云南烤烟房电能替代综合效益分析

梁俊宇，张旭东，吕欣，杨家全

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500）

0 前言

虽然我国自'十二五'以来就着手大力发展清洁能源，但我国以CO2、NOX、SO2为主的大气污染物仍然位居世界前列，发展与环境之间矛盾依然突出。这其中，一是由于供给侧化石燃料消费依然占据主导地位，二是由于需求侧电气化水平不高，距离发达国家还有很大差距。就云南来说，80%以上的电力供应都来自于清洁能源，已成为全国重要的绿色能源基地。云南省也将“绿色能源”列为重要的经济发展支柱。但是在需求侧，仍然存在大量燃煤散烧的情况，以烟草业初加工的干燥环节为例，全省26万座烤烟房基本都是以煤炭和薪柴作为燃料，每年烤烟季都会带来不小的环境压力。这与云南省绿色能源发展战略形成了鲜明的矛盾，同时也蕴含着巨大的电能替代的潜力。

电能替代主要有“以电代煤”、“以电代油”、“以电代气”三种方式。然而在“电能替代”这个概念还未被抛出之前，文献[1]就探讨分析了利用生物质对传统燃煤等化石燃料进行替代的潜力及环境效益，但生物质实际推进过程中，仍然要面对收集、存储和加工等一系列困难，带来极大的不确定性。文献[2]则提出了一个比较好的动态增长模型，对2030年之前的可再生能源消费增长情况进行了预测，目前来看是符合实际情况的。文献[3]对通过对政府相关政策、电气化进程以及相关案例等的研究，针对性地提出了市场推广策略及实施方案。文献[4]则研究了在电能替代过程，依靠分布式电源支撑局部供电紧张等问题的可行性。文献[5]总结了“以电代煤”相关政策，构建了电窑炉替代传统燃煤窑炉经济效益分析模型，并研究探讨了替代的可行性方案，然而该模型并不能很好地适用于农产品，如云南烟叶等的干燥加工场景。文献[6]的研究结果则表明，电能替代后所形成的电-热耦合的综合能源系统，其综合效益评价是非常复杂的，大量的不确定性均会影响其评价结果。这也是导致理论分析和实际工程出现较大偏差的重要原因。文献[7]采用成本效用分析方法，从经济效益和环境效益两方面建立一次能源的综合评价模型，分析表明综合考虑环境效益后可合理有效地判断电能替代的可行性。综上所述，电能替代项目的综合效益评价，需要具体问题具体分析，需要带入具体的场景。云南省作为烟草大省，烤烟加工环节需要消耗大量的化石燃料，因此怎样评估以清洁能源替代传统能源的效益分析已成为首要解决的问题。

本文选择以云南省烟叶干加工环节的'以电代煤'为例，建立了相应的综合效益分析模型，分别从经济与环境两方面入手，通过对电能替代中各项措施进行算例分析，利用逼近理想解排序法证明电能替代在绿色能源占比高的地区的可替代性，为后期电能替代的发展奠定良好的基础。

1 云南省烤烟行业现状

云南省作为三大烟区之一，全省共建设密集型烤房70万余座。随着人们生活水平的提升和环保意识的增强，开发新的清洁能源烘烤烟叶成为必需。目前，较常见的清洁能源有太阳能、电能(电加热和热泵)、天然气、生物质等。烟叶烘烤作为烟叶生产链上的核心关键环节，烘烤工艺和技术直接影响烤烟烘烤损失率、上等烟比率。20世纪50年代中期，美国和日本开始研究密集烘烤设备，60年代初逐步用于烤烟生产，到70年代已经在加拿大、美国、日本等经济发达国家全面推广。我国于20世纪六七十年代研制了烧煤的密集烤房，并在生产中进行了一定范围的示范。但是，由于当时农村生产组织形式的变化和社会经济条件限制，这种密集烤房没有能够得到推广，而且绝大多数被废弃掉，仅吉林省保留了适宜于烤烟十五亩左右的密集烤房。20世纪90年代，全国烤烟生产水平快速提高，中外烤烟生产技术交流与合作更加广泛深入，各地相当一部分烟田的长势长相被公认达到或接近国际先进水平。为了改善烤烟设备和进一步提高烤后烟叶质量水平，云南、福建、河南、山东等省借鉴吸收国外烘烤设备的先进技术，相继购置引进了烧柴油、煤燃锅炉供热、烧煤直接供热等形式的密集烤房二百余座，经试验验证，能有效地减少或避免烤青烟、挂灰烟和花片烟，橘色烟比例、烟叶颜色、色度及内在品质都有所提高。但是，其购置投入很高，污染很大，所以这种烤房在20世纪90年代基本处于闲置状态。随着时代的发展，烤烟生产也有了新的发展方向，然而长期以来，我省传统烤烟房仍然主要依赖于化石能源，而且容量小、零散性分布、烘烤工艺不专业，导致烘烤损失率高达10%以上，上等烟比例较小，烤烟成本高；烤烟质量提升空间较大；小烤房还导致能源利用效率低，环境污染等问题，与云南先进的现代化的卷烟工业比较，整个烤烟行业处于技术落后状态。

