企业能源审计方法

能源规划与系统分析 主　 编　 邱大雄　 　 　 　 副主编　 孙永广　 施祖麟

清 华 大 学 出 版 社

　 ( 京) 新登字 158 号 内　 容　 简　 介 本书系统地介绍了能源规划与能源系统分析的理论与方法。 全书 分 10 章: 概论、能源研究的数据 基础、能源经济分析、能源需求 预测、能 源供应分析、能 源工程项目经 济评价方法、能源系 统模型、能源的环境问 题、综合 资源规划和 需求侧管理 以及综 合能源规划支持系统。 读者对象: 从事能源规划与管理工作的科技人员和管理人员, 大专院校有关专业的师生。

　 图书在版编目( CIP ) 数据 　 能源规划与系统分析/ 邱大雄主编. —北京: 清华大学出版社, 1995 　 ISBN 7－302－01812－X 　 Ⅰ. 能… Ⅱ. 邱… Ⅲ. ①能源管理②能源－系统分析 Ⅳ. F 206 　 中国版本图书馆 CIP 数据核字( 95) 第 03641 号

　 出 版 者: 清华大学出版社( 北京清华大学校内, 邮编 100084) 　 责任编辑: 刘明华 　 印 刷 者: 通县宏飞印刷厂 　 发 行 者: 新华书店总店北京科技发行所 　 开　 　 本: 787× 1092 1/ 16　 印张: 25. 25　 字数: 628 千字 　 版　 　 次: 1995 年 9 月第 1 版　 1995 年 9 月第 1 次印刷 　 书　 　 号: ISBN 7－302－01812－X / F ・107 　 印　 　 数: 0001—2000 　 定　 　 价: 25. 00 元

　 　 光华基金会为支持学术专著和 研究生教材的出版, 给予我社资助, 本书即为由光华基金会资助出版的 专著之一。

・Ⅰ・

序 本 书较为 系统 地介 绍能 源规 划与 能源 系统 分析 的理 论与 方法 , 适宜 于从 事 能源 规 划与 管 理 工作 的 工 程 技术 人 员, 科 研 人 员和 干 部 阅读 参 考, 也 可 作 为 大 专院校有 关专业大 学生、研究生的教 学参考书 。 本书共 分 10 章。第 1 章概 论由邱大 雄执笔, 第 2 章 能源研究的 数据基础 由 吕应运、张阿玲 执笔, 第 3 章能源 经济分析由 施祖麟、李子奈 执笔, 第 4 章能源 需 求预测, 由张阿 玲、孙永广、马玉清、邱大 雄执笔, 第 5 章能源供 应分析由顾 树华、 苏明山、吕应运 、晏 黎执笔, 第 6 章能源工 程项目经济 评价方法 由顾树华、何建 坤 执笔, 第 7 章 能源 系统 模型 由孙 永广、郭 元、何建 坤、王彦 佳执 笔, 第 8 章 能源 的 环境 问 题由 方 栋、邱 大 雄 执笔 , 第 9 章 综 合 资源 规 划 与 需求 侧 管 理由 刘 德 顺 执 笔, 第 10 章 综合能源 规划决策支 持系统由 王奇志、张阿玲 执笔。全书由邱 大雄、 孙永广、施祖麟 进行最后 编纂和整理 。 由 于 作 者水 平 和 工作 条 件 所 限, 书 中难 免 有 不 妥甚 至 错 误之 处, 欢 迎 同 行 和读者批 评指正。

・Ⅱ・

前 　 　 言 当今环境与发展问题是国际政治和经济生活中的大事。迈向 21 世纪, 人类社会的持续 发展受到人们的严重关注。持续发展意味着发展不仅要满足当代人的需要, 而且要考虑下代 人继续发展的需要。能源是社会发展的重要物质基础, 又是影响人类赖以生存的自然环境和 生态的重要因素, 因此, 能源问题成为持续发展中的重点问题之一。我国要在下世纪中实现 在经济上赶上中等发达国家水平的目标, 需要保持国民经济持续、高速、健康发展, 保证能源 供应与解决能源引起的地区与全球环境问题, 是我国持续发展的关键问题之一。 能源是一个复杂的系统问题, 它涉及到能源资源、能源供应与需求、能源技术、能源政策 和战略的研究。从宏观看, 能源系统又是国民经济系统的一个子系统, 而且与自然环境生态 系统密切联系, 因此, 需要进行能源－经济－环境系统的综合研究。 能源规划是涉及能源系统和能 源－经济－环境系 统协调发展的大量 变量的综合性很 强的 工作。运用系统工程的方法, 编制数学模型, 定性与定量分析相结合是研究与制订能源规划, 分析与评价能源政策的有力工具之一。 清华大学核能技术设计研究院适应国民经济需要, 早在 1980 年成立了能源系统分析研 究室, 是我国最早系统地开展能源规划与系统模型研究的单位之一。十几年来坚持这一研究 方向, 在国内能源规划与政策研究上作出了贡献, 在国外也有相当的影响。该室 1986 年出版 的《能源规划与系统 模型》一 书, 是我国 第一本系统介 绍能源规 划与能 源系统分 析的理论 和 方法的教学参考书, 在国内 得到广泛的应用, 1989 年翻译出版 了《综合 能源规划手册》, 系统 介绍了适用于发展中国家的综合能源规划方法体系。1991 年又与国内有关部门的专家合作 编著了《农村能源综合建设规划与实施》一书, 系统地总结了农村能源建设的经验、其内容在 深度和广度上 有较高的学术水 平和实用价值, 对推动 我国农村 能源综 合建设起 到了指导 作 用。 本书是在上述 著作的基础上, 结合作者们 近几年 在本领域 的科研 成果以及 参阅国内 外 其它有关文献编写而成的。着重增加了市场经济下的能源经济分析, 能源环境, 综合资源规 划与需求侧管理等, 这些都是当前能源界注意的关键问题。 希望本书在推动我国能源建设, 在迈向 21 世纪持续发展的道路上作出贡献。

・Ⅲ・

目 　 　 录 1　 概论 ………………………………………………………………………………………… 1 1. 1　 能源的基本概念 …………………………………………………………………… 1 　 　 1. 1. 1　 能的形态和性质 …………………………………………………………… 1 1. 1. 2　 能分析与癓分析 …………………………………………………………… 3 1. 1. 3　 能量资源 …………………………………………………………………… 6 1. 1. 4　 能源的定义和分类 ………………………………………………………… 6 1. 2　 世界能源形势 ……………………………………………………………………… 7 　 　 1. 2. 1　 持续发展与环境保护 ……………………………………………………… 7 1. 2. 2　 世界能源系统的历史演变 ………………………………………………… 9 1. 2. 3　 影响世界未来能源系统的因素 …………………………………………… 11 1. 2. 4　 未来世界的能源系统 ……………………………………………………… 17 1. 3　 中国能源形势 ……………………………………………………………………… 19 　 　 1. 3. 1　 中国的能源生产和消费特点 ……………………………………………… 19 1. 3. 2　 中国的温室气体与未来能源系统 ………………………………………… 22 1. 3. 3　 中国的能源发展战略和环境对策 ………………………………………… 23 1. 4　 能源系统简介 ……………………………………………………………………… 24 　 　 1. 4. 1　 能源系统的构成和分类 …………………………………………………… 24 1. 4. 2　 能源系统的特点 …………………………………………………………… 25 1. 4. 3　 节能的系统分析 …………………………………………………………… 27 1. 5　 能源规划 …………………………………………………………………………… 28 　 　 1. 5. 1　 能源规划的概念和发展 …………………………………………………… 28 1. 5. 2　 综合能源规划的内容和方法 ……………………………………………… 29 1. 5. 3　 需求端管理和综合资源规划 ……………………………………………… 31 参考文献 ………………………………………………………………………………… 33 2　 能源研究的数据基础 ……………………………………………………………………… 35 2. 1　 能源统计简介 ……………………………………………………………………… 35 　 　 2. 1. 1　 能源统计的特点 …………………………………………………………… 35 2. 1. 2　 能源统计中应用的计量单位 ……………………………………………… 36 2. 1. 3　 我国的能源统计工作 ……………………………………………………… 40 2. 2　 能源平衡表的编制 ………………………………………………………………… 41 　 　 2. 2. 1　 能源平衡表的作用 ………………………………………………………… 41 2. 2. 2　 能源平衡表的种类 ………………………………………………………… 42 2. 2. 3　 能源平衡表编制的基本特点 ……………………………………………… 48 2. 2. 4　 能源平衡表主要指标说明 ………………………………………………… 49 ・Ⅴ・

2. 2. 5　 能源平衡表编制中若干问题的探讨 ……………………………………… 51 2. 3　 能源系统能流网络图的编制 ……………………………………………………… 54 　 　 2. 3. 1　 能源系统能流网络图的结构 ……………………………………………… 54 2. 3. 2　 能源系统能流网络图内过程的效率 ……………………………………… 59 2. 3. 3　 能源系统能量利用效率的估计 …………………………………………… 61 2. 3. 4　 能源系统能流网络图在系统分析中的应用 —— 能流平衡分析 ………… 62 2. 3. 5　 能源平衡分析的计算机算法 ……………………………………………… 66 参考文献 ………………………………………………………………………………… 68 3　 能源经济分析 ……………………………………………………………………………… 69 3. 1　 能源经济分析基础 ………………………………………………………………… 69 　 　 3. 1. 1　 供求理论 …………………………………………………………………… 69 3. 1. 2　 生产理论 …………………………………………………………………… 78 3. 1. 3　 市场理论 …………………………………………………………………… 85 3. 2　 能源投入产出分析 ………………………………………………………………… 92 　 　 3. 2. 1　 投入产出法的基本原理 …………………………………………………… 92 3. 2. 2　 投入产出法在能源规划和系统分析中的应用 …………………………… 98 3. 2. 3　 能源投入产出表 ………………………………………………………… 102 3. 3　 能源价格问题 …………………………………………………………………… 105 　 　 3. 3. 1　 投入产出价格模型的应用 ……………………………………………… 106 3. 3. 2　 计量经济学价格模型 …………………………………………………… 108 3. 3. 3　 不同能源品种价格确定中的特殊问题 ………………………………… 108 参考文献 ………………………………………………………………………………… 110 4　 能源需求预测 …………………………………………………………………………… 111 4. 1　 能源需求预测的意义和内容 …………………………………………………… 111 　 　 4. 1. 1　 能源需求预测的意义 …………………………………………………… 111 4. 1. 2　 能源需求预测的特点 …………………………………………………… 111 4. 1. 3　 能源需求预测的分类及内容 …………………………………………… 112 4. 2　 影响能源需求的因素 …………………………………………………………… 112 　 　 4. 2. 1　 人口和城市化 …………………………………………………………… 113 4. 2. 2　 经济增长和发展阶段 …………………………………………………… 114 4. 2. 3　 生活方式与消费结构 …………………………………………………… 115 4. 2. 4　 产业结构 ………………………………………………………………… 115 4. 2. 5　 技术进步 ………………………………………………………………… 116 4. 2. 6　 价格 ……………………………………………………………………… 117 4. 3　 能源需求预测方法 ……………………………………………………………… 119 　 　 4. 3. 1　 方法概述 ………………………………………………………………… 119 4. 3. 2　 弹性系数预测模型 ……………………………………………………… 121 4. 3. 3　 部门活动分析模型 ……………………………………………………… 123 4. 3. 4　 居民能源消费流模型 …………………………………………………… 129 ・Ⅵ・

参考文献 ………………………………………………………………………………… 135 5　 能源供应分析 …………………………………………………………………………… 136 5. 1　 综述 ……………………………………………………………………………… 136 　 　 5. 1. 1　 供应分析目的及其在能源规划中的地位 ……………………………… 136 5. 1. 2　 能源供应系统 …………………………………………………………… 136 5. 1. 3　 能源供应分析的内容 …………………………………………………… 136 5. 2　 能源资源评价 …………………………………………………………………… 137 　 　 5. 2. 1　 资源评价分类及信息 …………………………………………………… 137 5. 2. 2　 不可再生能源 …………………………………………………………… 137 5. 2. 3　 可再生能源 ……………………………………………………………… 141 5. 2. 4　 进口能源 ………………………………………………………………… 143 5. 3　 能源的技术评价 ………………………………………………………………… 143 　 　 5. 3. 1　 不可再生能源技术 ……………………………………………………… 144 5. 3. 2　 可再生能源技术 ………………………………………………………… 144 5. 3. 3　 电力系统技术 …………………………………………………………… 145 5. 4　 我国不可再生能源 ……………………………………………………………… 145 　 　 5. 4. 1　 原油 ……………………………………………………………………… 145 5. 4. 2　 天然气 …………………………………………………………………… 150 5. 4. 3　 煤碳 ……………………………………………………………………… 152 5. 4. 4　 铀 ………………………………………………………………………… 159 5. 5　 可再生能源 ……………………………………………………………………… 164 　 　 5. 5. 1　 水能 ……………………………………………………………………… 164 5. 5. 2　 生物质能 ………………………………………………………………… 167 5. 5. 3　 太阳能 …………………………………………………………………… 170 5. 5. 4　 风能 ……………………………………………………………………… 172 5. 5. 5　 地热能 …………………………………………………………………… 175 5. 5. 6　 海洋能 …………………………………………………………………… 177 参考文献 ………………………………………………………………………………… 177 6　 能源工程项目经济评价方法 …………………………………………………………… 179 6. 1　 项目经济评价的基本概念 ……………………………………………………… 179 　 　 6. 1. 1　 现金流量图 ……………………………………………………………… 179 6. 1. 2　 货币的时间价值与资金成本 …………………………………………… 179 6. 1. 3　 现值因子及其计算公式 ………………………………………………… 180 6. 1. 4　 名义利率和实际利率 …………………………………………………… 187 6. 1. 5　 投资的回收与固定资产折旧 …………………………………………… 187 6. 1. 6　 各种折旧方法的比较 …………………………………………………… 190 6. 2　 能源工程项目的成本与效益分析 ……………………………………………… 191 　 　 6. 2. 1　 财务评价和国民经济评价中成本与效益的差别 ……………………… 191 6. 2. 2　 能源项目成本与效益的划分和计算 …………………………………… 192 ・Ⅶ・

6. 2. 3　 成本和效益计算中几个值得注意的问题 ……………………………… 193 6. 3　 能源工程项目的经济评价方法 ………………………………………………… 195 　 　 6. 3. 1　 项目的可比较性 ………………………………………………………… 195 6. 3. 2　 最小成本分析 …………………………………………………………… 196 6. 3. 3　 单位产出成本分析 ……………………………………………………… 199 6. 3. 4　 成本－效益方法 …………………………………………………………… 200 6. 3. 5　 投资回收期方法 ………………………………………………………… 202 6. 4　 建设项目的投资分析 …………………………………………………………… 204 　 　 6. 4. 1　 财务计划表的编制 ……………………………………………………… 204 6. 4. 2　 利润表 …………………………………………………………………… 206 6. 4. 3　 现金流量表 ……………………………………………………………… 207 6. 5　 不确定性分析 …………………………………………………………………… 210 　 　 6. 5. 1　 敏感性分析 ……………………………………………………………… 210 6. 5. 2　 转换值分析 ……………………………………………………………… 211 6. 5. 3　 盈亏平衡分析 …………………………………………………………… 212 6. 6　 经济评价方法在能源系统模型中的应用 ……………………………………… 212 　 　 6. 6. 1　 经济评价方法在静态能源系统模型中的应用 ………………………… 213 6. 6. 2　 经济评价方法在动态能源系统模型中的应用 ………………………… 214 6. 7　 项目综合评价 …………………………………………………………………… 215 　 　 6. 7. 1　 综合评价意义 …………………………………………………………… 215 6. 7. 2　 综合评价方法 …………………………………………………………… 216 6. 7. 3　 计算实例 ………………………………………………………………… 219 6. 7. 4　 层次分析法及其应用 …………………………………………………… 222 参考文献 ………………………………………………………………………………… 229 7　 能源系统模型 …………………………………………………………………………… 230 7. 1　 系统分析概论 …………………………………………………………………… 230 　 　 7. 1. 1　 系统与模型 ……………………………………………………………… 230 7. 1. 2　 系统、模型与决策 ………………………………………………………… 231 7. 1. 3　 系统分析与决策支持系统 ……………………………………………… 232 7. 1. 4　 想定预测 ………………………………………………………………… 233 7. 1. 5　 不确定性 ………………………………………………………………… 233 7. 1. 6　 敏感性分析 ……………………………………………………………… 234 7. 2　 电力系统规划模型 ……………………………………………………………… 235 　 　 7. 2. 1　 电力负荷曲线 …………………………………………………………… 236 7. 2. 2　 Screen Curve 法 ………………………………………………………… 237 7. 2. 3　 电源规划数学模型的投资部分 ………………………………………… 238 7. 2. 4　 发电可靠性及随机生产模拟 …………………………………………… 242 7. 2. 5　 确定性生产模拟 ………………………………………………………… 246 7. 3　 石油炼制工艺优化模型 ………………………………………………………… 248 ・Ⅷ・

　 　 7. 3. 1　 石油炼制概述 …………………………………………………………… 248 7. 3. 2　 与常压蒸馏有关的约束方程 …………………………………………… 250 7. 3. 3　 与减压蒸馏有关的约束方程 …………………………………………… 251 7. 3. 4　 与减粘裂化有关的约束方程 …………………………………………… 251 7. 3. 5　 与催化裂化有关的约束方程 …………………………………………… 251 7. 3. 6　 与催化重整有关的约束方程 …………………………………………… 252 7. 3. 7　 与调合有关的约束方程 ………………………………………………… 252 7. 3. 8　 其他约束方程及目标函数 ……………………………………………… 254 7. 3. 9　 小结 ……………………………………………………………………… 256 7. 4　 煤炭开发模型 …………………………………………………………………… 256 　 　 7. 4. 1　 煤炭系统的结构 ………………………………………………………… 256 7. 4. 2　 外层模型的内生变量 …………………………………………………… 261 7. 4. 3　 生产能力的表达式 ……………………………………………………… 262 7. 4. 4　 修正描写系统运行的技术经济系数 …………………………………… 262 7. 4. 5　 内层模型 ………………………………………………………………… 263 7. 4. 6　 开发投资的表达式 ……………………………………………………… 266 7. 4. 7　 残值的表达式 …………………………………………………………… 266 7. 4. 8　 外层模型的目标函数 …………………………………………………… 266 7. 4. 9　 外层模型小结 …………………………………………………………… 267 7. 5　 农村能源系统模型 ……………………………………………………………… 268 　 　 7. 5. 1　 农村能源系统概述 ……………………………………………………… 268 7. 5. 2　 模型的数学描述 ………………………………………………………… 270 7. 5. 3　 模型的参数选择 ………………………………………………………… 275 7. 5. 4　 模型的输出及分析 ……………………………………………………… 278 7. 6　 能源系统减排 CO 2 技术选择模型 ……………………………………………… 279 　 　 7. 6. 1　 我国能源消费的 CO 2 排放 ……………………………………………… 279 7. 6. 2　 模型建立的基本思路 …………………………………………………… 280 7. 6. 3　 模型的数学描述 ………………………………………………………… 282 7. 6. 4　 模型的外生想定条件 …………………………………………………… 286 7. 6. 5　 模型主要计算结果分析 ………………………………………………… 287 7. 7　 能源系统线性规划模型对偶解的经济学意义 ………………………………… 289 　 　 7. 7. 1　 线性规划模型对偶解的数学性质 ……………………………………… 289 7. 7. 2　 一个非常简单的能源系统线性规划模型 ……………………………… 291 7. 7. 3　 S 量与价格参数无关的完全自由竞争市场 …………………………… 293 7. 7. 4　 S 量与价格参数有关的完全自由竞争市场 …………………………… 296 7. 7. 5　 典型计划经济中国家计划工作者的理想 ……………………………… 297 7. 7. 6　 企业经营者的行为 ……………………………………………………… 299 7. 7. 7　 几点讨论 ………………………………………………………………… 303 7. 8　 系统动力学模型及其在能源系统分析中的应用 ……………………………… 304 ・Ⅸ・

　 　 7. 8. 1　 系统动力学基本原理 …………………………………………………… 304 7. 8. 2　 系统动力学在能源系统分析中的应用 ………………………………… 308 参考文献 ………………………………………………………………………………… 312 8　 能源的环境问题 ………………………………………………………………………… 314 8. 1　 环境的基本知识 ………………………………………………………………… 314 　 　 8. 1. 1　 生态系统与生态平衡 …………………………………………………… 314 8. 1. 2　 水体污染 ………………………………………………………………… 317 8. 1. 3　 大气污染 ………………………………………………………………… 320 8. 1. 4　 固体废物 ………………………………………………………………… 324 8. 1. 5　 放射性与放射性对人体的危害 ………………………………………… 325 8. 2　 能源生产和使用对环境的影响 ………………………………………………… 326 　 　 8. 2. 1　 化石燃料的生产与使用 ………………………………………………… 326 8. 2. 2　 核能生产与利用 ………………………………………………………… 328 8. 2. 3　 可再生能源的开发利用 ………………………………………………… 329 8. 3　 我国的环境政策 ………………………………………………………………… 330 　 　 8. 3. 1　 环境法规体系 …………………………………………………………… 330 8. 3. 2　 环境政策 ………………………………………………………………… 331 8. 4　 环境影响评价 …………………………………………………………………… 333 　 　 8. 4. 1　 环境影响评价分类 ……………………………………………………… 333 8. 4. 2　 环境影响评价的原则和内容 …………………………………………… 333 8. 4. 3　 环境影响评价方法 ……………………………………………………… 336 8. 5　 环境与健康风险评价与管理 …………………………………………………… 340 　 　 8. 5. 1　 风险评价与判断 ………………………………………………………… 340 8. 5. 2　 风险的鉴别与确定 ……………………………………………………… 342 8. 5. 3　 风险的分析 ……………………………………………………………… 343 8. 5. 4　 风险管理 ………………………………………………………………… 344 参考文献 ………………………………………………………………………………… 344 9　 综合资源规划和需求侧管理 …………………………………………………………… 345 9. 1　 综合资源规划和需求侧管理的发展背景 ……………………………………… 345 9. 2　 综合资源规划和需求侧管理的基本概念 ……………………………………… 345 　 　 9. 2. 1　 基本概念 ………………………………………………………………… 345 9. 2. 2　 传统电力规划和综合资源规划方法的区别 …………………………… 346 9. 3　 DSM 基本要素 …………………………………………………………………… 347 　 　 9. 3. 1　 用户最终用途 …………………………………………………………… 347 9. 3. 2　 负荷调整目标 …………………………………………………………… 347 9. 3. 3　 技术措施选择 …………………………………………………………… 348 9. 3. 4　 市场实施策略 …………………………………………………………… 349 9. 4　 DSM 计划的规划, 实施步骤及工具 …………………………………………… 350 　 　 9. 4. 1　 DSM 规划及实施的流程框架 …………………………………………… 350 ・Ⅹ・

9. 4. 2　 DSM 计划的分析过程 …………………………………………………… 351 9. 4. 3　 DSM 模型与软件 ………………………………………………………… 352 9. 5　 DSM 计划的成本－效益评价准则 ……………………………………………… 353 　 　 9. 5. 1　 避免成本的计算原则 …………………………………………………… 353 9. 5. 2　 DSM 计划的成本－效益评价 …………………………………………… 354 9. 5. 3　 电力公司投资于 DSM 计划的合理性讨论 …………………………… 360 9. 5. 4　 DSM 的成本－效益评价的外部条件 …………………………………… 361 9. 6　 IR P 的基本要素及分析实施步骤 ……………………………………………… 362 　 　 9. 6. 1　 IR P 的技术要素 ………………………………………………………… 362 9. 6. 2　 IR P 的过程要素 ………………………………………………………… 366 9. 7　 IR P / DSM 推广应用效果与经验

……………………………………………… 367

　 　 9. 7. 1　 美国电力公司需求侧管理的效果 ……………………………………… 367 9. 7. 2　 IR P / DSM 的发展前景

………………………………………………… 368

9. 7. 3　 电力公司 DSM 实践的经验总结 ……………………………………… 369 参考文献 ………………………………………………………………………………… 372 10　 综合能源规划决策支持系统 …………………………………………………………… 373 10. 1　 计算机在综合能源规划中的应用 ……………………………………………… 373 10. 2　 综合能源规划决策支持系统概述 ……………………………………………… 373 10. 3　 数据库子系统 …………………………………………………………………… 375 　 　 10. 3. 1　 能源规划中使用的数据 ………………………………………………… 375 10. 3. 2　 数据库的设计与建立 …………………………………………………… 376 10. 3. 3　 数据库管理系统的设计与实现 ………………………………………… 376 10. 3. 4　 数据库子系统的形成 …………………………………………………… 377 10. 4　 方法库子系统 …………………………………………………………………… 379 　 　 10. 4. 1　 方法库在 DSS 中的作用 ……………………………………………… 379 10. 4. 2　 能源规划中使用的方法 ………………………………………………… 380 10. 4. 3　 方法库子系统的结构 …………………………………………………… 380 10. 5　 模型库子系统 …………………………………………………………………… 382 　 　 10. 5. 1　 模型库在 DSS 中的作用 ……………………………………………… 382 10. 5. 2　 模型库子系统的特点和功能 …………………………………………… 382 10. 5. 3　 能源规划中使用的模型 ………………………………………………… 383 10. 5. 4　 模型库子系统的结构 …………………………………………………… 384 10. 6　 对话子系统 ……………………………………………………………………… 386 　 　 10. 6. 1　 对话子系统的功能 ……………………………………………………… 386 10. 6. 2　 对话子系统的结构 ……………………………………………………… 387 缩略语索引 …………………………………………………………………………………… 389

・Ⅺ・

1　 概 　 　 论 1. 1　 能源的基本概念 1. 1. 1　 能的形 态和性质 　 　 能( 能量) 是物质运动的量度, 并且是物质运动状态的一个单值函数, 相应于不同形式的 运动, 如机械运动、电磁运动、不规则热运动、化 学变化以 及核裂变 或聚变 等, 相 应的能也 有 不同的形态, 如机械能、电磁能、不规则能、化学能、核裂变能和核聚变能等。在特定条件下, [ 1]

能的最简单的定义是“做功的能力”或“具有产生外在活力的能力 的一个系统” 。能大 致可 分为如图 1. 1 所示的五种形态:

图 1. 1　 能的五种形态 [2]

1. 储 存能, 是指 那些 在自 然 形态 下比 较稳 定地 存 在的 能量, 其 中有 生物 燃 料、矿物 燃 料、核燃料等, 主要形态是化学能和核能。 2. 不规 则能, 是指由于 分子、原子等 粒子不规 则运动 所产生的 能量, 如热 能、冷 冻介 质 具有的“冷能”等。 3. 机械能, 是指物体宏观动能、位能、振动能等。 ・ 1・

4. 电磁 能, 主 要指由电 压与电 荷移动量 的乘积 所具有的 电能, 包括静 电能、电磁 能、磁 能等。 5. 辐射能, 如太阳辐射、电磁波、声波、核放射线等。 当物质运动形式发生转变时, 能的形态同时发生转变, 不同能量形态之间是可以相互转 换的, 如图 1. 1 所示( 其中只有机械能直接转换为化学能和核能的方法, 迄今尚未发现, 故用 虚线表示) , 说明能量具有转换性。在转换时, 能的总量守恒不变, 既不创造, 也不消失, 在数 量上服从能量守恒定律。换言之, 在一定体系内, 各种形式的能的总和是一个常数, 能量不能 产生, 也不能消失, 只能从一种形式转换成另一种形式。 除此之外, 各种形态的能 量在相互转换 时, 还具有明 显的方向 性, 即它们的 转换效率 是 不同的, 如表 1. 1 所示。有 的接近 100% ( 表 1. 1 中有“○”号的) , 有的 随转换条件而有 所不 同( 表 1. 1 中有“△”号的) , 有的转换时伴有能量“损耗”( 表 1. 1 中有“× ”号的) 。转换效率的 不同, 体现了各种形态的能量有质的差异性。 表 1. 1　 不同形态能量的相互转换 [ 2] 转换后的能

储存能

不规则能

机械能

电磁能

辐射能

转换前的能 储 存 能

　 化学反应 　 　

不 规 则 能

电池

核聚变

渗透压

燃料电池

　

核裂变

　

　

　

放热反应

　

　

　

○ 高温→低

　

温的传热

　

相变

机 械 能

辐 射 能

体力劳动

吸热反应

×

电 磁 能

燃烧

△

× 热机

核蜕变

○ 热电偶

△ 热辐射

　

　

白炽灯

　

　

　

×

×

×

摩擦

传动

热泵

位能

○

○

○

电解

电热器

电动机

变压

充电

高频加热

　

　

粒子加速器

○

○

○

○

△

光合作用

太阳能热

超声波加工

太阳电池

　

水器

　

光电池

×

○

×

发电机 动能

压电效应

×

音响 超声波发生器 △ 电波

电子→X 线 　 △

　 　 注 : 表 中“○”代表 转换效 率接 近 100% ,“△”代表转 换效 率随条 件不 同而不 同,“× ”代表转 换时 有能量 损耗。

量的守恒性和质的差异性是能量在转换时所具有的两重性。 根据能量转换时是否受热力学第二定律的制约, 可以将其划分为三种不同质的能量。 1. 可无 限转换的 能量, 如表 1. 1 中的电 磁能和 机械能, 包括水 能、风 能等, 它们 在转 换 时不受热力学第二定律的约束, 因而可以直接用它的数量反映其本身的“质”。它们的“质”与 “量”是完全统一的。人们用“癓”( exergy ) 这个概念来表示这种“可无限转换”的能量。 2. 可有限转换的能量, 如表 1. 1 的不规则能。 它们在转换成机械 能或电磁能等其 他形 ・2・

态能量时, 受热力学第二定律的约束。它们在给定的环境基准下, 在极限情况下, 也只能部分 转换, 并非全部都是“癓”, 那些无法转换的部分能量, 人们用“穁”( axergy ) 这 个概念来表示。 因此可有限转换的能量由“癓”和“穁”组成。“癓”的比例愈高, 说明其“质”愈高。 3. 不可 转换的能 量, 如 环境介 质的内能, 受热 力学第 二定律的 制约在 环境条件 下无 法 转换为其它形态的能量, 即这类能量全部都是“穁”。 根据对癓和穁的理解, 可以将各种能量 E ｎ 看成是由癓 E 与穁 A 组成, 即 Eｎ = E + A 　 　 上述第一种能量 E ｎ = E , 第二种能量 E ｎ = E + A , 第三种能量 E ｎ = A 。 能的“质”可以定量地用下式表示: λ≡

E Eｎ

式中 λ为能质系数。表 1. 2 给出几种主要能量形态的 E , A 和 λ, 供参考。 表 1. 2　 几种能量的 E , A 和 λ[ 2] 能量形态

能的数量

癓 E / kJ

E / kJ 机械能、电能、风能和水能

Eｎ

恒温下放出或得到的热量

Q= E ｎ

E Q=

变温下放出或得到的热量

Q= E ｎ

EQ =

E= Eｎ

介质的内能

U - U0

稳定流动介质的焓 ( 忽略动位能的变化) 气体燃料的化学能 ( 1 大气压, 25℃) 液体燃料的化学能 ( 1 大气压, 25℃) 固体燃料的化学能 ( 1 大气压, 25℃)

H- H0

1-

U0 )

T0 Q T

Q 0

1-

= U - U0

- T 0( S - S 0) + p 0 ( V- V0 ) E ( H - H 0) = H - H 0 - T 0( S - S 0)

ΔH h

ΔH h

ΔH h

T0 T

E = 0. 950ΔH h ( Rant 近似式) E = 0. 975ΔH h ( Rant 近似式)

A Q=

T0 Q = T 0 ΔS T

∫

δQ A Q = T 0 A ( U-

能质系数 λ λ= 100%

A= 0

∫

E ( U-

穁 A / kJ

U ) 0

Q 0

δ Q T

λ Q=

H 0)

EQ Q

= T0 ( S λ ( U-

S 0 ) - p 0 ( V - V0 ) A ( H-

T0 T

λ Q = 1-

U ) 0

=

E U - U0 U- U0

=

E (H - H 0 ) H- H0

= T0 ( S -

S0)

λ (H-

H 0)

A = 0. 050ΔH h

λ= 95%

A = 0. 025ΔH h

λ= 97. 5%

E = ΔH L + r ω

A = ΔH h - ΔH L

( Rant 近似式)

