秸稈發(fā)電廠燃料收集半徑與裝機規(guī)模

劉鋼，黃明皎

（東北電力設(shè)計院，長春市，130021）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)能資源豐富，具有建設(shè)秸稈發(fā)電廠的良好條件。可用作秸稈發(fā)電廠燃料的生物質(zhì)能資源不僅包括農(nóng)作物秸稈，還包括農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品及廢棄物、林業(yè)廢棄物和能源作物等。雖然秸稈發(fā)電廠燃料的種類繁多，有軟質(zhì)的、有硬質(zhì)的，有枝狀的、有散碎的，但它們都具有熱值低、密度小、松散、雜亂的自然形態(tài)和易燃性。如松散狀態(tài)下的稻草和小麥稈的密度為40～50 kg/m3，打成包后軟質(zhì)秸稈的密度為200～250 kg/m3。這就決定了秸稈發(fā)電廠的燃料不易整理、存放和裝車，運輸難度大，運輸成本高。燃料的上述特點決定了秸稈發(fā)電廠的燃料收集范圍不宜太大，進(jìn)而決定了裝機規(guī)模。

影響燃料收集范圍或可獲取量的因素包括農(nóng)作物的種類和生長周期、種植習(xí)慣和收割方式、已用于其他用途的秸稈量及農(nóng)民出售秸稈的積極性等。這些影響因素不僅類別多，而且不確定性大。因此，燃料收集范圍的估算十分困難。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秸稈發(fā)電廠實際運行時的燃料收集范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建廠前按經(jīng)驗公式估算出的預(yù)測值，使電廠運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性受到較大影響。因此，有必要根據(jù)實際運行情況，對現(xiàn)有公式進(jìn)行修正，以減小燃料收集范圍的估算誤差，提高秸稈發(fā)電廠的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 燃料收集半徑對收購成本和電廠利潤的影響

長春地區(qū)某運行秸稈發(fā)電廠的秸稈價格如下：

（1）玉米秸稈到廠價為254元/t（收集半徑為30 km），其中運輸距離為10～15 km，從收貯站（點）到電廠運輸價為50元/t。

（2）運輸車輛以15 t/輛或10 t/輛為主，車長不超過18 m。

（3）收貯站（點）加工費50元/t。

這里以該電廠為例，研究燃料收集半徑對收購成本和電廠利潤的影響。計算原則及結(jié)果如下：

（1）收集半徑為30 km，收貯站（點）到電廠距離為15 km。

（2）收集半徑為50 km時，50%在30 km內(nèi)收集，50%在30～50 km范圍收集，收貯站（點）距離電廠35 km，換算后，秸稈平均單價為275.5元/t，增加約8.5%。

（3）含稅熱價29.39元/GJ。

（4）年利用小時6 000 h。

（5）內(nèi)部收益率8%。

（6）吉林省標(biāo)桿電價為400.7元/（MW·h），生物質(zhì)發(fā)電廠補貼為250元/（MW·h），售電電價為650.7元/（MW·h）。

（7）1×25 MW凝汽機組，工程靜態(tài)投資2.61億元。

（8）1×25 MW供熱機組，工程靜態(tài)投資2.9億元。

表1為1×25 MW秸稈發(fā)電廠利潤計算結(jié)果。由表1可以看出，對于凝汽式機組，收集半徑為50 km時的年利潤率為5.56%，比30 km時低約20%；對于供熱式機組，收集半徑為50 km時的年利潤率比30 km時低約30%。因此，建廠前應(yīng)盡量準(zhǔn)確地估算燃料收集范圍，以降低電廠投產(chǎn)后的盈利風(fēng)險。

表1 1×25 MW秸稈發(fā)電廠利潤計算結(jié)果Tab.1 Profit rate of 1×25 MWstraw stalk power plant

2 燃料收集半徑的估算

2.1 計算公式

建廠初期，燃料的收集范圍一般按式（1）計算得出：

式中：M為秸稈發(fā)電廠每年所需燃料量，kg；R為秸稈收購半徑，m；η1為秸稈可獲得系數(shù)；η2為秸稈可供應(yīng)系數(shù)；M2為單位面積秸稈產(chǎn)量，kg。

