秸秆直燃生物质电厂动态发电成本分析

赵浩亮，张 旭，翟明岭

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

随着我国人口、经济的不断增长，能源消耗量也在快速上升，一次能源消耗量从1980年的6.02亿t标煤增加到2013年的34.0亿t标煤［1-2］.矿物能源的消耗造成严重的环境污染，为减缓经济高速增长对环境和能源容量的制约，人们开始利用可再生能源，生物质就是其中的形式之一.但目前由于对生物质电厂成本结构的构成不清楚，导致多数生物质电厂经营困难，甚至出现亏损的现象，如何准确、清晰地分析生物质电厂的成本，对生物质电厂的运营有重要意义.

郝德海［3］从秸秆电厂的投资回收期、净现值和内部收益率等方面分析秸秆发电成本；王学峰［4］通过建立综合运输成本、存储成本和运行费用模型，研究生物质电厂的燃料运输成本和燃料的物流调度方案；贾小黎［5］通过分析单县、宿迁生物质直燃发电项目，给出发电成本及收益的范围；李梁杰［6］建立经济效益模型来分析生物质发电项目的可持续性；Kumar等［7］建立模型求解不同生物质原料所对应的发电容量及发电成本；Shabani等［8］利用非线性规划模型优化生物质电厂的运行成本；李斌等［9］采用热经济学模型，求解机组各组件的单位成本.以上模型奠定了生物质发电成本分析的基础，但对于生物质发电的实时成本（即动态成本）鲜有提及，而生物质电厂的动态成本分析可为电厂提供运行管理和生产经营的决策信息.鉴于此，笔者结合火力发电成本研究方法，以月为单位建立动态成本模型并分析讨论生物质发电成本.

1 生物质发电成本构成

动态成本分析法利用经济学方法分析发电成本，对成本变化进行监视、计算和分析［10］.该分析方法的特点在于其动态性、实时性，动态性指通过分析可得到不同工况、不同发电负荷下的发电燃料耗率和发电成本，而不是每年的平均发电成本；实时性是相对于一年为周期的财务计算而言，可得到每月、每天甚至每时的发电成本.进行生物质电厂的动态成本分析可为电厂提供运行管理和生产经营的决策信息，为生物质发电的成本分析提供参考依据，从而提高生物质发电的市场竞争力.

生物质发电成本包括固定成本和变动成本［11］，其成本构成如图1所示，其中固定成本包括折旧费、大修费、材料费、工资福利以及其他固定成本［12］，该部分费用通过分配计入发电成本；变动成本包括燃料费、水费以及厂用电费，该部分费用直接计入发电成本［13］.折旧费是以年为单位的，但在生物质发电动态成本分析中可根据每月或每日的发电量进行分摊，因电厂每月使用的生物质燃料不同，所以笔者以每月进行分摊.另外变动成本中厂用电费和水费相对比较固定，而燃料费却随着发电燃料的不同变化较大.

图1 生物质发电成本构成Fig.1 Cost structure of the biomass power generation

2 成本分摊方法

2.1 固定成本

固定成本中固定资产折旧费通过分摊计入发电成本，变动成本直接计入发电成本.固定成本指成本总额在一定时期和一定业务量范围内，不受电厂发电量增减影响而保持不变的成本.生物质电厂的固定资产折旧费属于固定成本，指的是固定资产在运行过程中由于磨损或损耗而转移到产品成本中的那部分费用，由于生物质电厂项目投资比一般燃煤电厂高，所以其固定资产折旧费在发电成本中所占的比例较高.

由于资金的价值会随着时间发生变化，即时间不同，相同数额资金的价值也有差异［13-14］，故采用等额支付折算法来计算固定资产的年折旧费.

式中：A为等额折旧费，元；C为投资费用，元；i为社会贴现率加通货膨胀率；n为使用年限.

上述计算方法求出的折旧费以年为单位，传统计算发电成本的方法直接用折旧费与年发电量的比值来确定固定成本在发电成本中的分摊额，但该方法忽略了机组运行特性，得出的结果是均值，其参考价值有限.生物质发电的年固定成本中折旧费的分摊与机组容量和负荷特性有关，因为机组在不同负荷条件下工作时的磨损和损耗不同，以月为单位按照全年发电负荷对固定成本分摊可得到电厂的月发电成本，另外由于每月燃料和发电负荷的差异，计算得出的发电成本也有所不同.

夏友斌［10］、张晓瑾［13］等提出的依据火电厂峰荷、腰荷和谷荷分摊固定成本的方法如图2所示.在图2中，RP、RM、RV分别为峰荷NP、腰荷NM、谷荷NV所对应的系统容量，t为不同负荷所对应的时间段.

图2 电厂的日负荷曲线Fig.2 Daily load curves of a power plant

根据以上方法，结合秸秆直燃生物质电厂的负荷特性求解生物质发电的动态成本.生物质电厂的年负荷曲线如图3所示.

图3 生物质电厂的年负荷曲线Fig.3 Annual load curves of a biomass power plant

在图3中，ti为负荷Ni所对应的时间段，i＝1，2，3，…，12；Ri为负荷Ni所对应的系统容量，R1＝N1，Ri＝Ni-Ni-1（i≥2），该系统容量对应的运行时间为，i＝1，2，3，…，12.

设K为单位系统容量所承担的固定成本，则

化简后KN12＝A，即K＝A／N12.

