云南烤煙房電能替代綜合效益分析

梁俊宇，張旭東，呂欣，楊家全

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500）

0 前言

雖然我國自'十二五'以來就著手大力發展清潔能源，但我國以CO2、NOX、SO2為主的大氣污染物仍然位居世界前列，發展與環境之間矛盾依然突出。這其中，一是由于供給側化石燃料消費依然占據主導地位，二是由于需求側電氣化水平不高，距離發達國家還有很大差距。就云南來說，80%以上的電力供應都來自于清潔能源，已成為全國重要的綠色能源基地。云南省也將“綠色能源”列為重要的經濟發展支柱。但是在需求側，仍然存在大量燃煤散燒的情況，以煙草業初加工的干燥環節為例，全省26萬座烤煙房基本都是以煤炭和薪柴作為燃料，每年烤煙季都會帶來不小的環境壓力。這與云南省綠色能源發展戰略形成了鮮明的矛盾，同時也蘊含著巨大的電能替代的潛力。

電能替代主要有“以電代煤”、“以電代油”、“以電代氣”三種方式。然而在“電能替代”這個概念還未被拋出之前，文獻[1]就探討分析了利用生物質對傳統燃煤等化石燃料進行替代的潛力及環境效益，但生物質實際推進過程中，仍然要面對收集、存儲和加工等一系列困難，帶來極大的不確定性。文獻[2]則提出了一個比較好的動態增長模型，對2030年之前的可再生能源消費增長情況進行了預測，目前來看是符合實際情況的。文獻[3]對通過對政府相關政策、電氣化進程以及相關案例等的研究，針對性地提出了市場推廣策略及實施方案。文獻[4]則研究了在電能替代過程，依靠分布式電源支撐局部供電緊張等問題的可行性。文獻[5]總結了“以電代煤”相關政策，構建了電窯爐替代傳統燃煤窯爐經濟效益分析模型，并研究探討了替代的可行性方案，然而該模型并不能很好地適用于農產品，如云南煙葉等的干燥加工場景。文獻[6]的研究結果則表明，電能替代后所形成的電-熱耦合的綜合能源系統，其綜合效益評價是非常復雜的，大量的不確定性均會影響其評價結果。這也是導致理論分析和實際工程出現較大偏差的重要原因。文獻[7]采用成本效用分析方法，從經濟效益和環境效益兩方面建立一次能源的綜合評價模型，分析表明綜合考慮環境效益后可合理有效地判斷電能替代的可行性。綜上所述，電能替代項目的綜合效益評價，需要具體問題具體分析，需要帶入具體的場景。云南省作為煙草大省，烤煙加工環節需要消耗大量的化石燃料，因此怎樣評估以清潔能源替代傳統能源的效益分析已成為首要解決的問題。

本文選擇以云南省煙葉干加工環節的'以電代煤'為例，建立了相應的綜合效益分析模型，分別從經濟與環境兩方面入手，通過對電能替代中各項措施進行算例分析，利用逼近理想解排序法證明電能替代在綠色能源占比高的地區的可替代性，為后期電能替代的發展奠定良好的基礎。

