PDF《基于价值工程原理的乡村秸秆清洁供暖技术经济评价》

第35 卷第9期农业工程学报Vol.

35 No.9

200 2019 年5月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May

2019 基于价值工程原理的乡村秸秆清洁供暖技术经济评价 丛宏斌 1,2 ,姚宗路 1,2 ,赵立欣 1,2 ,孟海波 1,2 ,霍丽丽 1,2 , 袁艳文 1,2 ,任雅薇 1,2 ,刘广华

3 ,刘圣勇

4 (1. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所,北京 100125;

2. 农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125;

3. 承德市本特生态能源技术有限公司,承德 067000;

4. 河南农业大学机电工程学院,郑州 450002) 摘要:秸秆供暖可促进秸秆综合利用,推进中国北方乡村清洁供暖.在深入调研和归纳总结现阶段秸秆清洁供暖技术 现状的基础上,提出了具有较好应用前景的乡村秸秆清洁供暖典型模式,建立了其功能评价指标体系,并采用价值工程 原理和层次分析法,对7种典型模式的技术经济性进行了评价.研究结果表明,在不考虑资源禀赋、交通运输、自然地 理、经济社会发展水平等外部条件的情况下,热电联产供暖、热解联产分户供暖、捆烧锅炉集中供暖、热解联产集中供 暖、 成型燃料分户供暖、 捆烧锅炉分户供暖和成型燃料集中供暖对应的价值系数依次为 1.

062、 1.

050、 1.

005、 0.

990、 0.

973、 0.

965、0.956.该研究可为指导秸秆乡村清洁供暖技术研发和应用推广提供重要借鉴. 关键词:供暖;

秸秆;

农村;

价值工程;

技术经济评价 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.09.024 中图分类号:S21;

TQ013 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2019)-09-0200-06 丛宏斌,姚宗路,赵立欣,孟海波,霍丽丽,袁艳文,任雅薇,刘广华,刘圣勇. 基于价值工程原理的乡村秸秆清洁供 暖技术经济评价[J]. 农业工程学报,2019 , 35(9) :

200 - 205. doi : 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.09.024 http://www.tcsae.org Cong Hongbin, Yao Zonglu, Zhao Lixin, Meng Haibo, Huo Lili, Yuan Yanwen, Ren Yawei, Liu Guanghua, Liu Shengyong. Technical and economic evaluation for clean heating using straw in rural area based on principle of value engineering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 200-205. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.09.024 http://www.tcsae.org

0 引言? 中国北方地区清洁取暖比例低,特别是部分地区冬 季大量使用散煤,大气污染物排放量大,迫切需要推进 清洁取暖[1-2] .这事关北方地区广大群众温暖过冬,事关 雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活 方式革命的重要内容[3] .截至

2016 年底,中国北方地区 城乡建筑取暖总面积约

206 亿m3 ,其中,农村建筑取暖 面积

65 亿m3[4] . 取暖用能主要包括煤炭、 天然气、 电能、 地热能、生物质能、太阳能、工业余热等,其中,燃煤 取暖约占取暖总面积的 83%, 年消耗煤炭

4 亿t标准煤左 右,其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)2 亿t标准煤,主 要分布在农村地区.农村地区散煤使用总量大、时间集 中、排放分散,无净化措施,污染物排放严重[5-6] . 中国农作物秸秆丰富,理论资源量超过

9 亿t,仍有

2 亿t左右未得到有效利用[7] .乡村秸秆清洁供暖通过就 地收集原料、就地加工转化、就近消费,构建乡村分布 式清洁供暖体系,既可减少农村秸秆露天焚烧,又可提 收稿日期:2018-08-10 修订日期:2019-04-11 基金项目: 现代农业产业技术体系专项资金资助 (CARS-02) 作者简介:丛宏斌,高级工程师,主要从事农业生物环境与能源工程方面技 术研究.Email:[email protected] 通信作者:赵立欣,研究员,主要从事生物质能资源开发利用技术与政策 研究.Email:[email protected] 供清洁热力,在终端消费环节直接替代燃煤,有很大的 发展空间[8-11] .多年来,中国秸秆供暖技术以成型燃料锅 炉供暖为主[12] ,秸秆发电向热电联产转型已形成了社会 共识,另外,热解联产、捆烧锅炉等多元化的秸秆供暖 技术体系正在形成.近年来,针对热解、气化、成型燃 料等秸秆供暖技术,相关学者开展了应用模式与效益评 价方面的研究[8,13-14] ,取得了重要成果,但在不同供暖技 术模式的对比研究与定量分析方面,鲜见研究报道. 在深入调研和归纳总结现阶段中国秸秆清洁供暖技 术现状的基础上,本研究旨在梳理具有较好应用前景的 乡村秸秆清洁供暖典型模式,建立其功能评价指标体系, 并采用价值工程原理和层次分析法等,对不同模式的技 术经济性进行评价,以期为北方地区秸秆清洁供暖技术 开发与应用推广提供借鉴.

