近海采油平台岸基供电系统成本效益优化

朱亮亮,胡文博,齐 蓓,宋文乐,王 磊,张佳丽,魏永长

(1.南瑞集团有限公司/国网电力科学研究院有限公司,江苏 南京 215200;2.国网电力科学研究院武汉能效测评有限公司,湖北 武汉 430074;3.国网河北省电力有限公司 沧州供电分公司,河北 沧州 061000;4.中南财经政法大学 工商管理学院,湖北 武汉 430073)

近海采油在保障石油资源需求中发挥着重要作用,但其经济与环境效益尚不够明朗[1-2]。目前,大多数海上采油平台的供电都是基于油气燃烧的自发电发电系统,这能够在一定程度上满足近海采油平台的电力供应,但是存在能耗大、污染重、成本高、负荷小、可靠性低等突出问题[3]。岸基供电则是将陆上电力通过海底电缆输送至近海采油平台,具有便捷性、高可控性、清洁性、低损耗性等优点,为解决传统自发电存在的一系列问题提供了有效的解决方案。目前,我国岸电技术主要应用于港口船舶,近海采油岸基供电项目建设中的应用尚处于起步探索阶段,岸基供电的经济效益和环境效益测算、成本分摊与收益共享等问题缺乏系统研究,一定程度上阻碍了近海采油岸电项目的普及。

目前,岸电系统的经济效益与环境效益相关研究主要集中在船舶岸电系统。一方面,部分学者建立指标测算岸基供电系统的经济效益与社会效益[4-5]。例如,颜明东等[6]以宁波港为例,研究船舶在港岸基供电对节能减排的影响,着重测算了各种污染物的减排量。YIN等[7]构建了船舶岸基供电的投资收益模型,并以上海港口的数据进行了验证。另一方面,部分学者在考虑成本与效益的基础上,对船舶岸电系统的投资和定价等决策问题进行了研究[8-9]。例如,吴俊妮等[10]根据船舶公司、港口和政府3个利益相关方建立两阶段和三阶段动态博弈模型,分析使用岸基供电系统对各利益主体的社会和经济效益的影响。

综上,有关近海采油平台岸基供电系统的研究很少[11],近海采油平台岸基供电系统的经济与环境效益的测算与船舶岸基供电有着显著的不同。因此,构建包含采油平台、政府、电网公司三方主体的成本-效益模型,进行投资回报分析,并构建系统整体收益最大化模型,以求解最优的供电价格和补贴比例,以期为尽快收回投资成本、实现整体收益最大化提供决策支持。

1 基本假设

考虑包含政府部门、采油平台、电网公司三方利益主体的近海采油平台岸基供电系统,其中政府部门向电网公司和采油平台提供补贴,推动岸基供电系统建设,以达到节能降碳目的;电网公司向采油平台进行供电,提供管理维护等专业化技术服务;采油平台向电网公司支付服务费与供电成本。

假设4在岸基供电模式下,为确保电力稳定供应,采油平台同时采用燃气发电供电方式和岸基供电方式,每年供电时长为T,其中电网供应时长为αT,燃气发电机供应时长为(1-α)T。建设采油平台总供电总容量为Wtotal。

2 成本效益分析

2.1 成本效益分析

电网公司承担的成本包括陆上供电基础设施建设成本、每年的设施维护成本和向采油平台提供的服务成本。电网公司承担的成本现值为:

(1)

式中:γ1为电网公司折现率;N为电网公司建设运营周期。

电网公司的主要收益来源于其向采油平台收取的服务费和售电差价收入,其收入现值为:

(2)

采油平台的收益主要来自于发电成本节约、排污成本节约和增值服务收益。采油平台在使用岸基供电前的年燃油发电成本为:

(3)

式中:ξfuel为燃油发电效率;pf为燃油价格。采用岸基供电后,采油平台每年的发电总成本为:

(1-β2)pg×10-4

(4)

每年节省的燃油总成本为:

