生物質(zhì)發(fā)電中農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本敏感性分析

翟明嶺，　張　旭，　程　飛，　趙浩亮，　蘇　醒

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

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生物質(zhì)發(fā)電中農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本敏感性分析

翟明嶺，張旭，程飛，趙浩亮，蘇醒

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

摘要：針對(duì)生物質(zhì)發(fā)電中秸稈收集困難的問(wèn)題，對(duì)秸稈供應(yīng)構(gòu)建4種模式：人工收集主動(dòng)運(yùn)送模式、機(jī)械收集主動(dòng)運(yùn)送模式、人工收集等待收購(gòu)模式和機(jī)械收集等待收購(gòu)模式，建立農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本模型，計(jì)算不同模式的成本，并對(duì)不同的重要因素進(jìn)行單因素敏感性分析.結(jié)果表明：人工收集模式比機(jī)械收集模式成本低，但受人力工資影響大，當(dāng)人力工資≥18元/h時(shí)，人工收集主動(dòng)運(yùn)送模式成本最高；當(dāng)土地面積>0.667 hm2時(shí)所有模式的成本穩(wěn)定，變化不大；運(yùn)輸距離對(duì)人工收集模式成本的影響大于機(jī)械收集模式，留茬高度越低影響越大；作物產(chǎn)量水平越高，越適合機(jī)械收集模式.

關(guān)鍵詞：秸稈； 生物質(zhì)發(fā)電； 供應(yīng)成本； 成本模型； 敏感性分析

中國(guó)秸稈資源豐富，可利用量達(dá)6～8億t[1-2]，但常被農(nóng)民直接焚燒造成面源污染[3]，成為一大環(huán)境難題.因此，我國(guó)大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目以期解決該問(wèn)題，但卻面臨秸稈原料收購(gòu)困難的新問(wèn)題[4-5].現(xiàn)有的研究[6-14]主要從電廠角度出發(fā)，在電廠秸稈需求量下進(jìn)行一個(gè)地區(qū)內(nèi)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)的研究，如邢愛華等[7]根據(jù)秸稈資源島式分布的特征對(duì)電廠秸稈收集過(guò)程的能耗、成本、排放等進(jìn)行計(jì)算；劉華財(cái)?shù)萚8]對(duì)不同收儲(chǔ)運(yùn)模式進(jìn)行成本比較；徐亞云等[9]則對(duì)不同秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式成本、能耗、人工和設(shè)備投入等進(jìn)行比較；于曉東等[10]對(duì)秸稈收購(gòu)過(guò)程進(jìn)行模擬.上述研究?jī)H基于電廠角度，未反映秸稈初始擁有者(農(nóng)戶)的供應(yīng)成本，而我國(guó)大部分地區(qū)的耕作模式是以戶為單位的，因此應(yīng)增加從農(nóng)戶角度的秸稈供應(yīng)成本研究.農(nóng)戶供應(yīng)成本大小決定秸稈供應(yīng)的穩(wěn)定性，需將農(nóng)戶的秸稈供應(yīng)成本作為一個(gè)獨(dú)立問(wèn)題來(lái)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行收儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題研究，才更具準(zhǔn)確性和合理性.筆者建立了4種農(nóng)戶秸稈供應(yīng)模式來(lái)計(jì)算成本構(gòu)成，對(duì)重要的幾種影響因素進(jìn)行敏感性分析，研究結(jié)果將對(duì)利用經(jīng)濟(jì)手段減少農(nóng)戶就地焚燒秸稈，提高供應(yīng)生物質(zhì)電廠的積極性有一定指導(dǎo)意義.

1農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本模型

為方便討論，文中進(jìn)行如下假設(shè)：(1) 該地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量密度無(wú)差別；(2) 不考慮天氣、地形等因素的影響；(3) 農(nóng)戶秸稈全部出售；(4) 秸稈供應(yīng)模式.收集并主動(dòng)運(yùn)送模式和收集等待收購(gòu)模式，每種又細(xì)化為A(人工收集主動(dòng)運(yùn)送模式)、B(機(jī)械收集主動(dòng)運(yùn)送模式)、C(人工收集等待收購(gòu)模式)和D(機(jī)械收集等待收購(gòu)模式)4種(見圖1).農(nóng)戶對(duì)收購(gòu)商身份不作考慮.

