秸秆发电供应链上游收集与采购合作契约设计

吴军 张敏玉 尹文琦 王璇 杨建亮

摘 要：为了优化能源结构，改善秸秆废弃及焚烧带来的环境问题，文章设计了新的供应链合作机制，研究了传统机制和合作机制下秸秆供应量及供应链收益的变化。首先，构建由农户、中间商、发电厂组成的传统机制下秸秆发电供应链模型;其次，设计了基于“秸秆处理权出让契约”的供应链集成化合作模式;最后，通过数值算例分析了秸秆单位面积产出、秸秆转化系数和市场电价等系统参数对传统机制与契约机制下供应链性能的影响。

关 键 词：秸秆发电供应链;契约;合作;集成化

中图分类号：F274 文献标识码：A 文章编号：2096-7934（2020）07-0078-10

一、引言

我国是农业大国，秸秆生物质资源储量丰富，2019年我国秸秆产量达11.5亿吨。然而，有效利用不到四成，其中用于燃料焚烧和废弃率较高。针对秸秆生物质的开发与利用不仅能够改善能源结构、促进秸秆发电企业的发展，而且有利于生态环境的保护。

生物质秸秆转换为电能的过程较为复杂，涉及农户、中间商、发电厂、国家电网等相关方的协调运作。供应链管理具有资源整合、系统集成的功能，通过集成上下游企业，形成一条信息共享、协同作业的战略联盟。因此，很多学者采用供应链管理的方法研究生物质秸秆转换流程。

关于生物质发电供应链，众多学者从几个不同视角进行了深入研究。项目投资决策角度：梁歌等[1-2]对构成生物质发电供应链的组织结构、农户供应成本、心理倾向性、秸秆收储运成本等影响决策的因素进行分析发现，不同的供应模式和不同的优惠政策对供应链的激励和影响不同。项目效益测算角度：David et al.[3]利用随机规划模型，进行成本和技术选择两种影响因素研究;Annelies et al.[4]利用中断反应，测试运输成本、农户意愿与价格之间的优化体系。环境价值角度。Hamid et al.[5]在研究中对供应机制、能源企业定价及定位因素进行分析并提出优化意见。博弈分析和产业发展角度的研究，侧重于秸秆发电供应链下游的联盟研究：曹海旺等[6]引入企业与政府联盟的补贴机制，探究博弈均衡解。檀勤良、崔和瑞、孙静春等[7-9]利用协同演化和博弈机制、联盟博弈探求农户、中间商、电厂运行中的优化机制。

进一步细分，在关于秸秆发电供应链制约因素的研究中，文献资料表明目前制约秸秆发电有效开展的主要问题有原料供应不足[10]、发电成本高、发电效率低、设备维护费用高等。本文主要针对原料供应不足现象进行研究。针对改善原料供应不足的机制设计方向研究中，钱志新、傅少川[10-11]等从供应链供应、配送、生产等环节提出协调优化设计，主要针对供应商、发电厂和下游销售商之间的集成化进行研究;张国兴等[12]从产业发展角度针对政府、帮扶企业等给予的补贴政策进行影响度分析，以便更好地调节企业收入。

已有文献侧重于秸秆发电供应链原料供应不足的机制优化研究，且多集中于供应链的制约因素分析或中间商与下游电厂之间的联盟优化，较少针对秸秆发电供应链上游农户与中间商之间提出新的机制设计。基于此，本文设计了供应链上游农户与中间商的“秸秆处理权出让契约”，进而研究了农户、集成化企业与发电厂三者组成的新机制下的秸秆发电供应链，并与传统机制下的供应链进行了对比分析。

二、秸秆发电供应链上游现状分析

（一） 生物质能源秸秆产量现状分析

第二代生物质能源秸秆是指成熟农作物茎叶、穗部分的总称。我国每年生产的农作物秸秆、谷糠和饼粕的实际收集量只有7亿多吨。其中，玉米秸秆占3.3亿吨（占总量的42.4%）、小麦秸秆占1.5亿吨（占19.7%）、稻草秸秆占1.2亿吨（占15.3%），此三类纤维素占全国总纤维素产量的77.4%以上，如表1所示。

