生物质发电中农户秸秆供应成本敏感性分析

翟明岭，　张　旭，　程　飞，　赵浩亮，　苏　醒

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)



生物质发电中农户秸秆供应成本敏感性分析

翟明岭，张旭，程飞，赵浩亮，苏醒

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)

摘要：针对生物质发电中秸秆收集困难的问题，对秸秆供应构建4种模式：人工收集主动运送模式、机械收集主动运送模式、人工收集等待收购模式和机械收集等待收购模式，建立农户秸秆供应成本模型，计算不同模式的成本，并对不同的重要因素进行单因素敏感性分析.结果表明：人工收集模式比机械收集模式成本低，但受人力工资影响大，当人力工资≥18元/h时，人工收集主动运送模式成本最高；当土地面积>0.667 hm2时所有模式的成本稳定，变化不大；运输距离对人工收集模式成本的影响大于机械收集模式，留茬高度越低影响越大；作物产量水平越高，越适合机械收集模式.

关键词：秸秆； 生物质发电； 供应成本； 成本模型； 敏感性分析

中国秸秆资源丰富，可利用量达6～8亿t[1-2]，但常被农民直接焚烧造成面源污染[3]，成为一大环境难题.因此，我国大力发展生物质发电项目以期解决该问题，但却面临秸秆原料收购困难的新问题[4-5].现有的研究[6-14]主要从电厂角度出发，在电厂秸秆需求量下进行一个地区内秸秆收储运的研究，如邢爱华等[7]根据秸秆资源岛式分布的特征对电厂秸秆收集过程的能耗、成本、排放等进行计算；刘华财等[8]对不同收储运模式进行成本比较；徐亚云等[9]则对不同秸秆收储运模式成本、能耗、人工和设备投入等进行比较；于晓东等[10]对秸秆收购过程进行模拟.上述研究仅基于电厂角度，未反映秸秆初始拥有者(农户)的供应成本，而我国大部分地区的耕作模式是以户为单位的，因此应增加从农户角度的秸秆供应成本研究.农户供应成本大小决定秸秆供应的稳定性，需将农户的秸秆供应成本作为一个独立问题来进行分析，在此基础上再进行收储运问题研究，才更具准确性和合理性.笔者建立了4种农户秸秆供应模式来计算成本构成，对重要的几种影响因素进行敏感性分析，研究结果将对利用经济手段减少农户就地焚烧秸秆，提高供应生物质电厂的积极性有一定指导意义.

1农户秸秆供应成本模型

为方便讨论，文中进行如下假设：(1) 该地区农作物产量密度无差别；(2) 不考虑天气、地形等因素的影响；(3) 农户秸秆全部出售；(4) 秸秆供应模式.收集并主动运送模式和收集等待收购模式，每种又细化为A(人工收集主动运送模式)、B(机械收集主动运送模式)、C(人工收集等待收购模式)和D(机械收集等待收购模式)4种(见图1).农户对收购商身份不作考虑.

图1　农户秸秆供应模式

农户秸秆供应成本计算公式为

(1)

式中：Δch为收割成本增加量，元/t；cc为收集成本，元/t；ct为运输成本，元/t；cs为储存成本，元/t，其中农户的人工工作时间计算以h为单位.

1.1秸秆收割成本增加量

秸秆资源总量Q的计算式为

Q=αk1k2A

(2)

式中：α为作物产量密度，t/hm2；k1为草谷比；k2为可收集系数；A为土地面积，hm2.

农作物的收割留茬高度在市场上存在3种标准，降低留茬高度可提高秸秆产量，但带来了收割成本(柴油消耗量、人工等)的增加，以30 cm为基准计算不同留茬高度下收割成本的增加量.秸秆收割相关参数见表1.

设30 cm留茬高度时Δch=0，改变留茬高度，则会带来收割柴油消耗量和收割耗时的增加，因此而带来的成本增量为

(3)

式中：Δqh为柴油消耗增加量，L；pd为柴油价格，元/L；Δth为收割耗时增量，h；pp为人力工资，元/h.

表1　不同留茬高度的相关参数[15-16]

1.2秸秆收集成本

采取人工收集时效率为每小时Qcp；采取机械收集时农户租赁秸秆打捆机，效率为每小时Qcm，打捆机收费为750元/hm2，秸秆包尺寸为1.75 m×1.15 m×0.9 m.则人工收集成本ccp和机械收集成本ccm分别为

(4)

(5)

其中C、D模式下农户将秸秆堆垛储存，增加10%的堆垛成本.

