考慮環境成本的矩陣模式經濟學分析方法

賈小平，萬樹文，王 芳，錢 宇

（1青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 266042；2華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510641）

1 矩陣模式經濟學

1.1 傳統矩陣模式經濟學

1.2 考慮環境影響的矩陣模式經濟學

考慮環境影響的成本分析模型如圖2所示。考慮環境影響的矩陣模式經濟學包含了廢熱、廢氣、廢水、廢渣等出系統的環境污染排放物流股，這不同于傳統經濟學中的事件矩陣，傳統的事件矩陣中只包含了燃料和產品兩種定義，并未定義環境排放。因此事件矩陣需要增加新的補充方程構建原則。

本文環境成本包括污染物治理成本和潛在環境影響成本兩類。系統中廢水、廢渣考慮其污染物治理成本，對于煙氣等廢氣排放物考慮其潛在環境影響成本。污染物治理成本通過查閱文獻獲得單位排放治理成本，然后乘以廢水、廢渣排放總量計算而得。潛在環境影響成本通過計算污染物氣體的單位環境影響成本乘以廢氣環境排放量而得到。其補充方程構建原則有以下幾種。

補充原則一：有e股輸入流，就可以建立e個補充方程：ae×ED×c* =We。式中，ae（e×n）為對應輸入系統流元素為 1的矩陣。We（e×1）為已知輸入系統流的成本向量。

補充原則三：若子系統的“燃料”為雙線流，則構成雙線流的兩股流，其單位成本也相等。多輸入和多輸出系統同樣也如此，且等于輸入單位流成本的加權平均值。

圖1 矩陣模式，經濟學基本思路

圖2 考慮環境影響的成本分析模型

補充原則四：有l股輸出系統排放到環境中的流股，就可以建立l個補充方程：al×ED×c* =Wl。式中，al（l×n）為對應輸出系統并排放到環境中的流元素為?1的矩陣；Wl（l×1）為已知輸出系統并排放到環境中流的成本向量。當不考慮流排放所造成的環境影響時，Wl（l×1）為零向量；考慮流排放所造成的環境影響時，Wl（l×1）為負向量，從而將環境成本轉移到產品成本中。

2 案例分析：天然氣輔助煤多聯供甲醇電多聯產系統

該多聯供多聯產系統的描述見文獻[5]。該系統可有效地彌補分產系統中存在的一些不足，通過煤基合成氣生產化工產品，未反應的合成尾氣和天然氣在燃氣輪機中燃燒發電，從而提高系統的能量利用效率。在傳統的多聯產系統中，由于出甲醇合成單元模塊的未反應合成氣的量較小，聯合循環發電單元模塊的操作范圍也較小，從而導致聯合循環單元模塊的發電效率較低。而對天然氣輔助煤甲醇電多聯供系統來說，通過采取補充燃燒天然氣和未反應合成氣聯合的方式來擴大循環發電單元模塊的操作范圍，從而可以提高整個系統的發電效率，并使天然氣的應用效率達到最佳水平。

2.1 單位成本分析

2.2 單位經濟學成本分析

圖3 單位成本變化規律

表1 各子系統的燃料、產品及環境排放

煤炭開采的固體廢物產生率為4.92 kg/t，天然氣開采的固體廢物產生率為0.00576 kg/m3。本文固體廢棄物只考慮其占地損失，2000年固體廢棄物的環境經濟損失[9]為 4.652 $/t。以小麥的出售價格對其進行修正，則固體廢棄物的環境經濟損失為8.652$/t。廢熱的累積必然會增強溫室效應[10]，但是目前還缺乏相關的統計數據，暫不考慮廢熱的環境成本。圖4所示為單位經濟學成本的變化規律圖，圖5、圖6所示為考慮環境影響前后的系統經濟學成本變化圖。

圖4 單位經濟學成本變化規律

3 結 論

（1）引入過程系統的環境影響因素，提出考慮環境成本的矩陣模式經濟學分析方法，分析系統產品生命周期成本的形成過程，揭示系統產品的真實成本。

表2 各子系統的投資回收成本和運行維護成本 單位：$/s

表3 各污染物的環境成本估算

圖5 未考慮環境成本時的天然氣輔助煤多聯供甲醇電多聯產系統的成本變化圖（單位：$/s）

圖6 考慮環境成本時的天然氣輔助煤多聯供甲醇電多聯產系統的成本變化圖（單位：$/s）

（2）針對事件矩陣建立，提出考慮環境影響的新補充方程構建原則。

（3）以天然氣輔助煤多聯供甲醇電多聯產系統為例，詳細分析了考慮環境影響前后的單位成本和單位經濟學成本的變化情形，隨著過程的延伸，兩者成本均逐漸升高。未考慮環境成本的產品電力平均單位經濟學成本為0.0200 $/MJ；考慮環境成本后，則其成本將提高41.0 %。

[1]Keenan J H.A steam chart for second law analysis.A study of thermodynamic availability in the steam power plant[J].Mechanical Engineering, 1932, 54：195-04.

[2]Evans R B, Tribus M.A contribution to the theory of thermo economics[R].UCLA, Report No.62/63, Los Angeles, CA 1962.

[4]傅秦生.能量系統的熱力學分析方法[M].西安：西安交通大學出版社.2005.

[5]萬樹文.合成氣為核心的多聯供多聯產系統多目標評價研究[D].青島：青島科技大學.2012.

[6]Valero A, Lozano M A, Mu?oz M.A General Theory of Exergy Saving：Part I～III [M].Computer-Aided Engineering of Energy System–Second Law Analysis and Modelling, ASME Book H0341C ,1986, 2-3：1-21

[7]原培勝.污水處理廠處理成本分析[J].環境工程, 2008, 26(2)：55-57.

[8]劉敬堯.合成氣為核心的能源化工系統的系統分析和生命周期評價[D].廣州：華南理工大學, 2011.

[9]鄭莆燕.煤部分氣化聯合循環的技術、經濟和環境綜合分析研究[D].南京：東南大學, 2003.

[10]Zevenhoven R, Beyene A.The relative contribution of waste heat from power plants to global warming [J].Energy, 2011, 36：3754-3762.