秸稈直燃生物質(zhì)電廠動(dòng)態(tài)發(fā)電成本分析

趙浩亮，張 旭，翟明嶺

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

隨著我國(guó)人口、經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，能源消耗量也在快速上升，一次能源消耗量從1980年的6.02億t標(biāo)煤增加到2013年的34.0億t標(biāo)煤［1-2］.礦物能源的消耗造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，為減緩經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)對(duì)環(huán)境和能源容量的制約，人們開(kāi)始利用可再生能源，生物質(zhì)就是其中的形式之一.但目前由于對(duì)生物質(zhì)電廠成本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成不清楚，導(dǎo)致多數(shù)生物質(zhì)電廠經(jīng)營(yíng)困難，甚至出現(xiàn)虧損的現(xiàn)象，如何準(zhǔn)確、清晰地分析生物質(zhì)電廠的成本，對(duì)生物質(zhì)電廠的運(yùn)營(yíng)有重要意義.

郝德海［3］從秸稈電廠的投資回收期、凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率等方面分析秸稈發(fā)電成本；王學(xué)峰［4］通過(guò)建立綜合運(yùn)輸成本、存儲(chǔ)成本和運(yùn)行費(fèi)用模型，研究生物質(zhì)電廠的燃料運(yùn)輸成本和燃料的物流調(diào)度方案；賈小黎［5］通過(guò)分析單縣、宿遷生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目，給出發(fā)電成本及收益的范圍；李梁杰［6］建立經(jīng)濟(jì)效益模型來(lái)分析生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的可持續(xù)性；Kumar等［7］建立模型求解不同生物質(zhì)原料所對(duì)應(yīng)的發(fā)電容量及發(fā)電成本；Shabani等［8］利用非線性規(guī)劃模型優(yōu)化生物質(zhì)電廠的運(yùn)行成本；李斌等［9］采用熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，求解機(jī)組各組件的單位成本.以上模型奠定了生物質(zhì)發(fā)電成本分析的基礎(chǔ)，但對(duì)于生物質(zhì)發(fā)電的實(shí)時(shí)成本（即動(dòng)態(tài)成本）鮮有提及，而生物質(zhì)電廠的動(dòng)態(tài)成本分析可為電廠提供運(yùn)行管理和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的決策信息.鑒于此，筆者結(jié)合火力發(fā)電成本研究方法，以月為單位建立動(dòng)態(tài)成本模型并分析討論生物質(zhì)發(fā)電成本.

1 生物質(zhì)發(fā)電成本構(gòu)成

動(dòng)態(tài)成本分析法利用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法分析發(fā)電成本，對(duì)成本變化進(jìn)行監(jiān)視、計(jì)算和分析［10］.該分析方法的特點(diǎn)在于其動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性，動(dòng)態(tài)性指通過(guò)分析可得到不同工況、不同發(fā)電負(fù)荷下的發(fā)電燃料耗率和發(fā)電成本，而不是每年的平均發(fā)電成本；實(shí)時(shí)性是相對(duì)于一年為周期的財(cái)務(wù)計(jì)算而言，可得到每月、每天甚至每時(shí)的發(fā)電成本.進(jìn)行生物質(zhì)電廠的動(dòng)態(tài)成本分析可為電廠提供運(yùn)行管理和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的決策信息，為生物質(zhì)發(fā)電的成本分析提供參考依據(jù)，從而提高生物質(zhì)發(fā)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

生物質(zhì)發(fā)電成本包括固定成本和變動(dòng)成本［11］，其成本構(gòu)成如圖1所示，其中固定成本包括折舊費(fèi)、大修費(fèi)、材料費(fèi)、工資福利以及其他固定成本［12］，該部分費(fèi)用通過(guò)分配計(jì)入發(fā)電成本；變動(dòng)成本包括燃料費(fèi)、水費(fèi)以及廠用電費(fèi)，該部分費(fèi)用直接計(jì)入發(fā)電成本［13］.折舊費(fèi)是以年為單位的，但在生物質(zhì)發(fā)電動(dòng)態(tài)成本分析中可根據(jù)每月或每日的發(fā)電量進(jìn)行分?jǐn)?，因電廠每月使用的生物質(zhì)燃料不同，所以筆者以每月進(jìn)行分?jǐn)?另外變動(dòng)成本中廠用電費(fèi)和水費(fèi)相對(duì)比較固定，而燃料費(fèi)卻隨著發(fā)電燃料的不同變化較大.