为改变这一现状，云南省积极响应国家大力推广建设卧式密集型烤房政策，按照国烟办综[2009]418号《密集烤房技术规范》要求，逐步实行专业化烘烤覆盖。近年来在云南省委、省政府的统一协调领导下，省烟草公司、云南电网公司在各自领域做了大量的工作。云南电网公司对农村配电网系统进行多次升级改造，大大提高了10 kV配网系统的供电能力和供电可靠性；省烟草公司从2009年开始推动密集卧式烤房建设，目前已建成投用325980座，承担烤烟面达72%；同时，省烟草公司还积极推进烟叶烘烤的专业化和商业化，这不但显著提高了烟叶质量，还培养了一批可承担烤房建设、运行维护的专业化队伍，为烤烟行业制定正确的运营模式奠定了良好的基础。截至目前，我省已经建成可投用卧式集群化烤房31.27万座，使用率高达84.15%，其中专业化烘烤比例达到61.87%。至此，全省卧式烤房改造基本完成，总数基本稳定。这一举措极大改善了我省烟叶烘烤行业的落后状况，提高了烟叶质量，也为进一步实施烟叶烘烤的清洁替代、促进烟草行业进一步升级提质提供了良好的支撑条件。

尽管云南烤烟通过实施卧式烤房集中化、烘烤专业化，干烟叶质量水平上了一个台阶，但还存在以下问题：

截止到2019年，我省烟叶小烘烤房总计仍有79.54万座，其中曲靖、红河、玉溪、楚雄、大理等五个地州烤房数量超过10万座。承担烤烟面积占18%左右，通过专业化烘烤，逐步减少小型烘烤房承担的面积，还有进一步改进的空间。

集中卧式烤房烤烟依旧以燃烧煤炭为主，据统计，目前每年烤烟耗煤量达到200万吨，燃烧产生大量大气污染物，环境危害较大；且能源利用率低，一次能源浪费严重。

燃煤烘烤自动化水平较低，人工成本依然较大；烘烤过程不易控制，烟叶成品率及上等烟比率还有很大提升空间。专业化和商业化烘烤比例有进一步提高的空间。

1.1 小烤房模式

由于历史原因和地理条件限制，部分地区难以建设集中卧式烤房，实现烟叶集中烘烤，因此，截至目前，全省仍有在用的小型烤房557000座，承担的烤烟面积为181.525万亩，尽管小型烤房数量众多，但其烤烟面积已缩减至总面积的27.8%。小烤房的运营主要通过村民自发的合心互助、自己烤烟的方式进行，烘烤方式落后，但由于地理和历史因素，这种模式仍将长期存在。

1.2 卧式密集烤房的运营方式

密集烤房的基本特点是强制通风、热风循环和烘烤过程自动控制。装烟密度大，操作简便，省工。一座密集烤房一般可承担烟叶面积30～70亩，装烟密度是普通烤房的4倍以上[8]。目前，全省建设卧式密集烤房总数达到325980座，实际投用263196座。据烟草公司数据，目前专业化模式烘烤的集群卧式烤房数量达到了162832座，专业化烘烤比例达到61.87%，覆盖烤烟面积266万亩。其中，专业化烘烤包含合作社烘烤模式和商业化烘烤模式。进行商业化烘烤的卧式烤房数量为102879座，占到专业化烘烤的63.18%，覆盖烤烟面积158万亩。

1）专业化烘烤模式

自2007年国家局提出建设现代烟草农业以来，各地纷纷开始探讨专业化烘烤的运行模式[9]。云南、山东、贵州等地的专业化试点地区已经取得可喜的经济和社会效益，显示出强大的生命力。烤烟合作社的运行机制是按照“依法自愿，风险共担，利益共享，按股分配，规范管理”的原则组建，在不改变农户土地承包经营权的前提下依法组织烤烟生产经营，推行自主管理，独立核算，自负盈亏。

与小烤房烘烤相比，专业化烘烤具体体现在以下几个方面具：①成立合作社组织机构。通过社员大会，选举成立理事会和监事会，组建各个环节专业队；②实行烟叶生产股份制经营。农户以土地和劳动力投入作为股本入股，最终烤烟生产经营利润按股份比例分成；③配套辅助产业。拓展农业生产集约化经营领域，走种、养、加相结合的路子，增加农民就业，实现农业的多元化、产业化。

2）商品化烘烤模式

商品化烘烤采取合作社直接经营，烘烤人员由合作社统一管理、统一作业，烘烤物资统一采购、财务统一结算，烘烤用工采取承包的方式[10]。具体来说，合作社负责统一采购烤烟用煤和烤烟用电，负责对烘烤设施实行管护，对烘烤过程进行管理，上炉、出炉、司炉环节用工由专业队（组）承包，人员统一作业、财务统一结算。在实施过程中，实行商品化烘烤的，合作社须在烟站、参加社员共同参与下精准核算烘烤成本价格，充分考虑烘烤物资、人员雇工、设施管护、经营管理等成本费用，足额核减专业化服务补贴，合理制定商品化烘烤服务价格。