圖1　農(nóng)戶秸稈供應(yīng)模式

農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本計(jì)算公式為

(1)

式中：Δch為收割成本增加量，元/t；cc為收集成本，元/t；ct為運(yùn)輸成本，元/t；cs為儲(chǔ)存成本，元/t，其中農(nóng)戶的人工工作時(shí)間計(jì)算以h為單位.

1.1秸稈收割成本增加量

秸稈資源總量Q的計(jì)算式為

Q=αk1k2A

(2)

式中：α為作物產(chǎn)量密度，t/hm2；k1為草谷比；k2為可收集系數(shù)；A為土地面積，hm2.

農(nóng)作物的收割留茬高度在市場(chǎng)上存在3種標(biāo)準(zhǔn)，降低留茬高度可提高秸稈產(chǎn)量，但帶來(lái)了收割成本(柴油消耗量、人工等)的增加，以30 cm為基準(zhǔn)計(jì)算不同留茬高度下收割成本的增加量.秸稈收割相關(guān)參數(shù)見表1.

設(shè)30 cm留茬高度時(shí)Δch=0，改變留茬高度，則會(huì)帶來(lái)收割柴油消耗量和收割耗時(shí)的增加，因此而帶來(lái)的成本增量為

(3)

式中：Δqh為柴油消耗增加量，L；pd為柴油價(jià)格，元/L；Δth為收割耗時(shí)增量，h；pp為人力工資，元/h.

表1　不同留茬高度的相關(guān)參數(shù)[15-16]

1.2秸稈收集成本

采取人工收集時(shí)效率為每小時(shí)Qcp；采取機(jī)械收集時(shí)農(nóng)戶租賃秸稈打捆機(jī)，效率為每小時(shí)Qcm，打捆機(jī)收費(fèi)為750元/hm2，秸稈包尺寸為1.75 m×1.15 m×0.9 m.則人工收集成本ccp和機(jī)械收集成本ccm分別為

(4)

(5)

其中C、D模式下農(nóng)戶將秸稈堆垛儲(chǔ)存，增加10%的堆垛成本.

1.3秸稈運(yùn)輸成本

農(nóng)戶使用自有拖拉機(jī)掛車(僅1輛)運(yùn)送秸稈，完成所有秸稈運(yùn)送所需次數(shù)為Nt=INT(Q/mt)+1，其中INT為求整函數(shù).本文計(jì)算所采取的拖拉機(jī)掛車參數(shù)見表2.單次運(yùn)輸空載和滿載的運(yùn)程比為1∶1，拖拉機(jī)單位載重公里的運(yùn)輸柴油消耗量qud為

(6)

式中：ge為滿載耗油率，kg/(kW·h)；geo為空載耗油率，kg/(kW·h)；v1為滿載車速，km/h；vo為空載車速，km/h；Nen/mt為功載比，kW/t，其中Nen為額定功率，kW，mt為額定載重量，t.

表2　農(nóng)用拖拉機(jī)掛車參數(shù)[8-9,17]

注：1)表中載重量2個(gè)數(shù)值分別對(duì)應(yīng)秸稈狀態(tài)為散桿和秸稈包時(shí)的拖拉機(jī)載重量.

秸稈運(yùn)送至收儲(chǔ)站，還需花費(fèi)質(zhì)檢、稱重等其他必需時(shí)間，取0.5 h.

運(yùn)輸成本為

(7)

式中：β為道路曲折因子，取1.4；lt為運(yùn)輸距離，km；cdep為車輛折舊成本，為直線折舊、殘值5%、年限10年、一年365天平攤，元；cm為車輛維護(hù)成本，為車輛價(jià)格的5%、一年365天平攤，元.