1 价值工程原理及评价方法 1.1 价值工程原理 价值工程(value engineering,VE)由美国通用电气 公司工程师迈尔斯提出,是指以产品功能分析为核心, 力求用最低的寿命周期成本实现产品的必备功能,从而 提高价值的一种有组织、有计划的创造性活动和科学管 理方法[15-17] .其目的在于寻求产品技术和经济之间的平 衡或以最低成本实现产品的必要功能. 根据价值工程的原理,评价秸秆清洁供暖的技术经 ・农业资源循环利用工程・ 第9期丛宏斌等:基于价值工程原理的乡村秸秆清洁供暖技术经济评价

201 济性,要兼顾技术上先进和经济上合理,即探索以最低的 成本实现秸秆清洁供暖的功能要求,本研究基于这一思 路,对秸秆清洁供暖典型技术模式做出科学合理的评价. 1.2 评价模型与方法 利用价值工程原理,采用以下基本步骤对秸秆清洁 供暖技术模式进行技术经济分析. 1)确定各方案的成本系数 在相同供暖规模等条件下,由相关专家确定各方案 的建设成本,累计相加得出总成本,再将各成本除以总 成本,即得到各方案的成本系数,计算公式为[15]

1 i i m i i c C c ? ? ? (1) 式中 Ci 为方案 i 的成本系数;

ci 为方案 i 的供暖成本;

m 为方案个数. 2)确定功能评价各指标权重系数 层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一 种定性和定量分析结合实现定量决策的分析方法.本研 究采用该方法计算功能评价指标体系中准则层与指标层 权重. ①根据专家对指标两两比较的打分,构造判断矩阵 ( ) ( , 1,2, , ) pq n n A a p q n ? ? ? ? ,n 为矩阵维数.矩阵满足: apq>

0 且apq=1/aqp,apq 指Xp 与Xq 比较,1 代表两者同等 重要,数值越大说明 Xp 比Xq 的重要程度越高. ②求最大特征根对应的特征向量,归一化处理后即 为指标的权重向量. ③矩阵若能通过一致性检验,说明权重向量有效, 否则,重新构造判断矩阵. 3)组织专家对各技术模式对应的功能指标进行打 分,求各指标平均分,并根据权重求各技术模式的功能 得分 fi.

1 ( 1,2, , ;

1,2, , ) n i ij ij j f f l i m j n ? ? ? ? ? ? ? (2) 式中 fij 为方案 i 中因素 j 的分值;

lij 为方案 i 中因素 j 的 权重. 功能系数计算方法如式(3)所示

1 i i m i i f F f ? ? ? (3) 式中 Fi 为方案 i 的功能系数. 4)计算各技术模式的价值系数,价值系数越大,模 式的技术经济性越优,计算方法如式(4)所示 i i i F V C ? (4) 式中 Vi 为方案 i 的价值系数. 1.3 功能指标体系 根据秸秆清洁供暖的功能要求,其功能指标体系从 用户体验、过程清洁和资源节约等

3 个方面考虑.评价 指标作为评价技术模式的基本标准,遵循科学性、客观 性和可比性的原则[18-19] .结合实际工程资料,参照国内 相关标准规范,并在征询行业内有关专家意见的基础上, 建立了秸秆清洁供暖功能评价指标体系. 如图

1 所示,第1层为目标层,第2层为准则层, 第3层为指标层.其中,用户体验方面主要考查用户使 用的舒适性与便利性,过程清洁考查生产、贮运和使用 过程的清洁性,资源节约主要包括能源转化效率、占地、 节水与节材指标. 图1乡村秸秆清洁供暖功能评价指标体系 Fig.1 Functional evaluation index system of straw clean heating in rural area

2 乡村秸秆清洁供暖技术与模式 2.1 秸秆清洁供暖技术 近年来,中国秸秆供暖技术主要以成型燃料锅炉供 暖为主,在政府组织的成型燃料锅炉供热示范项目建设 推动下,全国生物质能供热为主的县级城镇已超过

100 个,成型燃料年利用量约

800 万t[12] .秸秆发电向热电联 产转型也形成了社会共识,热电联产是根据能源梯级利 用原理,将发电后的低品位热能用于供热的先进能源利 用形式.生物质热电联产能源利用效率比单纯发电可提 高20%以上[20-22] .热解联产供热也是秸秆综合利用的重 要途径之一,符合秸秆资源化、能源化综合利用理念, 能够进一步提升秸秆资源开发综合效益,具有良好的推 广应用前景[8,23-25] . 秸秆供暖技术布局灵活,适用范围广,尤其适合在 秸秆资源丰富的乡村建设分布式清洁供暖工程.中国成 型燃料、热电联产、热解联产、捆烧锅炉、沼气和气化 等多元化的秸秆供暖技术体系正在形成.在实地调研的 基础上,本研究以技术相对成熟的热电联产、成型燃料、 热解联产和捆烧锅炉等供暖技术为例,分析秸秆供暖技 术模式,并对其技术经济性进行评价. 2.2 乡村秸秆清洁供暖模式 秸秆热电联产集中供暖技术模式如图

2 所示.利用 汽轮机发电机组的余热生产热水,热水通过管网输送至 附近乡村供暖.该技术模式实现了发电与供热联产,并 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2019 年202 通过能量的梯级利用,使能源利用效率大幅提高,具有 很好的推广应用前景.热电联产项目投资规模相对较大, 且在适宜的收购半径内应具有充足秸秆资源,供暖的乡 村群应比较集中,因此,只适宜较大区域范围内的联村 集中供暖. 图2秸秆热电联产集中供热技术模式 Fig.2 Central heating model of straw combined heat and power 秸秆成型燃料锅炉供暖技术模式如图

3 所示.秸秆 经粉碎和挤压成型后,生产颗粒和压块

2 类成型燃料, 颗粒燃料生产成本相对较高,但便于运输和锅炉自动上 料,一般用于户用供暖更为合适.压块燃料就地用于乡 村集中供暖比颗粒燃料成本低.成型燃料供暖模式具有 机动、灵活的特点,几乎不受地域和自然条件限制,具 有广泛的适用性,但成型燃料加工能耗相对大,生产成 本较高. 图3秸秆成型燃料供暖技术模式 Fig.3 Heating model of straw briquette fuel 秸秆热解联产供暖技术模式如图

4 所示.秸秆经粉 碎热解炭化后,生产热解气和热解炭,高温热解气回 用燃烧产生的热风作为热解热源........