由于各地農(nóng)民種植習(xí)慣和收割方式的不同及部分秸稈用于農(nóng)民自用、造紙、養(yǎng)殖、沼氣和建筑原料等用途，全國秸稈可獲得系數(shù)平均值η1約為0.5。

在秸稈可供應(yīng)范圍內(nèi)，部分秸稈地處邊遠(yuǎn)地區(qū)，道路不暢通，或因農(nóng)忙農(nóng)民不愿意出售秸稈等原因都會影響秸稈可供應(yīng)量，可供應(yīng)系數(shù)一般為η2=0.3～0.5。

式（1）中，

式中：M1為農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量；K為草谷比。

不同文獻(xiàn)中的草谷比差異非常大，其原因在于測試的條件不同。有的文獻(xiàn)中秸稈包括了農(nóng)作物地下的根部，因此草谷比較高。含水量不同和植株的品種不同（高稈和矮稈）也是影響草谷比的因素。但近年來隨著農(nóng)作物新品種的培育和栽培措施的不斷改善，農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高，草谷比呈下降趨勢。

不同農(nóng)作物的K、M1及根據(jù)M1下限值計算出的秸稈產(chǎn)量M2見表2。

表2 不同農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量Tab.2 Yield of different straw stalks

2.2 算例

下面以2×12 MW和2×25 MW秸稈發(fā)電廠為例，分別計算燃料收集半徑，計算結(jié)果如表3。其中，計算原則如下：

（1）單位面積秸稈產(chǎn)量M2按表2選取。

（2）η1=0.5，η2=0.3。

（3）農(nóng)作物生長期取為1年。

（4）2×12 MW和2×25 MW秸稈發(fā)電廠年均秸稈消耗量分別為16萬t和32萬t。

表3 燃料收集半徑 RR計算結(jié)果Tab.3 Collecting raddiiuuss RR of different straw stalks km

由表3可以看出，當(dāng)裝機規(guī)模為2×12 MW或1× 25 MW時，如采用玉米、水稻、小麥或棉花作為主要燃料，其燃料收集半徑為26～32 km；當(dāng)裝機規(guī)模為2× 25 MW時，燃料的收集半徑為37～45 km。同時也可看出，大豆和油菜因其秸稈產(chǎn)量較低，燃料收集半徑比較大。

3 部分已投產(chǎn)電廠實際燃料收集半徑

3.1 概述

為了驗證式（1）的準(zhǔn)確性，對設(shè)計燃料收集半徑為30 km以內(nèi)的多個已經(jīng)投產(chǎn)運行的秸稈發(fā)電廠的燃料收集范圍進(jìn)行了調(diào)查，主要情況匯總?cè)缦拢?/p>

（1）國能遼源生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為1×30 MW，燃料為玉米秸稈、稻殼、樹枝、木屑、玉米芯、松果、松籽殼等，燃料實際收集半徑平均為50 km，最遠(yuǎn)至70 km左右。

（2）江蘇國信如東生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為1×25 MW，設(shè)計燃料主要為稻草、麥稈，實際燃料為稻草、麥稈、稻殼、木屑、桑樹根、樹枝等，由于當(dāng)?shù)夭堇K業(yè)較為發(fā)達(dá)，與發(fā)電廠爭奪秸稈的情況較為嚴(yán)重，再加上造紙廠的競爭，實際燃料收集半徑遠(yuǎn)超過50 km，燃料價格也高達(dá)300～400元/t。

（3）江蘇國信淮安生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為2×15 MW，燃料為稻草、麥稈、稻殼、樹皮及松針等，燃料大多可在50 km范圍內(nèi)獲得。電廠原預(yù)計燃料價格約為220元/t，實際燃料平均收購價格約為270元/t。

（4）中節(jié)能宿遷生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為2×12 MW，燃料主要為稻草、麥稈、樹皮、樹根、花生殼、稻殼等。宿遷是農(nóng)業(yè)市，每年可收1季稻和1季麥，生物質(zhì)燃料十分豐富。但是，由于宿遷市建有4家秸稈發(fā)電廠，收購秸稈的壓力相當(dāng)大。目前燃料收購半徑為50～80 km，大部分燃料是未經(jīng)處理的散料，收購價格為230～240元/t。

