秸秆发电厂燃料收集半径与装机规模

刘钢，黄明皎

（东北电力设计院，长春市，130021）

0 引言

我国是农业大国，生物质能资源丰富，具有建设秸秆发电厂的良好条件。可用作秸秆发电厂燃料的生物质能资源不仅包括农作物秸秆，还包括农产品加工副产品及废弃物、林业废弃物和能源作物等。虽然秸秆发电厂燃料的种类繁多，有软质的、有硬质的，有枝状的、有散碎的，但它们都具有热值低、密度小、松散、杂乱的自然形态和易燃性。如松散状态下的稻草和小麦秆的密度为40～50 kg/m3，打成包后软质秸秆的密度为200～250 kg/m3。这就决定了秸秆发电厂的燃料不易整理、存放和装车，运输难度大，运输成本高。燃料的上述特点决定了秸秆发电厂的燃料收集范围不宜太大，进而决定了装机规模。

影响燃料收集范围或可获取量的因素包括农作物的种类和生长周期、种植习惯和收割方式、已用于其他用途的秸秆量及农民出售秸秆的积极性等。这些影响因素不仅类别多，而且不确定性大。因此，燃料收集范围的估算十分困难。

调查发现，秸秆发电厂实际运行时的燃料收集范围远远超出建厂前按经验公式估算出的预测值，使电厂运行的稳定性和经济性受到较大影响。因此，有必要根据实际运行情况，对现有公式进行修正，以减小燃料收集范围的估算误差，提高秸秆发电厂的运行稳定性和经济性。

1 燃料收集半径对收购成本和电厂利润的影响

长春地区某运行秸秆发电厂的秸秆价格如下：

（1）玉米秸秆到厂价为254元/t（收集半径为30 km），其中运输距离为10～15 km，从收贮站（点）到电厂运输价为50元/t。

（2）运输车辆以15 t/辆或10 t/辆为主，车长不超过18 m。

（3）收贮站（点）加工费50元/t。

这里以该电厂为例，研究燃料收集半径对收购成本和电厂利润的影响。计算原则及结果如下：

（1）收集半径为30 km，收贮站（点）到电厂距离为15 km。

（2）收集半径为50 km时，50%在30 km内收集，50%在30～50 km范围收集，收贮站（点）距离电厂35 km，换算后，秸秆平均单价为275.5元/t，增加约8.5%。

（3）含税热价29.39元/GJ。

（4）年利用小时6 000 h。

（5）内部收益率8%。

（6）吉林省标杆电价为400.7元/（MW·h），生物质发电厂补贴为250元/（MW·h），售电电价为650.7元/（MW·h）。

（7）1×25 MW凝汽机组，工程静态投资2.61亿元。

（8）1×25 MW供热机组，工程静态投资2.9亿元。

表1为1×25 MW秸秆发电厂利润计算结果。由表1可以看出，对于凝汽式机组，收集半径为50 km时的年利润率为5.56%，比30 km时低约20%；对于供热式机组，收集半径为50 km时的年利润率比30 km时低约30%。因此，建厂前应尽量准确地估算燃料收集范围，以降低电厂投产后的盈利风险。

表1 1×25 MW秸秆发电厂利润计算结果Tab.1 Profit rate of 1×25 MWstraw stalk power plant

2 燃料收集半径的估算

2.1 计算公式

建厂初期，燃料的收集范围一般按式（1）计算得出：

式中：M为秸秆发电厂每年所需燃料量，kg；R为秸秆收购半径，m；η1为秸秆可获得系数；η2为秸秆可供应系数；M2为单位面积秸秆产量，kg。

由于各地农民种植习惯和收割方式的不同及部分秸秆用于农民自用、造纸、养殖、沼气和建筑原料等用途，全国秸秆可获得系数平均值η1约为0.5。

在秸秆可供应范围内，部分秸秆地处边远地区，道路不畅通，或因农忙农民不愿意出售秸秆等原因都会影响秸秆可供应量，可供应系数一般为η2=0.3～0.5。

式（1）中，

式中：M1为农作物单位面积产量；K为草谷比。

不同文献中的草谷比差异非常大，其原因在于测试的条件不同。有的文献中秸秆包括了农作物地下的根部，因此草谷比较高。含水量不同和植株的品种不同（高秆和矮秆）也是影响草谷比的因素。但近年来随着农作物新品种的培育和栽培措施的不断改善，农作物产量不断提高，草谷比呈下降趋势。