圖1 生物質(zhì)發(fā)電成本構(gòu)成Fig.1 Cost structure of the biomass power generation

2 成本分?jǐn)偡椒?/h2>

2.1 固定成本

固定成本中固定資產(chǎn)折舊費(fèi)通過(guò)分?jǐn)傆?jì)入發(fā)電成本，變動(dòng)成本直接計(jì)入發(fā)電成本.固定成本指成本總額在一定時(shí)期和一定業(yè)務(wù)量范圍內(nèi)，不受電廠發(fā)電量增減影響而保持不變的成本.生物質(zhì)電廠的固定資產(chǎn)折舊費(fèi)屬于固定成本，指的是固定資產(chǎn)在運(yùn)行過(guò)程中由于磨損或損耗而轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品成本中的那部分費(fèi)用，由于生物質(zhì)電廠項(xiàng)目投資比一般燃煤電廠高，所以其固定資產(chǎn)折舊費(fèi)在發(fā)電成本中所占的比例較高.

由于資金的價(jià)值會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，即時(shí)間不同，相同數(shù)額資金的價(jià)值也有差異［13-14］，故采用等額支付折算法來(lái)計(jì)算固定資產(chǎn)的年折舊費(fèi).

式中：A為等額折舊費(fèi)，元；C為投資費(fèi)用，元；i為社會(huì)貼現(xiàn)率加通貨膨脹率；n為使用年限.

上述計(jì)算方法求出的折舊費(fèi)以年為單位，傳統(tǒng)計(jì)算發(fā)電成本的方法直接用折舊費(fèi)與年發(fā)電量的比值來(lái)確定固定成本在發(fā)電成本中的分?jǐn)傤~，但該方法忽略了機(jī)組運(yùn)行特性，得出的結(jié)果是均值，其參考價(jià)值有限.生物質(zhì)發(fā)電的年固定成本中折舊費(fèi)的分?jǐn)偱c機(jī)組容量和負(fù)荷特性有關(guān)，因?yàn)闄C(jī)組在不同負(fù)荷條件下工作時(shí)的磨損和損耗不同，以月為單位按照全年發(fā)電負(fù)荷對(duì)固定成本分?jǐn)偪傻玫诫姀S的月發(fā)電成本，另外由于每月燃料和發(fā)電負(fù)荷的差異，計(jì)算得出的發(fā)電成本也有所不同.

夏友斌［10］、張曉瑾［13］等提出的依據(jù)火電廠峰荷、腰荷和谷荷分?jǐn)偣潭ǔ杀镜姆椒ㄈ鐖D2所示.在圖2中，RP、RM、RV分別為峰荷NP、腰荷NM、谷荷NV所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)容量，t為不同負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段.

圖2 電廠的日負(fù)荷曲線Fig.2 Daily load curves of a power plant

根據(jù)以上方法，結(jié)合秸稈直燃生物質(zhì)電廠的負(fù)荷特性求解生物質(zhì)發(fā)電的動(dòng)態(tài)成本.生物質(zhì)電廠的年負(fù)荷曲線如圖3所示.

圖3 生物質(zhì)電廠的年負(fù)荷曲線Fig.3 Annual load curves of a biomass power plant

在圖3中，ti為負(fù)荷Ni所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，i＝1，2，3，…，12；Ri為負(fù)荷Ni所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)容量，R1＝N1，Ri＝Ni-Ni-1（i≥2），該系統(tǒng)容量對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間為，i＝1，2，3，…，12.

設(shè)K為單位系統(tǒng)容量所承擔(dān)的固定成本，則

化簡(jiǎn)后KN12＝A，即K＝A／N12.

（1）負(fù)荷N1對(duì)應(yīng)系統(tǒng)容量R1所占用的固定成本為KR1，根據(jù)上述分析在負(fù)荷N1對(duì)應(yīng)的時(shí)間段所占用的固定成本M1為：

負(fù)荷N1對(duì)應(yīng)時(shí)間段單位發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的固定成本A1［10，13］為：

（2）負(fù)荷N2所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)容量分為2部分，即R1和R2.R1包含的固定成本在N2對(duì)應(yīng)時(shí)間段的分?jǐn)傊礛21為：

R2包含的固定成本在N2對(duì)應(yīng)時(shí)間段的分?jǐn)傊礛22為：

負(fù)荷N2對(duì)應(yīng)時(shí)間段所占用的固定成本［10，13］M2為：

負(fù)荷N2對(duì)應(yīng)時(shí)間段單位發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的固定成本A2為：

（3）負(fù)荷N3所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)容量分為R1、R2和R3.R1包含的固定成本在N3對(duì)應(yīng)時(shí)間段的分?jǐn)傊礛31為：

R2包含的固定成本在N3對(duì)應(yīng)時(shí)間段的分?jǐn)傊礛32為：

R3包含的固定成本在N3對(duì)應(yīng)時(shí)間段的分?jǐn)傊礛33為：

負(fù)荷N3對(duì)應(yīng)時(shí)間段所占用的固定成本［10，13］M3為：

負(fù)荷N3對(duì)應(yīng)時(shí)間段單位發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的固定成本A3為：

根據(jù)以上分析可得出負(fù)荷Ni對(duì)應(yīng)時(shí)間段單位發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的固定成本為：

對(duì)式（14）進(jìn)行如下驗(yàn)證：

說(shuō)明該分?jǐn)偣經(jīng)]有引起固定成本的改變.