（5）國能東海生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為2×12 MW，燃料的80%為整包的稻草及麥稈，其余20%為稻殼和木屑等，燃料基本可在半徑50 km收集到。每年7～8月份為燃料收購淡季，機組不能滿負(fù)荷運行。

（6）國能浚縣生物質(zhì)發(fā)電有限公司。

裝機規(guī)模為1×30 MW，燃料為小麥稈、玉米稈、辣椒稈、花生稈、花生殼、麥糠、玉米芯、木塊、樹皮等。燃料收集半徑一般在50～60 km范圍內(nèi)，有時也要到70～80 km處收集燃料。燃料價格為：玉米包料270元/t，麥稈包275元/t，花生稈包265元/t，花生殼300元/t。

（7）國能高唐生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為1×25 MW機組，實際燃料為棉稈（占60%～70%）、玉米稈、樹皮、花生殼、麥糠及梨核等。一般收購半徑為50 km左右，但收購樹皮的最遠(yuǎn)距離為500～600 km。燃料收購價格為200～230元/t。

（8）大唐安慶生物質(zhì)發(fā)電廠。

裝機規(guī)模為1×30 MW，燃料為棉稈、稻殼、樹枝、木材加工廠的下角料等，電廠的燃料收購距離最遠(yuǎn)到200 km以外。原來估計燃料價格為200元/t左右，實際價格已接近400元/t。燃料收集困難的主要原因是燃料分布太分散，以及一些造紙企業(yè)與電廠爭燃料。

（9）華能長春生物質(zhì)熱電廠。

裝機規(guī)模為2×15 MW，燃料以玉米秸稈為主，適量摻燒部分棉稈、果木枝條、稻殼等硬質(zhì)秸稈。設(shè)計時預(yù)計收購半徑25 km，實際收購半徑一般180 km，最遠(yuǎn)距離為260 km。以前收購價格為245元/t，目前已漲到276元/t。

3.2 原因分析及η1和η2的修改建議

由以上秸稈發(fā)電廠的實際運行情況可以看出,燃料的收集半徑并不像理論計算的那樣，2×12 MW、1× 25 MW或1×30 MW機組可以在30 km范圍內(nèi)獲取燃料，而是都要擴大到50 km范圍，有些電廠還需要到遠(yuǎn)大于50 km的地方收購燃料。分析其原因，主要有以下幾個方面：

（1）對農(nóng)民自用、還田、沼氣和飼料等其他用途的秸稈消耗量估計不足。

（2）其他以農(nóng)作物秸稈為原料的企業(yè)，如造紙廠、草繩生產(chǎn)廠、食用菌生產(chǎn)廠等與秸稈發(fā)電廠爭燃料的情況很普遍。

（3）秸稈分布比較分散，收集困難較大，使得有一部分秸稈收集不上來。

（4）秸稈收獲季節(jié)農(nóng)民忙于搶收和搶種糧食，賣秸稈的積極性不高，如果經(jīng)紀(jì)人不來收，農(nóng)民很少有剩余勞動力收集和出售秸稈。

（5）建廠前對秸稈資源量的估算不夠準(zhǔn)確，通常是籠統(tǒng)地將農(nóng)作物產(chǎn)量乘以草谷比得到估算值，沒考慮按照農(nóng)作物品種和地域差別對草谷比進(jìn)行適當(dāng)修正。

（6）由于國家不限制生物質(zhì)發(fā)電廠的發(fā)電量，秸稈發(fā)電廠一般都會靠增加發(fā)電小時數(shù)來爭取利潤，從而擴大了燃料收集范圍。

由公式（1）可知，原因（1）、（2）由秸稈可獲得系數(shù)η1表達(dá)，原因（3）、（4）由秸稈可供應(yīng)系數(shù)η2表達(dá)，對燃料收集半徑估算的準(zhǔn)確度影響很大。鑒于取η1= 0.5和η2=0.3時應(yīng)用公式（1）估算出的30 km燃料收集半徑經(jīng)實際檢驗證明是50 km，因此應(yīng)對η1和η2的取值范圍進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。具體推導(dǎo)如下：