ΔCgas=αT×Wtotal×[ξfuel×pf×10-10-

pg×(1-β2)×10-4]

(5)

采用燃油发电会排放CO2、SO2等多种污染物,相比之下,使用岸电项目每年节约的排污费为:

(6)

式中:τi为第i种污染物的燃油发电排放率;λi为第i种污染物排污征收税率。

(7)

(8)

式中:υgas为采油平台获得的增值收益。

政府部门的成本包括给电网公司提供电力设施建设补贴和对采油平台的电力补贴成本,其补贴成本现值为一次性建设成本与电价补贴成本的现值:

(9)

2.2 投资回报分析与整体优化模型

ln[αT×Wtotal×(pg-pl)×10-4+ps-cs-

(10)

同理,采油平台的投资收回年限Ngas为:

(11)

定义电网公司的利润函数为:

(12)

采油平台的利润函数为:

(13)

基于上述分析,建立整体收益最大化模型:

(14)

s.t.

该优化模型的目标函数为规划期内总体收益现值。前2个约束代表电网和采油平台的收益必须大于零;第3个约束条件代表政府的成本投入不超出上界Hgov;第4个不等式约束代表对采油平台的供电价格存在边界;第5个不等式约束代表采油平台能够接受的服务价格要高于电网公司的服务成本,但要低于服务带来的收益。由于目标函数和约束项包含非线性项,故该优化模型本质上是一个非线性优化模型。

3 成本效益分析

3.1 投资收益分析

根据上述参数设置,计算出差额电价收入为68 985万元/年,远高于电力设施建设费、维护费、技术服务成本。因此,对于电网公司而言,由于岸电项目的建设成本由采油平台承担,该项目的获利性良好,很容易收回投资成本。投资收回年限分析结果如图1所示,可以看出供电价格越高,采油平台收回投资的周期越长,而增加政府补贴可以显著缩短投资收回年限,其根本原因在于政府补贴可以弥补高昂的油气开采成本。

图1 投资收回年限分析结果

建设运营周期对采油平台收益的影响如图2所示,可以看出当无政府补贴或政府补贴较低时,采油平台有可能一直没法收回收益,而当政府补贴较高时,建设运营周期越长,收益现值越高。

图2 建设运营周期对采油平台收益的影响

4.1 优化模型求解

由于优化模型的目标函数和约束项中含有非线性项β2pg,是一个非线性优化模型,故根据定期存款利率,设置政府部门的投资回报率:1年期为1.75%;2年期为2.25%;3年期为2.75%;5年期及以上为2.75%。对于特定的β2,优化模型为线性规划模型。基于Matlab R2015的线性规划求解器的计算结果,建设运营周期和政府补贴对电网公司、采油平台及整体收益的影响如图3所示。

图3 基于优化模型求解的各主体收益分析

由图3可知,对采油平台的政府补贴具有传导效应,不仅可以增加电网公司收益,也可以增加采油平台收益。由于模型的非线性特点,当政府补贴较低时,更加有利于增加电网公司收益;当政府补贴较高时,会增加采油平台的收益。此外,建设运营周期越长,电网公司和采油平台的收益会明显增加。

3 结论

(1)围绕近海采油岸基供电的成本效益评估问题,构建多主体的成本-效益评估模型,通过收益现值分析电网公司和采油平台的投资收回年限,并构建整体收益现值最大化模型。

(2)政府补贴和能源价格可以有效提升电网公司向采油平台的供电价格。增加政府补贴可以显著缩短投资收回年限,其根本原因在于政府补贴有效弥补了昂贵的油气开采成本。

(3)在政府补贴受限的情形下,伴随着数字技术的迅猛发展,电网公司及其他技术服务公司向采油平台提供增值服务是未来重要的发展方向;从整体最优的角度来看,对采油平台的政府补贴具有传导效应,不仅可以增加电网公司收益,也可以增加采油平台的收益,研究充分反映了政府补贴在提升近海采油平台岸基供电综合效益中发挥了关键作用。