生物質發電中農戶秸稈供應成本敏感性分析

翟明嶺，　張　旭，　程　飛，　趙浩亮，　蘇　醒

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092)

?

生物質發電中農戶秸稈供應成本敏感性分析

翟明嶺，張旭，程飛，趙浩亮，蘇醒

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092)

摘要：針對生物質發電中秸稈收集困難的問題，對秸稈供應構建4種模式：人工收集主動運送模式、機械收集主動運送模式、人工收集等待收購模式和機械收集等待收購模式，建立農戶秸稈供應成本模型，計算不同模式的成本，并對不同的重要因素進行單因素敏感性分析.結果表明：人工收集模式比機械收集模式成本低，但受人力工資影響大，當人力工資≥18元/h時，人工收集主動運送模式成本最高；當土地面積>0.667 hm2時所有模式的成本穩定，變化不大；運輸距離對人工收集模式成本的影響大于機械收集模式，留茬高度越低影響越大；作物產量水平越高，越適合機械收集模式.

關鍵詞：秸稈； 生物質發電； 供應成本； 成本模型； 敏感性分析

中國秸稈資源豐富，可利用量達6～8億t[1-2]，但常被農民直接焚燒造成面源污染[3]，成為一大環境難題.因此，我國大力發展生物質發電項目以期解決該問題，但卻面臨秸稈原料收購困難的新問題[4-5].現有的研究[6-14]主要從電廠角度出發，在電廠秸稈需求量下進行一個地區內秸稈收儲運的研究，如邢愛華等[7]根據秸稈資源島式分布的特征對電廠秸稈收集過程的能耗、成本、排放等進行計算；劉華財等[8]對不同收儲運模式進行成本比較；徐亞云等[9]則對不同秸稈收儲運模式成本、能耗、人工和設備投入等進行比較；于曉東等[10]對秸稈收購過程進行模擬.上述研究僅基于電廠角度，未反映秸稈初始擁有者(農戶)的供應成本，而我國大部分地區的耕作模式是以戶為單位的，因此應增加從農戶角度的秸稈供應成本研究.農戶供應成本大小決定秸稈供應的穩定性，需將農戶的秸稈供應成本作為一個獨立問題來進行分析，在此基礎上再進行收儲運問題研究，才更具準確性和合理性.筆者建立了4種農戶秸稈供應模式來計算成本構成，對重要的幾種影響因素進行敏感性分析，研究結果將對利用經濟手段減少農戶就地焚燒秸稈，提高供應生物質電廠的積極性有一定指導意義.

1農戶秸稈供應成本模型

為方便討論，文中進行如下假設：(1) 該地區農作物產量密度無差別；(2) 不考慮天氣、地形等因素的影響；(3) 農戶秸稈全部出售；(4) 秸稈供應模式.收集并主動運送模式和收集等待收購模式，每種又細化為A(人工收集主動運送模式)、B(機械收集主動運送模式)、C(人工收集等待收購模式)和D(機械收集等待收購模式)4種(見圖1).農戶對收購商身份不作考慮.

圖1　農戶秸稈供應模式

農戶秸稈供應成本計算公式為

(1)

式中：Δch為收割成本增加量，元/t；cc為收集成本，元/t；ct為運輸成本，元/t；cs為儲存成本，元/t，其中農戶的人工工作時間計算以h為單位.

1.1秸稈收割成本增加量

秸稈資源總量Q的計算式為

Q=αk1k2A

(2)

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

農作物的收割留茬高度在市場上存在3種標準，降低留茬高度可提高秸稈產量，但帶來了收割成本(柴油消耗量、人工等)的增加，以30 cm為基準計算不同留茬高度下收割成本的增加量.秸稈收割相關參數見表1.

設30 cm留茬高度時Δch=0，改變留茬高度，則會帶來收割柴油消耗量和收割耗時的增加，因此而帶來的成本增量為

(3)

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

表1　不同留茬高度的相關參數[15-16]

1.2秸稈收集成本

采取人工收集時效率為每小時Qcp；采取機械收集時農戶租賃秸稈打捆機，效率為每小時Qcm，打捆機收費為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和機械收集成本ccm分別為

(4)

(5)

其中C、D模式下農戶將秸稈堆垛儲存，增加10%的堆垛成本.

