。根据企业的分类，按照公式（2）、（3）、（4）、（5），可以建立各个企业枢纽模型。以热电联产发电厂，原煤清洗厂，矸石电厂为例，分别建立如下所示企业枢纽模型。

                                   （7）

                                  （8）

                                  （9）

根据平衡方程（6），针对任一能源载体类型或任一物质类型，可以建立各个企业枢纽节点的平衡方程，用于描述生态工业园区企业成员之间的共生关系。如以电能为例，建立平衡方程，描述企业成员之间关于电能的共生关系。

针对原煤清洗厂，建立其与上游节点热电联产发电厂、矸石电厂，煤气电厂的关于电能的平衡方程：

                                （10） 

针对研究所，建立其与上游节点热电联产发电厂、矸石电厂，煤气电厂的关于电能的平衡方程：

                               （11）

以各个企业枢纽模型及基于平衡方程建立的企业之间的共生关系组成实施例模型。

对附图2中所示模型进行外部输入变量及参数配置，如表1所示。其中，外部输入天然气、原煤至煤矸石转换率，原煤至精煤转换率，原煤至中煤/煤泥转换率为时间函数（注：），其它参数设置为常数。

表1、实施例的外部输入变量及参数配置（注：h—小时，ton—吨，m³—立方米，tce—吨标准煤）

按照外部输入变量及其相关参数，可以对所建模型进行仿真，分析模型中的能源流与物质流的动态行为。仿真结果如表2所示，其中举例描述了在不同时间点，若干能源与物质流的具体值。

表2、实施例仿真结果

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。