不同农作物的K、M1及根据M1下限值计算出的秸秆产量M2见表2。

表2 不同农作物秸秆产量Tab.2 Yield of different straw stalks

2.2 算例

下面以2×12 MW和2×25 MW秸秆发电厂为例，分别计算燃料收集半径，计算结果如表3。其中，计算原则如下：

（1）单位面积秸秆产量M2按表2选取。

（2）η1=0.5，η2=0.3。

（3）农作物生长期取为1年。

（4）2×12 MW和2×25 MW秸秆发电厂年均秸秆消耗量分别为16万t和32万t。

表3 燃料收集半径 RR计算结果Tab.3 Collecting raddiiuuss RR of different straw stalks km

由表3可以看出，当装机规模为2×12 MW或1× 25 MW时，如采用玉米、水稻、小麦或棉花作为主要燃料，其燃料收集半径为26～32 km；当装机规模为2× 25 MW时，燃料的收集半径为37～45 km。同时也可看出，大豆和油菜因其秸秆产量较低，燃料收集半径比较大。

3 部分已投产电厂实际燃料收集半径

3.1 概述

为了验证式（1）的准确性，对设计燃料收集半径为30 km以内的多个已经投产运行的秸秆发电厂的燃料收集范围进行了调查，主要情况汇总如下：

（1）国能辽源生物质发电厂。

装机规模为1×30 MW，燃料为玉米秸秆、稻壳、树枝、木屑、玉米芯、松果、松籽壳等，燃料实际收集半径平均为50 km，最远至70 km左右。

（2）江苏国信如东生物质发电厂。

装机规模为1×25 MW，设计燃料主要为稻草、麦秆，实际燃料为稻草、麦秆、稻壳、木屑、桑树根、树枝等，由于当地草绳业较为发达，与发电厂争夺秸秆的情况较为严重，再加上造纸厂的竞争，实际燃料收集半径远超过50 km，燃料价格也高达300～400元/t。

（3）江苏国信淮安生物质发电厂。

装机规模为2×15 MW，燃料为稻草、麦秆、稻壳、树皮及松针等，燃料大多可在50 km范围内获得。电厂原预计燃料价格约为220元/t，实际燃料平均收购价格约为270元/t。

（4）中节能宿迁生物质发电厂。

装机规模为2×12 MW，燃料主要为稻草、麦秆、树皮、树根、花生壳、稻壳等。宿迁是农业市，每年可收1季稻和1季麦，生物质燃料十分丰富。但是，由于宿迁市建有4家秸秆发电厂，收购秸秆的压力相当大。目前燃料收购半径为50～80 km，大部分燃料是未经处理的散料，收购价格为230～240元/t。

（5）国能东海生物质发电厂。

装机规模为2×12 MW，燃料的80%为整包的稻草及麦秆，其余20%为稻壳和木屑等，燃料基本可在半径50 km收集到。每年7～8月份为燃料收购淡季，机组不能满负荷运行。

（6）国能浚县生物质发电有限公司。

装机规模为1×30 MW，燃料为小麦秆、玉米秆、辣椒秆、花生秆、花生壳、麦糠、玉米芯、木块、树皮等。燃料收集半径一般在50～60 km范围内，有时也要到70～80 km处收集燃料。燃料价格为：玉米包料270元/t，麦秆包275元/t，花生秆包265元/t，花生壳300元/t。

（7）国能高唐生物质发电厂。

装机规模为1×25 MW机组，实际燃料为棉秆（占60%～70%）、玉米秆、树皮、花生壳、麦糠及梨核等。一般收购半径为50 km左右，但收购树皮的最远距离为500～600 km。燃料收购价格为200～230元/t。

（8）大唐安庆生物质发电厂。

装机规模为1×30 MW，燃料为棉秆、稻壳、树枝、木材加工厂的下角料等，电厂的燃料收购距离最远到200 km以外。原来估计燃料价格为200元/t左右，实际价格已接近400元/t。燃料收集困难的主要原因是燃料分布太分散，以及一些造纸企业与电厂争燃料。

（9）华能长春生物质热电厂。

装机规模为2×15 MW，燃料以玉米秸秆为主，适量掺烧部分棉秆、果木枝条、稻壳等硬质秸秆。设计时预计收购半径25 km，实际收购半径一般180 km，最远距离为260 km。以前收购价格为245元/t，目前已涨到276元/t。