1.3秸稈運輸成本

農戶使用自有拖拉機掛車(僅1輛)運送秸稈，完成所有秸稈運送所需次數為Nt=INT(Q/mt)+1，其中INT為求整函數.本文計算所采取的拖拉機掛車參數見表2.單次運輸空載和滿載的運程比為1∶1，拖拉機單位載重公里的運輸柴油消耗量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　農用拖拉機掛車參數[8-9,17]

注：1)表中載重量2個數值分別對應秸稈狀態為散桿和秸稈包時的拖拉機載重量.

秸稈運送至收儲站，還需花費質檢、稱重等其他必需時間，取0.5 h.

運輸成本為

(7)

式中：β為道路曲折因子，取1.4；lt為運輸距離，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為車輛維護成本，為車輛價格的5%、一年365天平攤，元.

1.4儲存成本

C、D模式下農戶需儲存秸稈，將秸稈臨時存放在田間地頭，不另建存儲場地.為確保秸稈不因下雨等原因導致質量受損，農戶需購買防水帆布，面積等于堆垛表面積，折舊10年，殘值為0.堆垛高度為3 m，假設堆垛形狀為方形，則帆布面積為

(8)

儲存成本為

cs=pcAc/10Q

(9)

式中：pc為帆布價格，元/m2；Ac為帆布面積，m2.

2成本計算結果

2.1計算參數設置

選取江蘇省某縣為例進行分析,該縣位于江蘇省東南部，是小麥、水稻和油菜等的主產區.以該地區的小麥秸稈為對象分析供應成本，相應參數見表3和表4.根據筆者調研發現，直接運送秸稈至電廠的距離為3 km以內，因此以3 km為基準計算相應成本并分析距離對成本的影響.

表3　小麥秸稈參數[16-17]

表4　其他相關參數

2.2計算結果

各模式下的秸桿供應成本見圖2，其中A～D對應圖1的供應模式，1～3對應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械收集模式成本要高于人工收集模式，這是因為前者雖提高了收集效率，但租費較高導致成本較高.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，而機械收集模式下成本則降低，這是因為人工收集模式下，隨著留茬高度的降低人工成本增加，而打捆機租費不變，秸稈量的增加可降低總成本.相同收集模式下，運輸與儲存成本相差不大，若農戶不選擇儲存措施則會降低成本19.4～32.4元/t，但無法保證秸稈質量穩定.

從圖2還可以看出不同環節的成本在總成本中的比例.在成本構成中收集成本(包括人工成本和機械成本)占最大比例，無論人工收集成本或機械收集成本，若能找到有效降低收集成本的技術方法則可促進秸稈供應.其次是運輸成本，其中的人工成本在人工收集時要高于機械收集時(運輸油耗折舊等費用不變).儲存成本所占比例較大，這是因為假設防雨帆布為秸稈儲存專用.

圖2　不同模式下秸稈供應成本的比較

3敏感性分析

以模式A1為例進行單因素敏感性分析.圖3給出了人力工資、土地面積、燃料價格及運輸距離對模式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、運輸距離和燃料價格，其中土地面積為負向作用，其余為正向.土地面積變化時成本出現波動，這是因為秸稈量的增減導致運輸次數改變，從而導致人工成本的波動.人工收集模式下柴油消耗量較少，因此其對A1成本的影響最小.這4個因素對模式A2和模式A3的影響相似，而對其他模式的影響則不盡相同，具體在下文進行分析.

圖3　A1模式下成本敏感性分析

首先考察人力工資對秸稈供應成本的影響(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，這是由于耗費人工的環節依次降低.當人力工資增加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，對比A、B、C、D 4種模式，當人力工資pp≤12元/h時模式A成本最低，pp≥18元/h時模式A成本最高，而當pp≤10元/h時主動運送更具成本優勢，而當pp≥12元/h時儲存秸稈更具成本優勢.