固定成本中大修費(fèi)指每月為發(fā)電機(jī)組的正常使用、運(yùn)轉(zhuǎn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期大修理的費(fèi)用，如對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行拆卸和更換部分主要部件等.

固定成本中材料費(fèi)指在生物質(zhì)發(fā)電過(guò)程中所耗用的材料、低值易耗品等，以及不應(yīng)計(jì)入燃料費(fèi)的其他生產(chǎn)用燃料所支付的費(fèi)用.在電力企業(yè)中，電力和熱力是一次能轉(zhuǎn)換為二次能的結(jié)果，燃料費(fèi)在生產(chǎn)費(fèi)用中所占比例較大而材料費(fèi)僅起輔助作用.

固定成本中工資福利指支付給生產(chǎn)和管理人員的工資和津貼費(fèi)用.

固定成本中其他費(fèi)用也稱(chēng)管理費(fèi)用，指行政管理部門(mén)為組織和管理經(jīng)營(yíng)活動(dòng)而發(fā)生的各項(xiàng)費(fèi)用.另一種說(shuō)法是不屬于以上固定成本但應(yīng)計(jì)入產(chǎn)品成本的其他費(fèi)用.

2.2 變動(dòng)成本

變動(dòng)成本與固定成本相反，變動(dòng)成本是指成本的總發(fā)生額在相關(guān)范圍內(nèi)隨著電廠發(fā)電量的變動(dòng)而呈線性變動(dòng)的成本.燃料費(fèi)、廠用電費(fèi)以及水費(fèi)都是典型的變動(dòng)成本，在一定時(shí)期內(nèi)它們的發(fā)生總額與發(fā)電量成正比例變動(dòng).

燃料費(fèi)是指生產(chǎn)電力所用的生物質(zhì)燃料的費(fèi)用.廠用電費(fèi)是指向網(wǎng)外單位購(gòu)入電量的電費(fèi).水費(fèi)是指發(fā)電用的外購(gòu)水費(fèi).

3 案例分析

以初投資3億元、壽命40年［14］（由于生物質(zhì)電廠在我國(guó)起步較晚，故其壽命暫采用火電廠壽命）的某生物質(zhì)電廠作為研究對(duì)象，年折舊費(fèi)為3 067.8萬(wàn)元，該電廠2012年發(fā)電負(fù)荷及秸稈用量分別見(jiàn)圖4和圖5.

圖4 某生物質(zhì)電廠的年負(fù)荷曲線圖Fig.4 Load curve of a biomass power plant in the year 2012

圖5 某生物質(zhì)電廠的秸稈用量圖Fig.5 Stalk consumption of a biomass power plant

廠用電價(jià)按平均0.835元／（kW·h）［2］計(jì)算，燃料費(fèi)分別按照200元／t、250元／t和300元／t計(jì)算，廠用水費(fèi)按3.5元／t［2，10］計(jì)算，工人人數(shù)120人，月工資3 500元／人［2］，材料費(fèi)2萬(wàn)元／月［12］，電廠大修費(fèi)15萬(wàn)元／月［2，10，13］，管理及其他費(fèi)用按20 萬(wàn)元／月進(jìn)行計(jì)算.

發(fā)電成本計(jì)算結(jié)果如圖6所示，各成本所占比例見(jiàn)表1.

圖6 不同燃料價(jià)格對(duì)應(yīng)的發(fā)電成本Fig.6 Cost of power generation vs.fuel price

表1 各成本所占比例Tab.1 Percentage of various expenses %

從上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)秸稈價(jià)為200 元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.61元／（kW·h），最大值為0.69元／（kW·h）；當(dāng)秸稈價(jià)為250元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.68元／（kW·h），最大值為0.77元／（kW·h）；當(dāng)秸稈價(jià)為300元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.75元／（kW·h），最大值為0.85元／（kW·h）.該生物質(zhì)電廠發(fā)電成本最小值發(fā)生在12月份，最大值發(fā)生在7月份，因7月份電廠停機(jī)檢修，發(fā)電量較少，機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行，效率較低，故其發(fā)電成本較高，而12月份由于機(jī)組負(fù)荷較大，效率高，單位發(fā)電量消耗的燃料較少，故其發(fā)電成本較低.另外，燃料費(fèi)在總成本中所占比例均超過(guò)50%，固定成本分?jǐn)傊党^(guò)20%.

