基于價值工程原理的鄉村秸稈清潔供暖技術經濟評價

叢宏斌，姚宗路，趙立欣※，孟海波，霍麗麗，袁艷文，任雅薇，劉廣華，劉圣勇

（1. 農業農村部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，北京 100125；2. 農業農村部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125；3. 承德市本特生態能源技術有限公司，承德 067000；4. 河南農業大學機電工程學院，鄭州450002）

0 引 言

中國北方地區清潔取暖比例低，特別是部分地區冬季大量使用散煤，大氣污染物排放量大，迫切需要推進清潔取暖[1-2]。這事關北方地區廣大群眾溫暖過冬，事關霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容[3]。截至2016年底，中國北方地區城鄉建筑取暖總面積約206 億m3，其中，農村建筑取暖面積65 億m3[4]。取暖用能主要包括煤炭、天然氣、電能、地熱能、生物質能、太陽能、工業余熱等，其中，燃煤取暖約占取暖總面積的83%，年消耗煤炭4億t標準煤左右，其中散燒煤（含低效小鍋爐用煤）2 億t標準煤，主要分布在農村地區。農村地區散煤使用總量大、時間集中、排放分散，無凈化措施，污染物排放嚴重[5-6]。

中國農作物秸稈豐富，理論資源量超過9億t，仍有2億t左右未得到有效利用[7]。鄉村秸稈清潔供暖通過就地收集原料、就地加工轉化、就近消費，構建鄉村分布式清潔供暖體系，既可減少農村秸稈露天焚燒，又可提供清潔熱力，在終端消費環節直接替代燃煤，有很大的發展空間[8-11]。多年來，中國秸稈供暖技術以成型燃料鍋爐供暖為主[12]，秸稈發電向熱電聯產轉型已形成了社會共識，另外，熱解聯產、捆燒鍋爐等多元化的秸稈供暖技術體系正在形成。近年來，針對熱解、氣化、成型燃料等秸稈供暖技術，相關學者開展了應用模式與效益評價方面的研究[8,13-14]，取得了重要成果，但在不同供暖技術模式的對比研究與定量分析方面，鮮見研究報道。

在深入調研和歸納總結現階段中國秸稈清潔供暖技術現狀的基礎上，本研究旨在梳理具有較好應用前景的鄉村秸稈清潔供暖典型模式，建立其功能評價指標體系，并采用價值工程原理和層次分析法等，對不同模式的技術經濟性進行評價，以期為北方地區秸稈清潔供暖技術開發與應用推廣提供借鑒。

1 價值工程原理及評價方法

1.1 價值工程原理

價值工程（value engineering，VE）由美國通用電氣公司工程師邁爾斯提出，是指以產品功能分析為核心，力求用最低的壽命周期成本實現產品的必備功能，從而提高價值的一種有組織、有計劃的創造性活動和科學管理方法[15-17]。其目的在于尋求產品技術和經濟之間的平衡或以最低成本實現產品的必要功能。

根據價值工程的原理，評價秸稈清潔供暖的技術經濟性，要兼顧技術上先進和經濟上合理，即探索以最低的成本實現秸稈清潔供暖的功能要求，本研究基于這一思路，對秸稈清潔供暖典型技術模式做出科學合理的評價。

1.2 評價模型與方法

利用價值工程原理，采用以下基本步驟對秸稈清潔供暖技術模式進行技術經濟分析。

1）確定各方案的成本系數

在相同供暖規模等條件下，由相關專家確定各方案的建設成本，累計相加得出總成本，再將各成本除以總成本，即得到各方案的成本系數，計算公式為[15]

式中Ci為方案i的成本系數；ci為方案i的供暖成本；m為方案個數。

2）確定功能評價各指標權重系數

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種定性和定量分析結合實現定量決策的分析方法。本研究采用該方法計算功能評價指標體系中準則層與指標層權重。