1 云南省烤煙行業現狀

云南省作為三大煙區之一，全省共建設密集型烤房70萬余座。隨著人們生活水平的提升和環保意識的增強，開發新的清潔能源烘烤煙葉成為必需。目前，較常見的清潔能源有太陽能、電能(電加熱和熱泵)、天然氣、生物質等。煙葉烘烤作為煙葉生產鏈上的核心關鍵環節，烘烤工藝和技術直接影響烤煙烘烤損失率、上等煙比率。20世紀50年代中期，美國和日本開始研究密集烘烤設備，60年代初逐步用于烤煙生產，到70年代已經在加拿大、美國、日本等經濟發達國家全面推廣。我國于20世紀六七十年代研制了燒煤的密集烤房，并在生產中進行了一定范圍的示范。但是，由于當時農村生產組織形式的變化和社會經濟條件限制，這種密集烤房沒有能夠得到推廣，而且絕大多數被廢棄掉，僅吉林省保留了適宜于烤煙十五畝左右的密集烤房。20世紀90年代，全國烤煙生產水平快速提高，中外烤煙生產技術交流與合作更加廣泛深入，各地相當一部分煙田的長勢長相被公認達到或接近國際先進水平。為了改善烤煙設備和進一步提高烤后煙葉質量水平，云南、福建、河南、山東等省借鑒吸收國外烘烤設備的先進技術，相繼購置引進了燒柴油、煤燃鍋爐供熱、燒煤直接供熱等形式的密集烤房二百余座，經試驗驗證，能有效地減少或避免烤青煙、掛灰煙和花片煙，橘色煙比例、煙葉顏色、色度及內在品質都有所提高。但是，其購置投入很高，污染很大，所以這種烤房在20世紀90年代基本處于閑置狀態。隨著時代的發展，烤煙生產也有了新的發展方向，然而長期以來，我省傳統烤煙房仍然主要依賴于化石能源，而且容量小、零散性分布、烘烤工藝不專業，導致烘烤損失率高達10%以上，上等煙比例較小，烤煙成本高；烤煙質量提升空間較大；小烤房還導致能源利用效率低，環境污染等問題，與云南先進的現代化的卷煙工業比較，整個烤煙行業處于技術落后狀態。

為改變這一現狀，云南省積極響應國家大力推廣建設臥式密集型烤房政策，按照國煙辦綜[2009]418號《密集烤房技術規范》要求，逐步實行專業化烘烤覆蓋。近年來在云南省委、省政府的統一協調領導下，省煙草公司、云南電網公司在各自領域做了大量的工作。云南電網公司對農村配電網系統進行多次升級改造，大大提高了10 kV配網系統的供電能力和供電可靠性；省煙草公司從2009年開始推動密集臥式烤房建設，目前已建成投用325980座，承擔烤煙面達72%；同時，省煙草公司還積極推進煙葉烘烤的專業化和商業化，這不但顯著提高了煙葉質量，還培養了一批可承擔烤房建設、運行維護的專業化隊伍，為烤煙行業制定正確的運營模式奠定了良好的基礎。截至目前，我省已經建成可投用臥式集群化烤房31.27萬座，使用率高達84.15%，其中專業化烘烤比例達到61.87%。至此，全省臥式烤房改造基本完成，總數基本穩定。這一舉措極大改善了我省煙葉烘烤行業的落后狀況，提高了煙葉質量，也為進一步實施煙葉烘烤的清潔替代、促進煙草行業進一步升級提質提供了良好的支撐條件。

盡管云南烤煙通過實施臥式烤房集中化、烘烤專業化，干煙葉質量水平上了一個臺階，但還存在以下問題：

截止到2019年，我省煙葉小烘烤房總計仍有79.54萬座，其中曲靖、紅河、玉溪、楚雄、大理等五個地州烤房數量超過10萬座。承擔烤煙面積占18%左右，通過專業化烘烤，逐步減少小型烘烤房承擔的面積，還有進一步改進的空間。

集中臥式烤房烤煙依舊以燃燒煤炭為主，據統計，目前每年烤煙耗煤量達到200萬噸，燃燒產生大量大氣污染物，環境危害較大；且能源利用率低，一次能源浪費嚴重。

燃煤烘烤自動化水平較低，人工成本依然較大；烘烤過程不易控制，煙葉成品率及上等煙比率還有很大提升空間。專業化和商業化烘烤比例有進一步提高的空間。

1.1 小烤房模式

由于歷史原因和地理條件限制，部分地區難以建設集中臥式烤房，實現煙葉集中烘烤，因此，截至目前，全省仍有在用的小型烤房557000座，承擔的烤煙面積為181.525萬畝，盡管小型烤房數量眾多，但其烤煙面積已縮減至總面積的27.8%。小烤房的運營主要通過村民自發的合心互助、自己烤煙的方式進行，烘烤方式落后，但由于地理和歷史因素，這種模式仍將長期存在。