（1）负荷N1对应系统容量R1所占用的固定成本为KR1，根据上述分析在负荷N1对应的时间段所占用的固定成本M1为：

负荷N1对应时间段单位发电量所对应的固定成本A1［10，13］为：

（2）负荷N2所对应的系统容量分为2部分，即R1和R2.R1包含的固定成本在N2对应时间段的分摊值M21为：

R2包含的固定成本在N2对应时间段的分摊值M22为：

负荷N2对应时间段所占用的固定成本［10，13］M2为：

负荷N2对应时间段单位发电量所对应的固定成本A2为：

（3）负荷N3所对应的系统容量分为R1、R2和R3.R1包含的固定成本在N3对应时间段的分摊值M31为：

R2包含的固定成本在N3对应时间段的分摊值M32为：

R3包含的固定成本在N3对应时间段的分摊值M33为：

负荷N3对应时间段所占用的固定成本［10，13］M3为：

负荷N3对应时间段单位发电量所对应的固定成本A3为：

根据以上分析可得出负荷Ni对应时间段单位发电量所对应的固定成本为：

对式（14）进行如下验证：

说明该分摊公式没有引起固定成本的改变.

固定成本中大修费指每月为发电机组的正常使用、运转而对设备进行定期大修理的费用，如对机器设备进行拆卸和更换部分主要部件等.

固定成本中材料费指在生物质发电过程中所耗用的材料、低值易耗品等，以及不应计入燃料费的其他生产用燃料所支付的费用.在电力企业中，电力和热力是一次能转换为二次能的结果，燃料费在生产费用中所占比例较大而材料费仅起辅助作用.

固定成本中工资福利指支付给生产和管理人员的工资和津贴费用.

固定成本中其他费用也称管理费用，指行政管理部门为组织和管理经营活动而发生的各项费用.另一种说法是不属于以上固定成本但应计入产品成本的其他费用.

2.2 变动成本

变动成本与固定成本相反，变动成本是指成本的总发生额在相关范围内随着电厂发电量的变动而呈线性变动的成本.燃料费、厂用电费以及水费都是典型的变动成本，在一定时期内它们的发生总额与发电量成正比例变动.

燃料费是指生产电力所用的生物质燃料的费用.厂用电费是指向网外单位购入电量的电费.水费是指发电用的外购水费.

3 案例分析

以初投资3亿元、寿命40年［14］（由于生物质电厂在我国起步较晚，故其寿命暂采用火电厂寿命）的某生物质电厂作为研究对象，年折旧费为3 067.8万元，该电厂2012年发电负荷及秸秆用量分别见图4和图5.

图4 某生物质电厂的年负荷曲线图Fig.4 Load curve of a biomass power plant in the year 2012

图5 某生物质电厂的秸秆用量图Fig.5 Stalk consumption of a biomass power plant

厂用电价按平均0.835元／（kW·h）［2］计算，燃料费分别按照200元／t、250元／t和300元／t计算，厂用水费按3.5元／t［2，10］计算，工人人数120人，月工资3 500元／人［2］，材料费2万元／月［12］，电厂大修费15万元／月［2，10，13］，管理及其他费用按20 万元／月进行计算.

发电成本计算结果如图6所示，各成本所占比例见表1.

图6 不同燃料价格对应的发电成本Fig.6 Cost of power generation vs.fuel price

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

从上述计算结果可知，当秸秆价为200 元／t时，发电成本最小值为0.61元／（kW·h），最大值为0.69元／（kW·h）；当秸秆价为250元／t时，发电成本最小值为0.68元／（kW·h），最大值为0.77元／（kW·h）；当秸秆价为300元／t时，发电成本最小值为0.75元／（kW·h），最大值为0.85元／（kW·h）.该生物质电厂发电成本最小值发生在12月份，最大值发生在7月份，因7月份电厂停机检修，发电量较少，机组在低负荷下运行，效率较低，故其发电成本较高，而12月份由于机组负荷较大，效率高，单位发电量消耗的燃料较少，故其发电成本较低.另外，燃料费在总成本中所占比例均超过50%，固定成本分摊值超过20%.

4 发电成本敏感性分析

成本构成中各成本按照-20%、-15%、-10%、-5%、0、5%、10%、15%和20%规律变化，计算过程中秸秆价为250元／t，其计算结果见图7.

根据图7可得出，在同样条件下，燃料费的变化对生物质电厂发电成本的影响最大，占发电成本的50%以上，而折旧费和厂用电费其次.燃料价格降低10%和20% 时，发电成本分别降低5.09% 和10.17%，固定成本折旧费降低10%和20%时，发电成本分别降低2.16%和4.31%.降低生物质燃料成本对降低发电成本有很大意义.另外根据各个生物质电厂的运行特性，通过适当地延长发电时间，使发电量增加，则发电成本也会明显下降.

5 结 论

（1）以初投资3亿元、寿命40年的某生物质电厂为研究对象，设置场景进行研究，得出当秸秆价为200元／t时，发电成本最小值为0.61元／（kW·h），最大值为0.69元／（kW·h）；当秸秆价为250元／t时，发电成本最小值为0.68元／（kW·h），最大值为0.77元／（kW·h）；当秸秆价为300元／t时，发电成本最小值为0.75元／（kW·h），最大值为0.85元／（kW·h）.

（2）通过发电成本敏感性分析，得出燃料费的变化对生物质电厂发电成本的影响最大，占发电成本的50%以上，而折旧费和厂用电费其次，当燃料价格降低10%和20%时，发电成本分别降低5.09%和10.17%，降低生物质燃料成本对降低发电成本有很大意义.

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