②求最大特征根對應的特征向量，歸一化處理后即為指標的權重向量。

③矩陣若能通過一致性檢驗，說明權重向量有效，否則，重新構造判斷矩陣。

3）組織專家對各技術模式對應的功能指標進行打分，求各指標平均分，并根據權重求各技術模式的功能得分fi。

式中fij為方案i中因素j的分值；lij為方案 i中因素j的權重。

功能系數計算方法如式（3）所示

式中Fi為方案i的功能系數。

4）計算各技術模式的價值系數，價值系數越大，模式的技術經濟性越優，計算方法如式（4）所示

式中Vi為方案i的價值系數。

1.3 功能指標體系

根據秸稈清潔供暖的功能要求，其功能指標體系從用戶體驗、過程清潔和資源節約等 3個方面考慮。評價指標作為評價技術模式的基本標準，遵循科學性、客觀性和可比性的原則[18-19]。結合實際工程資料，參照國內相關標準規范，并在征詢行業內有關專家意見的基礎上，建立了秸稈清潔供暖功能評價指標體系。

如圖1所示，第1層為目標層，第2層為準則層，第 3層為指標層。其中，用戶體驗方面主要考查用戶使用的舒適性與便利性，過程清潔考查生產、貯運和使用過程的清潔性，資源節約主要包括能源轉化效率、占地、節水與節材指標。

圖1 鄉村秸稈清潔供暖功能評價指標體系Fig.1 Functional evaluation index system of straw clean heating in rural area

2 鄉村秸稈清潔供暖技術與模式

2.1 秸稈清潔供暖技術

近年來，中國秸稈供暖技術主要以成型燃料鍋爐供暖為主，在政府組織的成型燃料鍋爐供熱示范項目建設推動下，全國生物質能供熱為主的縣級城鎮已超過 100個，成型燃料年利用量約800萬t[12]。秸稈發電向熱電聯產轉型也形成了社會共識，熱電聯產是根據能源梯級利用原理，將發電后的低品位熱能用于供熱的先進能源利用形式。生物質熱電聯產能源利用效率比單純發電可提高 20%以上[20-22]。熱解聯產供熱也是秸稈綜合利用的重要途徑之一，符合秸稈資源化、能源化綜合利用理念，能夠進一步提升秸稈資源開發綜合效益，具有良好的推廣應用前景[8,23-25]。

秸稈供暖技術布局靈活，適用范圍廣，尤其適合在秸稈資源豐富的鄉村建設分布式清潔供暖工程。中國成型燃料、熱電聯產、熱解聯產、捆燒鍋爐、沼氣和氣化等多元化的秸稈供暖技術體系正在形成。在實地調研的基礎上，本研究以技術相對成熟的熱電聯產、成型燃料、熱解聯產和捆燒鍋爐等供暖技術為例，分析秸稈供暖技術模式，并對其技術經濟性進行評價。

2.2 鄉村秸稈清潔供暖模式

秸稈熱電聯產集中供暖技術模式如圖 2所示。利用汽輪機發電機組的余熱生產熱水，熱水通過管網輸送至附近鄉村供暖。該技術模式實現了發電與供熱聯產，并通過能量的梯級利用，使能源利用效率大幅提高，具有很好的推廣應用前景。熱電聯產項目投資規模相對較大，且在適宜的收購半徑內應具有充足秸稈資源，供暖的鄉村群應比較集中，因此，只適宜較大區域范圍內的聯村集中供暖。

圖2 秸稈熱電聯產集中供熱技術模式Fig.2 Central heating model of straw combined heat and power

秸稈成型燃料鍋爐供暖技術模式如圖 3所示。秸稈經粉碎和擠壓成型后，生產顆粒和壓塊 2類成型燃料，顆粒燃料生產成本相對較高，但便于運輸和鍋爐自動上料，一般用于戶用供暖更為合適。壓塊燃料就地用于鄉村集中供暖比顆粒燃料成本低。成型燃料供暖模式具有機動、靈活的特點，幾乎不受地域和自然條件限制，具有廣泛的適用性，但成型燃料加工能耗相對大，生產成本較高。

