秸稈發電廠燃料收集半徑與裝機規模

劉鋼，黃明皎

（東北電力設計院，長春市，130021）

0 引言

我國是農業大國，生物質能資源豐富，具有建設秸稈發電廠的良好條件。可用作秸稈發電廠燃料的生物質能資源不僅包括農作物秸稈，還包括農產品加工副產品及廢棄物、林業廢棄物和能源作物等。雖然秸稈發電廠燃料的種類繁多，有軟質的、有硬質的，有枝狀的、有散碎的，但它們都具有熱值低、密度小、松散、雜亂的自然形態和易燃性。如松散狀態下的稻草和小麥稈的密度為40～50 kg/m3，打成包后軟質秸稈的密度為200～250 kg/m3。這就決定了秸稈發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電廠的燃料收集范圍不宜太大，進而決定了裝機規模。

影響燃料收集范圍或可獲取量的因素包括農作物的種類和生長周期、種植習慣和收割方式、已用于其他用途的秸稈量及農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。

調查發現，秸稈發電廠實際運行時的燃料收集范圍遠遠超出建廠前按經驗公式估算出的預測值，使電廠運行的穩定性和經濟性受到較大影響。因此，有必要根據實際運行情況，對現有公式進行修正，以減小燃料收集范圍的估算誤差，提高秸稈發電廠的運行穩定性和經濟性。

1 燃料收集半徑對收購成本和電廠利潤的影響

長春地區某運行秸稈發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）內部收益率8%。

（6）吉林省標桿電價為400.7元/（MW·h），生物質發電廠補貼為250元/（MW·h），售電電價為650.7元/（MW·h）。

（7）1×25 MW凝汽機組，工程靜態投資2.61億元。

（8）1×25 MW供熱機組，工程靜態投資2.9億元。

表1為1×25 MW秸稈發電廠利潤計算結果。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，建廠前應盡量準確地估算燃料收集范圍，以降低電廠投產后的盈利風險。

表1 1×25 MW秸稈發電廠利潤計算結果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；η2為秸稈可供應系數；M2為單位面積秸稈產量，kg。

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

在秸稈可供應范圍內，部分秸稈地處邊遠地區，道路不暢通，或因農忙農民不愿意出售秸稈等原因都會影響秸稈可供應量，可供應系數一般為η2=0.3～0.5。

式（1）中，

式中：M1為農作物單位面積產量；K為草谷比。

不同文獻中的草谷比差異非常大，其原因在于測試的條件不同。有的文獻中秸稈包括了農作物地下的根部，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。但近年來隨著農作物新品種的培育和栽培措施的不斷改善，農作物產量不斷提高，草谷比呈下降趨勢。

不同農作物的K、M1及根據M1下限值計算出的秸稈產量M2見表2。

表2 不同農作物秸稈產量Tab.2 Yield of different straw stalks

2.2 算例

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

（1）單位面積秸稈產量M2按表2選取。

（2）η1=0.5，η2=0.3。

（3）農作物生長期取為1年。

（4）2×12 MW和2×25 MW秸稈發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計算結果Tab.3 Collecting raddiiuuss RR of different straw stalks km

由表3可以看出，當裝機規模為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；當裝機規模為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量較低，燃料收集半徑比較大。

3 部分已投產電廠實際燃料收集半徑

3.1 概述

為了驗證式（1）的準確性，對設計燃料收集半徑為30 km以內的多個已經投產運行的秸稈發電廠的燃料收集范圍進行了調查，主要情況匯總如下：

（1）國能遼源生物質發電廠。

裝機規模為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，最遠至70 km左右。

（2）江蘇國信如東生物質發電廠。

裝機規模為1×25 MW，設計燃料主要為稻草、麥稈，實際燃料為稻草、麥稈、稻殼、木屑、桑樹根、樹枝等，由于當地草繩業較為發達，與發電廠爭奪秸稈的情況較為嚴重，再加上造紙廠的競爭，實際燃料收集半徑遠超過50 km，燃料價格也高達300～400元/t。

（3）江蘇國信淮安生物質發電廠。

裝機規模為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范圍內獲得。電廠原預計燃料價格約為220元/t，實際燃料平均收購價格約為270元/t。

（4）中節能宿遷生物質發電廠。

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

（5）國能東海生物質發電廠。

裝機規模為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，機組不能滿負荷運行。

（6）國能浚縣生物質發電有限公司。

裝機規模為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，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）國能高唐生物質發電廠。

裝機規模為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）大唐安慶生物質發電廠。

裝機規模為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，以及一些造紙企業與電廠爭燃料。

（9）華能長春生物質熱電廠。

裝機規模為2×15 MW，燃料以玉米秸稈為主，適量摻燒部分棉稈、果木枝條、稻殼等硬質秸稈。設計時預計收購半徑25 km，實際收購半徑一般180 km，最遠距離為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范圍內獲取燃料，而是都要擴大到50 km范圍，有些電廠還需要到遠大于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）其他以農作物秸稈為原料的企業，如造紙廠、草繩生產廠、食用菌生產廠等與秸稈發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）秸稈收獲季節農民忙于搶收和搶種糧食，賣秸稈的積極性不高，如果經紀人不來收，農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確，通常是籠統地將農作物產量乘以草谷比得到估算值，沒考慮按照農作物品種和地域差別對草谷比進行適當修正。

（6）由于國家不限制生物質發電廠的發電量，秸稈發電廠一般都會靠增加發電小時數來爭取利潤，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η1表達，原因（3）、（4）由秸稈可供應系數η2表達，對燃料收集半徑估算的準確度影響很大。鑒于取η1= 0.5和η2=0.3時應用公式（1）估算出的30 km燃料收集半徑經實際檢驗證明是50 km，因此應對η1和η2的取值范圍進行相應調整。具體推導如下：

對于公式（1），在每年所需燃料量M和單位面積秸稈產量M2不變的條件下，若燃料收集半徑由30 km修正為50 km，則η1η2應減小0.36倍。按η1和η2對等分擔的原則，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，只需適當注意并參照本文引述的相關數據計算，一般可以解決。而原因（6）則可在設計初期通過公式（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）內的可利用秸稈資源量后，反推機組年利用小時數得以消除。

4 關于燃料收集半徑及裝機規模的建議

在機組年利用小時數不變的情況下，電廠每年所需燃料量由裝機規模決定。由公式（1）可知，R與M成正相關。因此，秸稈發電廠的裝機規模越大，M越大，R也越大。由本文第1節研究可知，R越大，電廠經濟性越差。當燃料收集半徑由30 km擴大到50 km時，秸稈發電廠年利潤率下降20%～30%。調查結果表明，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。

根據對已投產運行的秸稈發電廠的燃料收集半徑和盈利能力分析研究，并聽取設計專家和運行專家的意見，建議：秸稈發電廠的燃料收集半徑以不大于50 km為宜；對于單季農作物產區，秸稈發電廠的裝機規模不宜大于30 MW。

5 結論

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

（2）目前廣泛采用的秸稈發電廠燃料收集半徑估算公式的物理意義是正確的，但估算結果約比實際小40%。經分析發現，其原因主要在于對農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）秸稈發電廠的燃料具有熱值低、密度小、不易整理和運輸的特點。因此，應以合理范圍內可利用的秸稈資源量確定秸稈發電廠的裝機規模，不宜片面追求較大的裝機規模。建議：燃料收集半徑為50 km，裝機規模為30 MW。

[1]黃明皎，崔巖.國家標準《秸稈發電廠設計規范》專題報告之一：廠外燃料收集、儲存及運輸研究[R].長春：東北電力設計院，2010.

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