1.2 臥式密集烤房的運營方式

密集烤房的基本特點是強制通風、熱風循環和烘烤過程自動控制。裝煙密度大，操作簡便，省工。一座密集烤房一般可承擔煙葉面積30～70畝，裝煙密度是普通烤房的4倍以上[8]。目前，全省建設臥式密集烤房總數達到325980座，實際投用263196座。據煙草公司數據，目前專業化模式烘烤的集群臥式烤房數量達到了162832座，專業化烘烤比例達到61.87%，覆蓋烤煙面積266萬畝。其中，專業化烘烤包含合作社烘烤模式和商業化烘烤模式。進行商業化烘烤的臥式烤房數量為102879座，占到專業化烘烤的63.18%，覆蓋烤煙面積158萬畝。

1）專業化烘烤模式

自2007年國家局提出建設現代煙草農業以來，各地紛紛開始探討專業化烘烤的運行模式[9]。云南、山東、貴州等地的專業化試點地區已經取得可喜的經濟和社會效益，顯示出強大的生命力。烤煙合作社的運行機制是按照“依法自愿，風險共擔，利益共享，按股分配，規范管理”的原則組建，在不改變農戶土地承包經營權的前提下依法組織烤煙生產經營，推行自主管理，獨立核算，自負盈虧。

與小烤房烘烤相比，專業化烘烤具體體現在以下幾個方面具：①成立合作社組織機構。通過社員大會，選舉成立理事會和監事會，組建各個環節專業隊；②實行煙葉生產股份制經營。農戶以土地和勞動力投入作為股本入股，最終烤煙生產經營利潤按股份比例分成；③配套輔助產業。拓展農業生產集約化經營領域，走種、養、加相結合的路子，增加農民就業，實現農業的多元化、產業化。

2）商品化烘烤模式

商品化烘烤采取合作社直接經營，烘烤人員由合作社統一管理、統一作業，烘烤物資統一采購、財務統一結算，烘烤用工采取承包的方式[10]。具體來說，合作社負責統一采購烤煙用煤和烤煙用電，負責對烘烤設施實行管護，對烘烤過程進行管理，上爐、出爐、司爐環節用工由專業隊（組）承包，人員統一作業、財務統一結算。在實施過程中，實行商品化烘烤的，合作社須在煙站、參加社員共同參與下精準核算烘烤成本價格，充分考慮烘烤物資、人員雇工、設施管護、經營管理等成本費用，足額核減專業化服務補貼，合理制定商品化烘烤服務價格。

2 用戶側電能替代綜合效益分析

2.1 烤煙房電代煤綜合效益分析模型

近年來臥式集群化烤房的建設工作，為電烤煙技術改造提供了必要的實施條件。同時，由于小烤房形式多樣，地理分布不集中，不具備電氣化改造的價值。為此，本文以云南省常見的臥式集群化烤房為對象，對其建立綜合效益分析模型。

2.1.1 經濟效益分析模型

考慮初期投資及運行時期的費用，比較替代前后每年的費用。

1）燃煤烤煙房年費用

式中：Ccoal(A)為傳統設備平均年費用（萬元）；Icoal為投資的初期費用（萬元）；r為基準折現率（%）；Ncoal為傳統設備的使用年限；Ccoal為傳統設備的年運行成本（萬元）。

燃煤烤煙房年運行成本：

式中：Pcoal為煤炭價格（萬元/t）；Lcoal為年煤耗量（t/年）；Ccoal-1為人工成本（萬元/年）；Ccoal-2為維護成本（萬元/年）。

各大氣污染物排放系數如表1所示：

表1 大氣污染物排放系數（t/tce）(噸/噸標準煤)