- rω

λ=

E ΔH h

　 　 注: 表中 T 为热源 或介质 温度 ; T 0 , p 0 , H 0 , S 0 , U 0 , V 0 分 别为 环境条 件下 介质的 温度、压 力、焓、熵、内能 和容积 ; H , S , U , V 分别 为介 质的焓 、熵 、内能和 容积 ; ΔH

h

和 ΔH L 分别为 燃料的 高热 值和低 热值 , r 为水 的汽化 热, ω为燃

料中水 的质 量成分 。

1. 1. 2　 能分析 与穐分析 能分析是在热力学第一定律基础上分析和揭示出能量在数量上转换、传递、利用和损失 的情况, 确定能量损失的性质、大小与分布, 指明提高能量利用率的方向, 确定出某个系统或 装置的能量利用或转换效率, 由此而得出的效率是基于热力学第一定律基础之上的, 故称为 ・ 3・

“能效率”( 或称“第一种效率”) ηⅠ 。 癓分析是在热力学第一和第二定律基础上分析能量中癓的平衡关系。通过分析, 揭示出 能量中癓的转换、传递、利用和损失情况, 确定出该系统装置的癓利用效率, 由此得出的效率 是基于热力学第一和第二定律基础之上的, 故称为“癓效率”( 或称“第二种效率”) ηⅡ 。 为了便于说明问题, 下面以一个能流情况比较简单的任意系统为例, 讨论它的能分析与 癓分析。 如图 1. 2( a ) 所示, 进入该系统的能量 E ｎ1 应等于 离开系统的各种形 式能量之总和 ( W S , E ｎ2 和 Q ) 加上系统 内部的能 量积累。如 果整个 系统是稳 定的, 则系统 内部的 能量不 发生 变 化, 此时, E ｎ1 = W S + E ｎ 2 + Q 式中, W S 代表系统对外所做的轴功, 属于有用的“收益”。 E ｎ2 代表工质( 如物料 或排烟等) 离 开系统时带走的能量, 如果这部分能量不再回收利用, 就以外部损失的形式排离系统。Q 代 表系统向周围环境散放的热量, 同样也以外部损失的形式排离系统。根据能效率的定义即作 为收益的能与作为代价的能之比值是, ηⅠ =

作为收益的能 　 　 　 　 作为代价的能

ηⅠ =

WS = 1E ｎ1

Q Eｎ1

Eｎ2 Eｎ1

　 　 类似地, 该 系统的癓分析如图 1. 2( b) 所示。由 于系统内部各个环 节在实际过程中 不可 避免地将有部分癓退化为穁, 因此, 根据癓平衡的要求, 进入该系统的癓 E 1 应等于离开系统 的各种癓( W S , E 2 和 E Q ) 、系统内部癓量的积累加上各种内部的癓损失。如果系统是稳定的, 系统内部的癓量不发生变化, 则 E 1 = W S + E 2 + E Q + Σπｉ

图 1. 2　 一个简单系统的能分析与癓分析 [ 2]

式中 W S 仍为系统对外所做的轴功, 由于机械功本身就是癓, 所以它也 就是所要获得的 有用 的“收益”癓, E 2 代 表工质离 开系统 时所带 走的 能量 E ｎ2 中 的癓, 如同 E ｎ2 一样, E 2 也 以外 部 癓损失的形式排离系统。E Q 代表系统向周围环境散放的热量 Q 中的癓, 同样也以外部癓损 失的形式排离 系统。Σπｉ 是系统内部的癓 损失。根据癓效 率的定义, 即作为收益 的癓与作 为 代价的癓之比值 ・4・

ηⅡ =

作为收益的癓 　 　 　 　 　 　 作为代价的癓

ηⅡ =

WS = 1E1

EQ E1

Σπｉ E1

E2 E1

　 　 表 1. 3 对 比了这两种分析 方法的依据、平衡 式、特 点、效 率和作 用, 可 以看到, 这两种 分 析方法互有联系又各有特点。能分析的特点是不同质的能量在数量上的平衡, 它只考虑了量 的利用程度, 反映的只是量的外部损失。当然, 它也为节约能量指明了一定的方向, 譬如通过 回收余热, 回收目前尚未 利用的废弃物资、副产 品以及减 少物料的 泄漏, 加强保 温等所谓 减 少和堵塞“跑、冒、滴、漏”措施以减少能量的外部损失。这在近期的节能工作中, 往往可以取 得较大的效果。例如在美国化工行业短期节能规划中, 利用减少外部能量损失的年节能量约 占 60% 。因而, 在企业内部进行能分析是必要的, 而且也可为癓分析打下基础。但是由于能 分析方法 无法揭示系统内 部存在的能量“质”的贬值和损 耗, 不 能深刻 地揭示能 量损耗的 本 质, 而且由于能效率的分子和分母常常是不同质的能量的对比, 不能科学地表征能的利用程 度, 因此, 随 着节能工作的深 入开展, 当“浮财”捞得差 不多或在 制订中 期长期节 能规划的 时 候, 为了正确地指明节能的方向和途径, 需要进一步做好癓分析的工作。例如, 对比蒸汽电站 的能量损 失与癓损失, 如表 1. 4 所示, 虽 然它的能 效率( 41% ) 与癓效率 ( 39% ) 相差 不大, 但 反映的含义却大不相同。从能分析出发, 最大的能量损失发生在冷凝器中。这就可能给人们 一种错觉, 误认为冷凝器的放热是症结所在。其实, 从癓分析来看, 冷凝器内所排弃的癓值极 小, 只占 1. 5% 。相反, 锅炉中的癓损失却占了 49% 。使大量的癓退化为穁而失去做功能力 的, 不 在于冷凝器, 而在于锅炉内 部燃料的燃烧 及烟气与 锅内水和 蒸汽的 传热过程, 而且 也 正是这两种不可逆过程引起的癓损失, 才大大地增加了通过冷凝器所排弃的余热数量。一旦 锅炉内部的不 可逆环节有所改 善, 必然可 以减少从冷 凝器排弃 余热形 式表现出 来的由癓 退 化为穁的部分。所以, 如果在目前的蒸汽电站中加一级燃气透平成为燃气－蒸汽联合循环, 就 能大大减少癓损失。 表 1. 3　 能分析与穒分析的对比 [ 2] 能　 分　 析

癓　 分　 析

依　 据

热力学第一定律

热力学第一、第二定律

平衡式

E ｎ1 = W S + Q+ E ｎ2

E Ⅰ = W S + E 2 + E Q + Σπｉ

　

　

Σπｉ 为内部不可逆癓损失

特　 点

不同质的能量的数量平衡

同质能量的数量平衡

能效率

癓效率

效　 率

η Ⅰ=

WS E ｎ2 Q = 1E ｎ1 E ｎ1 E ｎ1

其分子分母往往是不同质的能量 两种效率

　

WS = 1E1

EQ E1

E2 E1

Σπｉ E1

其分子分母总是同质的能量 ηⅠ = λη Ⅱ

的联系 作　 用

ηⅡ =

反映外部损失( Q ; E ｎ2 )

能同 时反映内部 ( Σπｉ ) 和外部( E Q : E 2 ) 癓损

　

失, 能真实揭示薄弱环节

・ 5・

表 1. 4　 蒸汽电站的能量损失与穒损失 [ 2] 设　 备

能量损失占输入能量的比例

癓损失占输入癓量的比例

9%

49%

锅　 炉 　 　 其中: 燃烧过程

－

29. 7%

传热过程

－

14. 9%

烟道损失

－

0. 68%

扩散段损失

－

3. 72%

透　 平

≈0

4%

冷凝器

47%

1. 5%

加热器

≈0

1. 0%

其　 他

3%

5. 5%

合　 计

59%

61%

1. 1. 3　 能量资 源 自然界中存在而可能为人类利用来获取能量的自然资源称为能量资源。它的范围随着 科学技术的发展而扩大。 能量资源按其来源可以分为三类: 第一类是 来自地球以外的太 阳能。除了直接的 太阳 辐射能之 外, 化石资 源( 煤、石油、天然气等) 、生物质能、水能、风能、海 洋能等资 源都间接 来 自于太阳能。第二类是地球本身蕴藏的能源, 主要是原子核能和地热能。第三类是地球和月 球、太阳等星球天体之间有规律的运动及相对位置的变化所形成的能, 如潮汐能。

1. 1. 4　 能源的 定义和分 类 能源指人类取 得能量的来源, 包括已开采 出来可 供使用的 自然资 源与经过 加工或转 换 的能量的来源。尚未开采的能量资源只称为资源, 不列入“能源”范畴。 能源可按如下分类( 表 1. 5) 1. 可再生能源与不可再生能源 在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源, 称之为可再生能源。经过亿万年 形成 的、短 期内 无法 恢复的 能源, 称 之为不 可再 生能源, 它 随着 大规模 地开 采, 储量 越来 越 少, 总有枯竭之时。 2. 常规能源与非常规能源( 新能源) 在一定历史时期和科学技术水平下, 已经被人们广泛应用的能源, 称之为常规能源。许 多古老的传统 能源如太阳能、风能、生物质能等 若采用先 进的方法 加以广 泛利用, 以及用 新 发展的先进技术利用的能源, 如氢能等称之为新能源。 3. 商品能源与非商品能源( 传统能源) 以经济流通领域中的地位加以区分。商品能源是指进入市场进行买卖的能源, 如煤炭、 石油及其制 品、焦炭、电力等。非商 品能源是指 那些一般 不通过市 场的能 源, 如 某些传统 能 源, 秸杆、薪柴、牲畜粪便等。虽然, 它们有时在当地市场上也有买卖, 但规模很小, 也未将其 列入正式商品, 称为非商品能源。 ・6・

表 1. 5　 能源分类表 [3] 可再生能源

常 　 规 　 能 　 源

一 　 次 　 能 　 源

商品能源

水力( 大型)

化石燃料( 煤、油、天然气)

　

核能( 增殖堆)

　

　

地热

核能

传统能源

生物质能( 薪柴秸杆、粪便等)

　

( 非商品能源)

太阳能( 自然干燥等)

　

水力( 水车等)

　

风力( 风车、风帆等)

　

畜力＊

　

非 　 新能源 常 　 规 　 能 　 源

二次 能源

不可再生能源

生物质能( 燃料作物制沼气、酒精等) 太阳能( 收集器、光电池) 水力( 小水电) 风力( 风力机等) 海洋能 地热

电力、煤炭、沼气、汽油、柴油、煤油、重油等油制品、蒸汽、热水、压缩空气、氢能等

　 　 ＊ 　 人 力计入 劳动 力, 不计入 能源 。

4. 一次能源与二次能源 自然界现成存在、可直接取得而又不改变其基本形态的能源称为一次能源, 或称初级能 源。由一次能源经过加工转换成另一种形态的能源产品叫二次能源, 也称次级能源。

1. 2　 世界能源形势 1. 2. 1　 持续发 展与环境 保护 　 　 由于任何物质形态的变化都离不开能的变化, 因此, 能源是人类社会经济发展的基本投

图 1. 3　 美国 1910—1978 年人均能耗与人均 GDP 关系 [4]

・ 7・

入。能源消费的多少与社会经济活动的水平密 切相关, 人 们常以人均能源 消费与人均 GDP ( 国内生产总值) 的关系来表征。图 1. 3 给出美国 1910—1978 年人均能源 消费与人均 GDP 的关系。图 1. 4 给出不同国家的情况, 从趋势来看, 人均 GN P 愈高, 人均能源消费也愈大。

图 1. 4　 能耗与 GN P 关系( 1990 年) [ 4]

如果将世界上发达国家与发展中国家相比, 如图 1. 5 所示, 发展中国家的人均能耗水平 仅是发达国家的 1/ 10。发展中国家的总能耗只占世界的 26% , 其 GN P 也只占世界总 GNP 的 25% , 而人口却占 76% 。

图 1. 5　 人均商品能源与电耗( 1990 年) [ 4] ＊

O ECD 经 济合作 与发 展组织

近年来人类活动带来的全球环 境问题日益受到 全世界的关注。80 年代 中, 联合国 世界 环境与发展大会提出了人类社会持续发展的概念, 其含意是发展不仅是满足当代人的需要, ・8・

还应不损害后代人的生存发展, 因此, 保护人类赖以生存的自然环境和自然资源成为当今世 界共同关心的全球问题。而很大部分的人为环境问题都是由于能源生产和消费引起的, 因而 今后日益增强的全球环境保护意识将影响世界的能源形势。

1. 2. 2　 世界能 源系统的 历史演变 图 1. 6 给出 1973 年石油危机前 100 多年来世界能源供应的演变。由图 1. 6 可知, 1974 年前世界的能源消费以平均年增长率 5% 的指数规律上升, 100 年来能源消费增长了 30 倍, 1974 年全 球商品能 源消费 达 6× 109 吨标 油( 8. 5× 10 9 ) 吨标 煤, 其中 85% 是 由发达 国家 消 费的, 因为这段时期是发 达国家快速经济增 长和实现工业化 时期, 而 发展中国家仅占 15% , 此外, 全球还消费了 6× 108 t 标油的非商品能源主要是用于发展中国家农村居民。

图 1. 6　 世界一次能源消费 [4]

图 1. 7 给出世界能源更迭的历史演变。由图知 1850 年前木材是主要能源, 然后逐步为 煤炭替代, 到 1880 年煤炭成为主要能源。石油在 1880 年开始进入市场, 而天然气在 1900 年 开始进入市场。到 1970 年石油已成为主要能源, 占能源市场的 49% 。到 1990 年石油、天然

图 1. 7　 世界能源替代历史变化[ 4] ( f 为 市场 份额, 曲折 线为 历史数 据, 直线 为罗吉 斯函 数拟合 线)

・ 9・

气合计占 60% 的能源市场份额, 如表 1. 6 所示。 表 1. 6　 世界一次商品能源构成 [ 4] 1950 年

1960 年

1970 年

1980 年

1990 年

17. 5

28. 9

48. 5

62. 7

80. 3

　

　

　

　

　

煤

57. 7%

46. 0%

30. 5%

28. 3%

27. 3%

油

31. 0%

37. 8%

48. 7%

48. 6%

38. 6%

天然气

9. 7%

14. 2%

18. 6%

19. 9%

21. 6%

水力

1. 6%

2. 0%

2. 1%

2. 3%

6. 7%

核能

0

0. 1%

0. 9%

5. 8%

一次能源供应 / 108 吨标油 比例:

　 　 　 —

　 　 直到 1973 年世界油价一直很稳定, 但 1973 年后国际油价有很大的变化如图 1. 8 所示。 油价的变化对 世界能源需求产 生很大的影响, 特别 是对发达 国家, 对发展 中国家影 响小些。 表 1. 7 列出了世界一次能源消费增长率的变化。

图 1. 8　 世界原油价格变化及其趋势[ 5] 表 1. 7　 世界一次能源消费增长率的变化 [4] 1966—1973 年

1973—1979 年

1979—1985 年

1985—1990 年

世界平均

5. 1%

2. 7%

0. 9%

2. 2%

发达国家

4. 9%

2. 0%

0. 1%

1. 3%

其中: O ECD 国家 发展中国家

5. 0% 6. 3%

1. 1% 6. 0%

- 0. 3% 4. 0%

1. 8% 5. 0%

其中: 中国

5. 4%

6. 7%

3. 4%

4. 6%

其他发展中国家

6. 8%

5. 5%

4. 3%

5. 2%

・ 1 0・

1. 2. 3　 影响世 界未来能 源系统的因 素 　 　 未来几十年能源系统的变化将受很多因素的影响, 主要的因素简述如下: 1. 人口增长 图 1. 9 给出世界人口增长的历史情况和未来的预测。1990 年世界人口已达 53 亿, 其中 发展中国家占 76% 。预计发展中国家的未来人口增长率仍很高, 据联合国预测到 2020 年世 界人口将达 81 亿, 其中发展中国家占 82% 。

图 1. 9　 世界人口增长的历史情况和未来预测 [4]

2. 经济增长 世界经 济增长在 60 年 代为年 增长率 5% , 而 预计未 来年 代经济 增长 将远 低于此 值, 据 世界能源会议 1992 年预测, 未来 1990—2020 年间年平均增长率约为 3. 3% , 发展中国家的 经济增长率将高于发达国家, 这有利于减少两类国家间的差距。 3. 能源系统的惯性 由图 1. 4 可知, 能源 系统的变化是逐步 的, 一种 新能源从进入市 场占 1% 的份额发 展到 占 50% 的份额将经历 约 100 年时间, 因此, 预计未来几十年 世界能源系统仍 将以油, 天 然气 和煤炭为主要能源。 4. 能源资源 各种能源资源的储量和生产成本将是影响未来能源系统的关键因素。各种资源的简况 概述如下: ( 1) 化石资源　 表 1. 8 给出 1991 年底世界各种化石资 源的探明储量和 目前的储采比。 表 1. 9 给出 1990—2020 年可能增加的储量。从表中可知未来 30 年化石资源将是足够的, 问 题可能出现在 30 年后, 除非在中东以外再发现若干个巨大油田。如果石油资源仍过分集中 ・ 1 1・

在中东, 则未 来 30 年的能 源问题仍 将与现在 一样, 石油贸 易过分依 赖中东, 将会 影响世 界 的能源市场。如 1990 年世界石油出口 45% 来自中东。目前世界石油生产量中有 50% 是进 入国际贸易, 而天然气产量约为 16% 和煤炭产量约 10% 进入国际贸易。 表 1. 8　 1991 年底化石燃料资源的探明储量和储采比 R / P [ 4] 　 　 单位: 108 吨标油 石　 　 油 储量

天然气 R/ P

煤

储量

储量

R/ P

R/ P

发达国家

　 　 154

　 　 13

　 　 580

　 　 40

　 　 3614

　 　 271

其中 OE CD 国家 发展中国家

　 　 74 1200

　 　 10 61

　 　 121 558

　 　 16 —

　 　 2108 1593

　 　 247 184

其中: 中东

894

＊

343

＊

0. 1

—

32

23

9. 0

67

589

114

其他发展中国家

274

—

206

—

1003

—

世界合计

1354

43

1138

59

5206

239

中国

　 　 ＊ 　 世 界能源 会议 1992 年的 参考方 案预 测值。 表 1. 9　 世界未来 1990—2020 年化石资源和累计需求量[ 5] 　 　 单位: 108 吨标油

探明储量( 1991 年底) 估计增加储量 合计资源量

石油

天然气

煤

合计

1350

1140

5200

7700

650

1060

28800

30500

2000

2200

34000

38200

1000

680

850

2530

累计需求量＊ ( 1990—2020 年)

　 　 ＊ 　 世 界能源 会议 1992 年的 参考方 案预 测值

( 2) 水力资源　 世界 可开 发水 力资 源 超过 14000 T W h / a ( 32 亿 吨 标油/ a ) 其中 60% 在 发展中国家, 但已开发的水力资源在发达国家平均约为 25% , 而在发展中国家约为 10% 。 ( 3) 核资源　 已探明 的和估计将增加 的储量开采成本 小于 130 美元/ k g 的 铀资源约 为 5M t , 其中在发达国家的超过一半。推测铀资源量约为 15 M t [ 6 ] 。已探明铀资源如用轻水堆则 10

12

可相当于 4× 10 吨标油, 如用热堆－快堆耦合运行则相当于 3× 10 吨标油。 ( 4) 新能 源与可再 生能源 资源　 主 要指太 阳能、风能、地热和生 物质能 等, 目 前它们 在 整个能源系统中的贡献仅 0. 1% , 根 据世界能源会议 1992 年估计, 到 2020 年按不同假 定方 案有可能达 4% —14% [ 7] 。 5. 环境影响 正如前述, 人为造成的环境影响, 很大部分是由于能源的生产和使用。所有的能源资源 的利用都会 带来环境问题。它们 对环境的 影响有局 部的, 有地区 性的, 也有全球 性的, 图 1. 10 给出部分示例。 全球温室气体 CO 2 的浓度变化, 据估计在工业革命时期前( 1860—1890 年) 约为 270— 3

290mm / m

3 [ 6]

3

3

。到本世纪 50 年代近 100 年间增至 310 mm / m , 但近 30 年内化石燃料燃烧

迅速增 加, 加 速了大气 中 CO 2 的 投入, 加之对 森林 的砍伐, 削 弱了 其对 CO 2 的吸 收, 因此, ・ 1 2・

能源系统对环境影响

局部影响 ( 本国) － 城市污染 － 土地破坏 － 森林破坏 － 放射性废物

－ － － － －

地区影响 ( 跨国) 酸雨 水坝诱发地震活动 漏油污染海洋 土地浸蚀造成河道淤塞 核事故的放射性释放 图 1. 10

全球影响 － CO2 的温室效应 导致全球气候变暖 － 臭氧层破坏 ( 能源利用的间接影响)

能源系统对环境的影响 [ 4]

加速了 CO 2 浓度的增加, 到 1985 年约为 345mm 3 / m 3 。CO 2 浓度的增加已造成地球表面温度 升高和气候变化。在过去 100 年里, 由于人为活动所造成的温室气体浓度的增加已使地球表 面平均温度升高了 0. 3—0. 6℃。温室气体主要有 CO 2 , CH 4 , N 2 O , CF S 等, 但其中 CO 2 的作 用最大, 约 为 50% 。而能源部门是 CO 2 的主要排放源, 如图 1. 11 所示。据政府间气候变化 委员会( IPCC ) 最近估计, 到 2030 年全球气候平均温度可能增加 1. 3—2. 7℃。而且变暖情况 在地球上分布是不均匀的, 估计两极变暖比赤道高, 可能引起极地冰壳融化使海水上涨。引 起大气环流变化, 改变雨量的地域及季节分布, 全球平均降雨增加, 台风强度增加等。

图 1. 11　 温室气体源 [ 7]

CO 2 等温室气体浓度增加是否一定引起温度升高, 尚有争论, 有的科学家甚至认为 会造 成“冷室”效应, 但 大多数科学家认 为是“温 室”效应, 因此, 带来 的影响 尚有很多 不确定因 素 待进一步研究。 但是不管怎样, 人们还是研究减排 CO 2 的对策。1987 年联合国世界环境与发展会 议上 建议工业化国家在未来的 40—50 年间将人 均能耗水平下降 一半。1988 年在加拿大多 伦多 ・ 1 3・

召开的代表 48 个国家和联合国有关国际机构的“变化中的大气”会议上建议将 2000 年 CO 2 排放量稳定在 1988 年的水平, 2005 年再下降 20% 作为国际 努力目标。1989 年欧共体 各成 员国环境部长 会议决定即使温 室效应问题在科 学上仍有 不少不确 定因素, 但目 前必须采 取 减少 CO 2 的排放措施。 1992 年联合国环境与发 展大会上发表了“里约 环境与发展宣言”。各国政 府签署了“气 候变化框架公约”。公约的目标是将大气中气体的浓度预定在不致使气候变化达到危险的水 平。这一水平仍能保持生态系统自然地适应气候变化的能力。确保粮食生产免受威胁, 并使 经济得以持续发展。 图 1. 12 给出不同燃料燃烧单位 GJ 排放的 CO 2 量。由图可知, 煤炭燃烧排放 CO 2 比燃 烧天然气的高 1. 6 倍。

图 1. 12　 不同燃料燃烧单位 G J 的 CO 2 排放量 [ 6]

除全球性的环境问题外, 局部地区性的和跨国的环境污染如酸雨、烟雾等也是人们十分 重视的问题, 一些国家的环境保护法中对大气污染都有愈来愈严格的具体规定, 通过法规促 进对大气污染的控制, 例如美国 1990 年修订的清洁空气法中对煤电站的污染排放量具体规 定到 2000 年 所有 75M W 以上 的煤 电站, 每吨 标煤 排放 SO 2 限制 在 15k g , 全国每 年排 SO 2 总量由 1990 年 16M t 降到 8. 90M t , 每年减排 N O x 2—4M t 。对每个电站配给排污指标额度, 这个指标额度可用来进行交易, 即可以转让、出售和储存保留到将来使用。图 1. 13 给出美国 1990 年清洁空气法对电力部门排放量的控制趋势。 为此, 发展了各种污染控制技术, 特别是清洁煤技术, 包括先进的燃烧技术, SO 2 和 NO x 控制技术, 粉尘控 制技术 等和采取 各种措 施提高电 站效率, 如先 进的煤气 化燃气－蒸汽联 合 循环等。这些污染控制措施大大增加了电站的总费用, 如图 1. 14 所示。 环境污染 对能源经济的影 响, 不仅与 电站直接 成本( 投资与 燃料, 运行维修 成本) 有关, 还要考虑污染对环境造成的损失。一般可采用环境外部费用( 美元/ t 污染物) 来表示这部分 损失, 所以, 总的社会费用有两部分组成: 社会费用= 直接成本费用 ( 投资和运行维护成本) + 环境外部费用 ( 污染对人类和环境造成的损失) 环境 外 部 费用 很 难估 计, 而 且 因情 况 而异, 美国 有 些 单 位对 三 种 主 要 污染 物 CO 2 , SO 2 和 N O x 的环境外部费用做了估计, 差别相当大。如表 1. 10 所示。表 1. 11 给出美国对各类电站 ・ 1 4・

图 1. 13　 美国电力部门污染物排放量控制趋势[ 8]

图 1. 14　 污染控制比例及其占总电站费用比例的变化趋势 [8]

的社会费用估计值。由表可知考虑对环境损失的外部费用后经济影响是相当大的。 表 1. 10　 环境外部费用估算值　 美元/ 吨污染物 [ 8] 污染物

麻萨诸塞州

纽约州

柏西大学

CO2

22

1. 1

13. 60

SO 2

1500

832

4060

N Ox

6500

1832

1640

・ 1 5・

表 1. 11　 常规和先进技术发电站的社会费用[ 8]

单位: 美元/ ( 1000kW ・ h )

直接发电成本

带 FG D 煤粉炉 ＊

煤气化

天然气

先进煤气化

　

　

联合循环

联合循环

联合循环

投资 燃料和运行维护费 其他 总直接成本 外部费用( 高值) NO x 6500 美元/ t 100 美元/ t C 小计

21. 1 21. 0 1. 0 43. 0

25. 1 19. 4 0. 2 44. 6

8. 41. 0. 49.

3 5 0 9

22. 3 17. 5 0. 2 40. 0

12. 6 102. 0 114. 6

0. 7 23. 0 23. 7

3. 4 46. 5 49. 8

1. 6 82. 2 83. 8

社会费用

157. 6

68. 3

99. 7

123. 8

( 外部费用取高值)

　

　

　

　

　 　 ＊ 　 F GD 烟气 除硫

环境 污染损 失的 补偿, 还可 以通 过税收 来实 现, 例如在 制订 能源 价格时 按 社会 成本 定 价, ( 社会成 本= 外部成本+ 生产成本) 外部成本即是 补偿能源 产生的 环境污染 造成的损 失 需花费的代价, 它可以通过税收来体现, 如有人建议制订 CO 2 排放税等。目前欧洲一些国家 已开始征收 CO 2 排放税。 6. 提高能源利用效率 1973 年石油危机后, 许多国家 采取了节能和提 高能源利用效率的 措施取得了很好 的效 益, 很多发达国家单位 GDP 的能源消费已下降很多, 如图 1. 15 所示。日本在 1973—1989 年

图 1. 15　 几个发达国家单位 G DP 能耗变化曲线( 1985 年不变价) [ 4]

・ 1 6・

单位 GDP 的能耗下降 33% 。 根据发达 国家的经验, 单位 GDP 的 能源消费( 能耗强度) 在工 业化未 完成前是 上升的, 而工业化后能耗强度逐渐下降, 如图 1. 16 和图 1. 17 所示。由图还可知工业化实现愈晚的国 家能耗强度的峰值愈低, 这是与科学技术的进步和能源利用效率的提高有关。因此, 可以预 计, 今后发展中国家在实现工业化过程中由于可以采取已有的先进科学技术, 其能耗强度的 峰值将低于已工业化国家当时的峰值。

图 1. 16　 美国 1885—1975 单位 GDP 的一次 能源消费( 能耗强度) [ 4] ＊

图 1. 17　 几个发达国家的能耗强度 [4]

GDP 按 1972 年 美元 值

7. 投资 一般讲, 节能, 提 高效率和控制污 染从长期 看都是经 济的, 但往往 是近期缺 乏资金来 更 新设备, 增加控制污染设施, 特别是用以更替那些尚未到寿命的低效设备。因此, 必须要认真 分析近期和长期的成本效益, 以便合理使用有限的资金。

1. 2. 4　 未来世 界的能源 系统 未来几十年的能源系统的研究已开展了 20 多年。表 1. 12 列出了一些主要的研究结果。 由表可知, 从 1977 年世界能源会议的第一个报告对未来的能源需求预测值与今日的预测值 已有很大的变化, 总的趋势是愈来愈低。但总的结 论是在未来几十年 内世界的能源消 费仍 将继续增加, 尽管增加的 速度将低于过去, 而发展 中国家的人均消费 量的增长将远大 于发 达国家。只有 Goldemberg 等人 1988 年的研究结果例外, 他们认为世界能源消 费将从 1980 年 6. 2× 109 亿吨 标油增加到 2020 年的 7. 9× 10 9 亿吨标油, 而人均能耗量在 发达国家将 由 1980 年的 4. 4t 标油降 到 2020 年 的 2. 5t 标油, 而发展 中国家将由 0. 39 吨标油增 加到 0. 85 吨标油。表 1. 12 中几个方案的能 源构成设想如表 1. 13 所示, 这些方案 中化石燃料仍是 主 要的能源。表 1. 14 给出 W E C1992 年参考方案所给的主要结果。在这个方案中选取了 较高 ・ 1 7・

的节能 率, 认 为 1990—2020 年能耗 强度年 下降 率几 乎是过 去 1975—1990 年 15 年 内的 两 倍。 表 1. 12　 世界能源需求预测 [ 4] 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

预测报告

2020 年一次能源需求量 / 10 8 吨标油/ a

WE C1977 年高方案 WE C 1977 年低方案 IIA SA 1981 年高方案 IIA SA 1981 年低方案 美国橡树岭能源分析研究所 1985 年 Goldemberg 等 1988 年 WE C 1989 年中间方案 WE C WE C WE C WE C

318 191 196 134 181 79 125

1989 年限止方案 1992 年参考方案 1992 年强化经济方案 1992 年强化生态保护方案

103 120 159 102

表 1. 13　 2020 年世界能源预测方案中的燃料构成 [4] 能源形式

IIA SA 1981 年

WE C 1989 年

WE C 1992 年

35. 7 22. 6 39. 6 8. 7 23. 5 4. 0

35. 5 23. 5 40. 5 10. 5 11. 0 3. 5

37. 1 27. 9 32. 1 10. 1 7. 8 5. 2

134. 0( 191. 4)

124. 5( 177. 8)

120. 1( 171. 5)

油 天然气 煤 水力 核能 新能源 合计

单位: 108 吨标油

　 　 ＊ 　 括 号内为 10 8 吨标 煤, 1 吨 标油= 1. 428 吨标 煤。 表 1. 14　 WEC ( 1992) 年世界未来能源预测参考方案 [ 4] 1990 年

2020 年

　 　 世界/ 亿人

52. 9

80. 9

　 　 发展中国家

76%

82%

人口

人均商品能源/ 吨标油/ ( 人・ a ) 　 　 发达国家

4. 54

4. 44

　 　 发展中国家

0. 51

0. 85

9

5

　 　 世界

78. 0

120. 1

　 　 发展中国家占比例

26%

47%

9. 3

13. 2

90%

92%

　 　 比例 9

商品能源总消费量/ 10 吨标油

非商品能源/ 10 9 吨标油 　 　 世界 　 　 发展中国家占比例

・ 1 8・

　 　 由于 2020 年能源系统仍以化石燃料为主, 故 CO 2 的排放量将继续增加, 预计 CO 2 排放 9

9

量将从 1990 年 5. 9× 10 t 碳增加到 2020 年 8. 4× 10 t 碳。 世界能源会议 指出, 在未 来 30 年 内化石资 源尚不是 制约因素, 虽 然资源的 地理分布 不 均是个问题, 但从趋势看仍将依赖化石资源。但在未来 30 年内当人们在科学上对全球 CO 2 问题的认识进一步清楚后, 将会更努力地摆脱对化石资源的依赖。因此, 在往后的年代里将 更加速地引入新能源和可再生能源以及恢复对核能发展的步子。