圖4　不同模式下供應成本與人力工資的關系

圖5給出了不同模式下供應成本與土地面積的關系.由圖5可知，隨著土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，原因是隨著秸稈產量的增加，設備利用率提高.如主動運送時，秸稈量增加，單位秸稈量的車輛折舊維護費隨之減少.模式A、模式B下，成本先隨土地面積的增加而降低，當土地面積A≥0.667 hm2(10畝)時，成本較穩定,變化不大，這是因為所設定生產條件中未考慮規模效應，固定成本只有拖拉機折舊維護成本.模式B較模式A成本波動小，因為秸稈被壓縮后，拖拉機載重量增加，增加同樣的秸稈量所帶來的人工成本增幅較小.而由于散桿堆垛比表面積隨質量增加而減小，秸稈壓縮后形狀規則，質量對比表面積的影響不顯著，因此模式D較模式C成本變化小.

運輸距離對模式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).運輸距離對模式A的影響大于模式B，這是因為人工收集時的單車運輸量少于機械收集時的單車運輸量，運送次數多，距離越遠，運輸時間越長，運輸人工成本的差別會越大.模式A2和模式A3的斜率大于模式A1，這是因為模式A2和模式A3的運送次數恰比模式A1增加1次，同時當達到34 km時運輸工作增加一天導致成本有一個突增.從圖6還可以看出，在1～40 km內模式A1成本低于模式B1，運輸距離lt≥15 km時模式A2成本高于模式B2，模式B3較模式A3始終具備成本優勢.因此運輸距離越遠，模式B成本優勢越大.

最后考察作物產量水平對成本的影響，結果見圖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個產量水平下的成本，秸稈收集系數依次為1.16、1.08、1.03、1.03、1.02和0.96.從圖7可以看出，產量水平對機械收集模式影響較大，作物產量水平越高，越適合機械收集模式.

(a)

(b)

(c)

(d)

圖6　主動運輸成本與運輸距離的關系

4結論

(1) 不同模式下的成本計算結果顯示，機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械收集模式的成本，農戶若不儲存秸稈則降低成本19.4～32.4元/t，但無法保證質量.

圖7　不同模式下供應成本與產量水平的關系

(2) 同一留茬高度下，人力工資pp≤12元/h時模式A成本最低，pp≥18元/h時模式A成本最高；pp≤10元/h時主動運送較儲存成本低，當pp≥12元/h時儲存秸桿更具成本優勢.

(3) 隨土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，主動運輸成本變化幅度大于儲存成本，當土地面積≥0.667 hm2(10畝)時各種模式的成本穩定，在本文設定條件下，土地面積的繼續增加對成本作用輕微，因為未考慮規模效應.

(4) 運輸距離對人工收集模式的影響大于機械收集模式.運輸范圍1～40 km內，模式A1成本始終低于模式B1，當運輸距離≥15 km時模式A2成本高于模式B2，模式B3成本始終低于模式A3.當運輸距離>34 km時，模式A2和模式A3運輸工作時間增加一天，導致成本有一個突增.

(5) 本文目的是分析目前中國農業分散現狀下的成本.農戶的投入除拖拉機之外按照市場價格進行設置，因此未考慮機械收集模式的規模效應，后續研究工作需要結合不同耕地面積規模和機械收集模式的規模效應進行分析.

參考文獻：

[1]畢于運,高春雨,王亞靜,等.中國秸稈資源數量估算[J].農業工程學報,2009,25(12):211-217.

BI Yuyun,GAO Chunyu, WANG Yajing,etal.Estimation of straw resources in China[J].Transactions of the CSAE,2009,25(12):211-217.

[2]崔明,趙立欣,田宜水,等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報,2008,24(12)：291-296．

CUI Ming, ZHAO Lixin, TIAN Yishui,etal. Analysis and evaluation on energy utilization of main crop straw resources in China[J].Transactions of the CSAE,2008,24(12)：291-296．

[3]QIN Y, XIE S D. Historical estimation of carbonaceous aerosol emissions from biomass open burning in China for the period 1990-2005[J]. Environmental Pollution,2011,159(12): 3316-3323.

[4]吳創之,周肇秋,陰秀麗,等.我國生物質能源發展現狀與思考[J].農業機械學報,2009,40(1):91-99.

WU Chuangzhi, ZHOU Zhaoqiu, YIN Xiuli,etal. Current status of biomass energy development in China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(1):91-99.

[5]李劍鋒,胡亞山.江蘇省秸稈電廠投資運營狀況分析[J].電力技術經濟,2009,21(5):18-22.

LI Jianfeng, HU Yashan. Analysis on investment and operation of straw-fired power plants in Jiangsu province[J]. Electric Power Technologic Economics,2009,21(5):18-22.

