秸稈直燃生物質電廠動態發電成本分析

趙浩亮，張 旭，翟明嶺

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

隨著我國人口、經濟的不斷增長，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標煤增加到2013年的34.0億t標煤［1-2］.礦物能源的消耗造成嚴重的環境污染，為減緩經濟高速增長對環境和能源容量的制約，人們開始利用可再生能源，生物質就是其中的形式之一.但目前由于對生物質電廠成本結構的構成不清楚，導致多數生物質電廠經營困難，甚至出現虧損的現象，如何準確、清晰地分析生物質電廠的成本，對生物質電廠的運營有重要意義.

郝德海［3］從秸稈電廠的投資回收期、凈現值和內部收益率等方面分析秸稈發電成本；王學峰［4］通過建立綜合運輸成本、存儲成本和運行費用模型，研究生物質電廠的燃料運輸成本和燃料的物流調度方案；賈小黎［5］通過分析單縣、宿遷生物質直燃發電項目，給出發電成本及收益的范圍；李梁杰［6］建立經濟效益模型來分析生物質發電項目的可持續性；Kumar等［7］建立模型求解不同生物質原料所對應的發電容量及發電成本；Shabani等［8］利用非線性規劃模型優化生物質電廠的運行成本；李斌等［9］采用熱經濟學模型，求解機組各組件的單位成本.以上模型奠定了生物質發電成本分析的基礎，但對于生物質發電的實時成本（即動態成本）鮮有提及，而生物質電廠的動態成本分析可為電廠提供運行管理和生產經營的決策信息.鑒于此，筆者結合火力發電成本研究方法，以月為單位建立動態成本模型并分析討論生物質發電成本.

1 生物質發電成本構成

動態成本分析法利用經濟學方法分析發電成本，對成本變化進行監視、計算和分析［10］.該分析方法的特點在于其動態性、實時性，動態性指通過分析可得到不同工況、不同發電負荷下的發電燃料耗率和發電成本，而不是每年的平均發電成本；實時性是相對于一年為周期的財務計算而言，可得到每月、每天甚至每時的發電成本.進行生物質電廠的動態成本分析可為電廠提供運行管理和生產經營的決策信息，為生物質發電的成本分析提供參考依據，從而提高生物質發電的市場競爭力.

生物質發電成本包括固定成本和變動成本［11］，其成本構成如圖1所示，其中固定成本包括折舊費、大修費、材料費、工資福利以及其他固定成本［12］，該部分費用通過分配計入發電成本；變動成本包括燃料費、水費以及廠用電費，該部分費用直接計入發電成本［13］.折舊費是以年為單位的，但在生物質發電動態成本分析中可根據每月或每日的發電量進行分攤，因電廠每月使用的生物質燃料不同，所以筆者以每月進行分攤.另外變動成本中廠用電費和水費相對比較固定，而燃料費卻隨著發電燃料的不同變化較大.

圖1 生物質發電成本構成Fig.1 Cost structure of the biomass power generation

2 成本分攤方法

2.1 固定成本

固定成本中固定資產折舊費通過分攤計入發電成本，變動成本直接計入發電成本.固定成本指成本總額在一定時期和一定業務量范圍內，不受電廠發電量增減影響而保持不變的成本.生物質電廠的固定資產折舊費屬于固定成本，指的是固定資產在運行過程中由于磨損或損耗而轉移到產品成本中的那部分費用，由于生物質電廠項目投資比一般燃煤電廠高，所以其固定資產折舊費在發電成本中所占的比例較高.

由于資金的價值會隨著時間發生變化，即時間不同，相同數額資金的價值也有差異［13-14］，故采用等額支付折算法來計算固定資產的年折舊費.

式中：A為等額折舊費，元；C為投資費用，元；i為社會貼現率加通貨膨脹率；n為使用年限.

上述計算方法求出的折舊費以年為單位，傳統計算發電成本的方法直接用折舊費與年發電量的比值來確定固定成本在發電成本中的分攤額，但該方法忽略了機組運行特性，得出的結果是均值，其參考價值有限.生物質發電的年固定成本中折舊費的分攤與機組容量和負荷特性有關，因為機組在不同負荷條件下工作時的磨損和損耗不同，以月為單位按照全年發電負荷對固定成本分攤可得到電廠的月發電成本，另外由于每月燃料和發電負荷的差異，計算得出的發電成本也有所不同.

夏友斌［10］、張曉瑾［13］等提出的依據火電廠峰荷、腰荷和谷荷分攤固定成本的方法如圖2所示.在圖2中，RP、RM、RV分別為峰荷NP、腰荷NM、谷荷NV所對應的系統容量，t為不同負荷所對應的時間段.

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

根據以上方法，結合秸稈直燃生物質電廠的負荷特性求解生物質發電的動態成本.生物質電廠的年負荷曲線如圖3所示.

圖3 生物質電廠的年負荷曲線Fig.3 Annual load curves of a biomass power plant

在圖3中，ti為負荷Ni所對應的時間段，i＝1，2，3，…，12；Ri為負荷Ni所對應的系統容量，R1＝N1，Ri＝Ni-Ni-1（i≥2），該系統容量對應的運行時間為，i＝1，2，3，…，12.

設K為單位系統容量所承擔的固定成本，則

化簡后KN12＝A，即K＝A／N12.