1. 3　 中国能源形势 1. 3. 1　 中国的 能源生产 和消费特点 　 　 中国是一个发展中国家, 经济上的战略目标是国民生产总值 2000 年比 1980 年翻两番, 人民生活达到小康水平。到下世纪中叶国民生产总值比 2000 年再翻两番, 达到中等发达国 家的水平。 能源是中国现代化建设的战略重点, 一直被放在优先发展的地位。建国 40 多年来能源 工业有极大发展, 基本上 依靠国产能源满足 国内的能源需求。 1979 年 前能源消费增长 速度 超过国民经济的发展速度, 能源消费弹性系数大于 1。1979 年以后在增加能源供应的同时, 大力加 强节能 工作, 能源消费 弹性系 数为 0. 5—0. 6。 图 1. 18 给 出中国 历史 上人均 国民 收 入, 人均 GN P 和人均 能源消费情况。目前中 国能源虽还有出 口, 但国 内能源仍 处于供不 应 求的情况。

图 1. 18　 中国 1953—1992 年人均国民收入, 人均 GN P 和人均能源消费变化情况 ( 按 1990 年价 格)

中国能源消费的特点是: 1. 中国是世界 上少数几个以煤 为主要能源的国 家之一, 表 1. 15 给出 中国的能源生 产 情况。表 1. 16 给出中国和一些发达国家 1990 年一次能源消费构成。由表可知, 中国 1990 年 ・ 1 9・

煤炭占一次能源消费量的 76. 2% 。煤炭大量消费给运输和环境造成很大的压力。 2. 工业是能源消费的主要部门, 其能耗占总能耗的 2/ 3。 3. 中国农村居民生活用能, 70% 依靠生物质能。过量砍伐导致严重的生态破坏。另外, 乡镇企业的发展大大增加农村对商品能源的需求, 如表 1. 17 所示。 4. 中国的人均能耗很低, 仅为世界平均的 1/ 3, 但单位产值能耗高。 表 1. 15　 中国的能源生产及构成 [ 9] 1950 年

1960 年

1970 年

1980 年

1990 年

生产量/ 10 6 吨标煤

31. 74

296. 37

309. 90

637. 35

1039. 22

原煤

96. 7%

95. 6%

81. 6%

69. 4%

74. 2%

原油

0. 9%

2. 5%

14. 1%

23. 8%

19. 0%

0. 5%

1. 2%

3. 0%

2. 0%

1. 4%

3. 1%

3. 8%

4. 8%

构 成

天然气

　 　 　 —

水电

2. 3%

　 　 资 料来 源: 王 庆一 等. 能源手 册. 能源 部综合 计划 司, 中国 能源研 究会 1991 表 1. 16　 1990 年一次能源消费及构成[ 1]

消费量/ 106 吨标煤

中国

美国

原苏联

日本

德国

英国

法国

世界

987. 0

2935. 5

1982. 0

667. 7

494. 0

302. 6

301. 2

11476. 1

16. 6%

41. 3%

31. 0%

58. 5%

36. 7%

39. 4%

40. 9%

38. 6%

2. 1%

23. 8%

41. 0%

10. 5%

15. 6%

22. 5%

12. 0%

21. 7%

76. 2%

23. 4%

20. 0%

17. 0%

35. 8%

29. 6%

9. 5%

27. 3%

5. 1%

3. 6%

4. 3%

0%

0. 7%

0. 3%

6. 7%

9. 7%

10. 0%

7. 8%

37. 2%

5. 7%

构成: 　 石油 　 天然气 　 煤 　 水电 　 核电

　 ——

7. 6%

6. 0%

　 其他

　 ——

0. 3%

2. 0%

　 总计

100. 0%

100. 0%

100. 0%

　 ——

1. 9% 　 ——

0. 1% 　 ——

100. 0% 100. 0% 100. 0% 100. 0%

单位: 104 吨标煤

表 1. 17　 农村能源消费情况变化表 年度

1979

沼气

生物 质小 计

部门

薪材

秸杆

合计

10377

11369

21746

5815

1427

1658

9500

30646

生活

10377

11369

21746

3258

151

310

3719

25465

2557

1276

1343

5181

5181

生产

1987

油品

电力

气 体燃料 商品能 源小计

合计

合计

13262

13032

60. 3

26355. 3

18320

2464

3003

46. 4

23833. 4

50188. 7

生活

13263

13032

60. 3

26355. 3

5958

189

498

46. 4

6691. 4

33046. 7

12362

2275

2505

生产

1992

煤炭

100. 0%

合计

11029. 6 13549. 8 82. 3

24661. 7

生活

9347. 3 13549. 8 82. 3

22979. 4

生产

1682. 3

1682. 3

23844. 6 3239. 2 7883. 7

141. 2

15955. 9 3098

17142

17142

5316. 4

54

32454. 2

57115. 9

1120. 5

54

9204. 4

32183. 8

23249. 8

24932. 1

4195. 9

　 　 中国单位产值能耗不仅比发达国家高, 而且比发展中国家也高, 如图 1. 19 所示, 该图表 示 1973—1987 年亚太地区发展中国家的能耗强度变化, 由图可知中国与别的发展中国家相 ・ 2 0・

比有两个明显的特点: ( 1) 中 国的 能耗 强度下 降得 最快, 其 他发 展中 国家 的 能耗 强度 变化 很小, 甚至 略有 上 升, 如印度。这是由于中国近 10 年来大力开展节能有关。中国的能耗强度下降率与发达国 家的能耗强度下降相当, 如图 1. 19 所示。

图 1. 19　 中国和发展中国家能耗强度( 吨标煤/ 103 美元( 1980 年价) ) [ 4]

( 2) 中国的能耗强度远高于其他发展中国家。究其原因是多方面的。例如在中、印能源 消费比较研究 [ 1 2] 中发现, 两国大 部分产品能耗水 平相当, 中 国并不比印度高, 但为何产 值能 耗相差很大, 如图 1. 20 所示。原因是两国汇率比价因素使 GDP 不 可比, 产 业结构不同, 两 国的气候不同, 人民的饮食和生活习惯不同等因素。中国人均的实际生活水平比印度人均水 平高, 人均拥有的实物量大部分都比印度高, 如图 1. 21 所示。因此, 并不能反映中国比印度 更浪费能源。目前有人建议采用购买力平价法( PPP ) 进行国际比较研究, 例如有些国外学者 认为中国的人均 PP P 比人均 GN P 高 1—3 倍。

图 1. 20　 中印两国主要产品能源单耗比较( 1985 年) [10]

中国在过去 10 多年中虽 然节能取得了 很好的 效果, 但与发达 国家相 比潜力仍 很大, 很 多产品的能耗远高于目前世界先进水平, 能源利用效率远低于发达国家水平。而如前述发达 国家今后 30 年的能耗强 度的下降率还可 比它们过 去 15 年的下降 率高, 则中国 的节能潜 力 ・ 2 1・

图 1. 21　 中印两国主要产品人均产量比较( 1985 年) [10]

是十分巨大的。

1. 3. 2　 中国的 温室气体 和未来能源 系统 中国 以煤炭 为主 的能源 结构 造成 比一般 更严 重的环 境污 染, 特别是 大气 污 染, 包括 烟 尘, SO 2 酸雨, CO 2 等。单位产值能耗的温室气体 CO 2 的排放高于世界平均水平。1990 年我 - 3

国约为 0. 63kg( C) / 10

- 3

吨标煤, 而世界平均约为 0. 5kg( C ) / 10

吨 标煤。故我 国化石燃 料

的消费量虽只占世界总消费量的 8% 左右, 但 CO 2 排放量都却占 10% 以上。如图 1. 22 所示。

图 1. 22　 1987 年世界 CO 2 排放量的分配比例 [ 11] ＊

O ECD 经 济合作 与发 展组织

但中国的人均能源 消费量低, 故人均 CO 2 排 放量还不到世界平 均值的一半。世界 平均 为 1. 3t( C) / ( 人・a) , 如图 1. 23 所示。 近年来 中国很多 单位

[ 12 ]

, 包括国外 一些 研究 单位都 开展 对中国 未来 能源 系统的 研究。

其研究结果认为中国到 2000 年能源需求决定于经济发展和可能的节能率, 大体能源需求量 9

在 1. 4—1. 7× 10 吨标煤, 能 源构成与 1990 年 大体相 当, 石 油将由 出口变 为纯 进口国。 到 2020 年能源需求量在 2. 4—2. 8× 109 吨标煤, 能源构成 中煤炭比重可望 下降到 60% —65% 9

左右。到 2050 年能源需求量在 3. 3—4. 2× 10 吨标煤, 煤炭占 50% 左右。 ・ 2 2・

图 1. 23　 CO 2 排放大国的化石燃料 CO2 排放( 1992 年) 来源 : 亚 行技术 援助 项目( A DB T A 1690－P RC ) 最终报 告初 稿( 1994)

另外, 中国能 源消费构 成中电 力比例 低, 在 1990 年仅 占 27% , 而大 多数 发达国 家的 电 力消费比例都接近或超过 40% 。我国台湾省 1992 年电力在最终能源消费结构中占 42% , 而 且预测 到 2010 年达 56% 。因此, 预 测中国的 电力消费 将以 比能 源需求 量快 得多的 速度 增 长。

1. 3. 3　 中国的 能源发展 战略和环境 对策 根据有关部门对中国到 2000 年能源发展战略的概括, 其内容如下: ( 1) 能源开发与节约并重; ( 2) 努力改善能源结构和布局; ( 3) 励行节能, 加强能源管理; ( 4) 能源 工业的发 展以电 力为中心, 以煤 炭为基 础, 积 极开发石 油和天 然气, 大力发 展 水电和核电, 从战略高度来发展新能源, 可再生能源, 加快农村能源和电气化建设; ( 5) 依靠技术进步, 提高能源生产和利用效率; ( 6) 能源价格合理化; ( 7) 扭 转大 量烧 煤造成 的城 市大气 污染 和农 村过 度 消耗 生物 质能 引起 的 生态 恶性 循 环。 这样的发展战略无疑是符合中国的国情。但是, 国际能源形势的变化, 特别是全球环境 问题的提出, 势必要影响中国的能源发展战略。中国以煤为主的能源结构不仅在 2000 年前 不可能改 变, 即使在 中远期( 例如 2020—2050 年) 煤仍将 占很大比 例, 因此必须 重视发展 对 环境有利的能源技术, 特别是清洁煤利用技术, 提高能源利用率。节能, 发展少炭和无炭的替 代能源战略如加速发展天然气、核能、水能和其他新能源技术等。 全球温室效应和温室气体的浓度升高是逐渐积累的, 各国都有贡献, 但从历史积累趋势 看, 发达国 家在其发展过程中 的贡献占重要的 份额。正如“里约环境与发 展宣言”[ 13] 中 指出 的“鉴于发达国家的社会给全球环境带来的压力, 他们在追求持续发展的国际努力中负有责 ・ 2 3・

任”。因此发达国家对改善环境应承担更多的责任。中国作为发展中国家, 经济的持续发展 是必然的趋势, 但在发展过程中如 何降低能源消费 增长的速度, 降低 CO 2 的 排放, 加强 对其 他污染物的控制等都是我国在保护全球环境中应尽的责任。

1. 4　 能源系统简介 现实世界是错综复杂和千变万化的, 但用抽象观点来考察, 无非是由许许多多具体事物 和这些事物之间存在着的各种各样的关系所组成。通常人们只研究现实世界的一小部分, 并 把它叫做一个系统。一般讲, 将多个元素( 或事物, 部件, 工艺环节等) 有机结合成能执行特定 功能, 达到特定目的的一个整体, 称为系统。

1. 4. 1　 能源系 统的构成 和分类 能源系统就是由煤炭、石油、天然气、水力、核能、生物质能等构成的一次能源, 从资源开 发、运输、加工、转换、分配直到最终使用的各个环节所组成的系统。 一般都用能源系统网络图表示, 如图 1. 24 所示。在网络图中一方面综合表示了各种能 源资源, 另一方面系统地表示了能源从供应到需求各个能流环节。

图 1. 24　 能源系统网络示意图

能流 经过每 个环 节都会 有一 定损 失, 为 了区 别各 个环节 的能 流量, 一般 将 其分 别定 义 为: ( 1) 一次能源: 能源资源经过开采收集后获得的能源; ( 2) 二次能源: 一次能源经过加工转换后获得的能源; ( 3) 终端能源: 二次能源经过运输、分配到用户的能源; ( 4) 有用能: 终端能源经过各种用能设施为各用户提供满足最终用途的有用能。 图 1. 24 给出了能源的各级转换。 从宏观看能源 系统是国民经济 系统的一 个子系统, 它并 不是孤 立的、而是与自 然环境、 ・ 2 4・

图 1. 25　 能源的各级转换 1: 一次能 源( prim ary energy) 转换成 二次 能源( Second ener gy) ; 2: 二次能 源输 送分配 到用 户的终 端能 源( final ener gy) ; 3: 终端能 源转 换成有 用能 ( us eful energy) ; 4: 能源服 务( energy s er ice) 。

生态系统有密切联系。因此根据研究需要, 可以综合成经济－能源－环境系统。 能源 系统也 可根 据能源 品种 分成 若干子 系统 进行研 究如 煤炭 系统、石油 系 统、核能 系 统、电力系统、热力系统等。 能源系统也可根据研究的地域大小和范围分成世界能源系统、国家能源系统、城市能源 系统、农村能源系统、企业能源系统等。

1. 4. 2　 能源系 统的特点 了解能源系统的特点对于分析能源系统, 进行能源规划是十分重要的。能源工业活动构 成了能源系统 的主要内容, 所以, 为了解能源系 统的特点, 必须 首先分 析一下能 源工业的 特 点。 能源工业具有以下一些特点: ( 1) 能源是国民经济与社会活动赖以存在与 发展的一个物质条 件。任何一个部门 的生 产都离不开能源。能源工业在国民经济的发展中处于关键地位, 因此, 能源工业是以尽可能 满足国民经济 和人民生活对能 源的需求为目标, 它的 建设和生 产安排 应该在国 民经济各 部 门中处于先行地位。 ( 2) 能源工业资本密集度高。维持能源工业的 简单再生产和进行 扩大再生产都需 要大 量的投资。我国 建国以来, 煤炭、石 油和电力工 业的投资 约占总投 资的百 分之二十, 即使 如 此, 其发展尚不能满足需要。由于资本密集度高, 所以能源工业的生产和发展需要消耗大量 的资金和非能源产品, 它因此而受到了整个国民经济的制约。 ( 3) 能源 工业项 目建设周 期长。例如, 煤矿 的建设, 从地 质勘探到 矿井投 产, 一 般需 要 ・ 2 5・

10—15 年, 水电、核电 项目的建设需近 10 年左 右时间, 油 田开发建设也需 5 年以上。同时, 能源工业项目的服役期也长, 一般都超过 30 年。例如, 电厂一般按 30 年寿命设计, 煤矿一般 按资源条件, 规定合理的 开发强度, 使均衡生 产年限超 过 50 年, 所 以, 能源工业 近期的发 展 要考虑到长远的影响, 要根据长远的需要来安排近期的建设。 ( 4) 能 源工业布 局的区 域性强。能源 开发的 目的是为 了满足消 费, 离开能源 消费的 数 量、特点及发展趋势来谈能源开发就毫无意义。同时, 能源开发又离不开能源资源, 不具备一 定的资源条件就谈不上开发, 因此能源工业的发展必须考虑资源分布和消费分布的情况, 然 而实际上能源消费和能源资源的地理分布往往不吻合。 ( 5) 能源 对环境影 响较大, 能源 的发展促 进了经 济的发展, 是现 代化社 会的物质 基础; 与此同时它又带来了严重的环境污染, 不论是常规能源还是新能源的使用, 都直接或间接地 造成环境的污染和生态平衡的破坏。 ( 6) 能源具有可替代性。由于一次能源总是通 过转换才能成为最 终为用户所使用 的能 量形式, 而同一种最终 使用的能量形式 可以由多 种能源 转换提供。 例如, 工艺热可 以由煤、 油、核能来转换而获得。同时, 能源资源具有多用性。大多数能源资源, 特别是常规的矿物燃 料, 不仅可用作燃料, 而且是重要的工业原料。例如现代化学工业的直接和间接原料主要是 油、天然气和煤。许多资源, 用作原料时所创造的产值远比用作燃料时高, 所以, 必须尽可能 地合理使用能源资源。 从上述能源工业的特点中, 不难看出, 能源系统具有以下特点: ( 1) 如果 把整个国 民经济 系统分成 能源系 统和非能 源系统两 大部分, 它们 之间有着 密 切的相互联系。一方面, 非能源系统的活动向能源系统提出对能源的需求, 能源系统依靠自 己的活 动向非能 源系统 供应所需 的能源; 另一 方面, 能源系统 的活动 向非能源 系统提出 对 非能源产品的需求, 非能源系统依靠自己的活动向能源系统供应这些产品。所以能源需求和 能源供应是两个相互联系的问题。能源系统中所包 含的主要能源部门 的资本高密集度 又加 强了这种联系, 所以, 能源系统虽可独立地进行分析, 但它绝不是一个封闭系统, 不能离开国 民经济这个大系统去分析能源系统。 ( 2) 由于 能源系统 所包含 的能源工 业部门 资本密集 度极高, 在国 民经济总 投资中能 源 系统的 投资占重 要的比 例; 同 时, 由 于重大能 源项目 的建设周 期长, 服役期 长, 能 源系统 是 一个大时间常数的惯性系统。这就使得能源系统的改造与发展非常困难, 任何关于能源的决 策都会给整个国民经济系统带来重大的长远的影响。这就要求人们首先要对能源系统进行 战略性的长期动态分析。 ( 3) 如果按地域将能源系统分成若干个子系 统, 对每个 子系统可以独立 地进行分析, 但 由于能源工业布局在地域方面的特点, 在分析中必须考虑子系统之间的联系。如果按主要能 源品种把能源系统分成煤炭系统、石油系统等若干个子系统, 对每个子系统也可以独立进行 分析, 但由于各种能源之 间可以有条件地 相互替代, 各能 源部门之 间存在 着复杂的 关系, 又 必须把每个子系统纳入一个大系统中来分析。 ( 4) 目前能源 系统中主要包括不 可再生的天然化 石燃料, 这些资源的贫乏化 以及原料－ 燃料之争是人们在可预见的将来就要面临的问题。同时, 当代存在的严重的环境问题与人类 大规模地使用化石燃料密切有关, 所以对于在能源系统中目前尚很弱小的新能源, 在进行长 期规划时要加以足够的重视。 ・ 2 6・

必须强 调指出, 能源系 统不仅 是指能源 供应系 统, 而 应是能源 供应－需求系统 的全能 流 系统概念, 因此, 能源系统的优化 不仅要考虑各 种能源的 之间的替 代和优 化, 而 且要考虑 全 能流系统的优化。在实践中人们进行投资决策时往往要考虑节能投资和开发供应投资的关 系。实际上这应对全能流系统进行优化分析, 根据对全系统效益最高的原则进行决策, 是投 资于供应还是节能。

1. 4. 3　 节能的 系统分析 能源系统的各个环节都有节能潜力, 因此在分析节能时应对全系统各个环节进行分析, 例如, 进行节电分析时应 对电力系统从发 电, 输 配电到用 电环节进 行全面 分析, 根据美国 劳 伦斯－伯克利 实验室( L BL ) 萨塞( J . A . Sath aye ) [ 18 ] 对中国 电力系统 的分析, 各个 环节的节 电 潜力, 以及节电改造所需的资金和效益, 进行优化排序选择节电投资项目。表 1. 18 给出了中 国电力系统各个环节电力损失以及可能的潜力, 由表可知终端用能的潜力最大。全系统的节 电潜力约为 24% , 即效 率可由 47% 提高到 71% 。由于效率 的提高, 可 使分配到终端用 户的 1kW 装机由 3600 元降到 2700 元。采取这 样的节电措施提 高效率所需的投 资, 比不提 高效 率, 而采用扩大装机容量增加供应满足同样的终端需求的投资少。因而, 从电力供应－需求全 系统看应优先投资于节电措施。 表 1. 18　 中国电力系统节电潜力和投资估计[ 14] 投　 　 资 发电

输配电

终端用途

合计

装机投资

分配到终端用途

/ 元/ kW

投资/ 元/ kW

损失: 　 目前

8%

20%

25%

53%

2000

3600

　 可能达到

5%

12%

12%

29%

2000

2700

　 　 表 1. 19 给出中国电力系统各环节改进效率的初步成 本－效益分 析。由表可知提高 输电 网的功率因素, 每度电所需的费用最低。 表 1. 19　 中国电力系统改进效率的成本－效用分析举例 [14] 效率

成本

工　 　 艺 目前

潜力

分/ ( kW ・ h )

4% —6% 32% —34%

8—12

备　 　 注

发电: 　 热电( 80% ) 　 　 厂用电 　 　 效率 　 水电( 20% ) 　 　 厂用电

8% 　 　 28% 0. 3%

改进马达、风机、水泵等超临界装置, 质量管理

0. 3%

输配电: 　 　 损失

16% —20%

10% —12%

5—10

　 　 功率因子

3% —4%

2—6

　 　 变压器

1% —2%

10—15

全电网

・ 2 7・

续表 效率

成本

工　 　 艺 终端用能: 　 　 马达( 65% ) 　 　 　 　 照明( 10% ) 　 　 采暖( 10% )

目前

潜力

分/ ( kW ・ h )

75%

16%

8—12

　 12% 25%

　 16% 40%

　 　 电器( 10% )

备　 　 注

生产高效马达、风机、水泵以及改进匹配

8—10 12—15

　 　 其他( 5% ) 　 　 注 : 1. 括 号内 的% 为 各终 端用途 的用电 量占 总用电 量比 例; 2. 成 本项 指从国 家角 度估计 的节电 成本 。

1. 5　 能 源 规 划 1. 5. 1　 能源规 划的概念 和发展 1. 能源规划的概念 　 　 能源规划就是在对能源资源、生产和消费历史和现状调查和分析研究的基础上, 根据国 民经济和社会发展目标对能源的需求, 以及资源和环境制约的情况下制订能源发展( 包括节 能) 的长远规划( 至少是 4—5 年, 或 10—20 年) 。 能源规划作为整个国民经济规划的一部分, 其主要目的是: ( 1) 确定社会对能源系统的需求和能源系统的发展方向; ( 2) 合理 调整能源 部门和 其他部门 之间的 关系以及 能源系统 内部各 部门, 各环节的 增 长速度、比例和结构; ( 3) 合理有效地利用能源资源和可能提供给予能源系统的投资; ( 4) 制订 能源规划 必须考 虑经济体 制改革 的影响, 其可执 行性以 及相应的 技术、经济、 管理体制和政策措施。 2. 能源规划的发展 随着能源在国民经济中的 地位日益重要, 能源规划也 不断得以发展。60—70 年代 初能 源规划只是着 重在各能源部门 规划如电力规 划、石 油规划、煤炭规 划等, 研究本 部门范围 内 的供求平衡。70 年代第一 次石油危机后人 们开始注意能源 间的替代和节能, 因而发展 综合 能源规划 ( IE P ) , 随着环 境意识 的增强, 80 年代 能源规划 的综合性, 不 仅包括各 种能源资 源 的综合规划, 而且包括了能 源与经济和环境的 综合规划。80 年代后期 随着持续发展和 环境 意识的增强, 提高能源利用率, 合理利用能源成为保证人们对各种能源服务的需求和改善人 们生存环境的重要措施 之一。因此, 加强需求端管理 ( DSM ) 和综合资源规 划( IRP ) 成 为近 期国际上能源规划发展的新趋势。 ・ 2 8・

1. 5. 2　 综合能 源规划的 内容和方法

[ 15, 16]

综合能源规划应包括下列步骤( 参见图 1. 26) :

图 1. 26　 综合能源规划示意框图 [15]

1. 对历史和现状进行调查研究, 建立能源数据库; 2. 社会、经济环境发展目标和编制想定方案; 3. 能源需求预测; 4. 能源资源评价; 5. 能源工艺评价; 6. 能源供应与需求平衡; 7. 各种影响分析和决策分析; 8. 编制投资和其它财务预算规划; 9. 制订能源供应与需求管理战略和相应政策措施。 1. 历史和现状调查, 建立能源数据库 鉴于综合能源 规划包含了能源 与经济、环境的 关系, 因此, 调查内 容不仅是 历史和现 实 的能源供求平衡情况、能源供应结构等, 还应包括人口和人口结构、经济和经济结构、人民生 活水平和消费结构、环境污染和生态环境现状等。在此基础上编制能流网络图、能源平衡表, 分析能源利用效率, 建立以能源为主包括与之相关的人口、经济、环境数据的能源数据库。 2. 选择目标, 编制社会经济、环境发展的想定方案 能源规划目标常由国家领导机关提出, 它规定了能源规划的总任务。同时应为已确定的 目标规定主要 政策纲领, 相当于一套制约 条件, 例如能 源价格、节能 指标、环境标准、核能 与 非常规能源的政策等。 ・ 2 9・

在选定的目标下编制不同的构想方案, 一般就有高、中、低三类方案。在经济方面应对整 个规划期各年份进行宏观经济结构和活动水平的预测, 同时还应对主要经济部门如工业、农 业、交通运 输、居 民与商 业、农 村等做出 类似的 预测。其方法 可以采用 投入－产出、系统动 力 学、计量经济等方法建立有关经济模型。环境方面应对排污量与污染水平给出限止量, 例如 大气中的烟尘浓度、SO 2 浓度等。 3. 能源需求预测 经济想定方案 提出了各个经济 部门的活动 水平, 根据单位 活动水 平的能源 消费量的 变 化, 预测能源需求量。单位活动水平的能耗与各用能部门的工艺技术水平、用能设备的效率 等有关, 因此, 有必要对技术水平进行定量分析和预测, 以求得能源需求量。居民生活对能源 需求量与居民对能源的终端用途如炊事、取暖等有关, 因此需研究各种终端用途的活动水平 和终端用能设备的效率变化。 需求预测的方法较通用的是部门分析、终端用能和技术经济分析相结合。当然, 也可以 采用趋势分析、数量经济与投入产出分析等。 4. 能源资源评价 资源评价是对 国内各种资源的 可开发储量 进行估计, 然后 按其开 采的难易 程度进行 分 类, 在此基础上可对每种能源进行供应预测。尚需考虑储量的增长率、可能的生产率、开采成 本、目前与将来开采的机会成本以及由环境或其他因素造成对生产的限制。为了使能源规划 中的资源预测更为完整, 还需要计入国际市场上每种资源的可得性及其价格。根据资源可得 性的推算和开发政策, 可得出几种可能的供应预测。 对于可再生能源的资源评价实际上还应结合其开发工艺进行评价, 例如, 太阳能仅估计 其辐射的物理量还不够, 必须与太阳能利用的工艺技术结合才能评价太阳能资源。 5. 能源工艺评价 能源工艺技术 是指能流网络图 中开发、加工、运输、转换和 使用各 个环节的 每项工艺 技 术包括能源 供应技 术和节能 技术, 进行技 术经济评 价－社 会成本效 益分析, 包括 项目的财 务 分析和经济分析。经济分析中除了分析直接的经济效益外, 还应分析间接的社会、环境效益, 以求得各项工艺的综合效益, 这些效益有时可以采用系统动力学模型进行仿真模拟。 在评价中, 除了对单项工 艺进行评价外, 由 于各项工 艺之间的 替代作 用, 故 尚应在各 项 工艺间进行横向比较评价, 以便对各项可行工艺技术进行优先排序, 这些在方法上可以采用 层次分析或矩阵比较法, 以利用决策与选择。 6. 能源供应与需求平衡 能源供求平衡可以采用能源平衡表或能流网络图。可以在基年的能流网络图基础上对 未来的能源供求平衡进行预测。鉴于能源间的可替代性, 因此能源供求平衡可以是核算型、 仿真型或优化型。优化的方法很多, 如线性规划、非线性规划、目标规划、动态规划等。 规划期的能源供求平衡是综合了上述各个步骤所得的结果, 这些结果有的作为目标, 有 的作为技术经济参数, 有的作为约束条件输入能源供求平衡模型、能源系统规划模型。从而 ・ 3 0・

得到多个可供决策的能源供需平衡方案。 7. 各种影响分析 不同的能源供需平衡方案对国民经济结构与发展以及环境会产生不同的影响。主要是 两类影响分析, 一类是经济影响分析, 另一类是环境影响分析。 经济影响分析 主要包括宏观经 济结构及增 长率的影 响, 主 要经济 部门结构 及增长率 的 影响, 实际总消费的影响, 通货膨胀、外贸和支付平衡的影响等。经济影响分析实质上就是在 一定政策约束下, 利用某些指标进行该方案的经济“效率”的检验。由此筛选出一个或几个经 济效率最高或花费较少的方案。 环境影响分析则是从环境保护角度出发的第二种衡量效率的阶段。在供应－需求总平衡 阶段, 根据已确定的环境保护政策及环境标准与法规对各种燃料与技术进行筛选。在选定了 某种供需平衡方案和供应系统结构后, 再对系统中每一重大项目进行深入的环境影响评价。 8. 投资及其它财务预算规划 投资规划是根据已选定的供应系统及其中的各个项目编制的。投资包括四个组成部分: ( 1) 扩大生产能力( 超过目前生产能力部分) 的投资; ( 2) 提高供应端效率( 超过目前效率, 例如, 采取的技改措施) 的投资; ( 3) 提高需求端效率( 超过目前最终用能设备效率, 例如, 用能端的节能技 改措施) 的投 资; ( 4) 勘探( 化石燃料) , 研究与开发( 非常规能源) 的投资。 其他财务预算规划包括运行维修成本规划、能源进口成本规划等。 9. 制定能源供应与需求管理战略和相应政策措施 为了保证规划的实施, 必须制订一套“管理”战略以达到规划期的目标。供应管理包括投 资规划的实施、规划的组织措施以及各部门规划间的协调。需求管理是遵循所预测的需求结 构, 找 出达 到此 目标 的 各种 手段, 包 括 价格 管 理和 非 价格 管 理 ( 定 量 分 配、能源 审 计、宣 传 等) , 其他相应的政策措施包括税收、补贴、法规等, 从而使制订的规划得以落实。

1. 5. 3　 需求端 管理和综 合资源规划 满足人们需求的是能源服务, 能源服务指照明、空调、采暖、炊事、热水、交通等各类终端 需求。上节介绍的综合能源规划中能源供应与需求平衡是以图 1. 24 中送到用户端的终端能 源为供应与需 求的分界线, 因此, 在讨论供求平 衡时的供 应方案只 是能源 开发与转 换, 将 由 终端能源通过用能设施转换成有用能来满足能源服务的需求作为需求端。虽然在综合能源 规划中也研究需求端的节能, 但对供应端来讲是外生的, 并没有系统地作为一种可供的资源 来考虑。 近期发展的综合资源规划是在加强需求端管理的基础上, 将提高用能设施效率, 以及其 他满足能源服务的有效措施, 可能实现的节能, 也作为一种可供的资源与供应端的其他能源 一起考虑。 加强需求端管理就是对需求端满足能源服务的各项措施作节能潜力分析和技术经济分 ・ 3 1・

析, 包括成本－效益分析、环境影响分析等以评价各项措施的节能、经济、环境效益。以满足能 源服 务的照 明为 例, 人们对 照度 有一定 要求, 但 可用不 同灯 具加 以满足, 例 如煤 油灯、白 炽 灯、日 光灯、节能 灯等, 不同 灯具消费的能 源、成本、提供的照 度即流 明不同, 表 1. 20 给出 印 度进行的煤油灯和 20W 日光灯的分析比较。由表可知一支 20W 日光灯比印度传统的 煤油 灯照度提高 19 倍, 能源消费仅 1/ 9, 效率比差 420 倍。由此可知, 照明的节能潜力很大, 而在 综合资源规划中将这种节能量也作为资源处理。可以对各种节能措施和供应替代措施的单 位能耗或节能 成本计算后根据 单位成本的高低 用最小成 本法加以 排队, 然后根 据各项措 施 可能获得的节 能量或供应量画 出供应曲线, 用此曲线与需 求曲线平衡, 以获得最佳的 满足 需求的供应方案。图 1. 27 给出印度某省用最小成本法获得的成本－供应曲线。图中还画出最 大成本供应曲线, 即不将节能作为资源考虑, 而只考虑供应与转换技术满足需求的综合能源 规划。比较这两条成本－供应曲线可以看出在满足同样的需求下两者的成本比为 1: 3。最小 成本 曲线中 用高 效马达 代替 旧低 效马达 成本 最低, 约 0. 01 美分/ k W ・ h , 而 一年可 节省 约 3500GW ・h ; 改进 灌溉水 泵系 统成本 略高 0. 02 美分/ kW ・h , 可节省 1500GW ・h / a; 其 他 如采用小水电供电、热电联产、大水电、天然气发电供应等逐级提高。最大成本曲线是不考虑 这些节能措施的, 而用核电、煤电、水电、天然气发电供应满足需求。 表 1. 20　 印度煤油灯和 20W 日光灯比较[ 17] 煤油灯

20W 日光灯

流明比

1

18. 67

能源消费比

1

0. 11

成本比

1

0. 50

效率比

1

420. 0

图 1. 27　 最小成本法与最大成本法比较 [ 18] ( 实线为 最小 成本供 应曲线 , 虚线为 最大成 本供 应曲线 , 右侧垂 直虚线 为需 求曲线 。)

　 　 由此可知从能源系统角度分析, 综合资源规划即是从能 源供应－需 求全系统角度处 理问 题, 用最小成本法对供应和节能措施统一排队, 进行优选, 满足需求。 ・ 3 2・

近年来国外在 需求端管理和综 合资源规划 方面已有 相当深入 的研究, 并在 电力部门 中 使用, 进行综合电力规划, 产生了很好的节能、经济和环境效益。图 1. 28 给出美国电力公司 开展需 求侧管理 的投资, 由图 可知, 1992 年美国电 力公司 投资于 需求端 的费 用已占 其投 入 供应和输配电网费用的 8% , 预计 1996 年将超过 12% 。

图 1. 28　 美国电力公司在需求端管理的投资费用 [ 19] 来源 : 能源 信息 管理局 , 年 度电 力报告 　 ＊

预 测值

综合资源规 划不仅是在规划 方法上的改 进, 更 重要的 是在于规 划的实施。 而规划的 实 施, 涉及到一系列的管理体制, 运行机制, 政策措施等方面的问题。美国经过多年的探索, 政 府对电力公司采取多种鼓励政策, 促其参与需求端管理, 取得了成功的经验。

参　 考　 文　 献 1. 王庆一等. 能源手册. 能源部综合计划司和中国能源研究会印; 1992 2. 朱明善. 能量系统的癓分析. 清华大学出版社, 1988 3. 清华大学核能所能源系统研究室. 能源规划与系统模型. 北京: 清华大学出版社, 1986 年 6 月 4. A rshad M K han . World Energy Sys tem and its Fut ure P rospect . In : Shi Zulin , P roceedings of U N E SCO Round T able“Strat egic Energy Iss ues in China ”. Beijing . At omic E ner gy Pr es s, 1993. 170— 191 5. Int ernat ional Energy A gency . World Energy O ut look . 1994 E dit ion P ar is , F rance . 6.

