云南烤煙房電能替代綜合效益分析

梁俊宇，張旭東，呂欣，楊家全

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 前言

雖然我國(guó)自'十二五'以來(lái)就著手大力發(fā)展清潔能源，但我國(guó)以CO2、NOX、SO2為主的大氣污染物仍然位居世界前列，發(fā)展與環(huán)境之間矛盾依然突出。這其中，一是由于供給側(cè)化石燃料消費(fèi)依然占據(jù)主導(dǎo)地位，二是由于需求側(cè)電氣化水平不高，距離發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。就云南來(lái)說(shuō)，80%以上的電力供應(yīng)都來(lái)自于清潔能源，已成為全國(guó)重要的綠色能源基地。云南省也將“綠色能源”列為重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展支柱。但是在需求側(cè)，仍然存在大量燃煤散燒的情況，以煙草業(yè)初加工的干燥環(huán)節(jié)為例，全省26萬(wàn)座烤煙房基本都是以煤炭和薪柴作為燃料，每年烤煙季都會(huì)帶來(lái)不小的環(huán)境壓力。這與云南省綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略形成了鮮明的矛盾，同時(shí)也蘊(yùn)含著巨大的電能替代的潛力。

電能替代主要有“以電代煤”、“以電代油”、“以電代氣”三種方式。然而在“電能替代”這個(gè)概念還未被拋出之前，文獻(xiàn)[1]就探討分析了利用生物質(zhì)對(duì)傳統(tǒng)燃煤等化石燃料進(jìn)行替代的潛力及環(huán)境效益，但生物質(zhì)實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中，仍然要面對(duì)收集、存儲(chǔ)和加工等一系列困難，帶來(lái)極大的不確定性。文獻(xiàn)[2]則提出了一個(gè)比較好的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)模型，對(duì)2030年之前的可再生能源消費(fèi)增長(zhǎng)情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，目前來(lái)看是符合實(shí)際情況的。文獻(xiàn)[3]對(duì)通過(guò)對(duì)政府相關(guān)政策、電氣化進(jìn)程以及相關(guān)案例等的研究，針對(duì)性地提出了市場(chǎng)推廣策略及實(shí)施方案。文獻(xiàn)[4]則研究了在電能替代過(guò)程，依靠分布式電源支撐局部供電緊張等問(wèn)題的可行性。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了“以電代煤”相關(guān)政策，構(gòu)建了電窯爐替代傳統(tǒng)燃煤窯爐經(jīng)濟(jì)效益分析模型，并研究探討了替代的可行性方案，然而該模型并不能很好地適用于農(nóng)產(chǎn)品，如云南煙葉等的干燥加工場(chǎng)景。文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果則表明，電能替代后所形成的電-熱耦合的綜合能源系統(tǒng)，其綜合效益評(píng)價(jià)是非常復(fù)雜的，大量的不確定性均會(huì)影響其評(píng)價(jià)結(jié)果。這也是導(dǎo)致理論分析和實(shí)際工程出現(xiàn)較大偏差的重要原因。文獻(xiàn)[7]采用成本效用分析方法，從經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兩方面建立一次能源的綜合評(píng)價(jià)模型，分析表明綜合考慮環(huán)境效益后可合理有效地判斷電能替代的可行性。綜上所述，電能替代項(xiàng)目的綜合效益評(píng)價(jià)，需要具體問(wèn)題具體分析，需要帶入具體的場(chǎng)景。云南省作為煙草大省，烤煙加工環(huán)節(jié)需要消耗大量的化石燃料，因此怎樣評(píng)估以清潔能源替代傳統(tǒng)能源的效益分析已成為首要解決的問(wèn)題。

本文選擇以云南省煙葉干加工環(huán)節(jié)的'以電代煤'為例，建立了相應(yīng)的綜合效益分析模型，分別從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩方面入手，通過(guò)對(duì)電能替代中各項(xiàng)措施進(jìn)行算例分析，利用逼近理想解排序法證明電能替代在綠色能源占比高的地區(qū)的可替代性，為后期電能替代的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 云南省烤煙行業(yè)現(xiàn)狀

