基于系统动力学的电煤供应链节能减排路径仿真分析

贺 勇，卫岂伦，廖 诺

(广东工业大学 管理学院，广东 广州 510520)

中国于2010年成为世界第二大经济体。然而经济的快速发展高度依赖化石能源的供应与消费，进而导致空气污染和资源消耗等环境问题。中国的能源消费以煤炭为主，且电力供应燃料主要为会造成严重污染的煤炭。而火电行业大量的煤炭消费对中国的CO2排放有重要影响。在此背景下，电煤供应链节能减排问题的研究具有重要意义。

目前电煤供应链节能减排路径与措施的相关研究主要从以下4个方面展开。在供应链方面，赵道致等[1]在供应链中考虑企业减排的跨期性和低碳产品需求的特征，借助微分博弈对二级供应链中合作减排问题进行研究。姜海洋[2]构建节能减排目标下发电商与煤炭商之间、发电商与供电企业之间、区域发电之间的合作博弈优化模型，并将发电商的运行成本、备用成本和排污成本作为目标函数，建立发电节能减排优化模型。在节能减排相关政策方面，廖诺等[3]运用系统动力学方法研究碳交易价格、碳配额比例及碳交易补贴3种碳交易政策对电煤供应链及各节点企业利润和减排效果的影响。张金良等[4]以发电企业为研究对象，研究碳排放交易权、绿色证书交易和发电权交易3种政策工具对发电企业碳减排路径的影响。杨勇波等[5]通过分析政府、企业、环境之间的动态关系，利用系统动力学原理建立重点耗能企业节能减排政策模拟推演模型。在节能减排技术投资方面，王众等[6]构建“均值−CVaR”发电技术投资组合优化模型，研究碳减排情景下发电企业中发电技术的投资组合优化问题。Yu等[7]考虑经济效益、能源效益和环境效益3个目标，通过建立多目标优化模型对煤炭矿区节能减排技术投资策略进行研究。张新华等[8]基于碳排放约束下电力上网机制，构建发电商碳减排投资期权博弈模型，研究碳调度模式下的减排投资策略问题。王芹鹏等[9]研究上游企业主导的供应链在面对具有低碳产品偏好的市场消费者时上下游企业的减排投资行为与策略问题。在企业内部运营管理方面，Cao等[10]运用系统动力学方法，从技术投资和运营管理两方面，对电煤供应链碳排放进行仿真研究。Da等[11]在价格管制、限额交易模型和绿色金融政策背景下，通过斯坦伯格博弈模型研究煤炭企业集成系统分散策略下的利润再分配问题。Xu等[12]为寻求生态与经济的平衡，将环境技术投资和生产调整集成到一个动态系统，以煤炭矿区为研究对象，在节能减排目标下通过构建多目标模型对煤炭开采策略问题进行研究。对于电煤供应链节能减排问题的研究，以上文献主要集中于煤炭开采环节或发电环节，较少研究是从供应链或产业链的视角，通过相互关联的各环节之间相互协调解决节能减排问题。此外，大多数研究仅考虑到经济、碳排放、能源消耗中的1项或2项，而对电煤供应链节能减排涉及的经济效益、能源效益和环境效益缺乏系统性和全面性地考虑。

本文从供应链视角考虑开采、运输和发电3个环节，综合考虑经济效益、能源效益和环境效益，建立电煤供应链节能减排系统动力学模型。通过对不同环节的能源消耗和碳排放情况进行分析，提出4种节能减排路径，并动态仿真不同路径对能源消耗、碳排放和经济效益的影响，在此基础上比较不同路径的节能减排效果，提出相应的节能减排对策与建议。

1 电煤供应链节能减排系统分析

1.1 系统边界确定

本文所研究的电煤供应链是指上游企业根据下游企业的发电需求，将电煤经开采、洗选加工、运输、储存等多种流程，送达下游企业并完成发电及其他业务的过程。其中，上游企业为煤炭开采企业，下游企业为火电厂。电煤供应链节能减排系统主要考虑电煤在供应链传递过程中所产生的经济效益、能源消耗和CO2排放，即研究电煤供应链与经济、能源和环境之间的相互关系。系统结构框图如图1所示。

图1 电煤供应链节能减排系统结构框图Figure 1 The diagram of energy conservation and emission reduction system of electric-coal supply chain