由此可以看出，我国秸秆类总产量富足，以玉米类、稻草类为代表的秸秆资源尤为充足。

（二）我国秸秆资源利用现状

我国对秸秆资源的利用存在五种普遍方式：①燃烧作燃料资源，供给生产生活能源;②用作饲料，用于饲养牲畜;③将过剩的秸秆经过粉碎处理后洒入田间，重新还田，提升土地肥力和养力;④将秸秆资源用作基料，用于无土栽培和培育蚯蚓;⑤用于原材料。此外，在其他领域还有一些利用方式，如秸秆汽化、秸秆建材、秸秆乙醇等，如表2所示。

從表1和表2可以看出，秸秆资源丰富但有效利用率较低，对于秸秆最主要的处理方式是废弃或焚烧。

（三）秸秆资源转化利用特点分析

目前，在秸秆资源转化利用的过程中存在如下一些特点：一是生产过程简单、产量充足;二是秸秆资源产量不稳定，受气候因素影响较大;三是资源分布广泛而分散、集成化程度低;四是转化利用率较低，这是由于气候影响产量不稳定、经济补贴不足、收集处理保存技术落后、企业需求不合理等多种因素互相影响造成。

（四）秸秆发电供应链上游运作模式分析

我国对于秸秆发电供应链上游秸秆的收集与采购过程，主要有如下四种方式[14]：一是收购企业与农民建立直接联系，例如生物质发电厂与农民直接建立契约联系，一起完成采集任务。二是收购企业派经纪人与农户取得联系进而合作收集：单独的个体经纪人作为发电厂的“说客”与农户取得联系，签订契约，获得收集的秸秆再交给发电厂。三是企业与合作社签订契约，然后由合作社与个体农户进行收购协议。合作社通常是由多个个体农户联合建立，自主经营。四是企业与收购站进行协议沟通，由收购站与农户联系收集秸秆。

以上关于农户与中间商分离式秸秆收集的几种方式凸显如下几个问题：一是农户积极性低。秸秆收货时与秋粮种植同期，堆积的秸秆影响播种，同时收获秸秆的劳动力往往处于农忙阶段，同时受运输成本和收购价格影响，农户通常没有时间精力和人力物力将充足的秸秆资源运输至收购商或者中转站。二是秸秆利用分流严重。受到国家“秸秆还田”的政策引导以及为了生产生活方便，农户大多选择将秸秆资源粉碎后深埋或作燃料，但下游的秸秆发电厂却长期缺乏可利用的秸秆资源，从而使得经营陷入窘迫的困境，这使得国内多地秸秆生物质发电企业运营受限[15]。三是收购价格低、多层压价、补贴有限。价格直接影响农户的积极性，较高的机会成本和较低的收购价格使得农户普遍放弃收集秸秆而专心从事种植秋粮。四是粉碎机器应用广泛，收集机器化水平低，效率得不到保障。现在玉米和小麦的收割机器可以同时实现收割庄稼和粉碎秸秆，粉碎后的秸秆含水量超过25%，不符合秸秆发电标准，且大多直接被深埋或作为燃料。

综上所述，我们可以总结出秸秆发电供应链上游的几个特点：一是目前普遍存在的秸秆发电供应链上游原料收集供给形式是农户与中间商分离独立运作，中间商按照市场价格收购农户手中的秸秆，不存在合作机制，在此概括为分离式运作。二是秸秆的实际供应量、资源的转换率及收购价格等成为了影响秸秆发电供应链的重要因素。因此，在后文的灵敏度分析将重点考虑这些因素。三是文献资料表明，目前我国已经投入运营的秸秆发电企业约有28家，多因原料供应不足而陷入生产困境，这与我国充足的秸秆产量不相吻合。主要原因有：①农户掌握着充足的秸秆资源，但由于秸秆利用分流、秸秆收购价格低、秸秆收集季节是农忙期劳动力有限等造成秸秆供应量有限;②负责收购秸秆的中间商收获秸秆数量有限，对于秸秆发电企业的供给能力有限;③供应量有限导致发电厂利润低，进一步提供低秸秆收购价格，降低了中间商和农户供给秸秆的积极性。