云南省作為三大煙區(qū)之一，全省共建設(shè)密集型烤房70萬(wàn)余座。隨著人們生活水平的提升和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，開(kāi)發(fā)新的清潔能源烘烤煙葉成為必需。目前，較常見(jiàn)的清潔能源有太陽(yáng)能、電能(電加熱和熱泵)、天然氣、生物質(zhì)等。煙葉烘烤作為煙葉生產(chǎn)鏈上的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，烘烤工藝和技術(shù)直接影響烤煙烘烤損失率、上等煙比率。20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)和日本開(kāi)始研究密集烘烤設(shè)備，60年代初逐步用于烤煙生產(chǎn)，到70年代已經(jīng)在加拿大、美國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家全面推廣。我國(guó)于20世紀(jì)六七十年代研制了燒煤的密集烤房，并在生產(chǎn)中進(jìn)行了一定范圍的示范。但是，由于當(dāng)時(shí)農(nóng)村生產(chǎn)組織形式的變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件限制，這種密集烤房沒(méi)有能夠得到推廣，而且絕大多數(shù)被廢棄掉，僅吉林省保留了適宜于烤煙十五畝左右的密集烤房。20世紀(jì)90年代，全國(guó)烤煙生產(chǎn)水平快速提高，中外烤煙生產(chǎn)技術(shù)交流與合作更加廣泛深入，各地相當(dāng)一部分煙田的長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相被公認(rèn)達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。為了改善烤煙設(shè)備和進(jìn)一步提高烤后煙葉質(zhì)量水平，云南、福建、河南、山東等省借鑒吸收國(guó)外烘烤設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，相繼購(gòu)置引進(jìn)了燒柴油、煤燃鍋爐供熱、燒煤直接供熱等形式的密集烤房二百余座，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能有效地減少或避免烤青煙、掛灰煙和花片煙，橘色煙比例、煙葉顏色、色度及內(nèi)在品質(zhì)都有所提高。但是，其購(gòu)置投入很高，污染很大，所以這種烤房在20世紀(jì)90年代基本處于閑置狀態(tài)。隨著時(shí)代的發(fā)展，烤煙生產(chǎn)也有了新的發(fā)展方向，然而長(zhǎng)期以來(lái)，我省傳統(tǒng)烤煙房仍然主要依賴于化石能源，而且容量小、零散性分布、烘烤工藝不專業(yè)，導(dǎo)致烘烤損失率高達(dá)10%以上，上等煙比例較小，烤煙成本高；烤煙質(zhì)量提升空間較大；小烤房還導(dǎo)致能源利用效率低，環(huán)境污染等問(wèn)題，與云南先進(jìn)的現(xiàn)代化的卷煙工業(yè)比較，整個(gè)烤煙行業(yè)處于技術(shù)落后狀態(tài)。

為改變這一現(xiàn)狀，云南省積極響應(yīng)國(guó)家大力推廣建設(shè)臥式密集型烤房政策，按照國(guó)煙辦綜[2009]418號(hào)《密集烤房技術(shù)規(guī)范》要求，逐步實(shí)行專業(yè)化烘烤覆蓋。近年來(lái)在云南省委、省政府的統(tǒng)一協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)下，省煙草公司、云南電網(wǎng)公司在各自領(lǐng)域做了大量的工作。云南電網(wǎng)公司對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行多次升級(jí)改造，大大提高了10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)的供電能力和供電可靠性；省煙草公司從2009年開(kāi)始推動(dòng)密集臥式烤房建設(shè)，目前已建成投用325980座，承擔(dān)烤煙面達(dá)72%；同時(shí)，省煙草公司還積極推進(jìn)煙葉烘烤的專業(yè)化和商業(yè)化，這不但顯著提高了煙葉質(zhì)量，還培養(yǎng)了一批可承擔(dān)烤房建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)的專業(yè)化隊(duì)伍，為烤煙行業(yè)制定正確的運(yùn)營(yíng)模式奠定了良好的基礎(chǔ)。截至目前，我省已經(jīng)建成可投用臥式集群化烤房31.27萬(wàn)座，使用率高達(dá)84.15%，其中專業(yè)化烘烤比例達(dá)到61.87%。至此，全省臥式烤房改造基本完成，總數(shù)基本穩(wěn)定。這一舉措極大改善了我省煙葉烘烤行業(yè)的落后狀況，提高了煙葉質(zhì)量，也為進(jìn)一步實(shí)施煙葉烘烤的清潔替代、促進(jìn)煙草行業(yè)進(jìn)一步升級(jí)提質(zhì)提供了良好的支撐條件。