1.4儲(chǔ)存成本

C、D模式下農(nóng)戶需儲(chǔ)存秸稈，將秸稈臨時(shí)存放在田間地頭，不另建存儲(chǔ)場(chǎng)地.為確保秸稈不因下雨等原因?qū)е沦|(zhì)量受損，農(nóng)戶需購(gòu)買防水帆布，面積等于堆垛表面積，折舊10年，殘值為0.堆垛高度為3 m，假設(shè)堆垛形狀為方形，則帆布面積為

(8)

儲(chǔ)存成本為

cs=pcAc/10Q

(9)

式中：pc為帆布價(jià)格，元/m2；Ac為帆布面積，m2.

2成本計(jì)算結(jié)果

2.1計(jì)算參數(shù)設(shè)置

選取江蘇省某縣為例進(jìn)行分析,該縣位于江蘇省東南部，是小麥、水稻和油菜等的主產(chǎn)區(qū).以該地區(qū)的小麥秸稈為對(duì)象分析供應(yīng)成本，相應(yīng)參數(shù)見表3和表4.根據(jù)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，直接運(yùn)送秸稈至電廠的距離為3 km以內(nèi)，因此以3 km為基準(zhǔn)計(jì)算相應(yīng)成本并分析距離對(duì)成本的影響.

表3　小麥秸稈參數(shù)[16-17]

表4　其他相關(guān)參數(shù)

2.2計(jì)算結(jié)果

各模式下的秸桿供應(yīng)成本見圖2，其中A～D對(duì)應(yīng)圖1的供應(yīng)模式，1～3對(duì)應(yīng)秸稈收割留茬高度分別為30 cm、20 cm和10 cm.從圖2可以看出，模式A1成本最低，模式C1與之相近，而模式B1的成本最高，其次為D1.因此相同留茬高度下機(jī)械收集模式成本要高于人工收集模式，這是因?yàn)榍罢唠m提高了收集效率，但租費(fèi)較高導(dǎo)致成本較高.隨著留茬高度的降低，不同模式的成本變化不同，人工收集模式下成本增加，而機(jī)械收集模式下成本則降低，這是因?yàn)槿斯な占Ｊ较?，隨著留茬高度的降低人工成本增加，而打捆機(jī)租費(fèi)不變，秸稈量的增加可降低總成本.相同收集模式下，運(yùn)輸與儲(chǔ)存成本相差不大，若農(nóng)戶不選擇儲(chǔ)存措施則會(huì)降低成本19.4～32.4元/t，但無(wú)法保證秸稈質(zhì)量穩(wěn)定.

從圖2還可以看出不同環(huán)節(jié)的成本在總成本中的比例.在成本構(gòu)成中收集成本(包括人工成本和機(jī)械成本)占最大比例，無(wú)論人工收集成本或機(jī)械收集成本，若能找到有效降低收集成本的技術(shù)方法則可促進(jìn)秸稈供應(yīng).其次是運(yùn)輸成本，其中的人工成本在人工收集時(shí)要高于機(jī)械收集時(shí)(運(yùn)輸油耗折舊等費(fèi)用不變).儲(chǔ)存成本所占比例較大，這是因?yàn)榧僭O(shè)防雨帆布為秸稈儲(chǔ)存專用.

圖2　不同模式下秸稈供應(yīng)成本的比較

3敏感性分析

以模式A1為例進(jìn)行單因素敏感性分析.圖3給出了人力工資、土地面積、燃料價(jià)格及運(yùn)輸距離對(duì)模式A1成本的影響.從圖3可以看出，影響作用依次為人力工資、土地面積、運(yùn)輸距離和燃料價(jià)格，其中土地面積為負(fù)向作用，其余為正向.土地面積變化時(shí)成本出現(xiàn)波動(dòng)，這是因?yàn)榻斩捔康脑鰷p導(dǎo)致運(yùn)輸次數(shù)改變，從而導(dǎo)致人工成本的波動(dòng).人工收集模式下柴油消耗量較少，因此其對(duì)A1成本的影響最小.這4個(gè)因素對(duì)模式A2和模式A3的影響相似，而對(duì)其他模式的影響則不盡相同，具體在下文進(jìn)行分析.