1.3秸秆运输成本

农户使用自有拖拉机挂车(仅1辆)运送秸秆，完成所有秸秆运送所需次数为Nt=INT(Q/mt)+1，其中INT为求整函数.本文计算所采取的拖拉机挂车参数见表2.单次运输空载和满载的运程比为1∶1，拖拉机单位载重公里的运输柴油消耗量qud为

(6)

式中：ge为满载耗油率，kg/(kW·h)；geo为空载耗油率，kg/(kW·h)；v1为满载车速，km/h；vo为空载车速，km/h；Nen/mt为功载比，kW/t，其中Nen为额定功率，kW，mt为额定载重量，t.

表2　农用拖拉机挂车参数[8-9,17]

注：1)表中载重量2个数值分别对应秸秆状态为散杆和秸秆包时的拖拉机载重量.

秸秆运送至收储站，还需花费质检、称重等其他必需时间，取0.5 h.

运输成本为

(7)

式中：β为道路曲折因子，取1.4；lt为运输距离，km；cdep为车辆折旧成本，为直线折旧、残值5%、年限10年、一年365天平摊，元；cm为车辆维护成本，为车辆价格的5%、一年365天平摊，元.

1.4储存成本

C、D模式下农户需储存秸秆，将秸秆临时存放在田间地头，不另建存储场地.为确保秸秆不因下雨等原因导致质量受损，农户需购买防水帆布，面积等于堆垛表面积，折旧10年，残值为0.堆垛高度为3 m，假设堆垛形状为方形，则帆布面积为

(8)

储存成本为

cs=pcAc/10Q

(9)

式中：pc为帆布价格，元/m2；Ac为帆布面积，m2.

2成本计算结果

2.1计算参数设置

选取江苏省某县为例进行分析,该县位于江苏省东南部，是小麦、水稻和油菜等的主产区.以该地区的小麦秸秆为对象分析供应成本，相应参数见表3和表4.根据笔者调研发现，直接运送秸秆至电厂的距离为3 km以内，因此以3 km为基准计算相应成本并分析距离对成本的影响.

表3　小麦秸秆参数[16-17]

表4　其他相关参数

2.2计算结果

各模式下的秸杆供应成本见图2，其中A～D对应图1的供应模式，1～3对应秸秆收割留茬高度分别为30 cm、20 cm和10 cm.从图2可以看出，模式A1成本最低，模式C1与之相近，而模式B1的成本最高，其次为D1.因此相同留茬高度下机械收集模式成本要高于人工收集模式，这是因为前者虽提高了收集效率，但租费较高导致成本较高.随着留茬高度的降低，不同模式的成本变化不同，人工收集模式下成本增加，而机械收集模式下成本则降低，这是因为人工收集模式下，随着留茬高度的降低人工成本增加，而打捆机租费不变，秸秆量的增加可降低总成本.相同收集模式下，运输与储存成本相差不大，若农户不选择储存措施则会降低成本19.4～32.4元/t，但无法保证秸秆质量稳定.

从图2还可以看出不同环节的成本在总成本中的比例.在成本构成中收集成本(包括人工成本和机械成本)占最大比例，无论人工收集成本或机械收集成本，若能找到有效降低收集成本的技术方法则可促进秸秆供应.其次是运输成本，其中的人工成本在人工收集时要高于机械收集时(运输油耗折旧等费用不变).储存成本所占比例较大，这是因为假设防雨帆布为秸秆储存专用.

图2　不同模式下秸秆供应成本的比较

3敏感性分析

以模式A1为例进行单因素敏感性分析.图3给出了人力工资、土地面积、燃料价格及运输距离对模式A1成本的影响.从图3可以看出，影响作用依次为人力工资、土地面积、运输距离和燃料价格，其中土地面积为负向作用，其余为正向.土地面积变化时成本出现波动，这是因为秸秆量的增减导致运输次数改变，从而导致人工成本的波动.人工收集模式下柴油消耗量较少，因此其对A1成本的影响最小.这4个因素对模式A2和模式A3的影响相似，而对其他模式的影响则不尽相同，具体在下文进行分析.