1.2 基本假设

本文所建立的模型基于以下假设。

假设1模型中的能耗指标设定为标准煤消耗量。

假设2所有的煤炭企业、运输企业和发电企业均为中国神华能源股份有限公司(简称“中国神华”)的子公司，仅考虑煤炭内部销售情形。

假设3火电厂发电所需电煤全部由其主要供应商煤炭企业供应，且电煤开采量及运输量均根据火电厂发电量预测得到[3]。

假设4根据中国电力企业联合会发布的《电力统计基本数据一览表》可知，2014～2018年火力发电平均增速为3.17%，本文将此数据作为市场用电量增速，预估2019～2025年市场需求用电量。

1.3 因果关系图

因果回路图主要由两部分组成，即系统内在因素及相互之间的作用关系。在上述确定系统边界基础上，对电煤供应链节能减排系统进行深入分析，并运用系统动力学Vensim Ple软件构建模型的因果回路图，如图2所示。

图2 电煤供应链因果关系图Figure 2 The causality diagram of electric-coal supply chain

电煤供应链包括开采、运输和发电3个主要环节。电煤供应链中电煤开采量增加，使得各节点企业收益提高，但相应的能耗成本和碳排放随之增加，且碳排放污染损失增加，供应链利润减少。因此，在电煤开采量保持不变的情形下，供应链总收益保持不变，降低开采耗电系数和发电标准耗煤率，能够降低开采环节电能消耗和发电所消耗的电煤量，并进一步降低由能源消耗所产生的碳排放。

电煤供应链总利润的提高将促进环保治理投资额度增加，进而导致碳排放治理量增加，电煤供应链碳排放总量降低，从而使得碳排放污染损失减少，供应链利润提高。因此，环保治理投资能够在一定程度上促进电煤供应链碳减排。

1.4 系统动力学模型流图

根据因果回路图，建立电煤供应链节能减排系统动力学模型，如图3所示。

图3 电煤供应链节能减排系统动力学模型流图Figure 3 The energy conservation and emission reduction system dynamics model of electric-coal supply chain

2 电煤供应链系统动力学模型

2.1 模型主要方程及参数界定

本文原始数据来源于《中国统计年鉴》和2011～2018年中国神华所发布的年度报告，部分数据是根据企业年度报告历史数据估算得出。公式部分是有关电煤运输量、能源消耗和碳排放的表达式，主要通过数学推导加以确定。模型主要参数、主要变量及表达式、主要外生变量数据如表1～3所示。

表1 模型主要参数及数据来源Table 1 The main parameters and data sources of the model

表2 主要变量及表达式Table 2 Main variables and expressions

2.2 模型检验

系统动力学通过对模型进行检验来判断模型和实际情况的拟合程度，以保证模型的真实性和有效性。本文选取电煤开采量和能源消耗总量两个变量，将模拟数据与历史数据对比，结果如表4所示。其中，有一项数据的相对误差绝对值超过10%，其他数据的相对误差绝对值均低于10%，说明模型符合建模要求，可用来模拟电煤供应链能源消耗和CO2排放的状态以及变化趋势，并通过调节关键参数进行仿真实验。

表3 主要外生变量数据Table 3 Data of main exogenous variables

表4 电煤开采量与能源消耗总量模拟对比Table 4 Simulation comparison of coal mining amount and total energy consumption

3 情景仿真

3.1 电煤供应链节能减排路径分析

电煤供应链能源消耗和 CO2排放受到众多因素的影响。本文具体分析供应链各环节中的能源消耗和 CO2排放情况，并由此提出相应的节能减排路径。

3.1.1 开采环节节能减排路径分析

《中国统计年鉴(2018)》显示，2016年煤炭开采和洗选业用电量为8.47×1010(kWh)，占全国电力消费总量的1.38%。另外，根据《煤炭工业发展“十三五”规划》，到2020年煤矿采煤和掘进的机械化程度分别达到85%和65%。机械化程度的提高，将增加电能的消耗。由2011～2018年中国神华年度报告中的数据计算可得，开采过程中综合能耗量均值为212 948 t标准煤，而电能消耗量均值为160 291 t标准煤，电能在综合能源消耗所占比例为75.27%。电能是开采过程中的主要能耗，耗电设备不会直接产生碳排放，但大量的电能消耗则会间接产生较大的碳排放。因此，开采环节节能减排应当优先考虑降低开采单位原煤所消耗的电能，即开采耗电系数。其次，开采过程中所产生的煤层气和煤矸石会对环境产生较大影响，提高煤层气和煤矸石的利用率，是开采环节节能减排的另一种途径。