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・ 3 4・

2　 能 源 研 究 的 数 据 基 础 　 　 能源规划 与管理工作以及 研究与决策, 都需要有 能源系统 的准确 而全面的 大量数据 资 料作为基础。这些数据资料主要依靠能源统计来提供。能源是当前我国经济发展的战略重 点之一, 能源统计已成为国民经济统计的重要组成部分。能源统计的基本任务应是: 运用适 当的调 查统计方 法, 全 面、准确和及 时地搜集、整 理和分析 能源经济 情况, 反映能 源从资 源 开发到加工、转换、分配、储 存和消费的全过 程, 以及能源 与国民经 济之间 的关系, 为主管 部 门和有关方面 了解情况, 研究问题, 制定政策 和战略, 指导工 作, 编 制计划 与规划, 检查计 划 与政策的执行以及实行科学管理等方面, 提供准确的数据和必要的依据。在本章中, 我们先 简单提及能源统计的特点与状况, 然后着重介绍能源统计的两项重要内容: 编制能源平衡表 和能流网络图。它们可用来系统概括和分析能源统计数据, 进行能源综合平衡, 表现能源系 统的概貌、特点及与国民 经济各部门的联 系, 并 可进而分 析能源利 用效率、节能 的方向与 潜 力、有 关政策的影响, 为各方面提 供关于能源的 综合性数 据资料, 是进 行能源规 划与各项 能 源系统分析工作的基础和完成上述能源统计基本任务的重要手段。

2. 1　 能源统计简介 2. 1. 1　 能源统 计的特点 　 　 能源统计是范围极广的国民经济统计中的一个部分。能源统计的对象是能源系统, 能源 系统相当复杂, 它包括能 源资源、能源生产、能源加 工转换、运输、分配 直至终端 用户等一 系 列环节, 并通过这些环节与国民经济各个部门和所有的社会活动联系起来。这样的能源系统 的示意框图见图 2. 1。能源系统的特殊性决定了能源统计工作的一系列特点, 使它和国民经 济统计的其他部分有很大的不同, 可将其归纳如下: ( 1) 能源工业要把自己的产 品分 配给国 民经 济的 各个部 门( 包括 能源 工业自 身在 内) , 同时也把产品分配给每一个社会消费成员。其联系面之广几乎没有一个其它的工业部门可 以与之相比。 ( 2) 能源产品在形态上的多样化。除了化工产品外, 没有一个工业的产品同时有固、液、 气三态, 而且还有载能体 —— 电。这些产品在生产、储存、运输、控制和使用的难易程度上有 很大差别, 但又有共同的 特点, 就 是都能提供热 能, 而 且某些产 品在一 定条件下 可在一定 程 度上互相转化, 或在用途上可以互相替代。 ( 3) 能源系统( 即能源统计的对象) 的边界 情况比较 复杂, 其中涉 及能源产 品与非能 源 产品的边界问题, 也涉及能源工业与非能源工业的边界问题。 一般加工制造业都以其主要产品的性质来定义, 因为许多工业都各自生产多种产品, 一 种工业的副产品同时又是另一种工业的主要产品。这种互相渗透互相包含的情况是带有普 遍性的, 但是能源部门尤其突出。例如能源系统有一种特殊的重要产品 —— 电, 它也是很多 工业部门的自备电厂的产物。这类电厂生产的电主要是自用, 但同时也出售一部分给电网。 ・ 3 5・

图 2. 1　 能源系统示意与各级能源统计

在能 源统计中 往往 把它从 所属 工业部 门中 划出 来和电 力工 业部门 的“公用 电厂 ”在 一起 统 计。还有一些工业设备在生产中同时产生可燃气体或热能, 并可供本系统外的用户使用。在 能源统计 中需要考虑那些 处于“边界”上的设 备以及有关 产品, 因此在 国民经济 部门分组 中 有关能源部门的划分往往要特殊考虑( 采用所谓“纯部门”的概念) 。 总的来说, 能源统计的对 象不是一个个 相互孤 立的燃料 或动力, 而是 一个种类 繁多、涉 及面广、相互制约的错综复杂的系统。按照图 2. 1 所示的能源系统示意框图, 可以把能源统 计分为三级: 第一级为一次能源生产到投入加工转换; 第二级为加工转换到交付终端用户使 用; 第三级为能源在终 端使用部门的使 用情况: 用什么设 施使用 的, 用 什么工艺 流程,“有 效 能”是多少, 经济效益如何。第三级能源统计工作最为复杂, 目前也是整个工作的薄弱环节。 当前能源统计工作的发展趋势是, 从单种能源的统计向多种能源的综合统计方向发展; 从只注重生产 量, 转向对 生产、转 换和消费 的全过程 的注意, 特别 是对能源 的消费 —— 第 三 级能源统计—— 加强了研究, 以确定能源使用的合理性, 确定节能潜力, 节能投资方向, 提高 能源需求预测的准确性。

2. 1. 2　 能源统 计中应用 的计量单位 1. 能源统计中的原始单位( 实物量单位) 　 　 由于各种能源的形态不一样, 在对实物量进行计量时往往采用不同的单位, 例如对固体 燃料采用质量单位, 气体燃料采用体积单位等等。而且对于同一种能源, 各国所用的计量单 位也不一致。计量各种能源的实物量所用的单位称为“原始单位”( 实物量单位) 。为了便于 查阅, 在表 2. 1 上列出了能源统计中常用的一些原始单位。国际上关于液体燃料的原始单位 ・ 3 6・

更为复 杂一些, 因此在 表 2. 2 上给出世 界各国 的原油密 度和桶与 吨的换 算; 表 2. 3 则为 各 种成品油的比体积的单位换算。 表 2. 1　 能源统计中的原始单位 燃料动力形式

单　 　 　 　 位

各种固体燃料 液体燃料 　 原油 　 各种成品油

气体燃料

电　 　 力

使用的国家和地区

吨

世界各国

吨 桶 吨

中国、苏联、东欧各国 西方各国、各发展中国家 中国、苏联、东欧各国

公升 加仑 标准立方米 标准立方英尺 按所含热量计算 千瓦时

中国、苏联、东欧各国 西方各国 中国、苏联等 西方各国 世界各国

　 　 注 : 1) 这 里 指 的 吨 ( 1000kg ) , 另 外 英 国 和 美 国 还 分 别 使 用 长 吨 和 短 吨 , 1987 年 以 前 英 国 用 长 吨 ( 1016. 05kg, 2240lb) , 美国用 短吨 ( 907. 2kg, 2000lb) ; 2) 桶 为容积 单位, 此 处指石 油桶 , 等 于 159 L ; 3) 加 仑为容 积单位 , 有英国 加仑 ( 4. 546 L ) 、美 国加 仑( 3. 7845 L ) 。

表 2. 2　 原油密度与容积量换算 原　 油　 密　 度/ t / m 3

国　 家　 或　 地　 区 苏　 　 　 联 沙特阿拉伯 美　 　 　 国 伊　 拉　 克 伊　 　 　 朗 科　 威　 特 尼 日 利 亚 委 内 瑞 拉 中　 　 　 国 利　 比　 亚

0. 856＊ 0. 858 0. 848 0. 846 0. 86 0. 862 0. 851 0. 901

世 界 平 均

0. 86

0. 86＊ 0. 83

　 　 注 : 世 界原油 平均 按 7. 3 桶等于 1t 折算 , 我国通 常近似 按 7 桶等于 1 t 折算 。 ＊

联 合国 估计值 。

表 2. 3　 部分石油产品的密度和比体积( 折合每一吨的量) 的换算 密度/ g/ cm 3

比体积/ dm 3 / t

美国加仑/ gal/ t

英国加仑/ gal/ t

石油桶/ 桶/ t

汽　 油

0. 74

1351

357

297

8. 50

煤　 油

0. 81

1235

326

272

7. 77

燃　 油

0. 87

1149

304

253

7. 23

渣　 油

0. 95

1053

278

232

6. 62

燃油平均

0. 91

1099

290

242

6. 91

品　 　 　 种

・ 3 7・

2. 能源统计中的通用单位 　 　 能源统计要反映多种能源的相互关系, 就必须用共同的单位去计量不同的能源。不同的 对象能找到一种通用的度量单位的先决条件是这些被研究对象必须要有共同的属性。 各种能源的共 同属性之一是都 有货币形式 表现的价 值, 所 以能源 价格可以 作为能源 的 一种通用度量单位。这一属性是所有社会产品所共有的性质, 因此在整个国民经济的综合平 衡投入－产出分 析中常采 用价值表 现形式。但 是在能 源统计分 析中用 这种通用 单位并不 理 想, 因 为一方面各种能源 的价格是在不断 变化的, 变化的 比例还常 常不同; 另一 方面它也 不 反映能 源系统 内各 种技术 工艺 过程 的相互 联系 以及能 源使 用与 相互替 代所 依据的 基本 属 性。 各种能源的另一个共同的属性是都是含有能, 在一定的条件下都可以转化为热。这就是 各种能源的使用、替代及相互间进行物理或化学转化过程时所依据的基本属性。所以很自然 地选用各种能源所含的热量作为统计计量的通用单位。各种通用单位见表 2. 4。 表 2. 4　 能源统计中的各种通用单位 直接用热 量作单位 　 　 　

能 高位热

源 所 含 热 量

　 　

— 　

— 　 　 低位热

　 　 　

焦耳( J) 或其倍数( 我国法定计量单位) — 卡( cal) 或其倍数 英热单位( BT U ) 或其倍数 　 煤当量—— 吨煤当量( T CE ) ( 我国称为标煤) 　 　 　 　 　 　 固定换算值: 　 　 　 　 　 　 1 吨煤当量= 7× 10 6 kcal 　 　 　 　 　 　 ( 净热值或总热值) 　 　 　 　 　 　 变化值: 　 　 　 　 　 　 每年或一定年限内各种煤的实际平 　 　 　 　 　 　 均热值 　 吨油当量( T O E ) ( 我国称为标油)

　

　 OE CD 各国:

换算成某

　 1 吨油当量= 107 kcal ( NCV )

种燃料当量— —油当量—

　 U N 统计: 　 1 吨油当量= 1. 02× 10 7 kcal( GCV ) 　 其他, 如国际壳牌石油公司: 　 1 吨油当量= 1. 0837× 107 kcal 桶油当量( BO E)

由表 2. 4 可见, 在用能量 作为通用单位 时有两 种方法: 一种直 接用热 量单位, 另一种 是 折合成某种燃料当量( 指热量上相当) 。目前各国均按自己的不同习惯使用各自的单位。我 国 能源统计中现在 用煤当量作为通 用单位( 称 为“标准煤 ”或“标 煤”) , 因为我国 能源中以 煤 为主, 多年来均沿用此单位。我国规定每千克煤当量为 7000 千卡热( 1cal= 4. 1868J) 。在测 化石燃料热值时用净热值( 低位热) , 并且规定所用的是 20℃卡( 符号为 cal 20 ) 。 实际应用的通用单位还是比较复杂的。燃料的热值又有 总热值和净热值 ( 我国称 它们 为高位热值与低位热值) 之分。卡是很多国家能源计量单位的基础, 但它所包含的能量大小 ・ 3 8・

却随卡的定义不同而稍有差异。表 2. 5 给出能源统计中经常使用的通用单位之间的换算系 数。 表 2. 5　 能源统计中常用的通用单位之间的换算 百万千卡

万吨标煤

6

( 10 kcal)

( 10 T CE )

1

1. 43× 10 -

百万千卡 6

( 10 k cal) 万吨标煤 4

( 10 T CE ) 万吨标油 4

( 10 T O E ) 亿千瓦时 8

( 10 kW ・h ) 万亿焦耳 ( 10 J ) 万亿英热单位 12

( 10 Btu )

亿千瓦时

4

( 10 T OE ) 5

10-

万亿焦耳

8

( 10 kW・h) 0. 116× 10-

5

4

万亿英热单位

12

( 1012 Bt u)

( 10 J ) 4. 18× 10-

3

3. 97× 10-

7× 104

1

0. 7

0. 813

293

0. 278

10× 10 4

1. 43

1

1. 163

418. 6

0. 397

8. 6× 104

1. 23

0. 86

1

360

0. 3413

238. 9

12

万吨标油

4

3. 413× 10-

25. 21× 104

3. 6

3

2. 389× 10-

3

2. 77× 10 -

2. 521

2. 93

3

1 1055

6

0. 94788× 10 -

3

1

　 　 注 : ( 1) 取 1 吨标 煤= 7× 10 6 k cal ( 2) 取 1 吨标 油= 10 7 k ca l ( 3) 万亿 焦耳 记作 T J ( 10 12 J ) , 千万 亿焦 耳记作 pJ ( 1015 J ) 。

1969 年国际计量 委员会建议废除 卡作为热量单位, 采用国际 单位制( SI) 中的焦耳作 为 能、功和热的单位, 其定义为 1 国际安培电流在 1 国际欧姆电阻上 1 秒钟内消耗的电能。采 用国际统一单 位, 在保证 信息传递的一致 性和准确 性方面有 很大好 处, 可 以避免混 乱, 节 省 大量人力物力。为了向国际标准单位过渡, 许多国家和国际组织在采用其它单位的同时, 也 应用了这个单位。我国国家标准总局发布的国家标准( GB－2586 至 2589－81) 中对此也 作了 相应规定。我国现已正式推行以国际单位制单位为基础, 同时选用了一些非国际单位制的单 位构成的“中华人民共和国法定计量单位”( 简称法定单位) 。法定单位中的能量单位为焦( 焦 耳) , 符号为 J 。但在现行能源统计中仍然常常沿用非法定单位 —— 标煤。 3. 各种能源的“相当”与替代 使用上述能源通用单位来计量各种能源时, 只考虑了能源的含热量, 没有进一步考虑其 它因素, 因此, 两 种能源在按通用 单位计算时数 量相同而 认为它们 相当, 只是含 热量上的 相 当。在能源统计中进行各种能源的综合平衡以及其它研究时, 有很多情况都是只从这个含意 上来考虑的。这种处理问题的方法称为“部分相当法”。 应该明确指出, 将一种能 源转换成其它能 源当量时, 决不意味 着 X 单位的 A 种能源 实 际上能够代替 Y 单位的 B 种能源。例如 1t 石油制品所含的热约等于 2t 原煤所含的热, 但是 实际上 2 t 原煤往往不 能代替 1t 石油。实际的相互 替代关系和能源的 用途与用能设备 的效 率有关, 也就是说, 实际的替 代关 系 必须 从“有 用能”( 或 实际 完成 的 社会 服务) 的角 度来 考 虑。 在印度的能源分析中有人采用过一 种叫做“代煤量”( T he Coal Replacement T onne ) 的 ・ 3 9・

概念。它的定义为: 在某一特定用途( 例如炊事) 中, 使用了 一个单位的某种 能源, 为了 产生 与该种能源所产生的相同的有用能所需的煤的数量, 就称为那种能源的“代煤量”。这种单位 在能源分析中很有用, 但在能源统计中还未见应用。

2. 1. 3　 我国的 能源统计 工作 建国以来, 建立了在国家统计局领导下的全国的统计系统, 形成了一整套国民经济综合 指标体系, 能源统计是国民经济统计的重要组成部分。在能源统计方面, 过去已做了很多工 作, 为能源计划管理和分析决策积累了大量统计数据。自 1980 年以后, 随着能源统计机构的 设立、统计指标体系完善和能源统计分析的加强, 我国的能源统计工作正在现代化的进程上 不断发展。 1. 能源统计的现状 我国的能源统计作为国民经济统计的组成部分, 是在国家统计局领导和组织下进行的。 按照我国的现行管理体制, 能源统计工作由两套 系统进行, 一套按行政区划 管理系统, 即省 ( 市) 、地、县的统计部门; 另一套按专业部门的系统, 即中央各部、省( 市) 专业厅、地和县专业 局的统计部门。在 80 年代以前, 我国未设置专门的能源统计机构, 已经建立起的能源统计指 标包括资源、生产、消费等方面, 但尚未构成完整的能源统计指标体系, 而是大部分包含在工 业统计与物资统计中。1980 年, 国家统计局开始筹建能源统计, 1982 年在工业交通统计司下 设置了能源统计处, 负责组织指导全国的能源统计工作。如前所述, 现已形成了地区与部门 相结合的能源统计调查网络系统。能源统计指标体系也在不断完善。 我国的能源统 计指标体系的设 计要反映整 个能源系 统的基本 情况, 并与国 民经济核 算 体系相协调, 适应于我国的经济体制与管理水平; 同时, 指标体系中有 关内容应与国家 标准 相一致。 我国目前的能源统计指标体系的基本内容包括: ( 1) 能源 资源与生 产: 矿物能源 资源 的各 类储量, 非 矿物 能源资 源蕴 藏量、采集 量、可 能开发利用量等; 一次能源的生产量与生产能力等等。 ( 2) 能源 加工转换: 各 种能源用 于各 类加 工转换 的投 入量、产出 量、损失 量、加 工转 换 效率等等。 ( 3) 能 源流转( 购销 ) : 能源生 产企业销 售量, 能源 消费 企业 物资部 门和 供应机 构的 收 入、拨出量, 商业供销部门购销量, 能源流向, 能源库存等等。 ( 4) 能源 消费: 能源消 费总量, 按来 源划 分的能 源消 费量, 按部 门、行业 划分的 能源 消 费量, 按使用方向划分的能源消费量等等。 ( 5) 能源 平衡: 主要通 过编制能 源平衡 表, 反映能 源从 生产 到消费 全过 程各主 要环 节 的综合平衡情况。表上的主要指标为: 可供消费 的能源量, 加工转换的投入 量与产出量、损 失量、终端消费量和平衡差额等。 ( 6) 能源经济: 包括下列几个方面: 1) 能源经济效益: 能源经济综合效益, 单位产品( 工作量) 能源消耗等等。 2) 能源成本－价格: 生产成本、运输成本、出厂价、销售价、计划价、议价、进出口价, 价格 指数等等。 ・ 4 0・

3) 节能指标: 企业、部门、行业、地区和全国的节能量、节能率等等。 4) 用能设备技术经济指标: 拥有量、耗能量、热效率、利用状况等等。 ( 7) 能源 环 境: 能源 生产、加 工转 换、运 输分 配和 消费 过 程中 有害 物 质的 含 量与 排 放 量, 对环境( 大气、土地、水体等) 的污染程度等等。 2. 能源统计中存在的问题 我国的能源统 计工作虽已有很 大发展, 但为实 现更科学 的能源 规划、管理和研 究决策, 还有不少问题尚待解决。上述的能源指标体系中有相当部分目前还未实施, 在统计范围、资 料来源、调查方法等方面, 也存在不少问题。例如, 我国农村能源与消费的调查统计工作十分 薄弱, 相应的能源资料数据缺乏。又如用能设备的能源技术经济指标的调查统计也不完善。 在专业部门资料的利用, 多种调查方法的结合运用等方面, 都需要改进和发展。因此, 继续加 强能源统计工作, 仍然是发展国民经济中的一项重要任务。能源统计的完善与发展涉及的面 很广, 除了要加强统计部 门的工作以外, 还要提 高基层单 位的基础 工作水 平, 如 加强能源 管 理, 改进计量测试, 培训有关人员等, 同时应做好统计部门与专业部门之间的协作。现在各级 主管部门与统计部门正在深入进行这些方面的工作。

2. 2　 能源平衡表的编制 2. 2. 1　 能源平 衡表的作 用 　 　 能源平衡表的编制是能源统计工作的重要组成部分。前面已经说过, 目前能源统计已不 断向深度和广度发展, 力求全面而详尽地描写复杂的能源系统。能源统计的注意力, 已从仅 仅关心生产转向生产到消费的全面研究; 从单种能源的实物量的平衡, 转向对各种能源的综 合的能源平衡。这样做对实现国民经济的科学管理, 对于能源科学研究以及决策人员进行科 学的和符合实际的决策, 都有很大的作用。能源平衡 表( 特别 是综合能源平衡 表) 就是 进行 这种综合平衡研究的有用工具。它用表格的形式综合能源系统内属于第一级和第二级能源 统计的数据, 对系统的这 部分进行简明而 科学地描 述, 直 观而全面 地反映 能源系统 的全貌。 编制综合能源平衡表, 采用统一的统计指标体系, 把各种能源在能源系统所有环节和国民经 济各个部门的 流程关系和使用 状况, 在同 一张表上 表示出来, 彼此 可以相 互比较, 而且便 于 避免重复统计和遗漏, 因此, 能源平衡表的作用有以下几个方面: ( 1) 表征 与分析能 源现状: 能源 系统内 各环 节间的 联系 和数量 平衡 关系, 供应 与消 费 结构比例等等; ( 2) 研究 能源与国 民经济 其它部门 及人 民生活 的关 系, 为制定 能源 政策、确定 能源 合 理分配方案以及节能途径等方面提供依据; ( 3) 分析节能、能源互相替代( 如以煤代油) 或其它能源政策产生的效果; ( 4) 为能源研究工作如能源预测等, 提供一定的数据基础和综合平衡手段。 我国 目前能 源供 应不足, 今 后相 当长时 期内 供需 矛盾仍 很突 出, 必须执 行 加强 能源 开 发、大 力降低能源消耗的 方针, 因 此, 如何以 有限的能 源消费来 取得最 大的经济 效益和满 足 四化建 设各方面 的要求, 是一 个迫切需 要研究 解决的问 题, 编 制和利 用能源平 衡表定可 对 此有所贡献。 ・ 4 1・

编制能源平衡表现在是国际上通用的进行能源统计和能源综合研究的方法。早在 1977 年以前, 各国际机构、国家机 关、研究单 位和能源企业 ( 如主 要的石 油公司) 已提 出和应用 了 多种综合性能源平衡表。在联合国统计司 1982 年发表的报告《能源统计的概念与方法》中, 总结了 1977 年前常用的 30 种能源平衡表结构, 其结论为经 济合作与发展组织－国际能 源机 构( OE CD－IE A ) 于 1976 年创造的矩阵型平衡表最好, 既简单明了又比较灵活。后来以该表 为基础, 又发表了各种扩 展的格式, 如欧洲共 同体统计 司 1979 年为其 成员国编 制的综合 能 源平 衡表, 联 合 国欧 洲经 济 委员 会 于 1982 年编 制 的 综合 能 源平 衡 表, 拉 丁美 洲 能源 组 织 1982 年为其成员编制的综合能源平衡表以及联 合国统计司( 与国际能 源机构合作) 1983 年 为 26 个国家 编制的综 合能源 平衡表等。亚太 经社会 原则上也 采用了 同样的能 源统计与 平 衡体系, 世界银行将此种矩阵式平衡表做了少量修改, 国际能源机构也在 1978 年为 16 个发 展中国家编制了矩阵式能源平衡表。现在各国际机构和许多国家( 包括一些发展中国家) 都 已采用这种矩阵综合能源平衡表。 早在 80 年代初, 我国一些能源研究机构就与统计部门一起研究和试编国家级与地区级 能源平衡表。经过几年努力, 我国统计部门已建立了能源平衡统计的指标体系, 并且付诸实 施, 现已编出各种类型的能源平衡表。这些平衡表都是采用矩阵式结构, 主要指标根据我国 国情拟定。

2. 2. 2　 能源平 衡表的种 类 我国现行采用的各种能源平衡表, 可按平衡统计范围、所统计的能源品种范围以及计量 单位来分类。国外还有采取不同的平衡方法的情况, 即有“正向平衡”与“逆向平衡”之分, 一 般均采用前一种, 此处不再介绍了。 1. 按平衡统计范围分类 ( 1) 企业能源平衡表

指

标

能源 名称 甲 原煤 洗精煤 其它洗煤 原油 燃料油 热力 电力 其他能源 总计

・ 4 2・

计 量 单 位

年 初 库 存 量

收 　 入 　 量

拨 　 出 　 量

乙

1

2

3

表 2. 6　 企业能源平衡表表式示例( 一) 回 自产二次能源 用二 终　 端　 消　 费 收 利 非 年 于次 生产消费 用 生 末 加能 生 销 的 合 原 燃 其 产 库 工源 余 　 料 　 消 存 产 售 材 动 它 费 量 热 计 转消 量 量 料 力 　 余 　 　 　 　 　 换费 　 能 　 　 　 　 的量 4

5

6

7

8

9

10

11

购入能源消费量计算公式: 表内总计行　 1+ 2- 3- 12- 13±14

综合能源消费量计算公式: 表内总计行　 1+ 2- 3- 5- 12- 13±14 表内总计行　 6- 4+ 8- 7

12

13

折 标 准 盘盘 煤 盈亏 系 数 + 　 　 　 　 　　 　

14

15

　 　 反映一个 企业报告期内能 源收入、拨 出、消费、库存、能源使用 去向等 情况, 在能源生 产 企业还可以反映能源生产、销售、自用情况, 为企 业了解能源供需情 况, 挖掘 节能潜力, 加强 能源科学管理提供依据。企业能源平衡表表式见表 2. 6。 表 2. 6 仅是企业能源平衡表的基本表式, 各企业可根据本企业生产的特点进行补充。如 可在收入量中列出不同的供应来源, 在终端消费中按生产工艺流程分列等等。 近来有的 研究部门和一些 企业通过实践, 提出 了另一种 表式, 称为“能量平 衡表”, 考 虑 了汇总和能 量利用率的计算, 对于企业 进行能源科 学管理 和分析较 为方便。表 式示例见 表 2. 7。这两种能源平衡表都可根据企业的能源统计台帐来编制。 表 2. 7　 企业能量平衡表表式示例( 二) 购 入 贮 存 实 等 当 物 价 量 量 值 % 值 % 　 　 　

变 发 传 电 电 送 站 站 Ⅰ 　 　 　

小 计 　 　

制 冷 　 　

1

6

9

10 11 12

2

3

4

5

7

8

传 送 Ⅱ 　

小 计 　 　

最 终 输 送 主 辅 采 空 分 要 助 配 生 生 暖 调 产 产 　 　

使 用 照 运 其 合 明 输 它 计 　 　 　 　

13 14 15 16 17 18 19 20 21

蒸　 汽 投 入 能 源 量

电　 力 柴　 油 汽　 油 煤　 炭

　 　 企业能量利用率=

终端有效利用能量 企业消耗能量

企业热能利用率=

终端有效利用热量 企业消耗热量

企业电能利用率=

终端有效利用电能 企业消耗电能

冷媒水 其　 它 小　 计 蒸　 汽 有 效 能 源 量

电　 力 柴　 油 汽　 油 煤　 炭 冷媒水 其　 它 小　 计 损　 　 失 合　 　 计

能量利用率

　 　 ( 2) 部门( 行业) 能源平衡表 反映一个部门或一个行业在报告期内能源资源的形成和使用情况。部门( 行业) 能源平 衡表可参照企业和地区的能源平衡表。冶金工业等高耗能部门( 行业) 已做了这方面的工作。 ・ 4 3・

表 2. 8　 地区能源实物量平衡表表式示例 机 器 汇 总 代 号

甲

乙

原 煤 / 1 0 4t

洗 精 煤 / 1 0 4t

其 它 洗 煤 / 1 0 4t

焦 炭 / 1 0 4t

原 油 / 1 0 4t

燃 料 油 / 1 0 4t

汽 油 / 1 0 4t

煤 油 / 1 0 4t

柴 油 / 1 0 4t

液 化 石 油 气 / 1 0 4t

炼 厂 干 气 / 1 0 4t

天 然 气 / 1 0 8m 3

焦 炉 煤 气 / 1 0 8m 3

其 它 煤 气 / 1 0 8m 3

其 它 石 油 制 品 / 1 0 4t

其 它 焦 化 产 品 / 1 0 4t

热 力 / 1 0 10 kJ

电 力 / 108 kW ・ h

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

01 一 、 可 供 本 地 区 消 费 的 　

能源量

02 　 　 ( 一 ) 一 次 能 源 生 产 　

量

0 3 　 　 ( 二 ) 外 省 ( 区 、市 ) 　

调入量

04 　 　 ( 三 ) 进 口 量 0 5 　 　 ( 四 ) 本 省 ( 区 、市 ) 　

调出量(- )

06 　 　 ( 五 ) 出 口 量 ( - ) 07 　 　 ( 六 ) 年 初 年 末 库 存 　

量差额(- )

08 二 、加 工 转 换 投 入 ( - ) 09 　 　 产 出 ( + ) 量 10 　 　 ( 一 ) 火 力 发 电 11 　 　 ( 二 ) 供 热 12 　 　 ( 三 ) 洗 煤 13 　 　 ( 四 ) 炼 焦 14 　 　 ( 五 ) 炼 油 15 　 　 ( 六 ) 制 气 　 　 其 中: 焦 炭 再 投入 量 16 三 、损 失 量 17 　 　 其 中 : 运 输 和 输 配 　

损失量

18 四 、终 端 消 费 量 19 　

　 　 (一) 物质生产部门

2 0 　 　 　 1 . 农 、林 、牧 、渔 、 　

水利业

21 　 　 　 2. 工 业 22 　 　 　 　 其 中 : 用 作 原 　

料、 材

　 料 23 　 　 　 3. 建 筑 业 24 　 　 　 4. 交 通 运 输 和 邮 　

电通讯业 　 　 　 5 . 商 业 、公 共 饮

25 食 、物 资 供 销 　 和仓储业 26 　 　 ( 二 ) 非 物 质 生 产 部 　

门

27 　 　 ( 三 ) 生 活 消 费 28 　 　 城 　 　 镇 29 　 　 乡 　 　 村 30 五 、平 衡 差 额 31 六 、消 费 量 合 计

・ 4 4・

年

表 2. 9　 年全国能源标准量平衡表 原 洗 其 焦 原 燃 汽 煤 柴 液 煤 精 它 炭 油 料 油 油 油 化 煤 洗 油 石 煤 油 气

机 器 汇 总 代 号

甲

乙

1

2

3

4

5

6

7

8

计算单位: 104 吨标煤 炼 天 焦 其 其 其 热 电 合 厂 然 炉 它 它 它 力 力 计 干 气 煤 煤 石 焦 气 气 气 油 化 制 产 品 品

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

一、可供本地区消费的能源量 　 　 ( 一) 一次能源生产量 　 　 ( 二) 进口量 　 　 ( 三) 我国轮、机在国外加油 量 　 　 ( 四) 出口量( - ) 　 　 ( 五) 国外轮、机在我国加油 量( - ) 　 　 ( 六) 年初年末库存量差额 二、加工转换投入( - ) 、 　 　 产出( + ) 量 　 　 ( 一) 火力发电 　 　 ( 二) 供热 　 　 ( 三) 洗煤 　 　 ( 四) 炼焦 　 　 ( 五) 炼油 　 　 ( 六) 制气 　 　 其中: 焦炭再投入量 三、损失量 　 　 其中: 运输和输配损失 四、终端消费量 　 　 ( 一) 物质生产部门 　 　 　 1. 农、林、牧、渔、水利业 　 　 　 2. 工业 　 　 　 　 其中: 用作原料、材料 　 　 　 3. 建筑业 　 　 　 4. 交通 运输 和邮 电通 信 业 　 　 　 5. 商 业、公共 饮食、物 资 　