圖3　A1模式下成本敏感性分析

首先考察人力工資對(duì)秸稈供應(yīng)成本的影響(見圖4).從圖4可以看出，影響作用大小依次為模式A>模式C>模式B>模式D，這是由于耗費(fèi)人工的環(huán)節(jié)依次降低.當(dāng)人力工資增加2元/h，4種模式的成本增幅依次為28.4～31.2元/t、27.5～28.4元/t、4.1～4.2元/t、0.9～1.8元/t.以留茬高度30 cm為例，對(duì)比A、B、C、D 4種模式，當(dāng)人力工資pp≤12元/h時(shí)模式A成本最低，pp≥18元/h時(shí)模式A成本最高，而當(dāng)pp≤10元/h時(shí)主動(dòng)運(yùn)送更具成本優(yōu)勢(shì)，而當(dāng)pp≥12元/h時(shí)儲(chǔ)存秸稈更具成本優(yōu)勢(shì).

圖4　不同模式下供應(yīng)成本與人力工資的關(guān)系

圖5給出了不同模式下供應(yīng)成本與土地面積的關(guān)系.由圖5可知，隨著土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，原因是隨著秸稈產(chǎn)量的增加，設(shè)備利用率提高.如主動(dòng)運(yùn)送時(shí)，秸稈量增加，單位秸稈量的車輛折舊維護(hù)費(fèi)隨之減少.模式A、模式B下，成本先隨土地面積的增加而降低，當(dāng)土地面積A≥0.667 hm2(10畝)時(shí)，成本較穩(wěn)定,變化不大，這是因?yàn)樗O(shè)定生產(chǎn)條件中未考慮規(guī)模效應(yīng)，固定成本只有拖拉機(jī)折舊維護(hù)成本.模式B較模式A成本波動(dòng)小，因?yàn)榻斩挶粔嚎s后，拖拉機(jī)載重量增加，增加同樣的秸稈量所帶來(lái)的人工成本增幅較小.而由于散桿堆垛比表面積隨質(zhì)量增加而減小，秸稈壓縮后形狀規(guī)則，質(zhì)量對(duì)比表面積的影響不顯著，因此模式D較模式C成本變化小.

運(yùn)輸距離對(duì)模式A和模式B成本的影響見圖6.由圖6可知，模式A成本的變化區(qū)間為模式A1(190.7～323.6元/t)、模式A2(209.1～426.4元/t)、模式A3(211.6～402.5元/t)，模式B成本的變化區(qū)間為模式B1(261.0～393.9元/t)、模式B2(234.9～352.9元/t)、模式B3(211.6～318.2元/t).運(yùn)輸距離對(duì)模式A的影響大于模式B，這是因?yàn)槿斯な占瘯r(shí)的單車運(yùn)輸量少于機(jī)械收集時(shí)的單車運(yùn)輸量，運(yùn)送次數(shù)多，距離越遠(yuǎn)，運(yùn)輸時(shí)間越長(zhǎng)，運(yùn)輸人工成本的差別會(huì)越大.模式A2和模式A3的斜率大于模式A1，這是因?yàn)槟Ｊ紸2和模式A3的運(yùn)送次數(shù)恰比模式A1增加1次，同時(shí)當(dāng)達(dá)到34 km時(shí)運(yùn)輸工作增加一天導(dǎo)致成本有一個(gè)突增.從圖6還可以看出，在1～40 km內(nèi)模式A1成本低于模式B1，運(yùn)輸距離lt≥15 km時(shí)模式A2成本高于模式B2，模式B3較模式A3始終具備成本優(yōu)勢(shì).因此運(yùn)輸距離越遠(yuǎn)，模式B成本優(yōu)勢(shì)越大.

最后考察作物產(chǎn)量水平對(duì)成本的影響，結(jié)果見圖7.考慮4.918 t/hm2、5.8 t/hm2、6.6 t/hm2、7.4 t/hm2、8.2 t/hm2和8.6 t/hm26個(gè)產(chǎn)量水平下的成本，秸稈收集系數(shù)依次為1.16、1.08、1.03、1.03、1.02和0.96.從圖7可以看出，產(chǎn)量水平對(duì)機(jī)械收集模式影響較大，作物產(chǎn)量水平越高，越適合機(jī)械收集模式.