3.2 原因分析及η1和η2的修改建议

由以上秸秆发电厂的实际运行情况可以看出,燃料的收集半径并不像理论计算的那样，2×12 MW、1× 25 MW或1×30 MW机组可以在30 km范围内获取燃料，而是都要扩大到50 km范围，有些电厂还需要到远大于50 km的地方收购燃料。分析其原因，主要有以下几个方面：

（1）对农民自用、还田、沼气和饲料等其他用途的秸秆消耗量估计不足。

（2）其他以农作物秸秆为原料的企业，如造纸厂、草绳生产厂、食用菌生产厂等与秸秆发电厂争燃料的情况很普遍。

（3）秸秆分布比较分散，收集困难较大，使得有一部分秸秆收集不上来。

（4）秸秆收获季节农民忙于抢收和抢种粮食，卖秸秆的积极性不高，如果经纪人不来收，农民很少有剩余劳动力收集和出售秸秆。

（5）建厂前对秸秆资源量的估算不够准确，通常是笼统地将农作物产量乘以草谷比得到估算值，没考虑按照农作物品种和地域差别对草谷比进行适当修正。

（6）由于国家不限制生物质发电厂的发电量，秸秆发电厂一般都会靠增加发电小时数来争取利润，从而扩大了燃料收集范围。

由公式（1）可知，原因（1）、（2）由秸秆可获得系数η1表达，原因（3）、（4）由秸秆可供应系数η2表达，对燃料收集半径估算的准确度影响很大。鉴于取η1= 0.5和η2=0.3时应用公式（1）估算出的30 km燃料收集半径经实际检验证明是50 km，因此应对η1和η2的取值范围进行相应调整。具体推导如下：

对于公式（1），在每年所需燃料量M和单位面积秸秆产量M2不变的条件下，若燃料收集半径由30 km修正为50 km，则η1η2应减小0.36倍。按η1和η2对等分担的原则，建议η1取值由0.5修改为0.25～0.35，一般取0.3；η2取值范围由0.3～0.5修改为0.16～0.2，一般取0.18。

此外，原因（5）其实是对M2的估算不够精细，只需适当注意并参照本文引述的相关数据计算，一般可以解决。而原因（6）则可在设计初期通过公式（1）并取η1=0.3和η2=0.18，求得合理燃料收集半径（建议取50 km）内的可利用秸秆资源量后，反推机组年利用小时数得以消除。

4 关于燃料收集半径及装机规模的建议

在机组年利用小时数不变的情况下，电厂每年所需燃料量由装机规模决定。由公式（1）可知，R与M成正相关。因此，秸秆发电厂的装机规模越大，M越大，R也越大。由本文第1节研究可知，R越大，电厂经济性越差。当燃料收集半径由30 km扩大到50 km时，秸秆发电厂年利润率下降20%～30%。调查结果表明，燃料收集半径为50 km时，电厂的盈利能力基本处于临界状态。

根据对已投产运行的秸秆发电厂的燃料收集半径和盈利能力分析研究，并听取设计专家和运行专家的意见，建议：秸秆发电厂的燃料收集半径以不大于50 km为宜；对于单季农作物产区，秸秆发电厂的装机规模不宜大于30 MW。

5 结论

（1）秸秆发电厂的燃料收集半径对其经济性有较大影响。收集半径越大，运输费用越高，电厂的燃料成本也相应增大，利润也就越低。经计算，燃料收集半径由30 km增加到50 km时，秸秆发电厂的盈利能力降低20%～30%。

（2）目前广泛采用的秸秆发电厂燃料收集半径估算公式的物理意义是正确的，但估算结果约比实际小40%。经分析发现，其原因主要在于对农作物秸秆用于其他用途等不利因素估计不足，η1和η2取值偏大。经分析测算，建议：η1取值由0.5修改为0.25～0.35，一般取0.3；η2取值范围由0.3～0.5修改为0.16～0.2，一般取0.18。

（3）秸秆发电厂的燃料具有热值低、密度小、不易整理和运输的特点。因此，应以合理范围内可利用的秸秆资源量确定秸秆发电厂的装机规模，不宜片面追求较大的装机规模。建议：燃料收集半径为50 km，装机规模为30 MW。

[1]黄明皎，崔岩.国家标准《秸秆发电厂设计规范》专题报告之一：厂外燃料收集、储存及运输研究[R].长春：东北电力设计院，2010.

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