供销和仓储业 　 　 ( 二) 非物质生产部门 　 　 ( 三) 生活消费 　 　 　 　 城　 　 镇 　 　 　 　 乡　 　 村 五、平衡差额 六、消费量合计

・ 4 5・

　 　 ( 3) 地区能源平衡表 反映一个地区 在报告期内能源 流程的全过 程, 为 研究该地 区的能 源总供给 与总需求 的 平衡情况、能源供应与消费结构以及其它有关问题提供全面的数据资料。 地区能源平衡 表既有单项能源 平衡表, 也有综 合能源平 衡表; 既可采 用实物量 单位, 也 可采用标准量单位。地区能源平衡表与全国能源平衡表在指标设置上的不同, 主要是为了反 映某一地区范围内能源资源的形成, 必须增设从外地区调入量和调出量两项指标。地区能源 平衡表表式见表 2. 8。 ( 4) 全国能源平衡表 反映全 国在报告 期内能 源流程的 全过程, 为研 究能源总 供给与总 需求的 平衡情 况、能 源供应与消费结构、能源与国民经济的关系、分析节能潜力以及其它有关问题提供全面的数 据。全国能源平衡表既有单项能源平衡表, 也有综合能源平衡表, 既可采用实物量单位, 也可 采用标准量单位。全国能源平衡表表式见表 2. 9。 表 2. 8 和 2. 9 上的终端消费量按部门划分还可以更细, 尤其是工交部门。 2. 按平衡统计的品种范围分类 　 　 ( 1) 单项能源平衡表 反映报告期内某一能源品种的平衡状况, 如煤炭平衡表、电力平衡表、原油平衡表等等。 这类平衡表 一般采用实物量 单位, 也可 采用标准量 单位。单项 能源平 衡表的表 式示例见 表 2. 10。 表 2. 10　 单项能源平衡表表式示例

单位: 实物量单位

能源品种( 如煤炭、石油等等) 可供量 　 　 生产量 　 　 调入量( 地区) 　 　 调出量( 一) ( 地区) 　 　 进口量 　 　 出口量( 一) 　 　 年初与年末库存差额 消费量 　 　 在消费量中: 　 　 ( 一) 物质生产部门 　 　 　 1. 农、林、牧、渔、水利业 　 　 　 2. 工业 　 　 　 　 轻工业 　 　 　 　 重工业 　 　 　 3. 建筑业 　 　 　 4. 交通运输和邮电通讯业 　 　 　 5. 商业、饮食、物资供销和仓储业 　 　 ( 二) 非物质生产部门 　 　 ( 三) 生活消费

・ 4 6・

续表 能源品种( 如煤炭、石油等等) 　 　 在消费量中 　 　 ( 一) 中间消费( 用于加工转换, 用途与品种有关) 例如煤炭: 发电 …… 　 　 ( 二) 终端消费 　 　 其中: 工业 　 　 ( 三) 损失量( 何种损失与品种有关) 例如煤炭: 洗选损耗 平衡差额

　 　 ( 2) 综合能源平衡表 综合反映所 有能源品种的平 衡。由于各种 能源品种 的原始计 量单位 不同, 热值也不 一 样, 必须采用标准量单位, 使各种能源可以相加汇总。 因为能源品种 有一次能源和二 次能源的差 别, 在 综合平衡 时应消 除两类能 源的重复 因 素。采取的方法是: 首先在“可供消费的能源量”一栏内, 不能包含二次能源生产量, 它们只能 体现 在“加工转 换产出量”中。其次, 用 于加工转换的 二次能 源消费量, 不能 计入“终端消 费 量”中, 而是作为中间消费量出现在“加工转换投入量”内。表式可参看表 2. 9。 3. 按采用的计量单位分类 ( 1) 实物量能源平衡表 是指按能 源的原始计量单 位编制的平衡表。原始计量 单位为: 如 煤炭用质量单位“吨” 来表示, 天然气、煤气用体积单位“立方米”来表示, 热 力、电力用 能量单位“焦耳”、 “ 千瓦时” 来表示等等。实物量能源平衡表是编制标准量能源平衡表的基础。实物量能源表的表式见 “地区能源平衡表”或“单项能源平衡表”的表式示例。 ( 2) 标准量能源平衡表 按能源的标准计量单位来编制的平衡表。综合性能源平衡表包含各种能源, 需要相加和 汇总, 必须采用通用单位, 即标准计量单位( 见第一节) 。我国能源统计中现使用的各种能源 折标煤的参考系数见表 2. 11。由于我国已 开始推行法定计 量单位, 今 后将会逐步过渡 到新 的单位。 在编制企 业、部门( 行业) 或地区的能源 平衡表 时, 各 种能源在 用标准 量计量时, 热值 原 则上应 按实测的 平均热 值考虑, 尤其是 我国的 一次能源 以煤为主, 而 不同地区 所生产的 不 同品种煤炭, 热值差别较大。但目前限于我国的技术与管理条件, 许多情况下还无法完全按 本企业、本部门( 行业) 或本地区的能源实测平均热值来考虑, 这时可参照表 2. 11 的数字。但 有些具 体情况, 特别是 涉及加 工转换环 节有投 入与产出 平衡问题, 需 要格外注 意能源的 热 值是否基本符 合实际情况如果 所采用的能源热 值与实际 情况偏差 太大, 会出现 产出的能 量 大于投入能源的能量这种不合理的情况。 ・ 4 7・

表 2. 11　 我国能源统计使用的折标煤参考系数 能源名称 原煤

平均低位发热量

折标煤系数

　 　 20934kJ / ( 5000kcal ) / kg 　 　 26377kJ / ( 6300kcal ) / kg

0. 7143kg 标煤/ kg 0. 9000kg 标煤/ kg

( 1) 洗中煤

　 　 8374kJ/ ( 2000 kcal ) / kg

0. 2850kg 标煤/ kg

( 2) 煤泥

　 　 12560kJ / ( 3000kcal ) / kg

0. 4286kg 标煤/ kg

焦炭

　 　 28470kJ / ( 6800kcal) / kg

0. 9714kg 标煤/ kg

原油 重油

　 　 41868kJ / ( 10000kcal ) / kg 　 　 41868kJ / ( 10000kcal ) / kg

1. 4286kg 标煤/ kg 1. 4286kg 标煤/ kg

煤油

　 　 43124kJ / ( 10300kcal ) / kg

1. 4714kg 标煤/ kg

汽油

　 　 43124kJ / ( 10300kcal ) / kg

1. 4714kg 标煤/ kg

柴油

　 　 42705kJ / ( 10200kcal ) / kg

1. 4571kg 标煤/ kg

液化石油气

　 　 50241kJ / ( 12000kcal ) / kg

1. 8143kg 标煤/ kg

炼厂干气

　 　 46055kJ / ( 11000kcal ) / kg

1. 5714kg 标煤/ kg

天然气

　 　 38979kJ / ( 9310kcal ) / kg

1. 3300kg 标煤/ m 3

焦炉煤气

　 　 18003kJ / ( 4300kcal ) / kg

0. 6143kg 标煤/ m 3

( 1) 发生炉煤气

　 　 5234kJ/ ( 1250 kcal ) / kg

0. 1786kg 标煤/ m 3

( 2) 重油催化裂

　 　 19259kJ / ( 4600kcal ) / kg

0. 6571kg 标煤/ m 3

　 　 35588kJ / ( 8500kcal ) / kg

1. 2143kg 标煤/ m 3

( 4) 焦炭制气

　 　 16329kJ / ( 3900kcal) / kg

0. 5571kg 标煤/ m 3

( 5) 压力气化

　 　 15072kJ / ( 3600kcal) / kg

0. 5143kg 标煤/ m 3

( 6) 水煤气

　 　 10467kJ / ( 2500kcal ) / kg

0. 3571kg 标煤/ m 3

煤焦油

　 　 33494kJ / ( 8000kcal) / kg

1. 1429kg 标煤/ m 3

粗苯

　 　 41868kJ / ( 10000kcal ) / kg

1. 4286kg 标煤/ m 3

洗精煤 其它洗煤

其它煤气

解煤气 ( 3) 重油热裂 解煤气

煤气

热力

0. 14286kg 标煤/ 4186kJ( 1000kcal )

电力( 当量)

　 　 3601kJ/ ( 860kcal) / ( kW ・h )

0. 1229kg 标煤/ ( kW ・h)

电力( 等价)

　 　 11840kJ / ( 2828kcal ) / ( kW ・ h )

0. 4040kg 标煤/ ( kW ・h )

　 　 注: 重油 、煤 油、天然 气、其它 石油制 品、热力 、电 力的折 算系 数, 目前 虽有 上述规 定, 但实 际折算 时仍 有争论 , 存 在一 些须 进一 步研究 解决的 问题 。一般 来讲 , 各 类能源 折算 系数, 应以 实测 确定为 准, 此表 仅供参 考。

2. 2. 3　 能源平 衡表编制 的基本特点 如前所述, 能源平衡表的 种类很多, 在编制 的细节上 也有不少 不同之 处, 但 它们都有 以 下共同点: ( 1) 所有平衡表的表式都采用矩阵式。大部分都以纵列各栏( 宾栏) 表示能源, 横行( 主 栏) 表示能源的流向来 源与去向, 但也有个别国 家如苏联、日本 能源资 源厅的排 列方向与 此 相反。 ( 2) 所有平衡表都力 求详细, 如因目前统计数 据不足, 有 些项目暂时不能 考虑, 那么 以 ・ 4 8・

后将它们补充入表内, 不应改变平衡表的基本结构与布局。 ( 3) 表上的数字可以采用 原始单 位( 实物 量) 来表 示, 也 可以 采用 通用单 位( 标准 燃料) 来表示。一般同时编制两种平衡表, 各用一种单位。在采用原始单位时, 各种能源只能单独 平衡; 如采用通用单位, 则各种能源可综合平衡, 即在平衡表上沿横行亦可相加, 而且总和都 具有一定的意义。 ( 4) 平衡 表的编制 要遵从 热力学第 一定 律, 即能量 守恒 定律。所有 能量 均应有 来源 和 去向, 并且不得出现重复计算。例如资源与二次能源( 加工转换产品) 之间、转换与终端消费 之间以及终端消费部门之间, 都要力求避免重复, 这就要按照编制的规定来处理和填写有关 的数据。 ( 5) 平衡表中的部门 划分, 应 适合能源与经济 分析的需要, 尽量与国民经 济统计对口。 在能源部门特别是加工转换等环节, 由于要考虑能源系统分析的要求, 其部门划分与现行的 国民经济口径可能会有一些差别, 应用时需特别注意。

2. 2. 4　 能源平 衡表主要 指标说明 现以我国现行的地区能源平衡表表式为例, 简单说明此表式及主要指标( 参看表 2. 8) 。 此类平衡表为矩阵式表, 分为实物量表和标准量表。 1. 可供本地区消费的能源量 指本地区报告期内实有的能源资源数量。包括一次能源生产量、进出口量、调入调出量、 期初期末( 一般指年初年末) 库存量 6 个指标。其平衡关系式为: 可供本地区消费的能源量= 一次能源生产量+ 进口量+ 调入量- 出口量- 调出量 + 年初年末库存量差额 在表 2. 8 上可见, 各数 据项前 标有正、负号, 前者 表示本地 区内可用 能源 量, 负 号表 示 能源调出和出口。 2. 一次能源生产量 目前仅指原煤、原油、天然气、水电及其它动力能发电量。国家统计局关于“能源生产量 统计”有详细规定。 3. 进口、出口量 进口量是指本 地区报告期内实 际从国外购 进并运达 口岸或国 境的各 种能源的 数量, 出 口量是指本地区报告期内实际销往国外已离开我国口岸或国境的各种能源数量。包括经外 贸、商业及其它部门的全部进出口量, 不包括转口的数量。我国飞机和轮船在国外加油、国外 飞机和轮船在我国加油分别统计在进、出口量中。 4. 调入、调出量 指本地区报告 期内能源主管部 门、能源销 售部门 以及能源 生产和 消费单位 从辖区外 直 接调入或从辖区内直接调出的各种能源数量。可参看国家统计局“能源购销统计”的规定。 ・ 4 9・

5. 库存量差额 指本地区报告期年初与年末实际结存的各种能源的数量的差额。年初库存量是指上年 12 月 31 日的库存量, 年末库存量是指本年底最后一天的库存量。县以下单位的库存有资料 来源的可以包括, 要注明其数量。 6. 加工转换投入量和产出量 加工转换投入 量是指本地区报 告期内投入 加工转换 的各种能 源数量, 产出 量是指本 地 区报告期内能源经过加工转换后产出的各种能源产品及其他石油制品和其他焦化产品。根 据能量守恒定律, 投入的能量经过加工转换后, 产出的能量与加工转换损失量之和应等于投 入量。国家统计局在“能源加工转换统计”的规定中有详细说明。 7. 损失量 指本地区报告期内能源在生产、输送、储存过程中发生的经营管理损失及由于自然灾害 客观原因造成的损失量。如煤矿原煤损失量、油田原油损失量等。不包括加工转换损失量。 损失量按行业划分方法: 煤矿原煤损失量划 归煤炭采选业, 油、气 田原油和天然气 损失 量划归石油、天然气开采 业, 管道 局原油、成 品油、天然气 损失量划 归交通 运输业, 电力输 送 分配损失量划归电力、蒸汽、热水生产和供应业, 等等。 8. 其中: 运输和输配损失量 指各种能源在 由生产地向消费 地输送过程 中的损失 量, 如 原油和 石油制品 的运输损 失 量、电的输变电损失等。各种气体能源的损失量不包括放空、放散损失量。 9. 终端消费量 指本地区报告期内物质生产部门、非物质生产部门和生活消费的各种能源的数量。不包 括用于加工转换的投入量( 见前述指标“6”) 、加工转换损失量和损失量( 见前述指标“7”) 。 物质生产部门 是农、林、牧、渔、水利业, 工业, 建筑 业, 交 通运输 和邮电通 讯业, 商业, 公 共饮食、物资供销和仓储 业; 非物 质生产部 门是指公 用事业、卫生、体育、教育、文化、科研 等 部门。 10. 其中: 生活消费量 指本地区报告期内用于生活的各种能源的数量。在国家统计局有关“能源消费统计”的 规定中有详细说明。铁路、煤矿、油( 气) 田、炼油厂、石油化工厂、煤气厂等供应本系统职工家 庭生活使用的各种能源亦应包括在内。 ( 1) 煤炭生活消费量 计算方法: 生活消费量= 煤炭生活用量+ 煤矿生活自用煤量+ 铁路生活用煤量 资料来源: 煤炭生活用量, 用国家统计局国统综 145 表、商年综 8 表《主要消费品生产、消费平衡年 ・ 5 0・

报》中煤炭平衡表生 产用量减国家物 资局燃料公司物 管统 55 表《市场 用煤销售 分对象统 计 报表》中饮食服务业 用煤量。饮食服务业 用煤量统 计在商业、公共 饮食、物资供 销和仓储 业 中。 煤矿生活自用煤量, 可采取两种方法计算。方法一、用煤炭部统配煤矿调度季报中煤矿 自用煤量其中生活用, 先计算出统配煤矿生活自用煤量, 然后再根据有关资料推算地方煤矿 生 活自用煤 量。方法二、用国 家统计局 国统综 78 表、物年 综 4 表《生产 用主要物 资使用 方 向》表中煤矿自用量减其中生产用即为县以上全民和集体所有制煤矿生活自用煤量, 然后再 根据有关资料推算县以下乡村小煤窑生活用煤量。 铁路生活用煤量, 是指由铁道部分配的煤炭用于生活方面的数量。不包括由地方燃料公 司和企业自行采购的煤炭数量。资料的取得, 可同铁路部门商量进行合理推算。 ( 2) 煤油生活消费量 计算方法: 煤油生活消费量= 煤油零售量 = 国内纯销售- 售作生产用量+ 工业部门售给集体、个体商业和直 接零售的煤油 资料来源: 国家统计局国统综 141 表、商年综 4 表《社会消费品分类零售额及主要消费品零售量》, 国统综 139 表、商年综 2 表《全 民所有制商 业和供销 社商品 购、销、存数 量》, 国统 综 148 表、 商年综 11 表《工业部门对集体、个体商业商品销售和零售》。 ( 3) 液化石油气、天然气、焦炉煤气、其它煤气生活消费量 资料来源: 石油公司、煤气公司、城建局统计报表。 ( 4) 电力生活消费量 资料来源: 电力部门用电分类表中生活用电量 ( 5) 其它品种的生活消费量可根据有关部门或调查资料进行推算。 11. 能源消费总量 指本地区报告期内物质生产部门、非物质生产部门以及生活消费的各种能源的总和, 包 括终端消费量、加工转换损失量和损失量。 计算方法: 根据地区能源平衡表( 标准量) 中的合计栏进行计算。 能源消费总量= 终端消费量+ 加工转换损失量( 即加工转换投入( - ) 产出( + ) 量) , + 损失量 或

能源消费总量= 可供消费的能源量±平衡差额 12. 平衡差额 指各种能源资源与消费平衡后的差额, 平衡关系式为: 平衡差额= 可供本地区消费的能源量+ 加工转换投入( - ) 产出( + ) 量- 损失量 - 终端消费量 ・ 5 1・

13. 消费量合计 指终端消费量( 见前述指标“9”) 与损失量( 见前述指标“7”) 两项之和。

2. 2. 5　 能源平 衡表编制 中若干问题 的探讨 下面简单介绍 我国能源平衡表 编制中的若 干一般性 问题, 以帮助 读者了解 我国统计 部 门的规定和解释。 1. 热值和单位换算 要将各种能源的数量从原始单位换算成通用单位, 必须知道它们的热值。我国规定各地 区或企业在进 行能源的单位换 算时, 应以 本地区或本 企业在该 统计期 内的能源 实测热值 为 准。如无实测值或地区( 或企业) 的估计值, 方可采用全国平均值。 严格地说, 每个国家生产的能源的热值是一个变化的数值, 要科学而精确地求得每种燃 料的全国平均热值, 需进行大量细致的统计测试工作, 要有足够的数据处理能力和信息传递 能力。一些发达国家每年或每一季度都有相应的统计平均数字, 在我国暂时做不到这一点。 国内除个别部门和企业( 如电力、炼焦等部门) 外, 一般只能采用固定热值( 估计值) 。使用这 类热值对油、油制品和焦炭偏差不是很大( 约百分之几) ; 对天然气和人工制气, 偏差稍大; 问 题最大的是煤。煤的品种多、产地多, 热值差别很大, 如果通通按全国平均值 5000kcal / kg 计 算, 是不合理的。这除了不符合实际情况之外, 还会在编制平衡表时出现严重的问题, 即在煤 的加 工转换过 程中投 入与产出 不平衡, 煤的 利用效率 也难以准 确计算。例 如, 在 炼焦过 程 中, 产 出的焦炭、焦炉气和其它焦 化产品等的热 值都与实 际情况基 本相符, 倘若 投入的炼 焦 煤仅按 5000kcal/ kg 计算, 则投入量将少 于产出量, 显然是不合理的。 目前为了解决这 个问 题, 我们建议 将煤的品 种适当 地加以划 分, 主 要是把 用于炼焦 和发电 的煤和一 般用煤区 别 开来, 因为炼焦与发电用 煤若热值不准确, 对编 制平衡表 影响很大, 而 它们一般 可从使用 部 门获得实测热值数据或参考数据。日本能源经济研究所对日本的能源热值经过一次调查, 也 发现煤的问题最大。日本能源资源厅将进口煤的热值定为 7700 kcal / kg , 而日本能源经济研 究所调查结果 为: 1960 年 至 1976 年日本进 口焦煤 平均热值 为 7259k cal/ kg, 相差 6% ; 动 力 煤 6500kcal/ kg , 相差 18. 5% ( 以上均为高位热) 。表 2. 11 列出了我国 统计部门使用的 能源 热值和折标准煤系数。 2. “水力”与“水电”的处理 水力是一次能源, 电力是二次能源。水力可以以机械能的形式直接使用, 也可以转换为 电力再利用。由于绝大部分水力的利用都采取后一方式, 这样“水力”和“水电”就密切地联系 在一起了。水电站就是利用水力并将其转换成电力的设施。 水电换算成水能有三种方法: ( 1) 以水电的理论热值, 即 1 kW ・ h = 860 kcal ( 或 1kW ・ h = 0. 123 公 斤标煤) , 计算 水 能的开发时, 因为从水电计算水能是从产出量计算投入量, 所以用理论热值换算相当于假设 水电站发电效率为 100% 。联合国统计司采用此法, 以使各国水力开发情况可比。 ( 2) 一些 水电在供 电系统 中占有比 重较大 的国家, 用水轮 发电机 的实际效 率折算水 能 ・ 5 2・

开发量。设水轮发电机效率为 η水 , 则有 1kW ・h =

kcal η水

η水 一般约为 80% —85% 。此处的等号表示“相当于”的意义。 ( 3) 大多数国家用火力发电的平均煤耗把水电换算成水能, 我国就是采用此法。如 1990 年我国 6000kW 以上的火电厂平均发电煤耗为 392 克标煤/ ( k W・h ) , 即发 1kW ・h 电平均 要消耗 2744kcal 热量, 因此效率为 31. 3% 。这样 108 kW ・h 电相当于 3. 92× 104 t 标煤。 这种换 算方法的 含意是: 如果 不用水力 发电而 用火电, 那么 1k W ・ h 电要 消耗 392 克 标煤的化石燃料, 所以每开发 1k W・h 水电就相当于开发了 392 克标煤的化石燃料。水电站 所起的作用相当于化石燃料的矿山与火电站两者的作用之和。因此这种方法在技术经济分 析中具有一定的意义。 在用火电的标 准煤耗来换算 水电时, 我国是 采用 6000kW 以上火 电厂的年 平均发电 煤 耗, 所以各年 不同。日本 则采用 固定的 换算 系数, 人为 地规 定每一 度电 要消耗 2450k cal 的 热, 这相当于煤耗为 350 克标煤/ ( kW ・h) 。效率为 35. 1% , 这样比较简便。 这种方法对一次能源的生产构成有些影响, 但对整个能源平衡基本上没有什么影响, 我 们可以继续使用它。 3. 电能在终端消费中的换算 电能 的换算有 两种方 法, 一 种是 按电 的理论 热值 ( 或 称为 物理当 量) 换算, 即 1kW ・h = 860kcal。这种换算方法物理概念明确, 易于统一。联合国的统计中采用此方法。我国在编 制研究能源系统的能源平衡表也采用此法。 另一种方法与水电折算水能相同, 即按发电的平均煤耗计算。这样换算电能的意义是: 发电损失按用电比例分摊给用户。不过严格地说, 此处不能用 6000kW 以上火电厂的 发电 煤耗, 而要用平衡表上的全部投入发电能源量和产出电量来计算实际的全部电能发电煤耗, 否则就会出现口径不对的问题。由于目前国民经济统计中计算产品或部门的能耗时采用这 种方法, 因此我国编制的能源平衡表中都包含用此法换算电能的数据。在这种情况下, 将全 部发电时的转换损失都分摊给终端用户了。 4. “高炉”和“高炉气”的处理 我国城市煤气和工矿企业使用的可燃气体相当一部分是来自焦炉。而一部分焦炉又属 于冶金企业, 一般和高炉 联合运行, 高炉产生的 高炉气又 供应焦炉 作燃料, 减少 焦炉气的 自 用量。为了反映可燃气体生产的实际情况, 在平衡表中可列入高炉气, 相应的转换设施就是 高炉。高炉同时又是炼铁设备, 属于终端用能设施。它们联合运行的示意图见图 2. 2。 由图可见, 这时炼焦炉的 投入是焦煤与 高炉气, 还有 一部分焦 炉气; 高炉的 投入为焦 炭 和一部分高炉气。由于实际投入的焦炭同时又用于冶金, 那么用于冶金和转化为高炉气的焦 炭如何分配, 也就是作为转换设备的高炉投入的 焦炭究竟是多少? 现建议的 处理方法如下: 高炉作为转换设施时其转换效率 设为 100% , 即高炉能够外 供的高炉气, 依照其总发热 量折 合成焦炭, 将这部分焦炭从终端消费部分中扣除, 转移到转换部分, 作为高炉气的投入。这时 转换损失为零。 ・ 5 3・

图 2. 2　 高炉与炼焦炉联合运行时的能流关系

这种处理方法在编制平衡表时是有用的, 因为有一些终端用能设施的副产品是燃料。例 如石油化工企业的一些装置, 在生产化工原料的同时, 也生产气体与液体燃料。在编制平衡 表时若要考虑它们, 就可 以认为那些装置转 换生成气体与液 体燃料的效率为 100% , 从 而把 相应的一部分投入作转换投入。

2. 3　 能源系统能流网络图的编制 “能源系统能流网络图”( 简称为“能源系统网络图”、 “ 能流网络图”或“网络图”) 是 用网 络的形 式直观地 描述能 源系统的 一种方法, 可 作为国家、地区 或部门 的能源统 计数据的 另 一种综合表现方式, 如图 2. 3 所示。它几乎可以包括国家能源统计的全部内容。目前的能源 平衡表只反映 第一级与第二级 能源统计, 而能源系统 能流网络 图可以 反映到第 三级能源 统 计, 所以它应该包括能源平衡表的全部内容, 而且它更形象地和更直观地表现能源系统的全 貌。当然, 无论是用表格的形式还是用网络图的形式来描述一个国家或地区的能源状况, 都 只是对实际 系统的综合性简 明描述, 只 反映复杂系 统的主 要情况。对 于能源问 题的许多 细 节, 要用补充手段来说明。但是, 能源系统的这种宏观的综合性描述, 对规划管理工作和研究 决策还是十分重要的。 能源系统能流网络图的用途很多, 可大致归纳为三个方面: ( 1) 综合 能源统计 数据, 全面描 述系统 的概 貌和特 点, 较确 切地定 义和 方便地 研究 系 统的综合特征指标如能源利用效率等等。 ( 2) 进行能源供求综合平衡, 是政策分析或技术经济评价的简便定量分析工具。 ( 3) 作为发展能源系统数学模型和构造能源数据库的有用依据。 本节主要介绍我国能源系统能流网络图的编制与上述前两方面的一些应用。

2. 3. 1　 能源系 统能流网 络图的结构 能源系统能流网络图是对实际能源系统的一种简化的抽象描述。它将实际系统内各种 能源从开采到 终端消费的整个 过程按技术工艺 特点划分 为若干基 本环节, 描述 在这些环 节 上的物料流( 实物) 和能量流 ( 能 流) 的变 化情况。网 络图 上的 基本环 节有: 资 源、开 采和 收 集、加工精炼、运输和分配、集中转换、传输、分配与分散转换、用能设备、终端用户或用途、需 求部门、其他。依照实际的物料或能量流动方向, 自左至右把上述各个环节内的所有工艺过 程用有向连线 加以表示, 并通过节点相互 连接, 形成网络, 即得 到表示 实际能源 系统的网 络 ・ 5 4・

图 2. 3　 能源系统能流网络结构示意图

图。图上的连线代表相对应的实际过程, 连线的箭头表示实物或能量的转移方向, 节点为过 程间的相互接口。实线为实际存在的过程, 虚线表示头尾相连接, 但实际过程不存在。图2. 3 为能源系统能流网络图的结构示意。 为了使这种网络图有广泛用途, 应在图上记录尽可能多的信息, 同时又要清晰易读。目 前一般采用的记录方式是把与系统内某一过程有关的信息记录在代表过程的有向连线的两 ・ 5 5・

侧。现在编制的网络图常记录的主要信息为四项: ( 1) 过程的名称( 或该过程的主要设施或能流的名称) , 标注在连线下方左侧。 ( 2) 在所研究期间内 输入该过程的以 原始单位表示的 能流量数字, 标注在连线下 方右 侧。 ( 3) 在所研究期间内 输入该过程的以 通用单位表示的 能源流量数字, 标注在连线 上方 左侧。 ( 4) 该过程的效率, 即输出的 能量与输入的能 量的比值, 用括号内的数字 表示。标注 在 连线上方的右侧。 此外, 为了说明某个环节内与一种或多种能流有关的各平行过程的相对比重, 在这类连 线的附近还可以加上一些用% 表示的百分数。网络图上也可以加上一些简洁的文字说明来 表达其他的重要信息。 应该注意的是, 实际的能 源系统非常复 杂, 有关的信 息很多, 我们 用网络图 的形式在 纸 面上直观地反映只能是简化的情况和最主要的特性。更符合实际情况的详细过程和更完全 的信息, 也可以利用网络图形式的结构, 储存入计算机内, 借助计算机进行各种研究工作。 下面我们对网络图的环节划分加以说明。 1. 资源 包括所有的一 次能源, 主 要是水力、煤 炭、石 油、天 然气以及 核能、太阳能、地热 等等, 也 可以包括非商品能源如秸杆、柴草等等。此外, 二次能源的调入也作为资源处理。 2. 开采与收集 这个环节考虑的是产量。有关过程涉及的效率不是指煤田回采率、油气田采收率等等, 而是指煤田或油、气田的产品的商品率, 扣除的是自用与损耗。自用能的统计数字中包括生 产自用与生活自用两部分, 如果能分开的话, 应将生活自用部分计入终端用能消费类中。 水能的开发量是用所研究期间内的水力发电总量和该地区的火力发电厂的发电标准煤 耗计算出来的, 与编制能源平衡表时的换算考虑相同。 3. 加工精炼 包括煤炭洗选和石油炼制等项。原油脱水与天然气脱硫净化在开采环节内考虑。 4. 运输分配 由于一部分一次能源的加工已在前面环节内考虑, 它们的运输分 配损失也就在前 面环 节考虑了。本环节仅考虑未加工的一次能源以及加工产品。后者的生产量与消费量之间的 差额往往作为运输损失计算。 5. 集中转换 主要指发 电、供热与 炼焦等设施, 有的地区 有煤气厂 ( 生 产煤制气 或油制气 ) , 则也放 在 此环节内考虑。 ・ 5 6・

图 2. 4　 地区能源系统网络图示例( 由于图面大小限制, 仅有 一部分过程标注了以实物量表示的能流量数字)

・ 5 7・

6. 传输 指集中转换环节所生产的各种二次能源的输送, 主要是电力。为了方便起见, 往往将厂 用电与线损都集中在此环节内考虑。 7. 分配与分散转换 各种能源通过 本环节分配到终 端使用部门 的各类用 能设备上 去, 因此本环 节内的过 程 较为复杂, 为简化起见一般都取分配的效率为 100% 。有的网络图把自备电厂、土法炼焦等 小规模转换设备放在本环节内, 但大多数情况下仍将其归入集中转换内。 8. 用能设备 终端用能设备种类繁多, 包括各种能源的全部应用在内, 即除了作为燃料、动力、照明等 用 途之外,“非 能源”应用, 如作原 料、溶 剂、洗 涤剂、润滑剂 等也一齐 考虑. 现按能 源种类 分 述如下: ( 1) 电力 用电设备包括电动机( 各种电力拖动) 、市内电车、电力机车、照明、电热、电解及其它( 如 仪器仪表、家用电器等) , 但在实际统计中, 只有 少数部门 将用电按 设备分 开, 在 不能分开 时 则作为“杂项”考虑。 ( 2) 热力及煤 蒸汽与热水的应用划分为直接使用与通过热交换两类。 用煤设备有锅炉( 不包括电站锅炉, 在需要时还可以把工业用锅炉与采暖用锅炉分开研 究) 、窑炉、民用小炉灶及其它。 ( 3) 燃料油 锅炉( 不包括电站用燃油锅炉) 、窑炉和各种加热炉。 ( 4) 成品油 汽油的用能设备分为大型车内燃机、小型车内燃机、固定式汽油机及其他用途( 如洗涤、 溶剂等) 。柴油的用能设 备分为内燃机车、柴 油汽车、大中型 拖拉机、手扶 拖拉机、船用柴 油 机、固定式柴油机等。煤油的用途分为照明及其它。实际统计中往往不加以仔细区分, 而把 所有汽油机归为一类, 所有的柴油机归为一类。 ( 5) 天然气( 及城市煤气) 锅炉、窑炉、小炉灶和化工化纤原料。 其他如秸杆柴草、太阳能、地热等等也都有相应的用能设备。 9. 终端用户或用途 为了便于进行能源系统分析, 此环节最好按能源的终端用能形式分类, 这与能源的终端 用途是密切相联系的, 例如工业方面的电力传动、工艺热( 还可以按温 度范围进一步划 分) , 交通运输方面的蒸汽机车用能、汽车用能, 民用生活方面 的照明采暖、炊事热水等等。 目前 各地在编制网络图时, 一方面限于现有的数据资料, 另一方面为了与国民经济统计和分析对 口, 往往采用按用户划分的方式, 例如按主管的行政系统划分, 或按行业划分。今后应当在这 ・ 5 8・