3.1.2 运输环节节能减排路径分析

运输过程中，主要能源消耗为各种运输工具所消耗的化石燃料；主要碳排放来自于化石燃料燃烧所产生的 CO2。中国煤炭运输方式主要有铁路运输、公路运输和水路运输。相比公路运输和水路运输，铁路运输具有能耗低、运量大、运距长的优势。因此，运输环节节能减排路径应当优先考虑增加铁路占比，降低航运占比和公路占比。其次，由于电力机车排放系数低于燃油机车，且能源使用效率更高，可考虑增加电力机车在铁路运输中所占的比重。

3.1.3 发电环节节能减排路径分析

电煤供应链发电环节主要过程包括燃煤发电过程和灰渣处理过程。其中，对碳排放量产生直接影响的环节，主要集中于锅炉系统。因此，发电环节节能减排路径应当优先考虑通过对锅炉设备进行升级改造，降低锅炉单位发电量所消耗的标准煤炭量，即发电标准耗煤率。

根据中国神华发布的《2018年环境、社会和治理报告》可知，60万kW等级(含)以上机组占燃煤机组总容量比例为71.7%。此外，根据中国神华发布的年度报告可知，中国神华燃煤电厂平均售电标准煤耗为308 g/(kWh)。而根据《煤电节能减排升级与改造行动计划》的要求，到2020年现役6×105(kWh)及以上机组(除空冷机)改造后平均供电煤耗低于300 g/(kWh)。因此，可知中国神华尚未达到供电煤耗标准值，需要进一步升级改造。

3.2 电煤供应链节能减排路径模拟

3.2.1 开采环节

将开采耗电系数降低5%、10%、15%，作为开采环节的情形1、情形2和情形3，观察开采环节能源消耗量、碳排放和能耗成本变化情况，结果如图4～6和表5所示。

表5 开采环节模拟结果Table 5 Simulation results of the mining stage

图4 开采环节能耗量Figure 4 Energy consumption in the mining stage

图5 开采环节碳排放量Figure 5 Carbon emissions in the mining stage

图6 开采环节能耗成本Figure 6 Energy consumption cost in the mining stage

由图4～6可看出，当降低开采耗电系数，开采环节能耗量、开采环节碳排放和开采环节能耗成本相比基准情形均呈下降趋势。从表5可看出，当降低开采耗电系数分别为5%、10%、15%，开采能耗量降低4.92%、9.09%、14.92%，开采碳排放降低4.92%、9.09%、14.92%，开采总成本下降0.75%、1.39%、2.27%。开采环节中企业通过设备更换、设备改造、设备优化配置和开采流程优化的方式，降低开采环节中的电能消耗，能够降低企业开采能耗成本，并有效降低电煤供应链开采环节中的能源消耗及碳排放。

3.2.2 运输环节

将铁路运输占比提高5%、10%、15%，即铁路占比为83%、87%、91%，作为运输环节的情形1、情形2和情形3，观察运输环节能源消耗、碳排放、运输收益及运输总成本变化情况，模拟结果如图7～10和表6所示。

从图7～10可看出，当提高铁路运输占比，运输环节能耗量和碳排放量呈下降趋势，运输收益和运输成本呈上升趋势，且运输收益上升幅度大于运输成本的上升幅度。由表6可看出，铁路占比分别提高5%、10%、15%时，运输能耗量分别降低4.15%、7.73%、12.44%，运输碳排放分别降低7.57%、15.14%、22.71%，运输收益分别提高2.89%、5.62%、8.2%，运输总成本分别提高0.94%、1.85%、2.76%。