基于以上分析，本文提出基于“秸秆处理权出让契约”的供应链上游合作机制：中间商通过取得秸秆处理权，从源头保证秸秆收集量;同时，通过集成化运营降低成本、提高供应量促使经济利润提升，从而达到保证原料供应量、提升供应链各方利益的优化目标。

三、秸秆发电供应链模型

本文以秸秆生物质为对象，研究农户、中间商以及秸秆发电厂组成的秸秆发电供应链：农户对秸秆进行收集与存储;中间商进行采购、仓储、运输并销售给下游的秸秆发电企业;发电厂利用直燃发电、气化发电、沼气发电的形式供给国家电网。总结出秸秆发电供应链如图1所示。

相关的系统参数及变量：

G1：农民利润收益;

G2：传统模式中合作社（中间商）收益;

G3：生物质发电厂的收益;

P3：单位电价;

θ：农民收集秸秆的劳动强度指数;

V：农民每单位秸秆机会成本;

t0：农民单位秸秆单位运输价格;

K：秸秆综合收集系数;

a0：单位面积秸秆资源产量;

β：运输路线中产生的曲折因子;

：圆周率常数;

w：农民秸秆收集时额外成本系数（包括劳动力、运输储存等成本）;

S1：合作社（中间商）的秸秆单位存储成本;

L：合作社（中间商）到发电厂的平均距离;

CL：合作社（中间商）单位运输成本;

r：发电厂电能的秸秆转化系数;

S2：发电厂的秸秆单位存储成本;

I：单位发电成本;

P1：合作社（中间商）对农户提供的秸秆收购价格;

P2： 发电厂对中间商收购价格;

Q：秸秆供应量。

四、 传统机制：农户与中间商分离式模型

根据上文可将现有农户与中间商未达成合作契约、各自运作的模式概括为分离式。构建目标函数时，①农户的收益等于秸秆数量乘以中间商收购价格同时减去运输和机会成本;②中间商的收益等于收获的秸秆数量乘以电厂秸秆收购价格减去存储运输及收购成本;③发电厂的收益等于发电量乘以单位上网电价减去秸秆发电原料存储成本、发电成本和收购成本。因此，目标函数构建如下：

农户收益=秸秆量×中间商收购价-运输成本-机会成本，即：

五、契约机制：基于合作契约式的农户与中间商集成化模型

为了改善农户不愿意提供秸秆造成原料供应不足的现状，本文提出基于“秸秆处理权出让契约”的供应链上游合作机制。构建目标函数如下：①农户收益等于秸秆量乘以秸秆处理权出让价格再乘以契约达成系数;②集成化企业收益等于秸秆供应量乘以发电厂收购价再乘以资源转化率减去存储收集和运输成本以及对农户秸秆处理权出让补偿值;③发电厂收益等于发电量乘以单位国家电网电价减去存储成本、发电成本、收购成本。

集成化供应链如图2所示。

為便于对比分析，变量和参数设置如下：

e：农户对秸秆出让权预期定价;

β1：集成化企业影响力（契约达成率）;

ρ：秸秆处理权出让价格影响系数;

b：一体化（集成化）企业秸秆单位收集成本;

C（R）：一体化（集成化）企业秸秆单位运输成本;

E1：一体化（集成化）秸秆资源转化率;

R：一体化（集成化）企业秸秆收集辐射半径;

f：秸秆处理权出让收购价格 。

目标函数构建如下：

农户收益=秸秆量×秸秆处理权出让价×契约达成率，即：

一体化企业收益=秸秆供应量×发电厂收购价×资源转化率-存储收集成本-运输成本（两部分）-农户秸秆出让补偿值，即：

其中，C（R）=2/3CLR，发电厂收益=发电量×单位国家电网电价-存储成本-发电成本-收购成本， 即：

六、 数值算例

（一） 参数赋值与模型结果分析

基于上文建立的传统机制和契约机制两种模型，我们对三方收益情况进行赋值和结果分析。具体参数取值参考网络资料和文献[16]，如表3、表4所示。

通过表4可以看出：传统机制与契约机制相比，契约机制下每单位秸秆的销售价格降低、最优供应量增加，且农户、集成化企业、发电厂和供应链总体利润均有增加。这是由于：①契约机制促使农户运输成本、机会成本降低，可提供秸秆产量增加，农户受益增加;②契约机制下，集成化企业对农户的秸秆处理权出让价格降低、可提供给电厂的秸秆量增加，收益上升;③电厂获得秸秆供应量提升，收益增加。三方优化，供应链总收益增加。