盡管云南烤煙通過(guò)實(shí)施臥式烤房集中化、烘烤專業(yè)化，干煙葉質(zhì)量水平上了一個(gè)臺(tái)階，但還存在以下問(wèn)題：

截止到2019年，我省煙葉小烘烤房總計(jì)仍有79.54萬(wàn)座，其中曲靖、紅河、玉溪、楚雄、大理等五個(gè)地州烤房數(shù)量超過(guò)10萬(wàn)座。承擔(dān)烤煙面積占18%左右，通過(guò)專業(yè)化烘烤，逐步減少小型烘烤房承擔(dān)的面積，還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

集中臥式烤房烤煙依舊以燃燒煤炭為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前每年烤煙耗煤量達(dá)到200萬(wàn)噸，燃燒產(chǎn)生大量大氣污染物，環(huán)境危害較大；且能源利用率低，一次能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

燃煤烘烤自動(dòng)化水平較低，人工成本依然較大；烘烤過(guò)程不易控制，煙葉成品率及上等煙比率還有很大提升空間。專業(yè)化和商業(yè)化烘烤比例有進(jìn)一步提高的空間。

1.1 小烤房模式

由于歷史原因和地理?xiàng)l件限制，部分地區(qū)難以建設(shè)集中臥式烤房，實(shí)現(xiàn)煙葉集中烘烤，因此，截至目前，全省仍有在用的小型烤房557000座，承擔(dān)的烤煙面積為181.525萬(wàn)畝，盡管小型烤房數(shù)量眾多，但其烤煙面積已縮減至總面積的27.8%。小烤房的運(yùn)營(yíng)主要通過(guò)村民自發(fā)的合心互助、自己烤煙的方式進(jìn)行，烘烤方式落后，但由于地理和歷史因素，這種模式仍將長(zhǎng)期存在。

1.2 臥式密集烤房的運(yùn)營(yíng)方式

密集烤房的基本特點(diǎn)是強(qiáng)制通風(fēng)、熱風(fēng)循環(huán)和烘烤過(guò)程自動(dòng)控制。裝煙密度大，操作簡(jiǎn)便，省工。一座密集烤房一般可承擔(dān)煙葉面積30～70畝，裝煙密度是普通烤房的4倍以上[8]。目前，全省建設(shè)臥式密集烤房總數(shù)達(dá)到325980座，實(shí)際投用263196座。據(jù)煙草公司數(shù)據(jù)，目前專業(yè)化模式烘烤的集群臥式烤房數(shù)量達(dá)到了162832座，專業(yè)化烘烤比例達(dá)到61.87%，覆蓋烤煙面積266萬(wàn)畝。其中，專業(yè)化烘烤包含合作社烘烤模式和商業(yè)化烘烤模式。進(jìn)行商業(yè)化烘烤的臥式烤房數(shù)量為102879座，占到專業(yè)化烘烤的63.18%，覆蓋烤煙面積158萬(wàn)畝。

1）專業(yè)化烘烤模式

自2007年國(guó)家局提出建設(shè)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)以來(lái)，各地紛紛開(kāi)始探討專業(yè)化烘烤的運(yùn)行模式[9]。云南、山東、貴州等地的專業(yè)化試點(diǎn)地區(qū)已經(jīng)取得可喜的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，顯示出強(qiáng)大的生命力。烤煙合作社的運(yùn)行機(jī)制是按照“依法自愿，風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)，利益共享，按股分配，規(guī)范管理”的原則組建，在不改變農(nóng)戶土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)的前提下依法組織烤煙生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，推行自主管理，獨(dú)立核算，自負(fù)盈虧。