4 發(fā)電成本敏感性分析

成本構(gòu)成中各成本按照-20%、-15%、-10%、-5%、0、5%、10%、15%和20%規(guī)律變化，計(jì)算過(guò)程中秸稈價(jià)為250元／t，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7.

根據(jù)圖7可得出，在同樣條件下，燃料費(fèi)的變化對(duì)生物質(zhì)電廠發(fā)電成本的影響最大，占發(fā)電成本的50%以上，而折舊費(fèi)和廠用電費(fèi)其次.燃料價(jià)格降低10%和20% 時(shí)，發(fā)電成本分別降低5.09% 和10.17%，固定成本折舊費(fèi)降低10%和20%時(shí)，發(fā)電成本分別降低2.16%和4.31%.降低生物質(zhì)燃料成本對(duì)降低發(fā)電成本有很大意義.另外根據(jù)各個(gè)生物質(zhì)電廠的運(yùn)行特性，通過(guò)適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)發(fā)電時(shí)間，使發(fā)電量增加，則發(fā)電成本也會(huì)明顯下降.

5 結(jié) 論

（1）以初投資3億元、壽命40年的某生物質(zhì)電廠為研究對(duì)象，設(shè)置場(chǎng)景進(jìn)行研究，得出當(dāng)秸稈價(jià)為200元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.61元／（kW·h），最大值為0.69元／（kW·h）；當(dāng)秸稈價(jià)為250元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.68元／（kW·h），最大值為0.77元／（kW·h）；當(dāng)秸稈價(jià)為300元／t時(shí)，發(fā)電成本最小值為0.75元／（kW·h），最大值為0.85元／（kW·h）.

（2）通過(guò)發(fā)電成本敏感性分析，得出燃料費(fèi)的變化對(duì)生物質(zhì)電廠發(fā)電成本的影響最大，占發(fā)電成本的50%以上，而折舊費(fèi)和廠用電費(fèi)其次，當(dāng)燃料價(jià)格降低10%和20%時(shí)，發(fā)電成本分別降低5.09%和10.17%，降低生物質(zhì)燃料成本對(duì)降低發(fā)電成本有很大意義.

［1］田宜水.生物質(zhì)發(fā)電［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：1-23.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2013 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2013：500-521.

［3］郝德海.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006：10-35.

［4］王學(xué)鋒.生物質(zhì)發(fā)電燃料物流成本控制與調(diào)度［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007：13-27.

［5］賈小黎.中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、問(wèn)題和建議［J］.太陽(yáng)能，2007，5（5）：10-13.

JIA Xiaoli.The actuality，questions and suggestions of China biomass power generation industry［J］.Solar Energy，2007，5（5）：10-13.

［6］李梁杰.生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目可持續(xù)性評(píng)價(jià)研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2010：31-46.

［7］KUMAR A，CAMERON J B，F(xiàn)LYNN P C.Biomass power cost and optimum plant size in western Canada［J］.Biomass and Bioenergy，2003，24（6）：445-454.

［8］SHABANI N，SOWLATI T.A mixed integer nonlinear programming model for tactical value chain optimization of a wood biomass power plant［J］.Applied Energy，2013，104（9）：353-361.

［9］李斌，杜艷玲，李露，等.基于結(jié)構(gòu)理論的350 MW 超臨界直接空冷機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（3）：233-238.

LI Bin，DU Yanling，LI Lu，etal.Thermoeconomic analysis on a 350 MW supercritical direct air-cooling unit based on structural theory［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（3）：233-238.

［10］夏友斌.電廠動(dòng)態(tài)成本及負(fù)荷優(yōu)化的研究、實(shí)現(xiàn)［D］.南京：東南大學(xué)，2004：20-38.

［11］顧曉山.秸稈焚燒發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.可再生能源，2007，25（4）：66-67.

GU Xiaoshan.The technical and economic analysis on stalk incineration power plant project［J］.Renewable Energy，2007，25（4）：66-67.

［12］王勝曼.秸稈發(fā)電工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008：20-25.

［13］張曉瑾.火電廠生產(chǎn)成本分析與報(bào)價(jià)策略的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007：31-35.

［14］張絢.天津火電行業(yè)大氣顆粒物及溫室氣體協(xié)同減排情景研究［D］.天津：南開(kāi)大學(xué)，2013：84-88.