圖3 秸稈成型燃料供暖技術模式Fig.3 Heating model of straw briquette fuel

秸稈熱解聯產供暖技術模式如圖 4所示。秸稈經粉碎熱解炭化后，生產熱解氣和熱解炭，高溫熱解氣回用燃燒產生的熱風作為熱解熱源，剩余燃氣用于生產生活熱水。熱解炭混配成型后生產熱解型炭，型炭可用于鄉村單戶或集中供暖。熱解型炭生產成本低，燃燒效果好，污染物排放少，是一種高品質的供暖燃料。秸稈熱解聯產供暖技術經熱解與成型二級工序，其生產工藝相對復雜。

秸稈捆燒鍋爐供暖技術模式如圖 5所示。秸稈打捆后采用捆燒熱水鍋爐直接供暖。捆燒層燃鍋爐一般用于單戶供暖，鏈條式大中型捆燒鍋爐一般用于集中供暖。該技術模式工藝最為簡單，中間環節少，成本相對較低，但煙氣不宜直排，要經過專門的煙氣凈化系統處理達標后排放。

圖4 秸稈熱解聯產供暖技術模式Fig.4 Heating model of straw pyrolysis cogeneration

圖5 秸稈捆燒鍋爐供暖技術模式Fig.5 Heating model of strawbundle-fired boiler

3 鄉村秸稈清潔供暖技術經濟評價

3.1 情景設定

鄉村秸稈清潔供暖技術推廣應用受鄉村規模、秸稈資源稟賦、自然地理、經濟社會發展水平等多種因素制約[26-27]，為便于對比分析不同模式的技術經濟性，本研究對各技術模式清潔供暖情景作如下界定：1）供暖對象為400戶的“集聚提升類”的自然村[28]，居住相對集中；2）各典型模式均以國內最新技術水平，對相應工程建設進行技術經濟分析；3）本研究不考慮秸稈資源、交通運輸、經濟社會發展水平等外部條件影響；4）目前大多數生物質發電廠的裝機容量在25 MW左右，因此以25 MW左右的熱電聯產項目為例，其中供暖成本按自然村均攤。

3.2 功能系數、成本系數和價值系數

根據1.2節所述評價方法，邀請能源（6人）、環保（3人）、工程建設（6人）等方面資深專家及公司負責人，對功能指標中的各層元素分別進行重要性比較，構建判斷矩陣。準則層判斷矩陣如式（5）所示

求權重向量并進行歸一化處理，歸一化處理后的準則層權重向量為

經計算判斷矩陣的最大特征值為λmax=3.01，經檢驗，判斷矩陣一致性指標可以接受（CI＜0.1）。

指標層權重向量計算方法與準則層類似，構造的判斷矩陣分別如式（7）、（8）、（9）所示。

求權重向量并進行歸一化處理，歸一化處理后的指標層權重向量為經檢驗，判斷矩陣一致性指標可以接受（CI＜0.1）。因此，由式（6）、（10）－（12）可知，功能評價指標向量為：

W=(0.11, 0.08, 0.13, 0.05, 0.20, 0.16, 0.10, 0.07, 0.04, 0.06)（13）

2.2節中對應的熱電聯產集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料單戶供暖、熱解聯產集中供暖、熱解聯產單戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、捆燒鍋爐單戶供暖等 7種典型模式，邀請能源、環保、工程建設等方面的15位專家打分（10分制），取其平均值，得到打分矩陣S如式（14）所示。

在不同技術模式對應工程的成本核算方面，熱電聯產集中供暖工程費用為原有生物質發電廠改造為熱電聯產項目的追加成本。此處，對于集中供暖模式，由于供暖管網屬農村公共基礎設施，投資估算時由政府公共財政承擔60%。根據公式（1）－（4），7種典型模式對應的成本系數、功能系數、價值系數如表 1所示，其中，價值系數是技術經濟性的評價指標。熱電聯產集中供暖、熱解聯產分戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、熱解聯產集中供暖、成型燃料分戶供暖、捆燒鍋爐分戶供暖和成型燃料集中供暖對應的價值系數依次為1.062、1.050、1.005、0.990、0.973、0.965、0.956。