2 用户侧电能替代综合效益分析

2.1 烤烟房电代煤综合效益分析模型

近年来卧式集群化烤房的建设工作，为电烤烟技术改造提供了必要的实施条件。同时，由于小烤房形式多样，地理分布不集中，不具备电气化改造的价值。为此，本文以云南省常见的卧式集群化烤房为对象，对其建立综合效益分析模型。

2.1.1 经济效益分析模型

考虑初期投资及运行时期的费用，比较替代前后每年的费用。

1）燃煤烤烟房年费用

式中：Ccoal(A)为传统设备平均年费用（万元）；Icoal为投资的初期费用（万元）；r为基准折现率（%）；Ncoal为传统设备的使用年限；Ccoal为传统设备的年运行成本（万元）。

燃煤烤烟房年运行成本：

式中：Pcoal为煤炭价格（万元/t）；Lcoal为年煤耗量（t/年）；Ccoal-1为人工成本（万元/年）；Ccoal-2为维护成本（万元/年）。

各大气污染物排放系数如表1所示：

表1 大气污染物排放系数（t/tce）(吨/吨标准煤)

2.2 TOPSIS法

逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）通过对评价对象的多个指标和理想化解的接近程度进行排序，以此作为评价优劣的依据[11]。图1为TOPSIS算法流程图。

图1 TOPSIS算法流程图

2.2.1 得到初始矩阵

设有m个评价对象，每个对象有n个评价指标，则可以得到评价对象矩阵，并对该矩阵进行数据预处理，得到以下矩阵：

2.2.2 数据预处理

在进行决策时，一般要进行属性值的规范化，常用的处理方法有如下几种：

1）线性变换

X=(xij)m×n为 初 始 的 决 策 矩 阵，Z=(Zij)m×n，i=1，…，m；j=1,…，n为线性变换后的决策矩阵。

3 用户侧以电代煤综合效益算例分析

3.1 以电代煤算例

为了对所建立的模型进行验证，选取云南省普洱市燃煤烤烟房作为研究对象，对其进行电能替代综合效益的测算。测算时选取的具体边界参数如表2所示。

表2 烟房经济技术分析具体参数值

1）经济效益

由表2可知，改造前由于其用电设备较少，耗电量少，耗电成本低。但相对应的燃料成本及人工成本较高；改造后,自动化程度的提高，节约了人工成本和燃料费用，但设备维护费用（新增的配电和用电设备）升高至0.99元/kg。

按照以上数据，单个烤房的运行费用汇总如表3所示。

表3 单个烤房的年运行费用汇总

改造后的年用电量增加较多,但电费的增加数额比年均燃煤费用低,改造后应用电能替代技术，人工成本降低,维护成本大幅增加。总体来说,改造之后的年运行费用比改造前的年运行费用降低了4000多元。

对烤烟房改造前后的年费用进行比较，如表4所示。

表4 改造前后单个烤烟房年费用比较

由于烤房改造后的初期投资相比于燃煤烤房初期投资较高，其年均收入大幅度增加，净利润增长达到约9亿元。因提高净利润，可吸引更多的用户进行改造。

2）环境效益

由于各地烤烟房燃用的具体煤种无法考证，所以在测算环保效益时，采用电气化烤烟房耗电进行反推的方法估算燃煤发热量，从而确定煤种的大致成分的方法。根据省外电气化烤烟房试点经验以及云南电气化烤烟房试验的结果来看，采用热泵方案进行电气化烤烟房改造后，其电耗约为2.5度/kg(干烟叶)，由于电烤房一般会重新铺设保温性能更好的绝热层，所以热损失可以忽略不计。根据环境效益模型，计算烤烟房改造后的环境效益，计算结果如表5和表6所示。

表5 单座改造后烤烟房的环境效益

表6 地区改造后烤烟房的环境效益

3.2 综合效益分析

1）数据预处理

表7 电能替代前后的效益值

选用向量规范化法将数据进行归一化处理，结果如表8所示。

表8 燃煤和以电代煤综合效益值归一化处理

因为C1＜C2，说明以电代煤的综合效益优于传统燃煤设备。

由此可见，基于云南地区发电侧的能源结构，合适进行以电代煤。由以上可知，燃煤进行电能替代后，经济投入相比于替代前高，这是由于初始投资（购置成本）及能源使用量大所造成的。就环境效益方面来说，电能替代后的污染物排放量都低于使用传统能源的污染物排放量。

4 结束语

云南省烟房数量众多，且集中连片的卧式烤房群数量较多，改造条件好，改造潜力大，可以作为我省实施电能替代首批启动的改造项目。本文根据云南地区烤烟房的用能特性，建立了“以电代煤”综合效益的效益分析模型，结合具体算例运用TOPSIS法对其效益指标进行评估排序，提供简明的指标体系算法。算例分析表明，“以电代煤”可有效缓解环境污染问题，提高人民生活水平，同时带来较大的经济效益。