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，姚宗路，赵立欣※，孟海波，霍丽丽，袁艳文，任雅薇，刘广华，刘圣勇

（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）

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]

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。

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。

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

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

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，剩余燃气用于生产生活热水。热解炭混配成型后生产热解型炭，型炭可用于乡村单户或集中供暖。热解型炭生产成本低，燃烧效果好，污染物排放少，是一种高品质的供暖燃料。秸秆热解联产供暖技术经热解与成型二级工序，其生产工艺相对复杂。

秸秆捆烧锅炉供暖技术模式如图 5所示。秸秆打捆后采用捆烧热水锅炉直接供暖。捆烧层燃锅炉一般用于单户供暖，链条式大中型捆烧锅炉一般用于集中供暖。该技术模式工艺最为简单，中间环节少，成本相对较低，但烟气不宜直排，要经过专门的烟气净化系统处理达标后排放。

图4 秸秆热解联产供暖技术模式Fig.4 Heating model of straw pyrolysis cogeneration

图5 秸秆捆烧锅炉供暖技术模式Fig.5 Heating model of strawbundle-fired boiler

3 乡村秸秆清洁供暖技术经济评价

3.1 情景设定

乡村秸秆清洁供暖技术推广应用受乡村规模、秸秆资源禀赋、自然地理、经济社会发展水平等多种因素制约[26-27]，为便于对比分析不同模式的技术经济性，本研究对各技术模式清洁供暖情景作如下界定：1）供暖对象为400户的“集聚提升类”的自然村[28]，居住相对集中；2）各典型模式均以国内最新技术水平，对相应工程建设进行技术经济分析；3）本研究不考虑秸秆资源、交通运输、经济社会发展水平等外部条件影响；4）目前大多数生物质发电厂的装机容量在25 MW左右，因此以25 MW左右的热电联产项目为例，其中供暖成本按自然村均摊。

3.2 功能系数、成本系数和价值系数

根据1.2节所述评价方法，邀请能源（6人）、环保（3人）、工程建设（6人）等方面资深专家及公司负责人，对功能指标中的各层元素分别进行重要性比较，构建判断矩阵。准则层判断矩阵如式（5）所示

求权重向量并进行归一化处理，归一化处理后的准则层权重向量为

经计算判断矩阵的最大特征值为λmax=3.01，经检验，判断矩阵一致性指标可以接受（CI＜0.1）。

指标层权重向量计算方法与准则层类似，构造的判断矩阵分别如式（7）、（8）、（9）所示。

求权重向量并进行归一化处理，归一化处理后的指标层权重向量为经检验，判断矩阵一致性指标可以接受（CI＜0.1）。因此，由式（6）、（10）－（12）可知，功能评价指标向量为：

W=(0.11, 0.08, 0.13, 0.05, 0.20, 0.16, 0.10, 0.07, 0.04, 0.06)（13）

2.2节中对应的热电联产集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料单户供暖、热解联产集中供暖、热解联产单户供暖、捆烧锅炉集中供暖、捆烧锅炉单户供暖等 7种典型模式，邀请能源、环保、工程建设等方面的15位专家打分（10分制），取其平均值，得到打分矩阵S如式（14）所示。

在不同技术模式对应工程的成本核算方面，热电联产集中供暖工程费用为原有生物质发电厂改造为热电联产项目的追加成本。此处，对于集中供暖模式，由于供暖管网属农村公共基础设施，投资估算时由政府公共财政承担60%。根据公式（1）－（4），7种典型模式对应的成本系数、功能系数、价值系数如表 1所示，其中，价值系数是技术经济性的评价指标。热电联产集中供暖、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。

表1 秸秆清洁供暖技术价值工程相关系数汇总表Table 1 Correlation coefficient of value engineering analysis for straw clean heating

3.3 评价结果与讨论

从各技术的价值系数看，热电联产集中供暖、热解联产分户供暖与捆烧锅炉集中供暖等表现出相对较好的技术经济性。在“相对缺热不缺电”的大背景下，秸秆发电亟需从直燃发电向热电联产转变[29-31]，2018年1月国家能源局下发了《关于开展“百个城镇”生物质热电联产县域清洁供热示范项目建设的通知》，对当前生物质能利用方式由单纯发电向热电联产和供热方向转变进行了顶层设计，强调建立生物质热电联产县域清洁供热模式，为治理乡村供暖替代散煤开辟新路子。

秸秆热解联产技术尤其适合以自然村或新型农村社区为单位的集中或分散供暖，2018年12月，国家三部门下发了《关于开展秸秆气化清洁能源利用工程建设的指导意见》，明确指出根据各地农业生产特点和清洁能源需求，立足秸秆资源禀赋与社会经济发展水平，在北方冬季取暖地区和粮棉主产省（区）以县为单位规划实施秸秆热解清洁能源利用工程。秸秆捆烧技术经过多年技术攻关，因工艺简单、使用成本低[32]，在秸秆清洁供暖方面表现出一定的技术优势，适宜于农村分户、联户或集中供暖。

秸秆发电项目规模一般较大，装机容量从十几到几十兆瓦，项目建设一方面对秸秆资源量有一定要求，收购半径内秸秆资源要充足，另一方面，改造为热电联产项目时终端取暖用户要适度规模，因此，技术应用条件相对苛刻。成型燃料、捆烧锅炉和热解联产项目，一般以自然村或农村社区为单位，依托本地秸秆资源可投资建设，普适性相对较好。本研究从用户体验、过程清洁和资源节约等秸秆转化和使用环节，采用价值工程原理，定量分析了典型技术模式的经济性，对技术开发与应用推广具有指导意义。由于本研究未考虑各地千差万别资源禀赋、社会经济发展水平等外部条件，而这些条件也是技术适应性分析的关键要素，因此，具体技术模式选择时，应在考虑原料供应、产品市场、以及地方经济、社会、人文、气候等外部条件的基础上，结合本研究技术经济性分析结论，进行统筹考虑，对备选技术方案的可行性进行系统评估。另外，下一步研究中，可将外部条件设定为若干特定情境，然后系统分析各情境下典型技术模式的适应性，以期能够更好地指导技术应用。

4 结 论

1）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，分别是热电联产集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料单户供暖、热解联产集中供暖、热解联产单户供暖、捆烧锅炉集中供暖、捆烧锅炉单户供暖等。建立了秸秆清洁供暖功能评价指标体系，为秸秆清洁供暖技术经济评价提供了依据。

2）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、自然地理和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、成型燃料集中供暖和捆烧锅炉分户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。

3）热电联产、热解联产对秸秆清洁供暖表现出相对较好的技术经济性，秸秆从直燃发电向热电联产转变是一次历史性变革，但受资源与终端市场制约，热电联产项目建设条件相对苛刻，而热解联产和捆烧锅炉等供暖技术一般以自然村和农村社区为单位，依托本地秸秆资源即可建立分布式供暖系统。该研为指导秸秆乡村供暖技术研发和应用推广提供了重要借鉴。