[6]趙浩亮，張旭，翟明嶺.秸稈直燃生物質電廠動態發電成本分析[J].動力工程學報,2015,35(5):412-417.

ZHAO Haoliang, ZHANG Xu, ZHAI Mingling. Analysis on dynamic cost of straw direct combustion power generation[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering,2015,35(5):412-417.

[7]邢愛華,劉罡,王垚,等.生物質資源收集過程成本、能耗及環境影響分析[J].過程工程學報,2008,8(2):305-313.

XING Aihua, LIU Gang, WANG Yao,etal. Economic, energy and environment analysis on biomass collection process[J]. The Chinese Journal of Process Engineering,2008,8(2):305-313.

[8]劉華財,陰秀麗, 吳創之.秸稈供應成本分析研究[J].農業機械學報,2011,42(1):106-112.

LIU Huacai, YIN Xiuli, WU Chuangzhi.Costanalysis of crop residue supplies[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(1):106-112.

[9]徐亞云,田宜水,趙立欣,等.不同農作物秸稈收儲運模式成本和能耗比較[J].農業工程學報,2014,30(20)：259-267.

XU Yayun, TIAN Yishui, ZHAO Lixin,etal. Comparation on cost and energy consumption with different straw's collection-store-transportation modes[J]. Transactions of the CSAE, 2014,30(20)：259-267.

[10]于曉東,樊峰鳴.秸稈發電燃料收加儲運過程模擬分析[J].農業工程學報,2009,25(10):215-219.

YU Xiaodong, FAN Fengming.Simulation analysis on fuel collection, processing, storage and transportation used in straw power plant[J]. Transactions of the CSAE,2009,25(10):215-219.

[11]楊樹華,雷廷宙,何曉峰,等.生物質致密冷成型原料最佳收集半徑的研究[J].農業工程學報,2006,22(1)：132-134.

YANG Shuhua, LEI Tingzhou, HE Xiaofeng,etal.Study on economical radius of collected straw in biomass fuel cold compression molding [J].Transactions of the CSAE,2006,22(1)：132-134.

[12]劉罡,邢愛華,王垚,等.生物質利用優化生產規模分析[J]. 清華大學學報(自然科學版),2008,48(9):114-118.

LIU Gang, XING Aihua, WANG Yao,etal.Analysis of the optimum production scale for biomass utilization[J].Journal of Tsinghua University (Science and Technology),2008,48(9):114-118.

[13]NGUYEN M H, PRINCE R G H. A simple rule for bioenergy conversion plant size optimisation: bioethanol from sugar cane and sweet sorghum [J]. Biomass and Bioenergy, 1996, 10(5/6): 361-365.

[14]SOKHANSANJ S, KUMAR A, TURHOLLOW A F. Development and implementation of integrated biomass supply analysis and logistics model (IBSAL) [J]. Biomass and Bioenergy, 2006,30(10): 838-847.

[15]潘躍.小麥留茬高度對聯合收割機作業效能的影響[J].農業科學研究,2010,31(3):31-33.

PAN Yue.Influence of wheat stubble height on operational efficiency of combine harvester[J]. Journal of Agricultural Sciences,2010,31(3):31-33.

[16]顧克軍,許博,顧東祥,等.江蘇省小麥草谷比及麥秸垂直空間分布特征[J].生態與農村環境學報,2015,31(2): 249-255.

GU Kejun, XU Bo, GU Dongxiang,etal. Straw/grain ratio of wheat and vertical distribution of wheat straw in Jiangsu province[J]. Journal of Ecology and Rural Environment,2015,31(2):249-255.

[17]陳麗能,林鴻,徐展峰,等. 農村運輸機械耗油量數學模型的研究[J]. 浙江大學學報(農業與生命科學版),2003,29(2):185-187.

CHEN Lineng, LIN Hong, XU Zhanfeng,etal.Research on the math models of the combustion oil consumption of the farm transport machineries[J]. Journal of Zhejiang University (Agriculture & Life Sciences),2003,29(2):185-187.

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

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ08B09，2011BAJ08B10)

作者簡介：翟明嶺(1987-)，男，山東菏澤人，博士研究生，主要從事生物質發電秸稈供應方面的研究.

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

文獻標志碼：A學科分類號：480.60

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