與小烤房烘烤相比，專業(yè)化烘烤具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面具：①成立合作社組織機(jī)構(gòu)。通過(guò)社員大會(huì)，選舉成立理事會(huì)和監(jiān)事會(huì)，組建各個(gè)環(huán)節(jié)專業(yè)隊(duì)；②實(shí)行煙葉生產(chǎn)股份制經(jīng)營(yíng)。農(nóng)戶以土地和勞動(dòng)力投入作為股本入股，最終烤煙生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)按股份比例分成；③配套輔助產(chǎn)業(yè)。拓展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域，走種、養(yǎng)、加相結(jié)合的路子，增加農(nóng)民就業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的多元化、產(chǎn)業(yè)化。

2）商品化烘烤模式

商品化烘烤采取合作社直接經(jīng)營(yíng)，烘烤人員由合作社統(tǒng)一管理、統(tǒng)一作業(yè)，烘烤物資統(tǒng)一采購(gòu)、財(cái)務(wù)統(tǒng)一結(jié)算，烘烤用工采取承包的方式[10]。具體來(lái)說(shuō)，合作社負(fù)責(zé)統(tǒng)一采購(gòu)烤煙用煤和烤煙用電，負(fù)責(zé)對(duì)烘烤設(shè)施實(shí)行管護(hù)，對(duì)烘烤過(guò)程進(jìn)行管理，上爐、出爐、司爐環(huán)節(jié)用工由專業(yè)隊(duì)（組）承包，人員統(tǒng)一作業(yè)、財(cái)務(wù)統(tǒng)一結(jié)算。在實(shí)施過(guò)程中，實(shí)行商品化烘烤的，合作社須在煙站、參加社員共同參與下精準(zhǔn)核算烘烤成本價(jià)格，充分考慮烘烤物資、人員雇工、設(shè)施管護(hù)、經(jīng)營(yíng)管理等成本費(fèi)用，足額核減專業(yè)化服務(wù)補(bǔ)貼，合理制定商品化烘烤服務(wù)價(jià)格。

2 用戶側(cè)電能替代綜合效益分析

2.1 烤煙房電代煤綜合效益分析模型

近年來(lái)臥式集群化烤房的建設(shè)工作，為電烤煙技術(shù)改造提供了必要的實(shí)施條件。同時(shí)，由于小烤房形式多樣，地理分布不集中，不具備電氣化改造的價(jià)值。為此，本文以云南省常見(jiàn)的臥式集群化烤房為對(duì)象，對(duì)其建立綜合效益分析模型。

2.1.1 經(jīng)濟(jì)效益分析模型

考慮初期投資及運(yùn)行時(shí)期的費(fèi)用，比較替代前后每年的費(fèi)用。

1）燃煤烤煙房年費(fèi)用

式中：Ccoal(A)為傳統(tǒng)設(shè)備平均年費(fèi)用（萬(wàn)元）；Icoal為投資的初期費(fèi)用（萬(wàn)元）；r為基準(zhǔn)折現(xiàn)率（%）；Ncoal為傳統(tǒng)設(shè)備的使用年限；Ccoal為傳統(tǒng)設(shè)備的年運(yùn)行成本（萬(wàn)元）。

燃煤烤煙房年運(yùn)行成本：

式中：Pcoal為煤炭?jī)r(jià)格（萬(wàn)元/t）；Lcoal為年煤耗量（t/年）；Ccoal-1為人工成本（萬(wàn)元/年）；Ccoal-2為維護(hù)成本（萬(wàn)元/年）。

各大氣污染物排放系數(shù)如表1所示：

表1 大氣污染物排放系數(shù)（t/tce）(噸/噸標(biāo)準(zhǔn)煤)

2.2 TOPSIS法

逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的多個(gè)指標(biāo)和理想化解的接近程度進(jìn)行排序，以此作為評(píng)價(jià)優(yōu)劣的依據(jù)[11]。圖1為TOPSIS算法流程圖。

圖1 TOPSIS算法流程圖

2.2.1 得到初始矩陣

設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則可以得到評(píng)價(jià)對(duì)象矩陣，并對(duì)該矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到以下矩陣：

2.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行決策時(shí)，一般要進(jìn)行屬性值的規(guī)范化，常用的處理方法有如下幾種：