(a)

(b)

(c)

(d)

圖6　主動(dòng)運(yùn)輸成本與運(yùn)輸距離的關(guān)系

4結(jié)論

(1) 不同模式下的成本計(jì)算結(jié)果顯示，機(jī)械收集模式高于人工收集模式，降低留茬高度有利于降低機(jī)械收集模式的成本，農(nóng)戶若不儲(chǔ)存秸稈則降低成本19.4～32.4元/t，但無(wú)法保證質(zhì)量.

圖7　不同模式下供應(yīng)成本與產(chǎn)量水平的關(guān)系

(2) 同一留茬高度下，人力工資pp≤12元/h時(shí)模式A成本最低，pp≥18元/h時(shí)模式A成本最高；pp≤10元/h時(shí)主動(dòng)運(yùn)送較儲(chǔ)存成本低，當(dāng)pp≥12元/h時(shí)儲(chǔ)存秸桿更具成本優(yōu)勢(shì).

(3) 隨土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，主動(dòng)運(yùn)輸成本變化幅度大于儲(chǔ)存成本，當(dāng)土地面積≥0.667 hm2(10畝)時(shí)各種模式的成本穩(wěn)定，在本文設(shè)定條件下，土地面積的繼續(xù)增加對(duì)成本作用輕微，因?yàn)槲纯紤]規(guī)模效應(yīng).

(4) 運(yùn)輸距離對(duì)人工收集模式的影響大于機(jī)械收集模式.運(yùn)輸范圍1～40 km內(nèi)，模式A1成本始終低于模式B1，當(dāng)運(yùn)輸距離≥15 km時(shí)模式A2成本高于模式B2，模式B3成本始終低于模式A3.當(dāng)運(yùn)輸距離>34 km時(shí)，模式A2和模式A3運(yùn)輸工作時(shí)間增加一天，導(dǎo)致成本有一個(gè)突增.

(5) 本文目的是分析目前中國(guó)農(nóng)業(yè)分散現(xiàn)狀下的成本.農(nóng)戶的投入除拖拉機(jī)之外按照市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行設(shè)置，因此未考慮機(jī)械收集模式的規(guī)模效應(yīng)，后續(xù)研究工作需要結(jié)合不同耕地面積規(guī)模和機(jī)械收集模式的規(guī)模效應(yīng)進(jìn)行分析.

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Sensitivity Analysis on Supply Cost of Farmer Straw for Power Generation

ZHAIMingling,ZHANGXu,CHENGFei,ZHAOHaoliang,SUXing

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In the collection process of farmer straw for power generation, there are in total following four supply modes: manpower collection + active delivery, machinery collection + active delivery, manpower collection + waiting for delivery, and machinery collection + waiting for delivery. Corresponding models were established for cost calculation of farmer straw in above supply modes, while single factor analysis was conducted for different key sensitive factors. Results show that the mode of manpower collection has lower cost than machinery collection, which however is greatly affected by the labor price, and when the labor price is more than 18 CNY/h, the mode of manpower collection + active delivery costs the maximum. When the arable area is larger than 0.667 hm2, the cost of all supply modes would basically keep constant. The mode of manpower collection is more affected by conveying distance than machinery collection, the shorter the stubble is, the higher the influence will be. Machinery collection is found to be the most suitable mode for the condition of high crop yields.

Key words：straw; biomass-fired power generation; supply cost; cost model; sensitivity analysis

收稿日期：2015-09-09

修訂日期：2015-10-21

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ08B09，2011BAJ08B10)

作者簡(jiǎn)介：翟明嶺(1987-)，男，山東菏澤人，博士研究生，主要從事生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)方面的研究.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)07-0569-06中圖分類號(hào)：TK6； X712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：480.60

張旭(通信作者)，男，教授，博導(dǎo)，電話(Tel.)：13311831229;E-mail：zhangxu-hvac@#edu.cn.