个基础逐步实现按终端用途的分类。 10. 需求部门 按国民经济统 计中的口径进行 部门划 分, 如 分为工业、农业、交 通运输、建筑业、商业 以 及民用生活等。 由于各地区的 情况不同或研究 侧重点不一 样, 所 编制的能 源系统 能流网络 图的繁简 程 度可按需要而定, 图上环节与部门的划分也会有些差异, 但网络图的基本构造仍然相似。

2. 3. 2　 能源系 统能流网 络图内过程 的效率 网络结构是实际能源系统结构关系的一种恰当的描写, 而表现能源系统的状况, 还需要 描述通过网 络的各环节内所 有过程的能量流 及其变化 关系。对于 能源管 理、规 划与决策 来 说, 重要的是了解能源综合平衡的情况, 这在能流网络图上反映为能流平衡关系。因为各种 能源在从资源 开发到终端使用 的各环节都多少 有些损耗, 因而 网络图 上每一过 程输入能 流 与输出能流一 般不会相等, 我们定义一个 指标来表示 各过程的 输出能 流与输入 能流间的 关 系, 这个指标就是“效率”, 它定义为该过程在研究期间内的输出能流量与输入能流量之间的 比值, 即从该过程所得到的有效能量与实际消费的能量之比。用公式表示为:

或

η热 =

Q有效 × 100% Q供应

η热 =

F 输出 × 100% F 输入

式中　 η热 —— 过程( 即该过程包括的设备或系统) 的热效率; Q 有 效 —— 从该过程得到的有效能量; Q 供 应 —— 该过程实际消费的全部能量; F 输 出 —— 从该过程输出的能流量; F 输 入 —— 输入该过程的能流量。 这样简单定义 的效率是从物理 观点上来考 虑的, 它依据能 量平衡 原理把实 际过程中 较 为复杂的能量 关系概括而简化 地表示出来, 从而使我 们能用简 单的能 流关系在 网络图上 反 映能源系统的状况。下面进一步探讨能流网络图各过程的效率问题。 1. 开采环节的效率 前面已提到, 这个环节的效率考虑的是提供的商品量与产量之间的关系。严格说来, 对 化石燃料, 在生产环节所 得的有效能源应 是生产出 来的能源 量, 而 供应量 是所消耗 的储量, 以这两者之比表示该生产过程的资源利用效率。这种考虑有一定意义, 但实际应用上却有困 难。因为能源生产量虽可确定, 而所消耗储量却较难确定。这是因为储量本身随着勘探程度 和技术发展在 变化, 虽然 一个工作面或一 口井的回 采率可确 定, 但 是总的 情况难以 确定, 因 此目前一般以各种能源的产出量作为研究的起点。 2. 网络图各中间环节的效率 按照前面提出的定义, 这些环节中各个过程的效率, 都是过程的输出能流量与输入能流 ・ 5 9・

量之比。现举出一个过程为例, 来说明如何对实际系统中的过程进行简化, 以及此处定义的 效率与一般的技术工艺效率的差别。 图 2. 5 为加工转换环节内原油加工过程的示意图。图上同时标出 了在能流网络图 上这 一过程的简化表示。由图可见, 在作为实际系统的简化和抽象的表示的能流网络图上, 一般 只表示主要的输入能源和输出能源, 也就是只表示这些主要的能流关系。因而此过程的效率 就是主要的输 出能流量与输入 能流量之比, 即在研究 期间内的 各种石 油制品输 出量与原 油 输入量之比。因此, 网络图上这样定义的效率又可称为“基本效率”或“相对效率”, 以区别于 通常所谓的技术工艺效率。后者又可称为“完全效率”, 它是在研究期内该过程的全部输出能 流量与 全部输入能流量 ( 即包括主 要能源和所有辅 助能源) 之比( 此处 用到的这 些关于效 率 的概念可见于有关能流系统能流网络图的文献, 但不见得是通用的概念) 。

图 2. 5　 原油加工过程中的能量平衡示意

这样处理使能 流网络图的结构 与能流关系 表示都得 以简化, 但是 倘若辅助 能源的比 例 较大, 这样就会影响系统的能量平衡, 所以还要采取一些补充的处理方法, 可概括为: ( 1) 把辅助能源按一定的方法折算成主要能源, 一齐加以考虑; ( 2) 将辅助设备归入其他环节内考虑, 如自备电厂归入集中转换环节的电厂; ( 3) 将辅助能源归入终端用能设备和用户环节内考虑。 当然, 也可以把辅助能源的能流关系在网络图上表示出来, 这除了使得网络图的结构更 加复杂外, 还会出现“逆向”能量流动的情况。如图 2. 4 上输入的电能 是在集中转换环 节内 生产的, 倒过来输入到加工精炼环节。这会使能流平衡分析复杂化。然而这样处理更符合能 源系统的实际情况, 现在也有按这种原理来编制能流网络图的设想。 3. 终端用能设备的效率 网络图上的“用能设备”环节的效率问题更为复杂。首先,“ 用能设备”种类繁多, 与其联 系在一起的工艺过程也十分复杂。其次, 此环节是和能源的终端用途或用户相联系的, 其输 出能量即为能源终端使用的“有效能量”。 目前在能源研究中, 对于各种用途的“有效能量”还没有确切的和统一的定义, 因为这涉 及到人们衡量 能源有效利用程 度的出发点或标 准, 也 与对用能 设备的 考虑范围 和划分方 法 有关, 这些都直接影响到网络图上“用能设备”环节的效率的确定。例如, 工业锅炉是当前耗 ・ 6 0・

能最多的用能设备, 其效率的估计对能源系统的效率影响很大。锅炉产生蒸汽, 供后续工艺 过程使用。如果只考虑锅炉本身, 有一个效率, 但是若将后续工艺过程使用蒸汽的过程也包 括在“用能设备”之内, 那就有另外一个效率, 其数值可能比前一效率低很多。又如运输部门 中的汽车的效 率, 它在实 验台架上有一个 测试得到 的效率, 在实际 路面上 行驶, 经常又用 非 经济时速, 效率便有所下降。如果从完成运输量的角度来衡量能量的有效利用, 就要考虑空 载率的影响, 当然效率就更低了。再看一个例子: 居民采暖用的火炉, 如果把它散到室内的热 量都作为有用能, 可以计算一个效率数值, 但如从采暖效果 来看, 房间 的隔热保暖条件 影响 很大, 要是把建筑物也作为采暖用能设备的组成部分, 效率的计算当然不同于只考虑火炉的 情况。从这些例子可以看出, 在能源终端利用一端的“用能设备”环节, 其效率的定义和计算 都更为复杂, 实际分析中往往要涉及利用与消费能量时的社会经济效果。 在能源系统能流网络图的编制中, 以这一部分最为困难。一方面这部分的情况复杂, 效 率难 以确定; 另 一方 面是缺 乏有 关的数 据, 因为 这属于 图 2. 1 所 示的第 三级 能源统 计的 范 围, 目 前还不包括在现行 统计工作的范围 内, 因 此在编制 全国或地 区的能 流网络图 时, 大 量 的工作是要收集与研究分析终端用能设备的情况, 与它们有关的能源利用情况以及各部门、 行业 和产品所涉及的 有效能定义等等, 以提供计 算或估计“用能设 备”环节各过 程( 设备) 的 效率的数据资料。例如, 对于我国主要的耗能部门 —— 工业, 其各类用能设备的效率分析计 算可依据下面一些数据资料: ( 1) 主要产品的能耗。如有理论能耗值, 可作直接计算有效能量的依据; 如果有能耗定 额数据, 也可用先进的能源定额数据作为计算有效能量的参考数据。 ( 2) 各类主要用能设 备的平均效率和 所消耗能源的比 重, 是计算 用能设备效率的 重要 数据。 ( 3) 各部门的能源利 用效率分析数据, 可直接 或间接地用于网络 图上有关环节的 效率 计算。

2. 3. 3　 能源系 统能量利 用效率的估 计 由于能源系统 能流网络图全面 地反映了实 际能源系 统内的主 要环节 与过程, 在各个 过 程中都考虑相 应的能量利用效 率, 因此依 据能流网络 图可以比 较科学 地定义和 计算整个 系 统的能源利用效率, 这是在能源管理、规划与决策时所关心的有关能源系统宏观状况的一项 主要指标。 然而, 前面关于效率的讨 论中已经指出, 有 效能量本 身还没有 很确切 和统一的 定义, 同 时由于数据资料的限制, 现在编制能流网络图还需要编制者进行大量调查统计和研究分析, 不少数据依靠推算和估计。因此, 尽管能流网络图本身是计算分析能源系统能量利用效率的 有用工具, 但在目前条件下使用仍然有它的局限性。特别要注意的是, 在用这样计算的能源 系统能量利用效率作为国家之间、地区之间或不同单位的研究结果之间的相互对比时, 格外 需要慎重, 必须首先设法 了解编制能流网 络图所依据 的数据资 料的口 径和计算 条件等等 是 否一致, 是否可比, 否则对比的结果就很难说明问题。 一般说来, 根据所编制的能流网络图( 以全国能流网络图为例, 地区的相类似) 可以计算 出研究期内的下列数据: ( 1) 国内一次能源生产总量; ・ 6 1・

( 2) 国内一次能源消费总量; ( 3) 国内能源消费总量( 一次能源消费总量减去二次能源净出口量与库存量) ; ( 4) 直接消费的一次能源量与用于转换的一次能源量; ( 5) 能源系统内各环节的效率、各中间环节的能源损失量与总损失量; ( 6) 分配给最终利用能源的用能设备的能源量; ( 7) 终端利用的能量的有效部分和无效部分。 整个能 源系 统的能 量利 用效率 η 总 可以 依据 与相应 环节 有关的 能源 量或 效率来 计算, 例如: η 总 =

国内一次能源消费总量- 中间环节总损失量- 终端用能的无效部分 国内一次能源消费总量

其中将能源出口部分作为有用能, 并且利用效率为 100% 。如进口二次能源, 则将进口量加 入国内一次能源消费总量内。 当二次能源进出口量所占比例不大时, 也可用下式表示系统总效率: η总 = η中 间 η终 端 其中 η中 间 =

分配给终端用能设备的能源量+ 二次能源的( 净出口量+ 库存增量) 国内一次能源消费总量

终端利用能量的有效部分 η终 端 = 分配给终端用能设备的能源量 η中 间 考虑一次能源从生产到分配给终端用能设备之间的所有中间环节上的全部损失。 把 η总 区分为两部分的原因在于: η中 间 是网络图上终端“用能设备”环节前所有中间环节 的效率的综合, 正如前已讨论过的那样, 这些环节的效率有较为确切的定义, 计算比较方便, 在现有数据条件下可以求得较为准确效率数值, 一般便于对比分析。而 η终 端 表示前面讨论过 的“用能设备”环节的效率, 是编制网络图时的一个难点, 把它划分出来单独研究比较合适。

2. 3. 4　 能源系 统能流网 络图在系统 分析中的 应用 —— 能 流平衡分 析 能源系统能流 网络图是进行系 统技术经济 研究的简 便定量分 析工具, 我们 现在来探 讨 如何依据网络图上的能流平衡关系来进行这类分析。由于所研究的是现有系统的总的情况 以及未 来时期能 源系统 的情况, 涉及的 问题显 然要远比 现状描写 来得复 杂, 下 面对这类 能 源平衡分析的原理、用途和数据要求等等加以简单的讨论。 1. 能源网络图中能流关系的定量表示 能源系统的能流网络图是实现系统的一种描写模型, 如前所述, 其构造可直观地表示为 有向连线与节点的组合。有向连线代表各环节内的工艺过程, 它的方向表示相应过程中的能 量流向。各过程在节点处相互衔接。在我们现在的研究范围内, 所描写的是实际的平衡系统 并且处于稳态( 即在给定的时间间隔内不随时间变化) , 因此, 系统内的能量流动应该是连续 的, 且在过程内部与过程间应处于平衡状态, 也就是必然满足以下条件: ( 1) 对每项工艺过程来说, 输入与输出的能量流之间存在着一定的关系。例如, 在集中 转换 环节的烧 煤发电 工艺过程 中, 净 效率为 30% , 这就 是说输出 能流量 ( 电 力) 为输 入流 量 ・ 6 2・

( 煤) 的 30% ; ( 2) 在各过程相互衔 接的节点处, 流入的能流 量总和应等于流出 的能流量总和。例如, 在城市煤气的 输送与分配过程 的衔接点处, 如果输 送来的有 焦炉气、煤制 气、油 制气及天 然 气等四种, 分配到工业、城市居民及服务行业等三个方面去使用。则来自四种气源的输入能 流量总和应当等于分配到三个方面的流出能流量的总和, 而且相互间有一定的比例关系。 这些关系对于 编制和应用描述 能源系统现 状的能流 网络图来 说显然 是成立的, 因此 在 前面我们已经应用了这些关系。现在我们要用能流网络图 来分析未来时间 的情况, 则 必须 先假定上述条件仍然适用。这样, 系统内的能量流动关系仍然都可以用一些简单的数学关系 加 以表示。设各 过程的 能流量( 和前面 讨论的 现状描述 一样, 可取年 度为所研 究的时间 间 隔, 通常用万吨标煤/ 年, 即 10 4 吨标煤/ a 作为能流量的单位) 为 X , 则有: 1) 在过程内部: 对每项工艺过程, 输入能流量与输出能流量间的关系为: X 输 出 = ηX 输 入 式中的 η即为该过程的效率, 由过程的技术工艺特点等所决定。在我们的研究范围内, 它保 持固定的数值。这种处理是把实际的工艺过程简化为一种“线性”过程, 是今后在构造数学模 型时常常采用的一种近似处理实际问题的方法。此外, 前面已讨论过, 实际工艺过程内的能 量关系比较复杂, 在这种近似表示中往往只考虑主要的能流关系。 2) 在过程的 相互衔接处: 在各种过程相 互衔接的节点上, 流出的能 流量等于流入的 能 流量总和。如果令流出与流入的能流量的符号相反, 则在节点处所有能流量的总和为零, 即:

∑X

ｉ

= 0

ｉ

对 ｉ 求和即对节点处所有能流求和。 此外, 对于给定的系统来 说, 在所 研究的范 围内, 还要求节 点处各 过程间的 能流量分 配 比例有 一定关系。如 X K 和 X A 分 别为节点处任意 一项流入( 或流 出) 的能流量 与总的流 入 ( 或流出) 能流量, 则有: Xk = C XA C 在给定的研究范围内( 例如某一方案中) 为已知的常数。 上述的假定及这些简单的数学关系, 就是能流网络图上表示能流量关系的依据, 也就是 我们用能流网络图进行能流平衡分析计算的依据。 2. 能流平衡分析的用途 能流平衡分析 在能源系统研究 中的用途可 大致划分 为以下两 类, 这也就是 能流平衡 分 析的两项主要内容。 ( 1) 进行能源系统的能源供应－需求综合平衡 能源 供需的 综合 平衡, 是进 行计 划与规 划工 作的 重要内 容, 也是 研究决 策 时的 重要 工 作。因为在实际工作中供需情况经常会有所变动, 计划管理人员需要相应地随时对全面的供 需情况重新进行综合平衡, 以便及时采取必要的对策。 利用网络图来作能源供需平衡分析计算, 一般是从能源需求出发, 但也可考虑系统中任 何环节或过程发生变动时对全系统供需平衡的影响。现以从能源需求出发的计算分析为例, ・ 6 3・

当给定能源需求的具体方案后, 即可根据已编制的描述待研究能源系统的结构的网络图, 按 照能流平衡的条件, 从网络图的右端即终端用能需求出发, 自右至左依次计算系统内各环节 中各个过程的 能流量大小, 它们反映出在 满足所给定 能源需求 的供需 平衡条件 下各部门 所 应具有的设施容量水平, 从而反映相应条件下的处于稳态的供需平衡的能源系统整体概貌。 系统的一些综合特性指标及技术经济数据均可求得。如果能源供应量或系统内其它环节发 生变动, 也可类似地按一定步骤来计算在供需平衡条件下的系统内各个过程的能流量。 ( 2) 进行能源系统的技术经济分析比较 如果待研究系 统内各种过程的 技术经济数 据比较齐 全, 而 且它们 与相应设 施的规模 等 近似地有固定 的比例关系, 也就是说它们 与相应过程 的能流量 之间近 似地有固 定的比例 关 系, 那就可以先计算出待研究系统在能源供需平衡条件下的综合技术经济指标, 再对这些指 标作分析比 较。对于现有能源系 统的变动或未 来规划的 各种可能 方案, 不论是 系统结构 变 化、能源需求变化或其它条件改变, 对能源系统整体或局部所产生的影响都可以照此进行分 析。 需要注意 的是, 这类 分析比较一般是 对于描述现 状或某个 规划年 份的“基本情 况”的 能 流 网络图( 又称为“参考系统”) 和“变动情况”的能流网 络图( 又称为“受扰 系统”) 来 进行的, 也就是说多用于情况变化或条件改变的范围有限的时候, 侧重于相对比较。这一方面是受涉 及未来时期的 数据条件的限制, 另一方面 也由于应用 网络图进 行能流 平衡分析 计算是一 种 简单分析方法, 考虑的因素和分析深度有限。 3. 计算分析步骤 从 需求 分析 出发 的能 流 平衡 分析 步 骤可 大 致归 纳 如下 ( 以 未来 规 划 年份 情 况研 究 为 例) : ( 1) 对所研究的未来规划年份的能源需求情况进行分析和预测。 ( 2) 对所 研究的未 来规划 年份的资 源状 况、技术工 艺发 展情况 等进 行分 析和预 测, 选 择可能应用的资源和技术工艺, 并估计其可能发展水平。 ( 3) 编制表示未来规划年份能源系统“基本情况 ”的 能流网络 图。这需要根 据较为可 靠 的估计来构造一个系统结构、资源供应等各方面都比较落实的能源系统方案的网络图。也可 以采用能源系统最优化模型分析得出的最优方案, 或通过多目标综合权衡提出的合理方案, 作为未来规划时期的基本情况。( 对于现状或近期的研究, 按系统现状构造的能流网络图就 可以作为基本情况。) ( 4) 依据表示能源系统“基本情况”的能流 网络图, 按预测 给出的 能源需求 方案进行 能 流平衡计算。从网络图右侧开始, 依次计算各环节内所有过程的能流量, 再计算与能流量相 联系的各种待研究的技术经济参数。 ( 5) 编制表示未来规划年份能源系统“变动情况”的能流网络图。此时, 要考虑待研究系 统的资源变化、结构变动等等因素。这类变动可以是局部的, 如某环节内一个过程的改变; 也 可以是较大范围的, 如开发和引入某种新能源。再根据规划年份的能源需求方案, 计算在供 需平衡情况下 网络图上各环节 内所有过程的能 流量, 然后计算 系统在 变动的情 况下各种 待 研究参数。 ( 6) 比较 上述规划 年份能 源系统的 基本情 况和变动 情况下的 计算结 果, 评 价各种因 素 ・ 6 4・

的影响。 4. 数据要求 因为要研究现状的变动或未来规划时期的情况, 需要涉及比现状描述广泛得多的数据。 显然, 所用数据的范围、详尽程度 与准确性, 直接影响 到这种分 析方法 的应用范 围和所获 结 果的可靠程度。前面已对描述现状的网络图的编制与数据问题进行过讨论, 此处仅结合系统 分析应用的要求再作一些补充。 ( 1) 所需数据范围 为了便于分析, 可将一般应用时所需数据大致区分为两类: 1) 能源系统结构数据: 这是编制能流网络图时确定系统结构所需的数据, 包括: ・ 各终端用途或用户所可能采用的用能设备及其所占比例; ・ 可供选用的二次能源种类; ・ 可供选用 的各类 生产供应 ( 从开 采到转 换、分 配等各个 环节) 设施, 及其可 能实现 的 规模; ・ 一次能源的种类及其限制; ・ 各环节中同类作用的工艺过程各自可能占据的比例; ・ 用能设备的效率; ・ 其他环节中各种过程的效率; ・ 各过程中辅助能源用量所占比例; ・ 生产两种或更多产品的过程中各产品产量所占比例; ・ 其它有关数据。 2) 分析应用数据: 就是应用能流网络图进行系统分析时需用各类数据, 包括: ・ 各能 源消费部 门的发 展水平, 一般用 表征各 部门活动 水平的特 征指标 来表示, 如 生 产部门用产品的产量或产值等; ・ 相应于各 部门的 单位活动 水平( 如工业 部门的单 位产品量 或单位 产值) 所必须消 耗 的终端有效能量数量; ・ 各种 技术工艺 过程的 有关技术 经济数据, 如 新建设施 单位容量 的投资 额, 各 过程 的 产品生产成本等; ・ 各种 能源的环 境影响 及其它有 关数据, 如它 们在不同 过程中的 污染物 排放量, 各 类 污染物的环境污染效应等。 由于对未来规划时期的研究需要汇集大量的有关数据, 需要进行与社会发展、经济增长 和技术工艺改进等都有密切关系的一系列预测工作, 例如: ・ 能源需求的预测; ・ 能源技术发展的预测, 包括现有技术的改进与发展和新能源的开发与应用; ・ 能源设施的技术经济参数变化预测; ・ 环境保护对能源的要求以及其它方面因素变化的预测。 这些任务往往 需要发展专门的 方法来解决, 能源 系统分析 工作应 取得这些 方面有关 工 作的配合, 因此涉及很广的研究范围。 ( 2) 数据的汇集 ・ 6 5・

像上述那样广泛的数据资料, 目前国内尚无专门机构来进行研究和集中汇集管理, 而且 其中相当一部 分不属于现行统 计制度的范围, 因此有 待于主管 部门和 各地区今 后逐步开 展 这方面的工作, 从进行较简单的数据汇编开始, 逐步发展到建立能源数据库。当前在数据汇 集整理工作中需注意以下几点: 1) 现有数据 资料来源比较分 散, 必须注 意其统计口径是 否一致, 指 标解释有无差异 等 等。一般需要将数据资料整理分析后方可选用。 2) 能 流网络图 中采用 的一些定 义以及部 门与环 节的划分 等与现 行统计工 作中采用 的 指标体 系或国内 习惯用 法不完全 一致, 因此在 利用现有 资料时有 时不能 直接应用, 要经 过 处理换算。 3) 目 前在一些 环节中 不可避免 会出现缺 乏数据 的情况, 为此需 进行专 门的调查 统计, 有时需由有关部门或有经验的人员进行估计。参考国内其他地区的情况或国外有关数据, 也 是一种可行的办法。 4) 进 行未来规 划时期 的能源统 计分析时, 要 用大量的 预测数据, 但 预测工作 必然会 涉 及种种不确定因素, 因此在使用预测结果时要考虑到它们的不确定性, 需要对其范围作出估 计, 并不断改进预测方法, 充实基础数据, 以提高预测数据的质量。

2. 3. 5　 能流平 衡分析的 计算机算法 虽然依据能源 系统的能流网络 图来进行能 流平衡分 析的原理 与算法 比较简单, 但是 实 际的 能源系 统结 构一般 都很 复杂, 如果 较详 细地 描写系 统时, 所 构造的 能流 网络也 比较 复 杂, 就难以用手算迅速进行大量的方案分析了, 因此必须发展相应的计算机算法来解决这个 问题。下面介绍一种在小型计算机或微处理机上均易于应用的算法。 1. 能流网络图的矩阵代数表示法 为实现网络图 能流平衡分析的 计算机化, 我们用 矩阵代数 方法来 描写网络 图上各环 节 的能流间的定量关系。图 2. 6 表示能流网络图左端的三个环节的简化示例。现就此图来形 象地看一下如何用矩阵代数方法表示能流关系。 我们在能 流网络图上相邻 环节的连接处( 也就是 在节点 位置上) 沿竖 直方向将 图切开, 令每个切面上所有被切断的能流组成一个矢量, 图上每条能流就是一个矢量元素。这样, 每 个矢量对应于能流网络图中某一环节的输入或输出能流。相邻矢量之间的联系可借助于矩 阵乘来描写。我们用矢量间的环节中各过程的技术工艺特性参数及其他技术经济数据, 如各 种效率、分配比例等等, 作为矩阵 元素或构成矩 阵元素的 基础, 从而构 成表示各 个环节特 点 的相应的联系矩阵, 把各个相邻的矢量连接起来。如图 2. 6 所示, 在开采与收集环节与加工 精炼 环节之间, 定义了一个“初级能源矢 量”V9 , 它 是一个( 6× 1) 维 矢量; 而在加 工精炼与 运 输分 配环节之间定义 了一个“初 级能源产品矢量 ”V8 , 它是一个 ( 11× 1) 维 矢量; 这两个矢 量 通过描写加工精炼环节特性的一个( 6× 11) 维的“加工精炼矩阵”M 8 相联系, 其关系: V9 = M 8 ¡¤V8 其中矢量元素间的关系为: v9ｉ =

∑m j

・ 6 6・

8ｉj

¡¤v8j

图 2. 6　 能流网络图的矩阵代数法示意

式中矩阵元素 m8ｉj 可由此环节中各加工精炼工艺过程的效率来计算, 即为第 ｉ 种初级能源经 加工精炼后成为第 j 种初级能源产品时的加工精炼效率的倒数。 依据这样的关 系, 我们就 可以定量地描写 从初级 能源开发 到能源 终端消费 的能量流 向 和内部平衡。据此即可编制能源系统能流网络图的计算机模拟程序, 模拟复杂的实际能源系 统结构。如果能源消费需求量变化( 例如不同的社会经济发展水平的要求) , 或者能源系统的 结构发生 变动( 例如 能源加工、转换或用能的 工艺设施的 改进, 新能源 的替代) , 都可以用 计 算机迅速算出变化后的系统内各环节中的能流量, 从而得出系统的一些主要的特性指标, 并 在此基础上进行各种待研究目标( 如资源消耗量、投资、成本、环境影响等等) 的分析评价。 2. 计算机程序的功能及逻辑框图 依据上述原理, 可以编制简单的计算机程序进行能流网络图的能流平衡分析。若仍从能 源需求出发, 则所编程序至少可具有以下功能: ( 1) 输入 一套完整 的描写 能源系统 结构的 矩阵系数 以及社会 经济发 展水平矢 量, 可 以 计算出系统内每个过程的能流量( 输入量及输出量) , 初级能源的供应量也可得出。 ( 2) 由于一般需要同时分析比较若干种不同 的社会发展水平, 或不同的 能源系统结构, ・ 6 7・

计算程序便于计算多种不同方案。如只需输入对于不同方案所需要修改的参数, 即可算出相 应方案的所有有关数据, 以供分析比较。 ( 3) 可进 行系统技 术经济 参数比较 或其它 需要作为 研究目标 的参数 的评价, 例如系 统 的总成本、总投资、环境污染水平等等, 计算程序可以给出所需的结果。 ( 4) 根据要求以报表格式或其它形式输出每 一方案的详细计算 结果。计算程序的 逻辑 框图见图 2. 7。图中“输入计算方案信息”包括地区、年份、日期、方案数目、矢量与矩阵上界、 打印控制 信息等等;“输入能 源系统结构数据”包括 文字说明、社会 发展水 平矢量、结构矩 阵 系数、产品生产比例 系数、待 研究目标的系数 等,“ 调用矢量 计算子 程序”用于计 算能流矢 量 元素值以及系统的各项待研究目标参数。

图 2. 7　 能流平衡分析计算的逻辑框图

参　 考　 文　 献 1. 统计原理与经济统计教材编写组. 统计原理与经济统计. 北京: 中国财政经济出版社, 1982 2. 钱伯海. 国民经济综合平衡统计学. 北京: 中国财政经济出版社, 1982 3. 彼德・迈尔著, 邱大雄等译. 能源规划概论. 北京: 能源出版社, 1984 4. 清华大学核能技术研究所能源系统研究室、能源规划与管理北京训练中心. 能源规划与系统模型. 北京: 清华大学出版社, 1986 5. 国家统计局. 能源统计工作手册. 北京: 能源出版社, 1987 6. 肖为民、海曼华. 能源统计简明读本. 北京: 中国统计出版社, 1987 7. R . 科多尼、朴熙天、K . V . 拉曼尼主编, 吕应中译. 综合能源规划手册. 北京: 能源出版社, 1989 8. 赵家荣. 我国的能源统计及其指标体系. 中国能源, 1990, 第 6 期: 10—12 9. 孟昭利. 企业能量平衡中的统计方法. 清华大学研究报告, 1991 10. 张阿玲. 能源管理信息系统. 清华大学研究报告, 1988 11. 北京科学情报研究所. 国外能源数据库的研究与进展. 研究报告, 1987

・ 6 8・

3　 能 源 经 济 分 析 3. 1　 能源经济分析基础 　 　 资源的稀 缺性是经济学产 生的客观基础, 由此而 引起的种 种选择 问题是经 济学研究 的 对象。 所谓资源是指一切人力、物力和财力资源, 即生产投入要素。资源的稀缺性是指这样一 个基本事实, 即相对于人 类的无穷欲望而 言, 社 会资源是 相当有限 的, 即使以最 佳的生产 技 术来利用这些资源, 所能生产的产品也是有限的。这是资源稀缺的相对性。但从另一方面讲, 稀缺性又存在于一切时代和一切社会, 它又具有绝对性。 既然资源是稀缺的, 人类就不可能完全按主观意愿无限制地生产每一种产品, 他们必然 会研究在一定 时期内生产什么、生产多少 等问题, 也必然 会在如何 生产的 问题上, 即在各 种 可以相互替代的资源配合中进行比较、作出选择。上述问题被认为是人类社会所共有的基本 经济问题, 经济学正是为了确定解决这些问题的原则而产生的。 因此, 经济学是一门研究如何利用有限的资源从事生产, 以求最大限度地满足人类欲望 的科学。其核心是研究如何达到稀缺资源的最佳配置和利用, 其基本任务是研究市场中商品 价格的决定因素, 企业生产数量的决定因素, 以及不同市场类型对商品价格和生产数量决定 的影响。 能源无疑是 一种十分稀缺的 资源, 而 且与人类 多项活 动有着密 切的联系。 在商品经 济 中, 能 源产品也是十分重 要的商品, 其价格及生 产成本的 变动都将 对能源 消费、能源生产 及 各行各业产生 巨大影响, 因此, 能 源经济分析是 经济学的 重要分支, 而 经济学的 基本原理 也 完全适用于能源经济分析。 本章主要介绍 能源经济分析基 本原理及能 源投入产 出分析方 法, 其核心是 能源价格 问 题。

3. 1. 1　 供求理 论 1. 商品经济模型 　 　 图 3. 1 提供了非常简化的商品经济活动循环流程模型。该模型把整个经济社会分成两 大部门: 家庭和企业。所有家庭既是消费者又是生产要素提供者, 首先他们向企业提供劳动、 土地、资本和企业家才能 等生产要素, 以取得 工资、地租、利息和利 润等报 酬; 然 后他们以 有 限的收入向企业购买消费品, 以求欲望满足的极大化。企业是生产者, 以尽可能低的价格购 买生产要素, 以尽可能高的价格出售产品, 其目标是追求企业利润的极大化。为了简化起见, 该模型忽略了政府、外贸两大部门的经济活动。家庭和企业两个经济部门的经济活动通过两 个基本市场进行, 它们是产品市场和要素市场。在产品市场上, 家庭是产品的需求方, 企业是 产品 的供 给 方; 而在 要素 市场 上情 况 正 相反, 企 业 是 生产 要 素的 需 求方, 家庭 是 要素 的 供 ・ 6 9・