對于公式（1），在每年所需燃料量M和單位面積秸稈產(chǎn)量M2不變的條件下，若燃料收集半徑由30 km修正為50 km，則η1η2應(yīng)減小0.36倍。按η1和η2對等分擔(dān)的原則，建議η1取值由0.5修改為0.25～0.35，一般取0.3；η2取值范圍由0.3～0.5修改為0.16～0.2，一般取0.18。

此外，原因（5）其實是對M2的估算不夠精細(xì)，只需適當(dāng)注意并參照本文引述的相關(guān)數(shù)據(jù)計算，一般可以解決。而原因（6）則可在設(shè)計初期通過公式（1）并取η1=0.3和η2=0.18，求得合理燃料收集半徑（建議取50 km）內(nèi)的可利用秸稈資源量后，反推機組年利用小時數(shù)得以消除。

4 關(guān)于燃料收集半徑及裝機規(guī)模的建議

在機組年利用小時數(shù)不變的情況下，電廠每年所需燃料量由裝機規(guī)模決定。由公式（1）可知，R與M成正相關(guān)。因此，秸稈發(fā)電廠的裝機規(guī)模越大，M越大，R也越大。由本文第1節(jié)研究可知，R越大，電廠經(jīng)濟(jì)性越差。當(dāng)燃料收集半徑由30 km擴大到50 km時，秸稈發(fā)電廠年利潤率下降20%～30%。調(diào)查結(jié)果表明，燃料收集半徑為50 km時，電廠的盈利能力基本處于臨界狀態(tài)。

根據(jù)對已投產(chǎn)運行的秸稈發(fā)電廠的燃料收集半徑和盈利能力分析研究，并聽取設(shè)計專家和運行專家的意見，建議：秸稈發(fā)電廠的燃料收集半徑以不大于50 km為宜；對于單季農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，秸稈發(fā)電廠的裝機規(guī)模不宜大于30 MW。

5 結(jié)論

（1）秸稈發(fā)電廠的燃料收集半徑對其經(jīng)濟(jì)性有較大影響。收集半徑越大，運輸費用越高，電廠的燃料成本也相應(yīng)增大，利潤也就越低。經(jīng)計算，燃料收集半徑由30 km增加到50 km時，秸稈發(fā)電廠的盈利能力降低20%～30%。

（2）目前廣泛采用的秸稈發(fā)電廠燃料收集半徑估算公式的物理意義是正確的，但估算結(jié)果約比實際小40%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，其原因主要在于對農(nóng)作物秸稈用于其他用途等不利因素估計不足，η1和η2取值偏大。經(jīng)分析測算，建議：η1取值由0.5修改為0.25～0.35，一般取0.3；η2取值范圍由0.3～0.5修改為0.16～0.2，一般取0.18。

（3）秸稈發(fā)電廠的燃料具有熱值低、密度小、不易整理和運輸?shù)奶攸c。因此，應(yīng)以合理范圍內(nèi)可利用的秸稈資源量確定秸稈發(fā)電廠的裝機規(guī)模，不宜片面追求較大的裝機規(guī)模。建議：燃料收集半徑為50 km，裝機規(guī)模為30 MW。

[1]黃明皎，崔巖.國家標(biāo)準(zhǔn)《秸稈發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》專題報告之一：廠外燃料收集、儲存及運輸研究[R].長春：東北電力設(shè)計院，2010.

[2]賈小黎.秸稈直接燃燒供熱發(fā)電項目：資源可供性調(diào)研和相關(guān)問題研究（1）[J].太陽能，2006（2）：9-15.

[3]賈小黎.秸稈直接燃燒供熱發(fā)電項目：資源可供性調(diào)研和相關(guān)問題研究（2）[J].太陽能，2006（3）：7-11.

[4]賈小黎.秸稈直接燃燒供熱發(fā)電項目：資源可供性調(diào)研和相關(guān)問題研究（3）[J].太陽能，2006（4）：10-15.

[5]崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（12）：291-296.

[6]宋景陽.秸稈發(fā)電廠規(guī)劃容量和秸稈收集[R].長春：東北電力設(shè)計院，2009.