2.2 TOPSIS法

逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）通過對評價對象的多個指標和理想化解的接近程度進行排序，以此作為評價優劣的依據[11]。圖1為TOPSIS算法流程圖。

圖1 TOPSIS算法流程圖

2.2.1 得到初始矩陣

設有m個評價對象，每個對象有n個評價指標，則可以得到評價對象矩陣，并對該矩陣進行數據預處理，得到以下矩陣：

2.2.2 數據預處理

在進行決策時，一般要進行屬性值的規范化，常用的處理方法有如下幾種：

1）線性變換

X=(xij)m×n為 初 始 的 決 策 矩 陣，Z=(Zij)m×n，i=1，…，m；j=1,…，n為線性變換后的決策矩陣。

3 用戶側以電代煤綜合效益算例分析

3.1 以電代煤算例

為了對所建立的模型進行驗證，選取云南省普洱市燃煤烤煙房作為研究對象，對其進行電能替代綜合效益的測算。測算時選取的具體邊界參數如表2所示。

表2 煙房經濟技術分析具體參數值

1）經濟效益

由表2可知，改造前由于其用電設備較少，耗電量少，耗電成本低。但相對應的燃料成本及人工成本較高；改造后,自動化程度的提高，節約了人工成本和燃料費用，但設備維護費用（新增的配電和用電設備）升高至0.99元/kg。

按照以上數據，單個烤房的運行費用匯總如表3所示。

表3 單個烤房的年運行費用匯總

改造后的年用電量增加較多,但電費的增加數額比年均燃煤費用低,改造后應用電能替代技術，人工成本降低,維護成本大幅增加。總體來說,改造之后的年運行費用比改造前的年運行費用降低了4000多元。

對烤煙房改造前后的年費用進行比較，如表4所示。

表4 改造前后單個烤煙房年費用比較

由于烤房改造后的初期投資相比于燃煤烤房初期投資較高，其年均收入大幅度增加，凈利潤增長達到約9億元。因提高凈利潤，可吸引更多的用戶進行改造。

2）環境效益

由于各地烤煙房燃用的具體煤種無法考證，所以在測算環保效益時，采用電氣化烤煙房耗電進行反推的方法估算燃煤發熱量，從而確定煤種的大致成分的方法。根據省外電氣化烤煙房試點經驗以及云南電氣化烤煙房試驗的結果來看，采用熱泵方案進行電氣化烤煙房改造后，其電耗約為2.5度/kg(干煙葉)，由于電烤房一般會重新鋪設保溫性能更好的絕熱層，所以熱損失可以忽略不計。根據環境效益模型，計算烤煙房改造后的環境效益，計算結果如表5和表6所示。

表5 單座改造后烤煙房的環境效益

表6 地區改造后烤煙房的環境效益

3.2 綜合效益分析

1）數據預處理

表7 電能替代前后的效益值

選用向量規范化法將數據進行歸一化處理，結果如表8所示。

表8 燃煤和以電代煤綜合效益值歸一化處理

因為C1＜C2，說明以電代煤的綜合效益優于傳統燃煤設備。

由此可見，基于云南地區發電側的能源結構，合適進行以電代煤。由以上可知，燃煤進行電能替代后，經濟投入相比于替代前高，這是由于初始投資（購置成本）及能源使用量大所造成的。就環境效益方面來說，電能替代后的污染物排放量都低于使用傳統能源的污染物排放量。

4 結束語

云南省煙房數量眾多，且集中連片的臥式烤房群數量較多，改造條件好，改造潛力大，可以作為我省實施電能替代首批啟動的改造項目。本文根據云南地區烤煙房的用能特性，建立了“以電代煤”綜合效益的效益分析模型，結合具體算例運用TOPSIS法對其效益指標進行評估排序，提供簡明的指標體系算法。算例分析表明，“以電代煤”可有效緩解環境污染問題，提高人民生活水平，同時帶來較大的經濟效益。