给方。

图 3. 1　 社会经济活动循环流程模型

两个部门、两个市场的互相作用形成了两个循环流程。其一是实物循环流程, 家庭向要 素市场提供生产要素, 企业从要素市场购买生产要素进行生产, 并将生产的产品供产品市场 销售, 最后家庭又以消费者的身分购买这些产品。这一循环流程如图 3. 1 中外循环圈所示。 其二是货币循环流程, 是与前者方向相反的流程, 家庭作为要素提供者得到由企业支付的要 素报酬, 并以此收入作为消费支出形成企业的销售收入, 如图中内循环圈所示。 2. 需求与供给 ( 1) 需求函数 从 广义 来 讲, 对一 种商 品的 需求 量 ( Q D ) , 是由 一系 列因 素 决定 的, 如 个人 的 偏好 程 度 ( S ) , 消费者的收入 ( Y) , 商品 本身的价格( P ) , 以及有关商品 的价格( P ′ , P″ , …) 。因此需 求 函数可以表示为: Q D = f ( S , Y, P , P ′ ,P″ , …) 　 　 然而, 在这一系列因素中, 对需求量影响最为直接的是这种商品本身的价格。为使问题 简单 起见, 通常 假定 其他因 素不 变, 在此条 件下 一种商 品的 需求 量就是 这种 商品价 格的 函 数, 即: QD = f ( P ) 　 　 该函数关系反映了对这种商品的需求。所谓需求是指消费者在某一特定时期内, 在每一 可接受的价格水平上愿意而且能够购买的商品数量。 一般来讲, 在其他条件不变的情况下, 对一种商品的需求量与该商品价格的大小呈反向 变动关系。换句话说就是, 价格上升需求量减少, 价格下降需求量增加。这叫做需求法则。 例如消费者在不同价格水平下对某商品煤的需求量可用表 3. 1 表示。我们称这种表示 商 品 价 格 与 需 求 量 之 间 关 系 的 表 为 商 品 需 求 表 。需 求 表 是 需 求 函 数 的 一 种 直 观 表 示 方 法。

・ 7 0・

表 3. 1　 对某商品煤的需求表

a b c d e f

价格/ 元

需求量/ 104 t

20 40 60 80 100 120

110. 0 90. 0 77. 5 67. 5 62. 5 60. 0

　 　 根据上述 需求表给出的某 商品的需求函数, 可以 用曲线来 表示, 如图 3. 2 中曲线 D , 称 为需求曲线。一般来讲, 它是一条向右下方倾斜的曲线, 即曲线斜率为负, 表示价格与需求量 之间存在着反向变动关系。 常 用的 需 求 函 数 的函 数 形 式 有 线性 和 指 数 型 ( 包括对数型) 的, 如: QD = A 或

BP

Q D = AP -

α

其中 A , B , α均为正常数。对于每种商品都可通过历 史资料的统计回归, 求出其需求函数。 某家庭与个人对一种商品的需求, 叫个别需求, 所有家庭与个人对一种商品的总需求, 叫市场需求。 从数量上说, 市场需求是各个别需求之和, 从曲线形 式上讲, 市场需求曲线是个别需求曲线的水平叠加。

图 3. 2　 某商品煤的需求曲线

( 2) 供给函数 同样, 一种商品 的供 给 量 ( Q S ) , 也是 一 系列 因 素的 函 数, 如 生产 的 成本 ( C) , 技术 条 件 ( T ) , 商品本身的价格( P ) , 以及其他有关商品的价格( P ′ ,P″ , …) 即可表示为: Q S = f ( C, T , P , P ′ , P″ , …) 　 　 在所有这些因素中, 关键因素还是该商品本身的价格。在其他因素不变的条件下, 一种 商品的供给量可以看作只是该商品价格的函数, 即: QS = f ( P ) 　 　 因此, 供给是在其他条件不变的情况下, 生产者在各种可能的价格水平上愿意而且能够 出售的商品数量。 这种函数关系同样也可以用供给表和供给曲线( 如图 3. 3 中曲线 S ) 来表示。 表 3. 2　 对某商品煤的供给表 价　 　 格/ 元 a b c d e f

20 40 60 80 100 120

需　 求　 量/ 104 t 5. 0 46. 0 77. 5 100. 0 115. 0 122. 5

・ 7 1・

　 　 供给曲线 通常是一条向右 上方倾斜的曲线, 它表 示价格与 供给量 之间存在 着同方向 变 动的关系, 即在其他条件不变的情况下, 供给量随价格的上升而增加, 随价格的下降而减少。 我们称之为供给法则。供给曲线的斜率为正。常用供给函数形式是线性的, Q S = C+ D P , 其 中 C , D 为正常数。一种商品的市场供给也是各生产者个别供给之和。 3. 供求均衡及其价格决定 需求与供给要通过市场来实现, 而联系供需的桥梁是价格。当一种商品的需求与供给在 市场上达到 均衡时, 便 可决定该商品的 均衡价格和均衡 数量。把需求曲线 D 与供给曲 线 S 画在同一坐标面内, 可以说明这个问题。如图 3. 4 所示, 曲线 D 与 S 相交于 E 点。E 点表明, 消费者愿意以 价格 P 0 购买商 品数量为 Q0 , 生产者 也愿意以价格 P 0 出售商品数量 为 Q 0 , 市 场在 E 点结清, 达到均衡。 我们称 P 0 为市 场均衡价格, 是指这种商品 的需求价格与供 给价 格相一 致时的 价格。同样, Q 0 被称为市 场均衡 数量, 它是需求 量与供 给量一 致时的 商品 数 量。E 点则称为市场均衡点。

图 3. 3　 某商品煤的供给曲线

图 3. 4　 市场均衡的决定

同样也可以用列表的方法来说明均衡价格的形成。 表 3. 3　 某商品煤的供求均衡表 供　 给　 量

价　 　 格

需　 求　 量

5. 0

20

110. 0

46. 0

40

90. 0

77. 5

60

77. 5

100. 0

80

67. 5

115. 0

100

62. 5

122. 5

120

60. 0

　 　 在上 表中, 当 价 格低 于 60 时, 需 求量 大 于供 给量, 这 时价 格必 然 上升; 当 价格 高于 60 时, 需求量小于供给量, 这时价格必然下降; 只有当价格等于 60 时, 需求量等于供给量, 这时 才能实现均衡, 均衡价格为 60, 均衡数量为 77. 5。 市场均衡是通过市场供求之间的相互作用, 自发调节而形成的, 一旦市场价格背离均衡 价格, 则有自动恢复均衡的趋势。我们可以用图 3. 5 来说明。当市场价格高于均衡价格时, ・ 7 2・

如 P 1 > P 0 , 在 此 价格 水平 上供 给量 大 于需 求量, 即 QL > Q K , 市场出现商品过剩( K L ) ; 于是生产者 被迫降低价格刺激需求, 并同时减少供给量, 直至 市场价格等于均衡价格 P 0 时供求达到均衡。当市 场价 格低 于均 衡价 格 时, 如 P 2 < P 0 , 此时 需求 量 大 于 供给 量, 即 Q N > Q M , 市 场 出现 商 品 短缺 ( M N ) ; 这时价格将自动上升, 一方面 抑制需求, 一方 面刺激生产, 最后达到均衡价格 P 0 为止。 这就 是在 短期 中, 在 其他 条件 不变( 即 供、需

图 3. 5　 均衡价格的形成

曲线不变) 的情况下, 均衡价格的形成过程。它是 一个自动调节过程, 被称为“一只看不见的手”在指挥着整个市场活动。这种市场自动调节就 叫做市场机制或价格机制。 如果已知需求函数 Q D = A- BP , 及供给函数 Q S = C+ D P , 供求均衡的条件是: QD = QS 由此我们即可求得均衡价格及均衡数量为: P 0=

A- C B + D

Q0 =

A D + BC B+ D

　 　 但是在长期中, 由于其他因素的变化, 如收入的变化, 或消费者嗜好的变化, 会引起整个 需求曲线的移动, 称之为需求变动; 同样, 生产中技术的进步或成本的变化, 会引起整个供给 曲线的移动, 称之为供给变动。当需求和供给单独或共同发生变动时, 市场均衡也就会发生 变动。 图 3. 6 分别说明需求和供给的变动对均衡的影 响。图中 D 0 与 S 0 是原来的需求曲线与供给曲线, 它 们 交 于 E 0 点, 决 定 了 均 衡 价 格 为 P 0 , 均 衡 数 量 为 Q 0 。当 需求曲线由 D 0 移至 D 1 时, 意味 着需求的 增 加, 这时 D 1 与 S 0 交 于 E 1 点, 形 成了 新的均 衡价 格 P 1 和均衡数量 Q 1 。显然 P 1 > P 0 , Q 1 > Q 0 , 这说明需 求的增 加会引起 均衡 价格及 数量 的同 方向增 加, 反 之则会 引起它 们的同向 减少。如果 需求 保持 D 0 不 变而供 给曲线由 S 0 移 至 S 1 , 这意味着 供给的 增加,

图 3. 6　 供求变动对均衡的影响

这时 D 0 与 S 1 交于 E 2 点, 又形成新的均衡 价格 P 2 。 由图可见 P 2 < P 0 , Q 2 > Q 0 , 这说明 供给的增 加会引 起均衡价 格下降, 均衡 数量增加, 或者 说 供给的变动会引起均衡价格的反向变动, 均衡数量的同向变动。 如果需求与供给同时变动, 则要视其变动的方向及幅度来判断均衡点的变动, 这里不再 赘述。

・ 7 3・

4. 需求与供给弹性 在其他条件不变的情况下, 价格的变动会引起需求量( 或供给量) 的变动, 但是不同的商 品其量的变动幅度与价格变动幅度的相对比例是不同的。弹性理论正是用来研究这种差异 的。 需求弹性包括需求的价格弹性, 需求的收入弹性和需求的交叉弹性, 分别表示某商品需 求量变动与 其价格、收 入和其他商品价 格变动之间 的关系。其 中最重 要的是需 求的价格 弹 性, 有时简称之为需求弹性。 ( 1) 需求 的价格弹 性是用 来衡量需 求量变 动对价格 变动的反 应程度, 它用 需求的价 格 弹性系数( 简称需求弹性系数) 来表示。需求弹 性系数( ep ) 是需求量变 动的百分比与价 格变 动的百分比之比值, 即: ep =

- Q D 变动百分比 - ΔQ/ Q P - dQ P = ¡¤ = ¡¤ P 变动百分比 ΔP / P Q dp Q

　 　 由于价 格与需求量呈反 向变动, 因 此需求弹性 系数一 般为负值。 但为了便 于记忆与 理 解, 将负值变为正值, 式中的负号就是起这个作用的。 对于不同的商品来说, 需求弹性是不同的。如果需求量的变动百分比( ΔQ / Q ) 大于价格 的变动 百分比( ΔP / P ) , 即 ep > 1, 我们 称这种商品富有 弹性。一般来讲, 奢侈品 是富有弹 性 的, 价格稍有变动, 需求量就会有较大的变动。其需求曲线比较平坦, 如图 3. 7( a ) 所示。

图 3. 7　 各种不同的需求价格弹性

研究需求的价格弹性, 目的是研究价格变动对消费者支出( 即生产者收入) 的影响。 如果某商品的需求有弹性( 如一般奢侈品) , 一次性降价会导致购买量相对大的增加, 因 此消费者在该商品上的支出将增加, 这意味着生产者的收入会增加。这是因为生产者收入 R = P Q, 收入与价格的变化关系是: R Q = Q + P ¡¤ P P = Q 1+

P Q Q P

= Q( 1 -

ep )

　 　 当需求富有 弹性, ep > 1, 因此 R / P < 0, 则表示生产者 收入与价格成反 向变动关系, 降 价会增加生产者收入, 涨价会减少生产者收入。从图 3. 7( a ) 上也可看出, 当 P 2 < P 1 时, 销售 收入 0 Q 2 L P 2 要大于 0Q 1 K P 1 , 从两个阴影部分的比较即可知道。 同样道理, 对于必需品, 需求缺乏 弹性, 即 ep < 1, 故 R / P > 0, 生 产者收入与价格 同向 ・ 7 4・

变化。因此, 涨价引起收入增加, 降价引起收入减少。显然, 若 ep = + 1, R / P = 0, 对这种商 品价格的变动不会引起收入的增减。此结果可以用表 3. 4 表示。 表 3. 4　 价格、弹性及销售收入之间的关系 ep

R P

> 1

= 1

< 1

↓

↑

—

↓

↑

↓

—

↑

　 　 注 : ↑ 表 示上 升　 ↓ 表 示下 降　 — 表示不 变

( 2) 需求的收 入弹性是反映需 求量变动对收入 变动的反应程度。收 入的弹 性系数( ey ) 定义为需求量变动百分比与收入变动百分比的比值, 即: ey =

ΔQ/ Q ΔQ Y dQ Y = ¡¤ = ¡¤ ΔY/ Y ΔY Q dY Q

　 　 其中 Y 为收入。由于收入与消费需求成同方向变动, 因此收入弹性系数一般为正值。下 面分三种情况来说明: 若 ey > 1, 这说明 需求量变动比收 入变动更 快, 这 种商品 叫高级品; 若 0< ey < 1, 这说 明 需求量变动比收入变动要慢一些, 这种商品叫必需品。以上两种商品统称为正常品, 因为它 们的收入弹性均大于 0, 即: Q > 0 Y 　 　 另外有一 种商品称劣等品, 其特征是 当收入增 加, 需 求量反而 减少, 即需求 量与收入 成 反向变动关系, 故有 Q / Y< 0, ey < 0。 ( 3) 需求的交叉弹性是用来衡量其他商品价格 变动所引起的某商 品需求量变动的 反应 程度。交叉弹性系数定义为某商品需求量变动百分比与另一种商品的价格变动百分比的比 值, 即: e1 2 =

ΔQ 1 / Q 1 ΔQ 1 P 2 dQ 1 P 2 = ¡¤ = ¡¤ ΔP 2 / P 2 ΔP 2 Q 1 dP 2 Q 1

　 　 其中 e1 2 称为第一种商品对第二种商品的交叉弹性系数。 如果两种商品 之间可以互相替 代, 如煤 和石油, 则一 种商品价 格的上 升, 会 引起其本 身 需求量的减少, 从而使另一种商品的需求量增加。因此有 Q 1 与 P 2 同向变动, 故 e 12 > 0。 如果两种商品 是互为补充的关 系, 如汽 车与汽 油, 则 一种商品 价格的 上升, 会引起其 本 身及另一种商品的需求量同时下降。这时有 Q 1 与 P 2 反向变动, 故 e12 < 0。 如果 e1 2 = 0, 说明一种商品价格的变化 对另一种商品的 需求量没有影响, 则它们是 互相 独立的。 ( 4) 供给弹性 供给弹性是指供给的价格弹性, 即用来衡量价格变动所引起的供给量变动的反应程度。 供给弹性系数是供给量变动百分比与价格变动百分比的比值, 即: eS =

ΔQ/ Q ΔQ P dQ P = ¡¤ = ¡¤ ΔP / P ΔP Q dP Q

　 　 这里 Q 代表供给量。 ・ 7 5・

供给量与价格总是同方向变化的, 因此供给弹性系数总为正值。若 es > 1, 说明供给富有 弹性, 供给量变化 幅度较 大; 若 es < 1, 则供给 缺乏弹性, 供给 量变化 幅度不大, 属紧 俏商品; 若 es = 1, 该商品具有单位供给弹性。 影响商品供给 弹性的因素, 就短期来讲, 与 商品生产 的难易程 度有关, 如劳 动密集型 产 品其生产规模 变动容易, 供给弹性就大; 而资本 密集型产 品的生产 规模变 动较难, 供给弹 性 就小。 5. 政府对价格的控制与调节 虽然市场价格可以由供求双方均衡来决定, 但实际上, 政府经常根据形势需要或既定政 策, 运用行政权力对商品价格进行直接或间接的控制。直接控制包括固定价格和浮动价格两 种, 而后者又包括规定最高价格、最低价格及浮动范围。间接控制包括对销售征税或补贴。 固定价格, 就是政府对某 些商品直接规 定一种 价格, 买卖双方 都必须 接受, 没有任何 伸 缩余地。 最高价格, 亦称限制价格, 是政府 规定的某 些商品的 价格上限, 目 的在于把 价格压到 均 衡价格以下, 抑制价格的暴涨, 特别在战争时期或必需品短缺时期。由于价格的限制, 会出现 过多需求, 短缺现象严重, 政府可以采用配给制。这时市场上必然会出现抢购或“黑市”, 黑市 价格将大大高于限制价格。如图 3. 8( a ) 所示, P 1 是限制价格, ( Q 1 - Q 2 ) 是市场短缺, P 2 是黑 市价格。

图 3. 8　 最高、最低价格控制

最低价格, 也称支持价格, 是政府 规定的某 些商品的 价格下限, 目 的是使价 格保持在 均 衡价格以上, 以扶植某些行业( 如出口行业) 的发展。如图 3. 8( b) 所示, P 1 为支持价格, 市场 上必然存在供给过剩( Q 1 Q 2 ) , 均由政府购买作 储备、出口 或外援。当然, 政府亦可同时 作某 些产量限制, 以平衡供求。 从发挥市场价 格机制的角度看, 政府在价 格上的 任何限制 可能不 如多用些 其他经济 杠 杆来调节供求关系为好。对价格的直接控制应该逐渐为间接控制或不控制所替代。 所谓对价格的 间接控制, 是指在市场供 求均衡 的基础上, 政府 运用税 收或补贴 政策, 来 影响市场供求, 以满足经济形势或政策的需要。 下面用数值例子来说明政府对销售单位商品征税或补贴的政策对市场供求的影响。假 设某商品的市场供求函数分别为: Q D = 11000 ・ 7 6・

1000P

Q S = 2000 + 2000P 　 　 在 政 府干 预 之 前, 供求 均 衡 时 QD = QS , 可 求 得 P 0 = 3( 价 格 单位 ) , Q 0 = 8000( 数 量 单 位) 。 如果 政府对 每单 位售量 征税 1 元, 这样 对生 产者 来讲, 相当 于提 高了 1 元 钱的 单位 成 本, 因 此他必定会减少生 产、减少 供给; 而对 消费者 来讲, 在供给量 减少的 情况下, 需求价 格 必定上升。如图 3. 9( a ) 所示, D 0 , S 0 为原来的供求曲线; P 0 、Q 0 为原来的均衡点, S 1 为征税以 后的供给曲 线, P D 为征税后的需 求价格, Q 1 为征税 后的供给 量。 Q1 、Q 0 的差别 完全是税 收 引起的, 当供给量在 Q 1 水平上供给价格 将为 P S , 那么 P D 与 P S 的差 就应该等于税 收额, 即 P D - P S = 1 或 P S = P D - 1, 将此式代入上述供求函数可得: Q D = 11000 -

1000P D

QS = 2000 + 2000P S = 2000 + 2000( P D -

1)

　 　 利用均衡条件可求得 P D = 3. 67, P S = 2. 67, Q 1 = 7330。与原 来均衡点相比, 1 元钱 的税 收中, 消费 者承担 了 0. 67 元, 生产者 承担了 0. 33 元。 图 3. 9( a ) 中阴影 部分 1 为消 费者 损 失, 阴影部分 2 为生 产者损失。实际上政 府的收益仅为 P D P S F 1 E 1 , 而 ΔE 0 E 1 F 1 则为纯 社会 福利损失。政府补贴的情况正好与之相反, 见图 3. 9( b) 。

图 3. 9　 税收、补贴对价格的影响

理论上可以证明, 消费者与生产者分别从税收( 或补贴) 中所承担( 或获利) 的份额之比, 正好等于该商品的需求弹性与供给弹性绝对值之比的倒数, 即: 消费者承担( 或获利) 份额 es = 生产者承担( 或获利) 份额 ep 　 　 在上例中, 我们已知 P 0 = 3, Q 0 = 8000, 因此可以求得需求弹性及供给弹性分别为: ep = es = 因此,

-

dQD P 3 = + 1000 ¡¤ = + 3/ 8 dP Q D 8000

dQ s P 3 = 2000 ¡¤ = 3/ 4 dP Q s 8000 es / ep = +

3 4

3 = 2 8

可见, 前面分析计算的结果与此结论是一致的。

・ 7 7・

3. 1. 2　 生产理 论 生产理论研究生产者的行为。生产者即是企业, 是能够独立作出生产决策的经济单位, 包括独资企业、合资企业和公司企业。在生产理论中, 假设企业的目的是实现利润最大化, 也 可以说是在一定的产量下实现成本最小, 或者在一定的成本下达到产量最大。 这里我们主要 研究两个问题, 一是产出 与投入 的关系问 题, 即 生产函 数; 二 是生产中 的 成本问题, 即成本函数。 1. 生产函数 生产是使用各种生产要素以产出产品的过程, 即把投入变为产出的过程。 生产函数表示投入与产出之间的关系, 它表示在一定的技术条件下, 任何一种投入的组 合所能生产的产量。如果以 Q 代表产量, 以 L 代表劳动投入, K 代表资本投入, N 代表土地, E 代表企业家才能, T 代表技术水平, 则生产函数可表示为: Q = f ( L, K , N , E , T ) 　 　 一般来讲, 在其他条 件不变的情况下, 产量 与劳动及 资本有更 加密切 的关系, 因此生 产 函数往往用下式表示: Q = f ( L, K ) 　 　 在生产过程中, 各生产要素之间的配合比例称为技术系数。如果某商品的生产所需要的 各种生产要素之间的配合比例是不能改变的, 则称之为固定技术系数, 这种生产函数称为固 定比例生产函数。如果某商品的生产所需要的各种生产要素的配合比例可以改变, 即要素之 间可以互相替代, 则称之为可变技术系数, 这种生产函数称为可变比例生产函数。 ( 1) 短期生产函数 假定其他投入要素( 包括资本在内) 均不变, 只变动一个投入要素 —— 劳动, 此时生产函 数表示为 Q = f ( L ) , 称为短期生产函数。下面来研究 L 的变动对产量的影响。 图 3. 10( a ) 中曲线 T P L 代表了一条从实 际 中观 测 得出 的总 产量 ( T P L , 即 Q ) 与 可 变 投入劳动之间可能的关系。总产量在 P 1 点以 前( 可 变投 入 小 于 L 1 ) , 以 递 增 的 速 率增 加, 在 P 1 点以后则以递减的速率增加; 总产量在 P 3 点达到最大, 在 P 3 点以后开始下降。 总产量曲线上任何一 点的平均 产量 ( A P L ) 等 于 总产 量 与 相 应 的 劳 动 投 入 之 比 ( T P L / L ) , 即等于该点与原点连线之斜率。由 图 3. 10( a ) 可知; AP L 1 =

P 1L1 P 2L2 , AP L 2 = , 0L 1 0L 2

P 3L 3 分 别 是 P 1, P 2, P 3 点 的 平 均 产 0L 3 量, 其中 以 AP L 2 为最 大, 因 为连 线 0 P 2 斜 率

APL3 = 图 3. 10　 总产量、产量及边际产量之间的关系

・ 7 8・

最大。可见平均产量在 P 2 点以前随投入的增

加而增加, 过了 P 2 点以后随投入的增加而减小, 其形状如图 3. 10( b) 中 AP L 曲线所示。 所 谓 边际 产量( MP L ) , 等于 总产 量对劳 动投 入的 变化率 ( dT P L / dL ) , 即 等 于总 产量 曲 线上任何一点的切线斜率。由图 3. 10( a) 可知, 在拐点 P 1 之前切线斜率由零达到最大, 这说 明边际产量从 零增加到 P 1 点 时达到最大; 过 P 1 点后 开始下降, 到 P 2 点时切线 与射线正 好 重合, 这说明在 P 2 点边际产量正好等于平均产量; 过 P 2 点后切线斜率小于射线斜率且继续 下降, 到 P 3 点时达到零, 边 际 产量 等于 零; 过 P 3 点 后切 线斜 率 为负, 即 边际 产量 为负。 图 3. 10( b) 中的曲线 MP L 表示了边际产量的变化情况。 根据以上分析, 可以把生产分为三个不同阶段, 如图 3. 10( b) 所示。 第Ⅰ阶段( OL 1 ) , 即边际产量递增阶段。在这个阶段内, 总产量以递增速率增加, 平均产 量与边际产量均递增, 且后者比前者递增得更快。这是因为在短期内资本固定不变, 而当劳 动投入过少时, 会使固定 投入不能充分发 挥作用, 使用效 率不高; 而随 着变动投 入的增加 可 以逐步提高效率与产量。 第Ⅱ阶 段( L 1 L 3 ) , 即边际产 量递减 阶段。在此 阶段内, 总产量 以递减 速率增加, 直至 最 大; 边际产量从最大逐渐递减至零; 平均产量先是递增至最大, 然后开始递减。这是因为, 当 劳动人数达 L 1 时, 已经能有效地发挥劳动投入的作用( 此时 MP L = dT P L / dL 达最大) , 继续 增加劳动人数使人均固定资产减少, 以致生产效率下降, 边际产量必然逐步下降。不过此时 总产量一直还在增加, 因为边际产量大于等于零。 第Ⅲ阶段是边际产量小于零的阶段, 在这个阶段内, 总产量与平均产量均不断下降。这 是因为劳动投入超过 L 3 后, 人数过多, 人浮于事, 彼此干扰, 反而妨碍固定投入的有效利用。 显然, 任何企业决不会在 第Ⅲ阶段进行 生产, 而且也 不会停留 在第Ⅰ 阶段, 因此生产 必 然在第Ⅱ阶段进行。 但是, 在生产的第Ⅱ阶段中, 劳动投入究竟为多少才能使利润最大呢? 这时必须引入市 场价格和生产成本, 同时考虑劳动的边际产值和边际成本。 劳动 的边际产 值( VMP L ) 是 劳动的 边际产量 的价值, 即 增加 单位变 动投 入所增 加的 产 值, 它等于边际产量与产品市场价格( P X ) 的乘积: VM P L = M P L ¡¤P X 　 　 劳动的边际成本( M CL ) 是指每增加一个劳动力所增加的成本, 即等于其市场价格( 或工 资 ω) : M CL = ω。而产品的边际成本( MC X ) 则是增加单位产品增加的成本, 它等于劳动 的边 际成本除以劳动的边际产量: MC X =

MC L ω = MP L MP L

　 　 如图 3. 11 所示, 曲线 VT P L 代 表劳动的总产值, 曲线 T C L 代表 劳动的总成本。当 利润 达到最大( πm ax ) 时, 必 要 条 件 是 劳 动 的 边 际 产 值 等 于 其 边 际 成 本, 即 等 于 其 市 场 价 格 ( 工 资) : VM P L = M CL 或

MP L ¡¤P X = ω

　 　 我们也已知 M C X = ω/ MP L , 即 ω= M P L ・MC X 。将此式代入上式可得: P X = M CX 　 　 可见, 当利润达到最 大时, 必 要条件的另一 个表达方 式是, 产品的 边际成本 必须等于 其 ・ 7 9・

市场价格。 ( 2) 长期生产函数 如果说有一个变动投入的生产反映了短期内固定资产不变的情况, 那末从长期来看, 固 定资产和劳动均可变动, 即整个生产规模可以变动。这时生产函数可表示为 Qf ( L , K ) , 称为 长期生产函数。 如果劳动与资本可以互相替代, 则产量是三维空间中的连续曲面。而曲面上产量等高线 在 L －K 坐 标平面内的投影 则称为等产量线, 如图 3. 12 中 Q 1 , Q 2 …所示, 而一簇等产量 线又 形成该生产函数的等产量图, 显然, 右上方向是产量增加的方向。

图 3. 11　 最优变动投入的决定

图 3. 12　 典型生产函数的等产量图

等产量线反映的是这样一个事实, 即生产相同的产量可以有各种可能的不同投入组合。 这里隐含的假设是投入和产出均无限可分, 而且投入之间可以互相替代。 所谓互相替代, 就是为了 维持产量水平 不变, 一种投 入可以代 替另一 种投入; 或者说 增 加一种投入就可以相应减少另一种投入。两个可变投入之间的互相替代程度与应用的生产 技术有关, 即与生产函数( 等产量线形状) 有关。 两个可变投入之间的技术替代程度, 用边际技术替代率( M R T S ) 来表示, 即: MR TS = ( L 对K )

ΔK = ΔL

dK dL

也就是说, 在等产量线上任一点的 MR T S, 可以用该点斜率来表示, 如图 3. 12 中 M 点。 我们已知劳动的边际产量为 M P L = Q / L , 同理, 资本的边际产量 可表示为 MP K = Q / K 。在同一条等产量线上, 即使 L 、K 变动, 产量保持不变, 即 dQ = 0。我们知道: Q dL + L

dQ=

Q dK K

= M P L dL + MP K dK = 0 故得 -

MP L dK = dL MP K

因此我们得到劳动对资本的边际 技术替 代率 等于二 者边 际产 量之比 ( f L 、f K 分别表 示生 产 函数对 L , K 的偏导数) , 即: ・ 8 0・

M RT S =

MP L fL = MP K fK

　 　 边际技术替代率符合递减法则, 这是因为沿等产量线其斜率是不断变小的。等产量线的 曲率越大, 边际技术替代率下降越快; 反之亦然。边际技术替代率下降的速度, 反映了两种投 入彼此能够替代的程序。如果两种投入互为完全代替品, 则任何程度的替代都能维持同一产 量, 边际技术替代率保持不变, 等产量线为一直线, 如图 3. 13( a ) 所示。如果两种投入完全不 能代替, 则任何程度的替 代都不能维持同 一产量, 边际技 术替代率 无法确 定, 等 产量线为 一 条直角线, 如 图 3. 13( b) 所示。这两种等产 量线反映了两种 特殊的生产函数, 而常见的 生产 函数则是凸向原点的曲线, 如前面所示。

图 3. 13　 两种特殊生产函数的等产量图

既然生产相同的产量可以有各种不同的投入组合, 其中必有一最优的投入组合, 使生产 成本最小或利润最大。 如果仍以 ω代表劳动力价格, 以 r 代表资本价格, 则生产成本方程为: C = ωL + r K 这对企业来讲, 也叫成本限制线或等成本线, 只要 r , ω已定, 方程代表 K －L 坐标面上的 一簇 平行直线。 知道了生产函数和等成本方程后, 即可以求出投入的最优组合, 或称生产均衡点和利润 最大点。下面我们从不同角度来分析这个问题。 1) 一定产量下成本最小的投入组合 假定产量既定为 Q 0 , 即等产量线已定, 如图 3. 14( a ) 所示, 同时 C 1 、C 2 、C3 分别为三 条等 成本线。显然 C1 无法达到 Q 0 的产量水平; 而 C 3 可以达到 Q 0 的产量水平, 但成本较高, 企业 完全可以调整投入组合, 降低成本, 并维持同样产量水平; 只有当等成本与等产量线相切时, 才能达到该产量下成本最小, 也就是利润最大。切点代表了投入的最优组合。因此, 一定产 量下成本最小的条件是, 等产量线的斜率与等成本线的斜率必须相等。 用数学公 式表示, 即 已知产量 Q0 = f ( L , K ) , 成本 C = ωL + r K , 为使 成本最小, 利用 条 件极值拉格朗日算法有: Z = ωL + rK + λ[ Q 0 - f ( L , K ) ] Z = ωL

λ fK = 0

( 3. 1)

Z = rK

λ fK = 0

( 3. 2) ・ 8 1・

Z = Q0 λ

f ( L, K ) = 0

由式( 3. 1) 、( 3. 2) 即可得 Z 极小、则成本极小的条件是: fL MP L = = MR T S = fK MP K

ω r

它就是上述斜率相等极值条件的数学表达。 2) 一定成本下产量最大的投入组合 上述问 题的对偶问题, 则是成本既 定为 C0 , 求 产量最大。 如图 3. 14( b) 所 示, Q 1 、Q1 、Q 3 分别代表三条不同水平的等产量线。在成本既定的情况下, 显然 Q 3 达不到, 而 Q 1 是可以达 到的产量水平, 但不是最大产量。企业可以适当调整投入组合, 在不增加成本的情况下提高 产量。只有当产量提高到 Q2 时, 等产量线与等成本线相切, 说明产量达到了最大, 该切点就 是投入的最优组合点。

图 3. 14　 成本最小( a ) 与产量最大( b)

从数学上看, 我们已知: max Q = f ( L , K ) 满足条件

C 0 = ωL + rK

利用拉格朗日算法有: V= f ( L , K ) - μ( C 0 -

ωL - r K )

V = f L

L

-

μω= 0

( 3. 3)

V = f K

K

-

μr = 0

( 3. 4)