（1）負荷N1對應系統容量R1所占用的固定成本為KR1，根據上述分析在負荷N1對應的時間段所占用的固定成本M1為：

負荷N1對應時間段單位發電量所對應的固定成本A1［10，13］為：

（2）負荷N2所對應的系統容量分為2部分，即R1和R2.R1包含的固定成本在N2對應時間段的分攤值M21為：

R2包含的固定成本在N2對應時間段的分攤值M22為：

負荷N2對應時間段所占用的固定成本［10，13］M2為：

負荷N2對應時間段單位發電量所對應的固定成本A2為：

（3）負荷N3所對應的系統容量分為R1、R2和R3.R1包含的固定成本在N3對應時間段的分攤值M31為：

R2包含的固定成本在N3對應時間段的分攤值M32為：

R3包含的固定成本在N3對應時間段的分攤值M33為：

負荷N3對應時間段所占用的固定成本［10，13］M3為：

負荷N3對應時間段單位發電量所對應的固定成本A3為：

根據以上分析可得出負荷Ni對應時間段單位發電量所對應的固定成本為：

對式（14）進行如下驗證：

說明該分攤公式沒有引起固定成本的改變.

固定成本中大修費指每月為發電機組的正常使用、運轉而對設備進行定期大修理的費用，如對機器設備進行拆卸和更換部分主要部件等.

固定成本中材料費指在生物質發電過程中所耗用的材料、低值易耗品等，以及不應計入燃料費的其他生產用燃料所支付的費用.在電力企業中，電力和熱力是一次能轉換為二次能的結果，燃料費在生產費用中所占比例較大而材料費僅起輔助作用.

固定成本中工資福利指支付給生產和管理人員的工資和津貼費用.

固定成本中其他費用也稱管理費用，指行政管理部門為組織和管理經營活動而發生的各項費用.另一種說法是不屬于以上固定成本但應計入產品成本的其他費用.

2.2 變動成本

變動成本與固定成本相反，變動成本是指成本的總發生額在相關范圍內隨著電廠發電量的變動而呈線性變動的成本.燃料費、廠用電費以及水費都是典型的變動成本，在一定時期內它們的發生總額與發電量成正比例變動.

燃料費是指生產電力所用的生物質燃料的費用.廠用電費是指向網外單位購入電量的電費.水費是指發電用的外購水費.

3 案例分析

以初投資3億元、壽命40年［14］（由于生物質電廠在我國起步較晚，故其壽命暫采用火電廠壽命）的某生物質電廠作為研究對象，年折舊費為3 067.8萬元，該電廠2012年發電負荷及秸稈用量分別見圖4和圖5.

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

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

廠用電價按平均0.835元／（kW·h）［2］計算，燃料費分別按照200元／t、250元／t和300元／t計算，廠用水費按3.5元／t［2，10］計算，工人人數120人，月工資3 500元／人［2］，材料費2萬元／月［12］，電廠大修費15萬元／月［2，10，13］，管理及其他費用按20 萬元／月進行計算.

發電成本計算結果如圖6所示，各成本所占比例見表1.

圖6 不同燃料價格對應的發電成本Fig.6 Cost of power generation vs.fuel price

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

從上述計算結果可知，當秸稈價為200 元／t時，發電成本最小值為0.61元／（kW·h），最大值為0.69元／（kW·h）；當秸稈價為250元／t時，發電成本最小值為0.68元／（kW·h），最大值為0.77元／（kW·h）；當秸稈價為300元／t時，發電成本最小值為0.75元／（kW·h），最大值為0.85元／（kW·h）.該生物質電廠發電成本最小值發生在12月份，最大值發生在7月份，因7月份電廠停機檢修，發電量較少，機組在低負荷下運行，效率較低，故其發電成本較高，而12月份由于機組負荷較大，效率高，單位發電量消耗的燃料較少，故其發電成本較低.另外，燃料費在總成本中所占比例均超過50%，固定成本分攤值超過20%.

4 發電成本敏感性分析

成本構成中各成本按照-20%、-15%、-10%、-5%、0、5%、10%、15%和20%規律變化，計算過程中秸稈價為250元／t，其計算結果見圖7.

根據圖7可得出，在同樣條件下，燃料費的變化對生物質電廠發電成本的影響最大，占發電成本的50%以上，而折舊費和廠用電費其次.燃料價格降低10%和20% 時，發電成本分別降低5.09% 和10.17%，固定成本折舊費降低10%和20%時，發電成本分別降低2.16%和4.31%.降低生物質燃料成本對降低發電成本有很大意義.另外根據各個生物質電廠的運行特性，通過適當地延長發電時間，使發電量增加，則發電成本也會明顯下降.

5 結 論

（1）以初投資3億元、壽命40年的某生物質電廠為研究對象，設置場景進行研究，得出當秸稈價為200元／t時，發電成本最小值為0.61元／（kW·h），最大值為0.69元／（kW·h）；當秸稈價為250元／t時，發電成本最小值為0.68元／（kW·h），最大值為0.77元／（kW·h）；當秸稈價為300元／t時，發電成本最小值為0.75元／（kW·h），最大值為0.85元／（kW·h）.

（2）通過發電成本敏感性分析，得出燃料費的變化對生物質電廠發電成本的影響最大，占發電成本的50%以上，而折舊費和廠用電費其次，當燃料價格降低10%和20%時，發電成本分別降低5.09%和10.17%，降低生物質燃料成本對降低發電成本有很大意義.

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