表6 运输环节模拟结果Table 6 Simulation results of transportation stage

图7 运输环节能源消耗量Figure 7 Energy consumption in the transport stage

图8 运输环节碳排放量Figure 8 Carbon emissions in the transport stage

图9 运输环节收益Figure 9 The income in the transport stage

图10 运输环节总成本Figure 10 Total cost of transportation stage

企业通过调整运输结构，增加自有铁路建设，提升铁路在运输中所占的比例，能增加企业经济效益，有效降低电煤供应链运输环节能源消耗和碳排放，促进节能减排目标的实现。

3.2.3 发电环节

将发电耗煤率降低1%、2%、3%，作为发电环节的情形1、情形2和情形3，观察电煤供应链发电环节能源消耗、碳排放变化情况，结果如图11、图12和表7所示。

图11 发电环节能源消耗量Figure 11 Energy consumption in the power generation stage

图12 发电环节碳排放量Figure 12 Carbon emission in power generation stage

由图11和图12可看出，降低发电标准煤耗率，电煤供应链发电环节能耗量及碳排放呈下降趋势。由表7可看出，将标准煤耗率分别降低1%、2%、3%时，发电能耗量分别下降0.97%、1.95%、2.92%，发电碳排放分别降低0.97%、1.95%、2.92%，发电总成本分别下降0.76%、1.53%、2.29%。此外，发电环节能耗占电煤供应链总能耗的99.48%，发电环节碳排放占到到电煤供应链碳排放的99.24%。因此，发电环节为电煤供应链主要能耗和碳排放环节。企业通过锅炉改造，提升锅炉性能和燃烧效率，从而降低发电过程中所消耗的电煤量，进而降低发电环节 CO2排放量以及开采环节和发电环节的能源消耗和碳排放，使得电煤供应链整体能耗水平和碳排放水平显著降低，发电总成本下降，进而提高企业总利润。

表7 发电环节模拟结果Table 7 Simulation results of power generation stage

3.2.4 环保投资

根据2011～2018年中国神华每年投入的节能减排资金额估算可得，环保投资比例占总收入的1.44%。企业通过增加治理投资的方式，降低 CO2排放量。另外,《全国城市生态保护与建设规划》(2015～2020年)提出，到2020年，环保投资占GDP的比例不低于3.5%。因此环保投资存在较大提升空间，因此，将企业的环保投资比例提高5%、10%、15%，即环保投资比例为1.51%、1.58%、1.66%，作为环保投资的情形1、情形2和情形3，观察电煤供应链碳排放治理量变化情况，结果如图13和表8所示。

图13 碳排放治理量Figure 13 Carbon emission control amount of electric-coal supply chain

由图13可看出，通过增加治理投资比例，电煤供应链CO2治理量增加。由表8可看出，当环保投资分别提高5%、10%、15%，电煤供应链 CO2治理量分别提高4.86%、9.72%、15.28%。环保投资可有效治理碳排放，促进节能减排目标的实现。但这种方法属于碳排放事后治理，非源头治理，且无法降低电煤供应链能源消耗量，不适合长期采用这种方法实现节能减排目标。

表8 环保投资模拟结果Table 8 Simulation results of environmental protection investment

3.3 电煤供应链节能减排路径模拟结果比较分析

电煤供应链节能减排是一项系统工程，受众多因素影响。前文通过分析电煤供应链3个环节中能源消耗和碳排放的主要影响因素，对4种节能减排路径进行模拟。将4种路径的节能效果、减排效果和经济效益的模拟值进行对比，结果如表9所示。

表9 4种路径模拟结果Table 9 Simulation results of four paths

模拟结果显示，发电环节降低发电标准耗煤率，可显著降低发电过程中的能源消耗，并降低供应链整体能耗和碳排放水平，经济效益最大，效果最好；其次为调整铁路运输比例，但此路径需要企业投入大量资金建设自有铁路；其后是降低开采耗电系数，开采环节中电能最具节能潜力；最后是增加治理投资，此途径减排效果较为显著，但属于事后治理，且无法降低电煤供应链能源消耗量，并影响到企业总利润，仅可作为短期内治理 CO2的有效途径，以及长期治理的辅助型措施。

4 结论

本文综合考虑经济效益、能源效益和环境效益，以中国神华集团下属的煤炭开采企业、运输企业、发电企业构成的电煤供应链为例，构建电煤供应链节能减排系统动力学模型，对电煤供应链节能减排路径进行模拟研究。通过对各环节的能耗及CO2排放情况进行分析，提出4种节能减排路径，并探讨不同路径对能源消耗、碳排放和经济效益的影响，在此基础上比较不同路径的节能减排效果。通过对4个路径模拟结果进行比较，发现降低发电标准煤耗率，节能减排效果最好，经济效益最佳；其次是降低开采耗电系数，减少开采过程中的电能消耗以及间接产生的CO2；然后是调整铁路运输比例，提高铁路运输比例，降低航运比例，降低运输环节的能源消耗和碳排放；最后是增加环保治理投资。

综上，电煤供应链节能减排的着力点主要为以下几个方面。1) 开采环节中，重点对高耗能设备进行技术改造，优化开采流程，提高煤层气和煤矸石利用率。2) 运输环节中，优化运输流程，选用优质能源，提高能源利用率，增加自有铁路建设以促进节能降耗。3) 发电环节中，加强煤炭工业锅炉治理和技术改造，淘汰落后燃煤机组，以减少电煤供应链能耗和CO2排放。