1）線性變換

X=(xij)m×n為 初 始 的 決 策 矩 陣，Z=(Zij)m×n，i=1，…，m；j=1,…，n為線性變換后的決策矩陣。

3 用戶側(cè)以電代煤綜合效益算例分析

3.1 以電代煤算例

為了對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，選取云南省普洱市燃煤烤煙房作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行電能替代綜合效益的測(cè)算。測(cè)算時(shí)選取的具體邊界參數(shù)如表2所示。

表2 煙房經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析具體參數(shù)值

1）經(jīng)濟(jì)效益

由表2可知，改造前由于其用電設(shè)備較少，耗電量少，耗電成本低。但相對(duì)應(yīng)的燃料成本及人工成本較高；改造后,自動(dòng)化程度的提高，節(jié)約了人工成本和燃料費(fèi)用，但設(shè)備維護(hù)費(fèi)用（新增的配電和用電設(shè)備）升高至0.99元/kg。

按照以上數(shù)據(jù)，單個(gè)烤房的運(yùn)行費(fèi)用匯總?cè)绫?所示。

表3 單個(gè)烤房的年運(yùn)行費(fèi)用匯總

改造后的年用電量增加較多,但電費(fèi)的增加數(shù)額比年均燃煤費(fèi)用低,改造后應(yīng)用電能替代技術(shù)，人工成本降低,維護(hù)成本大幅增加。總體來(lái)說(shuō),改造之后的年運(yùn)行費(fèi)用比改造前的年運(yùn)行費(fèi)用降低了4000多元。

對(duì)烤煙房改造前后的年費(fèi)用進(jìn)行比較，如表4所示。

表4 改造前后單個(gè)烤煙房年費(fèi)用比較

由于烤房改造后的初期投資相比于燃煤烤房初期投資較高，其年均收入大幅度增加，凈利潤(rùn)增長(zhǎng)達(dá)到約9億元。因提高凈利潤(rùn)，可吸引更多的用戶進(jìn)行改造。

2）環(huán)境效益

由于各地烤煙房燃用的具體煤種無(wú)法考證，所以在測(cè)算環(huán)保效益時(shí)，采用電氣化烤煙房耗電進(jìn)行反推的方法估算燃煤發(fā)熱量，從而確定煤種的大致成分的方法。根據(jù)省外電氣化烤煙房試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)以及云南電氣化烤煙房試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，采用熱泵方案進(jìn)行電氣化烤煙房改造后，其電耗約為2.5度/kg(干煙葉)，由于電烤房一般會(huì)重新鋪設(shè)保溫性能更好的絕熱層，所以熱損失可以忽略不計(jì)。根據(jù)環(huán)境效益模型，計(jì)算烤煙房改造后的環(huán)境效益，計(jì)算結(jié)果如表5和表6所示。

表5 單座改造后烤煙房的環(huán)境效益

表6 地區(qū)改造后烤煙房的環(huán)境效益

3.2 綜合效益分析

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

表7 電能替代前后的效益值

選用向量規(guī)范化法將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如表8所示。

表8 燃煤和以電代煤綜合效益值歸一化處理

因?yàn)镃1＜C2，說(shuō)明以電代煤的綜合效益優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤設(shè)備。

由此可見(jiàn)，基于云南地區(qū)發(fā)電側(cè)的能源結(jié)構(gòu)，合適進(jìn)行以電代煤。由以上可知，燃煤進(jìn)行電能替代后，經(jīng)濟(jì)投入相比于替代前高，這是由于初始投資（購(gòu)置成本）及能源使用量大所造成的。就環(huán)境效益方面來(lái)說(shuō)，電能替代后的污染物排放量都低于使用傳統(tǒng)能源的污染物排放量。

4 結(jié)束語(yǔ)

云南省煙房數(shù)量眾多，且集中連片的臥式烤房群數(shù)量較多，改造條件好，改造潛力大，可以作為我省實(shí)施電能替代首批啟動(dòng)的改造項(xiàng)目。本文根據(jù)云南地區(qū)烤煙房的用能特性，建立了“以電代煤”綜合效益的效益分析模型，結(jié)合具體算例運(yùn)用TOPSIS法對(duì)其效益指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估排序，提供簡(jiǎn)明的指標(biāo)體系算法。算例分析表明，“以電代煤”可有效緩解環(huán)境污染問(wèn)題，提高人民生活水平，同時(shí)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。