表1 秸稈清潔供暖技術價值工程相關系數匯總表Table 1 Correlation coefficient of value engineering analysis for straw clean heating

3.3 評價結果與討論

從各技術的價值系數看，熱電聯產集中供暖、熱解聯產分戶供暖與捆燒鍋爐集中供暖等表現出相對較好的技術經濟性。在“相對缺熱不缺電”的大背景下，秸稈發電亟需從直燃發電向熱電聯產轉變[29-31]，2018年1月國家能源局下發了《關于開展“百個城鎮”生物質熱電聯產縣域清潔供熱示范項目建設的通知》，對當前生物質能利用方式由單純發電向熱電聯產和供熱方向轉變進行了頂層設計，強調建立生物質熱電聯產縣域清潔供熱模式，為治理鄉村供暖替代散煤開辟新路子。

秸稈熱解聯產技術尤其適合以自然村或新型農村社區為單位的集中或分散供暖，2018年12月，國家三部門下發了《關于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設的指導意見》，明確指出根據各地農業生產特點和清潔能源需求，立足秸稈資源稟賦與社會經濟發展水平，在北方冬季取暖地區和糧棉主產省（區）以縣為單位規劃實施秸稈熱解清潔能源利用工程。秸稈捆燒技術經過多年技術攻關，因工藝簡單、使用成本低[32]，在秸稈清潔供暖方面表現出一定的技術優勢，適宜于農村分戶、聯戶或集中供暖。

秸稈發電項目規模一般較大，裝機容量從十幾到幾十兆瓦，項目建設一方面對秸稈資源量有一定要求，收購半徑內秸稈資源要充足，另一方面，改造為熱電聯產項目時終端取暖用戶要適度規模，因此，技術應用條件相對苛刻。成型燃料、捆燒鍋爐和熱解聯產項目，一般以自然村或農村社區為單位，依托本地秸稈資源可投資建設，普適性相對較好。本研究從用戶體驗、過程清潔和資源節約等秸稈轉化和使用環節，采用價值工程原理，定量分析了典型技術模式的經濟性，對技術開發與應用推廣具有指導意義。由于本研究未考慮各地千差萬別資源稟賦、社會經濟發展水平等外部條件，而這些條件也是技術適應性分析的關鍵要素，因此，具體技術模式選擇時，應在考慮原料供應、產品市場、以及地方經濟、社會、人文、氣候等外部條件的基礎上，結合本研究技術經濟性分析結論，進行統籌考慮，對備選技術方案的可行性進行系統評估。另外，下一步研究中，可將外部條件設定為若干特定情境，然后系統分析各情境下典型技術模式的適應性，以期能夠更好地指導技術應用。

4 結 論

1）在深入調研和歸納總結現階段秸稈清潔供暖技術現狀的基礎上，提出了具有較好應用前景的鄉村秸稈清潔供暖典型模式，分別是熱電聯產集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料單戶供暖、熱解聯產集中供暖、熱解聯產單戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、捆燒鍋爐單戶供暖等。建立了秸稈清潔供暖功能評價指標體系，為秸稈清潔供暖技術經濟評價提供了依據。

2）采用價值工程原理和層次分析法，對7種典型模式的技術經濟性進行了評價。研究結果表明，在不考慮資源稟賦、交通運輸、自然地理和經濟社會發展水平等外部條件的情況下，熱電聯產供暖、熱解聯產分戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、熱解聯產集中供暖、成型燃料分戶供暖、成型燃料集中供暖和捆燒鍋爐分戶供暖對應的價值系數依次為 1.062、1.050、1.005、0.990、0.973、0.965、0.956。

3）熱電聯產、熱解聯產對秸稈清潔供暖表現出相對較好的技術經濟性，秸稈從直燃發電向熱電聯產轉變是一次歷史性變革，但受資源與終端市場制約，熱電聯產項目建設條件相對苛刻，而熱解聯產和捆燒鍋爐等供暖技術一般以自然村和農村社區為單位，依托本地秸稈資源即可建立分布式供暖系統。該研為指導秸稈鄉村供暖技術研發和應用推廣提供了重要借鑒。