集成化企业的契约达成能力对供应链各方有显著影响，下面进行集成化企业与农户契约达成能力进行数值分析，结果如表5所示。

通过表5算例结果可以看出：随着契约达成能力提升，①集成化企业对农户的秸秆收购价格随之降低，处于有利趋势;②在保证供应链整体利润优化的情况下，契约机制促使集成化企业利润提升;③农户和发电厂的利润不断降低，以集成化企业为主导的趋势会带来发电厂的利润危机;④当集成化企业具有绝对权威时，即β1=1时，集成化企业利润达到最高值，此时农户、发电厂收益减少，但农户比同期现有分离式模型的收益值略高，而电厂收益较分离式模型降低，这不利于电厂与集成化企业开展合作，此时补贴政策建议侧重于电厂。

（二） 秸秆单位面积产出、秸秆转化系数和电价灵敏度分析

对秸秆单位面积产出、发电厂电能的秸秆转化系数和市场电价三个重要参数进行灵敏度分析。秸秆资源伴随着农作物产出，受到气候变化、农作物生长状况的影响，因此产量具有不确定性;发电厂由于发电技术及秸秆资源储存运输过程中变质、损耗等因素存在着最终资源转化率;同时电价直接影响发电厂对供应商秸秆收购价。因此进行必要的灵敏度分析有利于优化设计。

分析结果见表6—8。

从表6可以看出：随着秸秆单位面积产出增多，①传统机制与契约机制下秸秆供应量均上升，契约机制下涨幅较大;②单位面积产出的增加使得传统机制下中间商对农户的秸秆收购价格呈上涨趋势;契约机制下，收购价格呈下降趋势，原因是农户存储成本和机会成本的降低，心理预期下降等;③与传统机制相比，契约机制使得农户、中间商电厂及供应链总体收益提升。

从表7中可以看出：随着发电厂秸秆资源转换率的提高，①传统机制与契约机制中，企业对农户秸秆的收购价格均增加，但集成化企业的涨幅较小;②两种机制下秸秆供应量均增加，集成化企业涨幅显著;③秸秆发电供应链三方及总体利润都呈现上涨趋势。

从表8中可以看出：随着国家电价的升高，①传统机制与契约机制下，秸秆供应量均有升高，且涨幅不断减小直至最高供应量;②两种机制下，农户利润随之升高但增长幅度逐级降低;③中间商、集成化企业与发电厂的利润在两种机制下随着电价的增长而提升，达到某一值时呈下降趋势;④供应链的总利润随着电价的增加而增长幅度减小，直至某一值时呈下降趋势，意味着电价的无节制增长将带来供应链收益优化空间减少甚至降低的可能。

七、结论

本文首先分析了秸秆发电供应链上游传统运作模式，结果表明我国秸秆产量充足，但资源收集利用率低，同时秸秆发电企业面临原料供應不足的困境。其次，根据秸秆发电供应链现状构建传统机制下供应链模型，设计了新的收集与采购合作契约机制，并以此构建契约机制下以集成化企业为中心的供应链模型。最后，对传统机制和契约机制下的两个模型进行赋值和结果分析。通过对比契约机制与传统机制发现：①中间商对农户收购价格降低、秸秆供应量提升、供应链三方利润及总利润均增加;②在分析企业契约达成能力的影响力时可以看出，在保证供应链整体利润的前提下，集成化企业利润随着契约达成能力提升而增加、农户与电厂收益不断降低，电厂收益低于传统机制模型，此时外界补贴建议侧重发电厂;③通过对秸秆单位面积产出、发电厂电能的秸秆转化系数和市场电价三个重要参数进行灵敏度分析时，结果表明：①随着单位面积秸秆产量、秸秆资源转化率的提高，契约机制较传统机制的秸秆供应量增加、三方及供应链总收益均增加;②随着市场电价的升高，三方及供应链整体利润增加，但当电价升高至某一值时将带来供应链优化幅度减少甚至降低的结果。

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