图3　A1模式下成本敏感性分析

首先考察人力工资对秸秆供应成本的影响(见图4).从图4可以看出，影响作用大小依次为模式A>模式C>模式B>模式D，这是由于耗费人工的环节依次降低.当人力工资增加2元/h，4种模式的成本增幅依次为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为例，对比A、B、C、D 4种模式，当人力工资pp≤12元/h时模式A成本最低，pp≥18元/h时模式A成本最高，而当pp≤10元/h时主动运送更具成本优势，而当pp≥12元/h时储存秸秆更具成本优势.

图4　不同模式下供应成本与人力工资的关系

图5给出了不同模式下供应成本与土地面积的关系.由图5可知，随着土地面积的增加，4种模式的成本皆下降，原因是随着秸秆产量的增加，设备利用率提高.如主动运送时，秸秆量增加，单位秸秆量的车辆折旧维护费随之减少.模式A、模式B下，成本先随土地面积的增加而降低，当土地面积A≥0.667 hm2(10亩)时，成本较稳定,变化不大，这是因为所设定生产条件中未考虑规模效应，固定成本只有拖拉机折旧维护成本.模式B较模式A成本波动小，因为秸秆被压缩后，拖拉机载重量增加，增加同样的秸秆量所带来的人工成本增幅较小.而由于散杆堆垛比表面积随质量增加而减小，秸秆压缩后形状规则，质量对比表面积的影响不显著，因此模式D较模式C成本变化小.

运输距离对模式A和模式B成本的影响见图6.由图6可知，模式A成本的变化区间为模式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成本的变化区间为模式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).运输距离对模式A的影响大于模式B，这是因为人工收集时的单车运输量少于机械收集时的单车运输量，运送次数多，距离越远，运输时间越长，运输人工成本的差别会越大.模式A2和模式A3的斜率大于模式A1，这是因为模式A2和模式A3的运送次数恰比模式A1增加1次，同时当达到34 km时运输工作增加一天导致成本有一个突增.从图6还可以看出，在1～40 km内模式A1成本低于模式B1，运输距离lt≥15 km时模式A2成本高于模式B2，模式B3较模式A3始终具备成本优势.因此运输距离越远，模式B成本优势越大.

最后考察作物产量水平对成本的影响，结果见图7.考虑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个产量水平下的成本，秸秆收集系数依次为1.16、1.08、1.03、1.03、1.02和0.96.从图7可以看出，产量水平对机械收集模式影响较大，作物产量水平越高，越适合机械收集模式.

(a)

(b)

(c)

(d)

图6　主动运输成本与运输距离的关系

4结论

(1) 不同模式下的成本计算结果显示，机械收集模式高于人工收集模式，降低留茬高度有利于降低机械收集模式的成本，农户若不储存秸秆则降低成本19.4～32.4元/t，但无法保证质量.

图7　不同模式下供应成本与产量水平的关系

(2) 同一留茬高度下，人力工资pp≤12元/h时模式A成本最低，pp≥18元/h时模式A成本最高；pp≤10元/h时主动运送较储存成本低，当pp≥12元/h时储存秸杆更具成本优势.

(3) 随土地面积的增加，4种模式的成本皆下降，主动运输成本变化幅度大于储存成本，当土地面积≥0.667 hm2(10亩)时各种模式的成本稳定，在本文设定条件下，土地面积的继续增加对成本作用轻微，因为未考虑规模效应.

(4) 运输距离对人工收集模式的影响大于机械收集模式.运输范围1～40 km内，模式A1成本始终低于模式B1，当运输距离≥15 km时模式A2成本高于模式B2，模式B3成本始终低于模式A3.当运输距离>34 km时，模式A2和模式A3运输工作时间增加一天，导致成本有一个突增.

(5) 本文目的是分析目前中国农业分散现状下的成本.农户的投入除拖拉机之外按照市场价格进行设置，因此未考虑机械收集模式的规模效应，后续研究工作需要结合不同耕地面积规模和机械收集模式的规模效应进行分析.

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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

修订日期：2015-10-21

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B09，2011BAJ08B10)

作者简介：翟明岭(1987-)，男，山东菏泽人，博士研究生，主要从事生物质发电秸秆供应方面的研究.

文章编号：1674-7607(2016)07-0569-06中图分类号：TK6； X712

文献标志码：A学科分类号：480.60

张旭(通信作者)，男，教授，博导，电话(Tel.)：13311831229;E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn.