区域煤电产业一体化能源系统分析

彭 旭 赵宇琦

华北电力大学 经济管理系 河北 保定 071003

0 引言

自从2002年煤炭价格市场化以来，煤炭企业与电力企业围绕着电煤价格的矛盾不断升级。一方面，煤炭价格已经实行了市场定价，另一方面，电力企业的发电价格却受到政府的管制。“市场煤，计划电”的价格双轨制形式是当前煤电关系困局的主要原因［1］。

近些年来，国内外学者针对煤电产业矛盾提出了很多相关建议和解决方案，其中“煤电产业纵向一体化”是缓和煤电产业矛盾，促进煤电能源发展的重要架构模式。刘劲松（2007）从“煤、电租”的角度分析了煤电企业纵向关系中的关键问题，提出了缓解煤电冲突的政策建议。杨蕙馨（2007）指出产业链中分工制度安排包括：企业分工、准一体化契约分工和市场分工。成本与收益的比较是决定分工制度安排选择的主要因素。林卫斌（2007）认为煤电矛盾的根源在于煤炭价格双轨制，解决矛盾的根本途径就是打破集体谈判形成重点电煤合同的纵向治理模式。 Jacek Kamiński（2008）考察了波兰电力企业与煤炭企业之间纵向一体化程度与长期合同、现货市场交易之间关系。Thomas P.Lyonb（2012）以坑口电厂为例研究了如何处理纵向关系问题以提高整体效率。

由于市场势力的不同，煤电产业双方就电煤的价格问题进行了博弈，博弈的最终结果往往是电力企业与煤炭企业各自抱团，意见难以统一［2］。长期以来，产业链下游的煤炭资源以行政指令的方式进行资源配置，这种配置方式往往存在信息沟通不畅以及迟缓，难以用有效的方式进行资源的优化和利用［2-4］。作者认为，区域性能源产业一体化能源系统是一种有效的解决方案，该方案已经在部分地区初步实践且效果良好。通过构建一体化能源系统可以“绕过”煤电企业间因各自利益冲突导致的不必要的博弈过程，大大降低交易成本和交易风险，避免寻租过程，有序规范煤炭企业的开采过程，使得煤炭企业可以根据实际需要统筹安排生产，让一体化能源系统的整体优势显现出来。本文运用系统动力学的方法，尝试从理论上说明一体化能源系统的整体优势特性，为未来能源工作的开展提供一定的启示和借鉴。

1 煤电产业一体化能源系统的结构和特点

煤电产业一体化能源系统是由煤电能源供给系统、煤电能源运输系统、煤电能源转换系统、煤电能源政策系统、煤电能源社会经济系统和煤电能源环境系统，六个子系统所构成［5］，如图1所示。

图1 煤电产业一体化能源系统因果关系图

煤电产业一体化能源系统的各个子系统之间相互联系、互相支撑、协同运作，共同构建了动态的不断发展着的煤电产业一体化能源系统［6，7］。

煤电产业一体化能源系统是一个复杂的巨系统，具有以下特点。

1）煤电产业一体化能源系统的组成结构具有复杂性。

2）煤电产业一体化能源系统是多个子系统互动的动态过程。煤电产业一体化能源系统包含众多的子系统，并且在更高的层次上与社会文化、国家意志相关联。因此，煤电产业一体化能源系统发展是由众多子系统在社会经济、文化、国家意志、环境、政策等层面上相互作用、相互耦合的动态过程［8］。

3）煤电产业一体化能源系统具有不确定性。煤电产业一体化能源系统的不确定性来自于三个方面：自然现象的不确定性；社会现象的不确定性；认识的局限性。

2 一体化能源系统的多维动态构建方法及模式选择

煤电产业一体化能源系统在理论上属于企业的纵向一体化范畴。煤电产业的纵向一体化有两个方面的含义：1）企业的状态，指的是单个企业向某种产品的生产端或销售端的延伸。2）企业的行为，指企业通过纵向合并或建立新的生产或销售组织，进入另一个加工或销售阶段的行为。

煤电产业一体化能源系统策略就是在市场机制下，按照煤电产业的生产工序将现有的煤电产业链上处于上、下游的产业或企业，在地域空间范围内结合起来。即将煤炭企业的生产环节和电力企业的生产环节纳入到同一个体系当中，使某些不必要的市场行为内部化的过程。

煤电产业一体化能源系统的构建不是一个简单的过程，而是一个动态的不断加强、完善和积累的过程。煤电产业一体化能源系统直观表现为以煤电产业中的“龙头企业”为核心，通过资本驱动、成本驱动、生产驱动、政策驱动等模式，在一定空间范围内或跨越空间向前延伸、向后拓展从而形成煤电产业的纵向一体化。煤电产业链上节点企业的生产经营活动是由龙头企业的市场势力所影响和决定的。因此，在煤电产业纵向一体化的构建过程中，煤电产业中的龙头企业需要不断调整其自身的生产经营策略，着眼于煤电产业链的完整性、延伸力和耦合程度，通过龙头企业与其它节点企业、配套企业间建立战略联盟，实现对整个煤电产业链要素的控制和共享。从宏观动态的角度来说，煤电产业纵向一体化的构建是从煤炭企业维度的发展开始，煤炭企业维度上的节点企业竞争与合作模式的变动，引起节点企业在一定时空布局的变动，从而产生区域内的集聚效应和技术协同效应，导致煤炭产业的不断提升。电力企业维度上的节点企业通过技术创新、智能电网改造等方式，使得电力企业不断向前发展。在煤炭企业维度、电力企业维度两个方向不断发展的同时，煤电企业必然在政府维度、市场维度上同时进行着协同交互发展的运作过程。煤电产业在煤炭企业维、电力企业维、政府维和市场维，四个维度的相互作用下，形成了煤电产业一体化能源系统建设的“动态网络结构路径”［6］，如图2所示。

图2 煤电产业纵向一体化的动态多维构建图

煤电产业一体化能源系统中的运营厂商的市场交易模式会导致交易成本C1，而建立煤电产业一体化能源系统后可以降低生产交易产生的成本，但同时却产生了组织管理成本C2。

图3 煤电产业一体化能源系统的交易成本、组织成本图

煤电企业的模式选择见图3所示，当一体化能源系统的业务量小于Q*时，此时的交易成本小于组织成本，煤电产业一体化能源系统中的企业适合分散经营。当一体化能源系统的业务量大于Q*时，组织成本小于交易成本，以煤电产业一体化能源系统的内部交易代替了市场交易，节约了交易成本，此时建立煤电产业一体化能源系统的形式更为有利。煤电产业一体化能源系统中的运营厂商的业务量达到Q*时，实现了煤电产业一体化能源系统构建的最优边界。

3 一体化能源系统的整体优势分析

构建煤电产业一体化能源系统的优势主要体现在以下两点。

1）通过构建煤电产业一体化能源系统可以使系统内的企业规模扩大，增强系统的市场支配能力。同时较大的系统规模有利于发挥学习效应，实现技术在不同生产环节的溢出，达到技术扩散的目的。实现规模经济，降低生产成本，提高消费者剩余和社会福利水平。同时在卖方垄断的条件下，实行煤电产业一体化能源系统可以对下游富有弹性的企业实行价格歧视，这样就提高了竞争对手的成本以及进入壁垒。

2）通过构建煤电产业一体化能源系统可以降低交易成本。由于资产的专用性和交易的不确定性造成的机会主义行为使得现货市场的交易成本较高。实行煤电产业一体化能源系统可以将合作者变为内部机构，用“契约”的形式固定双方的交易条件，从而达到消除机会主义行为，降低交易费用的目的［9］。

4 煤电产业一体化子系统的反馈回路分析

系统动力学模型的反馈回路揭示了系统状态改变的原因即反馈结构，下面是对煤电产业一体化能源系统六大子系统的具体分析［10-12］。

图4 煤电能源政策系统反馈图

煤电能源政策系统（图4）：煤电能源政策系统可以在很大程度上决定煤电产业一体化能源系统未来的发展方向，采取激励政策可以加大对煤电产业一体化能源系统的扶持力度，从而增加煤电产业的市场信息［11］。

煤电能源转换系统（图5）：系统中的各个变量一起组成了一个大的正反馈环，任何变量技术改进的效应都将在正反馈的作用下不断扩大，从而提升了煤电能源转换系统的整体效率水平［13］。

煤电能源供给系统（图6）：煤电能源供给系统主要是由火力发电厂和煤场两个系统部门所构成。煤场提供煤电产业一体化能源系统的初级系统能源“煤炭”［14］。

煤电能源运输系统（图7）：煤炭经过公路、水路或者铁路运输到电力生产部门“火力发电厂”，火力发电厂生产出的电力经过电网分配到各个电力客户端。

图5 煤电能源转换系统反

图6 煤电能源供给系统反馈图

图7 煤电能源运输系统反馈图

煤电能源社会经济系统（图8）：煤炭的供给会影响到煤炭价格和电力供给，电力供给在政府控制下间接延迟影响到电价水平。交易费用、交易频率、资金专用性以及不确定性共同决定了煤电能源系统是选择企业组织形式还是市场组织形式等［15］。

煤炭开采过程中会产生煤矸石废料和煤产品，同时开采会使得地表下陷。火力发电厂电力生产将产生CO2，SO2，NOx等污染物，同时产生大量的废水、废渣、粉尘等污染，严重破坏了生态系统，如图9所示。

图8 煤电能源社会经济系统反馈图

图9 煤电能源环境系统反馈图

5 煤电产业一体化能源系统的系统动力学分析

5.1 系统动力学流图

为了进一步定量的表示出煤电产业一体化能源系统的发展状况，采取建立Vensim模型下的煤电产业一体化能源系统流图［16，17］。

本文所建立的煤电一体化系统动力学流图如下方所示，选取了运输能力、火力发电厂等四个变量作为状态变量。矿物演化、开采速率作为煤场的速率变量。采用了废水，电力价格，监管和规制等辅助变量以及经济总量、激励政策等常量来构建流图中的网络关系。通过对系统流图的构建，可以看出煤电一体化能源系统变成了一个动态的、不断发展着的、受到多重力量驱动和具有众多反馈关系的一体化能源系统［18］，具体流程如图10所示。

图10 煤电产业一体化能源系统系统动力学流图

5.2 煤电产业一体化能源系统的案例仿真

为了对煤电产业一体化能源系统进行仿真分析，首先对系统中的变量输入DYNAMO语言方程式，其中运输能力的DYNAMO语句为：

运输能力.K=公路、铁路、水路和电网.L+（煤产品.J+电力产品.J）*EXP（运输能力.J）

其中公路、铁路、水路和电网是时间的函数。设计方程的初值为10000，时间步长为1，并选用指数型函数拟合数据，探究随时间变化的煤电产业一体化能源系统的运输能力变化状况，具体的仿真结果如图11所示。

由仿真结果可以看出，未来15年我国煤电产业的运输能力将会得到很大的提升，运输能力将不再是未来制约我国煤炭和电力产业的最关键的影响因素，煤电产业一体化能源系统可以显著提高能源系统的运输效率，并开始显现出巨大的发展潜力空间。

图11 运输能力仿真分析

图12 电网运营能力仿真分析

对电网营运能力输入的DYNAMO方程式为：

电网营运能力.K=6.2*SQRT（TIME/10-200）

电网运营能力仿真图见图12，时间设定初值为2010，对电网的营运能力“全社会累计用电量”赋初值6.2千亿千瓦时。对电网的营运能力部分进行仿真，仿真结果显示未来我国电力消费将持续增长，但增长速度将逐步放缓，这与我国目前经济大发展的宏观经济形势是相对应的。仿真结果同时表明在2030年左右，电力消费将出现拐点，电力需求基本保持平稳水平。

6 结论及建议

1）一体化能源系统的整体优势明显

由煤电产业一体化能源系统的组成来看，它是一个复杂的巨系统，需要政府、企业在宏观层面上统一协调、统筹规划，这样就可以显著降低煤电企业的寻租成本，减少不必要的博弈过程，降低交易费用和生产成本，促进煤电产业的蓬勃发展。

2）一体化能源系统可以增强现有系统的营运能力

目前，能源的运输问题已经成为了制约煤电一体化发展的重要屏障。而近些年来，通过构建坑口电厂、西电东送、特高压工程等一体化能源系统的形式，将能源资源在区域内部消耗，输出清洁能源电力，有效改善了地区能源的利用状况，这是一体化能源系统整体优势的又一佐证。

3）建立全国性的能源交易平台。

要进一步鼓励并推动电力、煤炭、新能源、航运等行业与地区之间的多元融合，逐步实现煤炭、风电、水电、铁路运输等产业链上的多业共赢。鼓励煤炭企业和电力企业之间签订中长期合同，建立长期的合作伙伴关系，保障企业间的稳定合作，这是保障煤电产业长远发展的良策。

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