V = C 0 - ωL - r K = 0 μ 由( 3. 3) 、( 3. 4) 两式即可得 V 最大, 即产量最大的条件是: fL = fK

ω r

可见与前面结论完全一致。 综上所述, 生产者均衡( 即利润最大) 的条件可以表述为, 劳动对资本的边际技术替代率 必须等于劳动与资本价格之比。

・ 8 2・

2. 成本函数 成本也称为生产费用, 是生产中使用各种生产要素的支付费用。成本函数是指生产费用 与产量之间的函数关系。成本可分为总成本( T C ) , 平均成本( AC ) 和边际成本( MC ) 。总成本 是指生产一定产量产品所消耗的全部成本, 平均成本是指单位产品所消耗的成本, 边际成本 是指每增加一单位产品所增加的成本, 它们之间的关系可表示为: AC =

TC Q

MC =

dT C dQ

　 　 根据生产的时期性, 成本又可分为短期成本和长期成本。在短期内, 企业来不及调整其 固定 资产( 包括 设备、厂 房等) , 只能调整某 些可变投入( 如劳 动力) 来适应 产量的变 动需要, 所以短期成本包括固定成本与可变成本。而在长期内, 企业可以根据其产量要求来调整其余 全部生产要素, 即固定资 产、生产 规模也可以改 变, 因 此长期成 本中就 无固定成 本与可变 成 本之分。下面我们分别来研究它们的特性。 ( 1) 短期成本函数 短期内, 固定资产 K 0 固定, 产量可表示为劳动的函数 Q = f ( L ) 。毫无疑问, 劳动也可表 示为产量的反函数 L = ( Q ) 。已知成本方程是 C = ωL + rK , 于是便可以得到短期成本 函数 是: T C = ω ( Q) + r K 0 其中 rK 0 是固定成本( F C) , ω ( Q) 是可变成本( VC) 。因此有: T C = VC + F C 　 　 图 5. 15( a ) 表示 短期内总成 本与固定 成 本、可 变成本之间的关系, 曲线 VC 向上 平移 一个垂直距离 F C 即得曲线 T C。 根据前面平均成本之定义, 可得: AC =

TC VC + F C = = A VC + A F C Q Q

可见平均成本亦可分为平均可变成本和平均 固定成本两部分。 平 均固 定 成 本 AF C= F C/ Q, 是 产量 Q 的反 比函 数, 因此是 一条 直角 双曲 线。如 图 3. 15( b) 所示曲线 AF C。 平均 可 变 成本 AVC = VC / Q , 一 般 是 U 形 曲 线, 如 图 3. 15 ( b) 所 示, 它 包 含 递减、递 增和最低阶段。在平均可变成本递减阶段, 随 图 3. 15　 短期成本曲线

着变 动投入 的增 加, 可以越 来越 充分 发挥 固 定投 入及其 本身 的效率, 从 而使 平均 产量 上

升, 平均可变成本便下降。当平均可变成本达到最低点后便进入平均可变成本递增阶段, 这 ・ 8 3・

是因为继续增 加可变动投入, 变动成本的 增加超过 了产量的 增加, 因此单 位可变成 本上升。 从图 3. 15 可 见, 平 均可变 成本曲线 的最低点, 是 总可变成 本曲线上 与射线 相切的 点 A 2 , 即 在产量水平 Q 2 上。 平 均固定成 本曲线 与平均可 变成本线 的叠加, 即得 平均成本 曲线, 如图 3. 15( b) 中 AC 曲线。它一般也是 U 形, 但曲率与 AVC 不完全相同, 且它的最低点是 在射线与总成本 曲线 相切的点 A 3 上, 即在产量水平 Q 3 上。 边际成本是每增加一个单位产量所增加的成本, 因此为: MC =

dT C dVC = dQ dQ

这是因为总成本曲线( T C) 与可变成本 曲线( VC) 的曲率完全一样, 前者是后 者的向上平移, 因此 相同产 量点上的 斜率一定 相等。如图 3. 15( b) 中 MC 曲线所 示, 边际成 本曲 线也呈 U 形。在总成 本曲线的拐点( Q1 ) 以前, 曲线的斜率 递减, 故边 际成本递 减; 在 Q 1 点, 边际成 本 达最小, 随后进入边际成本递增阶段。 综上所述, M C 曲线与 AC 曲线相交于 A C 曲线的最低点( B 3 ) , 在相交之前, 边际成本小 于平均成本; 之后, 边际成本大于平均成本。交点 B 3 是企业的收支相抵点, 如果价格等于平 均成本, 企业则不存在超额利润。同样, M C 曲线与 AVC 曲线相交于 A VC 的最低点( B 2 ) , 交 点之前边际成本小于平均可变成本, 交点之后边际成本大于平均可变成本。交点 B 2 是企业 的停止生产点, 如果价格低于此点, 不但固定成本收不回来, 连可变成本也收不回来, 因此企 业不会再生产。 ( 2) 长期成本函数 在长期中, 一切投入要素均可变动, 企业可以根据产量要求任意选择各种可能的工厂规 模和投入要素组合, 因此在长期中, 成本没有固定、可变之分, 只有总、平均和边际之分。 虽然企业在长 期中可任意选择 工厂规模, 但一 旦决定了 某一规 模, 它 便在短期 中经营。 因此可以说, 企业是在长期中计划, 在短期中经营, 故长期总成本曲线也叫计划成本曲线。既 然是计划成本曲线, 必定与各产量水平的最优成本点( 即利润最大点) 联系在一起。我们已知 在 一定的产 量水平 ( Q 1 ) 下, 最 优成本 点是 等产量 线与 等成 本线之 切点 E 1 , 如图 3. 16( a ) 所 示。如果产量水平( 即工厂规模) 变化, 则最优成本点也随之变化, 如 E 2 、E 3 , 将这些切点连接 起来就形成企业的长期生产扩张线。企业的长期总成本函数正是扩张线上的成本。对应于 不 同 产量 水平( Qｉ ) , 可 求得 不同 的 K , L 最优 组合 ( K ｉ, L ｉ ) , 也 就求 得了 不同 的 最低 总成 本 ( C ｉ= rK ｉ + ωL ｉ ) , 因此很容易得出长期总成本的轨迹( L T C) , 如图 3. 16( b) 所示。由图也可看 出, L T C 是各短期总 成本曲线( ST C ｉ) 的包络线, 其中 ST Cｉ 是对应于固定 资产 K ｉ 的短期 成 本曲线。 与总成本曲线一样, 长期平 均成本曲线( LA C ) 也是 各短期平均成本 曲线( SAC ｉ ) 的 包络 线, 分别与它们相切, 见图 3. 17 所示。实际上相当于各短期平均成本曲线最优点的轨迹。一 般而言, L AC 也是 U 形, 其最低点表明企业达到最优规模。在这之前, 企业平均成本随规模 扩大而递减, 企业处于规模报酬递增阶段; 在这之后, 企业平均成本随规模扩大而递增, 企业 处于规模报 酬递减阶段。可见长 期平均成本最 低点是规 模报酬不 变点, 也是企 业最适规 模 点。 长期边际成本也是每增加一单位产量所增加的成本, 不过在长期中, 在产量增加一单位 ・ 8 4・

图 3. 16　 长期总成本线与生产扩大线的关系

的前后, 投入要素始终保持 着最优组合。L MC 也是 一条呈 U 形的连续曲线, 它是特定 的工 厂规 模( 即特定 SAC 曲线) 下成本最 优的产量水平( 即 SAC 与 L AC 之交点 的产量) 所对 应 的短期边际成本( SM C) 曲线上点的联线, 如图 3. 17 所示。显然 L MC 通过 L AC 的最低点, 而且该点有 L AC = S AC 3 = L M C = SMC 3 。L M C 与 SM C 的关系是, 在它们相交点之前 L M C > S MC, 在它们相交点之后 L M C< S MC。

图 3. 17　 长期平均成本曲线

3. 1. 3　 市场理 论 市场是商品经济的核心, 是消费者和生产者共同决定价格和产量的场所。市场理论则是 研究在不同的市场结构下, 价格与产量的决定因素; 也可以说是供求法则在不同市场条件下 的应用。在传统计划经济体制下, 我国的商品经济极不发达, 市场也极不完善, 除少数零售商 业外, 实际上只存在国家的产品分配。这也是一种特殊的市场, 可称之为国家垄断市场。随 着改革开放, 我国开始实 行有计划的商品 经济, 各类市场 正在开始 形成和 发展, 因此对市 场 理论的研究具有现实的意义。 市 场结 构一 般分 为下 列 几 类: 完全 竞 争 市场, 完 全 垄断 市 场 ( 包 括 企 业垄 断 和政 府 垄 断) , 以及不完全竞争市场( 介于两者之间) 。不同市场类型的特点见下表: 事实上, 消费与需求构成了企业的收益, 生产与供给导致了企业的成本。因此, 对于所有 市场类型来讲, 价格与产量的决定主要取决于企业在不同情况下对收益与成本的比较。比较 的原则是经济效益最大, 即利润最大。 ・ 8 5・

表 3. 5　 市场的分类 类 特

型

完全竞争

不完全竞争

完全垄断

点

　 　 企业数目

　 　 　 很　 多

　 　 几个或较多

　 　 一个

　 　 产品品质

　 　 　 同　 质

　 　 有差异

　 　 实　 例

　 　 　 农产品市场

　 　 航空等大多

　 　 水、电、电话

　

　

　 　 数工业产业

　 　 盐、铁路等

　 　 一般来讲, 企业生产产品的总销售收入为 T R , 而总成本为 T C, 要使利润 π最大, 即: max π( Q) = T R ( Q) -

T C( Q)

其充要条件是: π′ ( Q) = T R ′ ( Q) - T C′ ( Q) = 0 所以有

M R = MC

因此可以说, 边际收入等于边际成本定理是整个市场理论的基础。在不同市场条件下, 企业 可根据该定理( 或称条件) 调整其生产规模, 以求最大利润。 1. 完全竞争市场 完全竞争市场, 是指竞争不受任何干扰的市场结构, 它必须符合下列条件: 1) 市场价格既定。市场上有很多生产者和消费者, 他们的销售量 或购买量都只占 市场 的很小份额, 他们各自的 行动都无法影响 市场的价 格, 因 此他们都 是既定 价格的接 受者, 而 不是决定者。 2) 产品质量相同。该市场上所有企业提供同一产品, 质量无差异。 3) 要素转移自由。所有投入要素( 包括企业本身) 可以自由进出市场。 4) 信息传递迅速。也就是说, 消费者和生产者都充分掌握各种信息, 特别是价格信息。 上述条件缺一不可, 否则就变成不完全竞争市场。 显然, 理想的完全竞争市场实际上是不存在的, 即使农产品市场也只是接近而已。但是 完全竞争市场是其他各类市场的理论基础, 因此, 需要对它首先加以研究。 ( 1) 完全竞争市场的需求曲线 在完全竞争市场上, 市场价格是由整个行业的供求关系所决定的, 企业只是价格的接受 者。在既定的价格水平 P 上, 企业的总收入为: TR = P q 　 　 其中 q 是企业的产量。由此可见, 企业的平均收入和边际收入都等于产品的市场价格, 即: AR = T R / q = P M R = dT R/ dq = P 图 3. 18 表示了企业总收入、平均收入和边际收入的关系。 对于单个企业而言, 它可以按照市场价格出售它愿意出售的任何数量, 也就是企业面对 一条具有完全弹性的需求曲线。这条需求曲线就是价格水平线, 亦就是它的平均收入及边际 收入曲线, 如图 3. 18 所示, 企业需求曲线 D = P = M R = AR 。 ・ 8 6・

( 2) 完全竞争市场条件下的企业均衡 在完全竞争市场中, 企业的均衡有短期与长期之分。 在短期内, 企业面对市场 需求的变动, 来不 及调整固 定资产的 投入, 只能在 一定范围 内 调整可变投入来调整其产销量, 以求利润最大。 根据前面企业利润最大原则, 即边际收入等于边际成本定理, 在商品的市场价格既定的 情况下, 只要知道企业的边际成本曲线, 便可求得企业利润最大的产量。如图 3. 19 所示, 水 平线是既定价格水 平, 亦即企 业的边际收入线, MC, AC 分别是企业的 边际成本和平均 成本 曲线。MC 与 M R 相交之点 E , 即为边际收入等于边际成本的点, 该点产量 q0 即为企业的均 衡产 量, 此 时企 业的 利润最 大, 那么 此时 利润 为多 少呢? 从 图 3. 19 可 知, 当企 业产 量为 q0 时, 其平均成 本在 G 点, 平均收 入在 E 点, 因 此此时最 大利润 为图中阴 影部 分 P E GK , 即 π = ( AR - AC) q0 = ( P - AC) q0 。

图 3. 18　 完全竞争下企业的收益曲线

图 3. 19　 完全竞争企业的短期均衡

根据边 际收入－边际成 本分析法 可知, 当市场 价格变动 时, 企业的均 衡产量将 沿其边 际 成本曲线而变动。因此可以说 MC 曲线是企业的短期供给曲线。但是这里有一个限制条件, 因为 我们前面 提到, 在 M C 曲线 上与 AC 曲线相 交点( F ) 是企 业的收 支平 衡点, 与 AVC 曲 线( 图 3. 19 中未画出) 相交点( N ) 是企业的停止生产点, 显然企业的短期供给曲线应该是 N 点右边的 M C 曲线。当价格高于 F 点时, ( P - AC ) 大于零, 企业有盈利, 如图中阴影部 分所 示; 当价格在 N 点与 F 点之间时, ( P - AC) < 0, 企业肯定有亏损, 但此时( P - AVC) > 0, 尚 可用来弥补部分固定成本的亏损, 只要仍然根据 P = MC 来决定产量, 能使亏损达到最小。 既然企业的短 期供给曲线是它 的向右上方倾斜 的 M C 曲线的 一部分, 那么 所有企业 的 供给曲线之和就形成了整个产业的短期供给曲线。 在长 期中, 企业 对所 有投入 均可 以调整, 只 有当 价格大 于平 均成 本时企 业 才会 进行 生 产, 否则企业将退出产业, 或者扩大其生产规模以降低其成本。 图 3. 20 表示一个企业在长期中的均衡调整。对于单个企业, 它仍然是市场价格的接受 者。设市场价格为 P , 并以短期平均成本代表工厂的规模。当企业规模为 S AC1 时, 均衡产量 为 Q 1 , 但此时 P < SAC 1 , 企业存在亏损, 它或者退出产业, 或者扩大规模以求生存。它可以扩 ・ 8 7・

大 到 任 意 一 个 规 模, 使 得 SAC ｉ < P , 就 可 以 获 取 相 当 的 利 润, 但 其 中 只 有 一 个 规 模, 如 S AC 4 , 使利 润最大, 这 是因为在此规模 下 SM C 4 = L MC = P , 既符合 M R = M C 定理, 又是 短 期与长期同时达到的最优。

图 3. 20　 企业的长期均衡

但是就整个产业而言, 如果所有企业都如上述企业那样扩大自己的生产规模, 同时因该 产业有超额利润吸引了其他产业中的企业纷纷转产, 这样必然造成该产业供过于求, 使市场 价格下跌, 于是所有企业又不得不重新调整自己的规模。很明显, 随着市场价格的下降, 可调 整范围越来越小, 直到价格水平达到 L AC 最低点时, 无论是企业还是整个行业, 既无超额利 润又无亏损, 这时就实现了整个行业的长期均衡。 因此, 在长期中企业只能 获得正常利润, 而 无超额利 润; 同 时企业 在平均成 本最低点 生 产, 资源得到了最有效的利用。 2. 完全垄断市场 完全垄断是指整个产业只有一家企业, 其产品没有任何替代品, 其它企业也难进入此产 业, 因此, 完全垄断企业能够操纵整个产业的产量和价格, 该企业就代表该产业。 形 成完 全垄断 的原 因主要 有: 一、 “自 然”垄断, 即 由于自 由竞 争的结 果, 某 个企 业效 率 高、成本低, 发展越来越大, 达到规模经济, 市场占有率极高, 直至完全垄断; 二、原料控制, 即 一个拥有或控 制全部原料的企 业, 拒绝出 售给其 它企业, 便形成 完全垄 断; 三、专利 权, 根 据 专利法, 发明者有使用自 己发明的方法进 行生产的 专利, 其它企业 不能无 偿使用此 成果, 发 明者在专利期 间可处于完全垄 断的地位; 四、政府特许, 一些 社会公 用事业如 电力、煤气、电 话等, 不便也不宜竞争, 政府给 企业授予市场特 许权, 由其独 家经营, 同时也 在某些 方面( 如 价格) 加以管制。 完全垄断市场在现实经济中也几乎是不存在的, 但对它们的研究也具有理论意义。 ( 1) 完全垄断市场的需求与收入曲线 由于完全垄断产业只有一个企业, 因此企业的需求曲线就是产业的需求曲线, 二者没有 什么区别。 与完全竞争的企业不同, 完全垄断企业是市场价格的决定者, 他要根据各种因素同时控 制产量和价格 这两个变数, 以求其利润最 大, 因 此, 研 究产量与 价格之 间的关系 是他的关 键 问题。在讨论此问题之前, 我们首先来讨论完全垄断企业的收入曲线。 完全垄断企业 的总收入、平均收入、边际收 入的含义 与完全竞 争的一 样, 但 其形状却 各 ・ 8 8・

不相同。图 3. 21 分别表示了完全垄断企业的 T R , A R 和 MR 曲线。 完全垄断企业 的总收入曲线, 由于价格 不是固 定的, 因此不是 一条右 上方倾斜 的直线, 而是一条如图 3. 21( a ) 所示的 曲线。当边际收入 分别为大于 0, 等于 0, 小于 0 时, 总收 入分 别是递增, 达到最大, 递减。 完全垄断企业 的平均收入曲线 是向右下方 递减的, 实际上 它就是 市场或企 业的需求 曲 线。因此, 完全垄断企业的平均收入曲线与边际收入曲线, 不像完全竞争企业那样是一条重 合的水平线, 而是两条都具负斜率的曲线, 且边际收入曲线一般在平均收入曲线之下。 如果完全垄断企业的需求曲线( 即平均收入曲线) 为线性, 即 Q = a - bP , 因此有: P =

a b

Q b

( 3. 5)

　 　 企业总收入为: aQ TR = PQ = b 故

MR =

dT R = dQ

a b

2

Q b

2Q b

( 3. 6)

比 较 式( 3. 5) , ( 3. 6) 可知, 边 际收 入曲线 的负 斜率( 2/ b) 是平均 收入 曲线 负斜率 ( 1/ b) 的 两 倍, 前者比后者更陡。 ( 2) 完全垄断企业的均衡 这里我们只研究该企业仅有一个工厂的情况。

图 3. 21　 完全垄断企业的收入曲线

图 3. 22　 完全垄断企业的短期均衡

一般来讲, 如果市场上其 他条件不变, 完全 垄断企业 面临一个 既定的 市场需求, 即需 求 曲线从而边际收入曲线为已知。在短期中, 企业可以在一定范围内调整可变投入以求利润最 大。一旦生产要素的投入规模确定, 企业便根据 M R = M C 的原理确定产量与价格。确定过 程如图 3. 22 所示。首先是以 MR 与 MC 两曲线的交点 E 确定均衡产量( Q 0 ) , 以此产量对应 于需求曲线上找到 A 点, 即可确定其价格 P 0 。当 Q< Q 0 , 有 M R > MC, 这说明增加产量利润 ・ 8 9・

会增加; 当 Q> Q 0 , 则有 M R < M C, 此时再增加产量反而会减少利润, 因此只有 Q0 才是 利润 最大时的产量。 企业究竟获利多少, 可以通过价格与平均成本比较来计算。如图 3. 22 所示, 均衡价格为 P 0 , 平均 成本为 AC ( 即 B 点 所示) , 则 单位超额 利润为 AB = P 0 - A C , 故 总利润为 P 0 AB F , 即: π= ( P 0 - AC) Q 0 如果 P 0 > AC , 则计算结果是企业所获得最大利润; 如果 P 0 < AC , 则计 算结果是企业负 担的 最小损失。 由此 可见, 对于 既定的市场需求 曲线, 完 成垄断企业 的供给“曲 线”只 是一个 点( A 点) 。 换句话说, 完全垄断企业无短期供给曲线。 在长期 中, 完 全垄断 企业 可以调 整其 整个企 业规 模, 仍然根 据 MR = MC 原理来 决定, 但此时均衡点必须处于长期边际成本曲线与短期边际成本曲线相交之点, 亦即要满足条件: M R = SM C = L M C 图 3. 23 表示完全垄断企业的长期均衡的决定。当规模为 SAC 1 时, 根据 MR = SM C 1 决定 P 1 与 Q 1 , 企业 有超 额利润 为 π1 ( P 1 A 1 B 1 F 1 ) , 但这 只是短 期的 最大 利润, 而不 是长 期的 最大 利 润。只有当企业将规模调整到 SAC 2 时, 这时有 M R = SM C 2 = LM C( 相交) , 并且有 S AC 2 = L AC ( 相切) , 由此决定的 P 2 与 Q2 才能使企业获得长期最大 利润 π2 ( P 2 A 2 B 2 F 2 ) 。当 Q < Q 2 时, M R> L M C, 说明增大规模尚有利; 当 Q> Q 2 时, MR < L MC, 说明增大规 模已无利, 因此 Q 2 是最优规模下的最优产量。 与完全竞争市场比较, 无论是在短期还是长期中, 完全垄断市场( 或企业) 总是以较高的 价格供给较少的数量。 如图 3. 24 所示, P c 、Q c 分别 表示完全竞争市场 的均衡价格与均 衡数 量; P m 、Q m 表示完全垄断市 场的均衡价格与 数量, 因此 有 P c < P m , 而 Q m < Q c 。可见完 全垄 断对消费者乃 至整个经济极为 不利, 对消 费者而言, 存在 消费福利 的损失, 因为 数量少不 能 充分满足需要, 而且价格偏高; 对整个经济而言, 使资源得不到充分利用, 而且由于没有竞争 对手, 技术进步动力不大。

图 3. 23　 完全垄断企业的长期均衡

图 3. 24　 完全垄断与完全竞争的比较

下面通过一个实例来看一下完全竞争企业与完全垄断企业在产量与价格的决定上的差 别。 令某企业在 AC= M C= 5 条件下进行生产, 该企业面对的市场需求为 Q= 53- P 。在两 ・ 9 0・

种不同的条件下, 分别计算企业的最大利润, 及其产量与价格。 已知

AC = MC = 5, Q D = 53- P

在完全竞争条件下, MR = P c = MC 　 　 　 　 Q c = 53- P c = 48 πc = 0 在完全垄断条件下, P = 53 -

Q　 　 　 　

R = P Q = 53Q - Q 2 M R = 53 因为

M R = MC

所以

53 -

2Q

2Q = 5

Q m = 24 P m = 29 πm = ( P - A C) Q = ( 29 -

5) 24 = 576

　 　 结果见图 3. 25 该 例表示了一个具有 柯布－道 格拉 斯生产 函数的企 业, 长 期处 在两种 不同 市场条 件下 企 业的不同行为, 差别显然是十分明显的。 3. 不完全竞争市场 前面关 于完全 竞争 与完全 垄断 市场 的分析, 都 是 纯理论的分析。在现实经济生活中, 大部分商品市场上 既存在竞争因素, 又存在垄断因素, 这种市场称为不完 全竞争市场。由此可见, 不完全竞争市场是介于完全竞 争与完全垄断之间的, 并在市场经济中居于主导地位。

图 3. 25　 完全竞争与完全垄断条件下 企业产量与价格决定的比较

不完全竞争市场具有以下特征: ( 1) 一切 同类商品 之间都 存在差别, 虽相 近又不 相同, 虽可以互 相替代, 但又 不能完 全 替代。正因为商品有差别, 不能完全替代, 造成了竞争的不完全性, 使市场形成一定程度的垄 断; 但 商品彼此尚可以替 代, 又使 生产者无法 形成真正 的、长 期的垄 断, 竞 争势在必 行, 有 时 甚至相当激烈。 ( 2) 市场上有相当多的企业, 他们对市场施加有限的影响, 但彼此独立, 互不依存。每个 企业既是垄断者又是竞争者。 ( 3) 在该市场上资金运动没有多大限制, 企业进出市场比较容易。 根据上述特征, 不完全竞 争市场普遍存 在于城 市的各种 零售业、手工 业、修 理业等行 业 中。其中关键是商品的差别, 它使消费者形成选择某种牌号或某个产地的倾向。当然, 这种 倾向只允许在一定价格水平之间存在, 超出此水平消费者就会转移他的偏好, 因为商品之间 又可以替代。 不完 全竞争 对消 费者来 讲是 有利 的, 在 一定 价格 水平上, 消 费者 对商品 的 选择 余地 较 ・ 9 1・

大, 可以在多种差别的商品中选择功能最佳的商品, 因此消费需求的满足程序最高。对于企 业来讲, 也能依靠自己的经营策略, 产品的更新换代, 以及技术进步来获取更大的收益。 因此, 不完全竞争企业在 市场上除了价 格竞争 以外, 还面临质 量竞争 和广告竞 争, 而 且 后者逐渐已成为这类企业扩大销售的主要手段。在此不再赘述。

3. 2　 能源投入产出分析 投入产出法在 许多国家称为投 入产出分析, 在原 计划经济 的国家 内称为部 门联系平 衡 法。它是研究多部门经济的一种有效的方法。本章除介绍投入产出法的基础原理之外, 着重 介绍投入产出法在能源规划和能源系统分析中的应用, 故称“能源投入产出分析”。

3. 2. 1　 投入产 出法的基 本原理 投入产出法从 国民经济是一个 有机整体的 观点出发, 综合 研究各 个具体部 门间的数 量 关系, 既有综合指标, 又有分解指标, 两者有机结合。投入产出表采用棋盘式, 它能同时从生 产消耗和分配 使用两方面来反 映产品在部门间 的运动过 程, 也 就是同 时反映产 品的价值 形 成运动过程。它通过各种系数, 一方面反映在一定技术水平和生产组织条件下国民经济各部 门间的技术经济联系, 另一方面用以测定和体现社会总产品与中间产品、最终产品之间的数 量联系。既包含直接联系, 又包括间接联系。另外, 投入产出表所构成的部门联系平衡模型, 可运用现代数学方法和电子计算机进行运算, 及时准确, 而且可以进一步与数学规划和其它 数量经济学方法相结合, 发展成为经济预测和计划择优的经济数学模型。由于投入产出法具 有这些特点, 使得它在经济计划、经济分析、经济预测等方面有着广泛的应用。 众所周知, 任何一种物质 生产活动都 需要一 定数量的 要素投 入, 如 原材料、燃料、动力、 机器设备及活劳动等, 然后才有可能生产出一定数量的物质产品。这样, 一边是投入, 另一边 是产出, 这些产出的产品 一部分用于补偿 本部门和 别部门的 生产性 消耗, 称为中间 产品, 另 一部分则提供给社会用于消费、积累和出口, 称为最终产品。各个部门在投入与产出上, 存在 着极密切的生产技术性联系和经济性联系。例如生产 1t 生 铁需要多少吨铁 矿石, 基本 上是 由生产的技术水平决定的, 它属于生产技术性联系; 而生产 1 亿元钢铁工业产值需要消耗多 少煤炭工业的 产品, 则不 但决定于生产的 技术水平, 同时 还决定于 生产结 构和价格 结构, 因 此其中不但包括生产技术性联系, 也包括经济性联系, 它反映了钢铁工业与煤炭工业之间的 技术经济联系。 如果一张表能够把各部门( 或各种产品) 的投入与产出情况及其相互关系集中地反映出 来, 就构成一张投入产 出表。以此为基础, 运用 数学方法 和电子计 算机, 对国民 经济各个 部 门、各种产品进行综合的定量的研究和分析, 这种方法就称为投入产出法。 1. 投入产出表 国民经济 各部门( 或 各种产品) 间在投入与 产出上, 存在着 极密切 的生产技 术联系和 经 济联系, 形成了复 杂的网络。投入产出 表概括了所有 部门之间 ( 或 产品之间 ) 的 投入产出 关 系, 并把它们清楚地表达出来。 根据不同的标准、不同的使用目的, 投入产出表可以有不同的分类: ・ 9 2・

( 1) 按照不同的计量单位可 以分为 实物 形态 的表( 简称 实物 表) 和货 币形态 的表 ( 简 称 价值表) 。实物表反映的是各种产品之间的生产技术联系, 而且是以实物量为计量单位的。例 如粮 食的 总 产量 为 2. 5× 108 t , 在 生 产过 程 中消 耗 了 5× 106 t 化肥、0. 5× 106 t 农 药、1. 5× 10 10 kW ・ h 电……这就 是投入; 在 2. 5× 10 8 t 粮 食中, 有 5× 105 t 用于 造酒、2× 108 t 用于 消 6

费、2. 5× 10 t 作为库存储备……这就是产出。价值表是反映各个经济部门产品之间的 生产 技术联系和经济联系, 而且是用货币为计量单位的。 ( 2) 按照所负担的不同任务, 可以分为报告表和计划表。报告表反映的是已经发生了的 经济活动, 计划表是描述将要发生的经济活动。如我们编制 1987 年全国投入产出表就是报 告表, 如果现在编制出 1995 年的投入产出表就是计划表。 ( 3) 按照编制的范围不同, 可以分为全国表、地区表、部门表和企业表。 下面我们仅以全国价值表为例说明投入产出表的原理。需要指出的是, 按照不同的国民 经济核算体系, 投入产出表的表式、主宾栏指标名称和部门分类是不同的。我国 1985 年以前 的投入产 出表是按照 M PS 体系 ( 物质产品 平衡表体系) 设计的, 而 1987 年及以 后的投入 产 出表是按新国民经济核算体系设计的, 从形式上类似于 SNA 体系( 国民经济体系) 。二者对 于能源投入产 出分析, 在 方法上没有什么 区别, 所 以本节仍应用按 M PS 体系编 制的投入 产 出表。 表 3. 6 代表某一国家的投入产出表, 为了便于理解, 假设国民经济由农业、工业、其它三 个部门组成, 而且其中的数字是虚构的。我们用双线把表 3. 6 分割成四个组成部分。按照左 上、右上、左下、右下的次序, 分别称为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和第Ⅳ象限。 表 3. 6　 价值形态的投入产出表 中　 间　 产　 品

单位: 亿元

最　 终　 产　 品 总产品

农业

工业

其它

合计

积累

消费

合计

280

320

600

物 质 消 耗

1. 农　 　 业

60

190

30

280

2. 工　 　 业

90

1520

180

1790

500

1510

2010

3800

3. 其　 　 它

30

95

60

185

75

340

415

600

活 劳 动 消 耗

合　 　 　 计

180

1805

270

2255

615

2130

2745

5000

劳动报酬

320

1200

180

1700

社会纯收入

100

795

150

1045

合　 　 　 计

420

1995

330

2745

总　 　 收　 　 入

600

3800

600

5000

40

　 　 横双线上方是一张水平方向的表, 它说明各物质生产部门所生产的产品的去向。这些产 品除了以中间产品形式供应本部门及其它部门需要外, 还以最终产品方式, 满足人民生活需 要和生产建设的需要, 即满足消费与积累的需要, 这个表所反映的是产品的实物运动过程。 例如第一行表示: 农 业部门年产出总值 为 600 亿元, 按实际用途分 配如下: 60 亿元 供农 业本身的生产需要( 如饲料、种籽等用粮) , 190 亿元供给工业部门, 30 亿元供给其它部门。以 上各项均作为生产性消耗之用, 也就是作为这些部门的投入。对农产品的生产性消耗总计为 280 亿元。剩下的 320 亿元以最终产品的形式, 用在积累方面 40 亿元, 用在消费方面 280 亿 ・ 9 3・

元。生产性消耗与最终产品的总和, 恰好等于农产品的年总产量。因此表 3. 6 的第一行, 就 是以价值表现的反映农产品实物运动的一个平衡表, 只是其中省略了储备变化, 进出口等情 况。其它各行业也有类似农产品的按实际用途的分配平衡关系。 再看竖双线左边。这是一张垂直方向的表, 它反映各物质生产部门生产中的各种物质消 耗( 包括原材料、燃料动力和设备等) , 活劳动消耗( 包括职工工资, 农民的劳动报酬等) , 以及 生产者为社会所创造的价值部分( 在我国目前主要是利润和税收两种形式) 。这个表反映的 是产品价值运动的过程。 如第一 列表明农 业部门 的生产消 耗构成: 为了 生产 600 亿 元的年生 产总 值, 需 要消 耗 ( 投入) 180 亿 元的物质, 其 中 60 亿元来自 农业内 部, 90 亿 元来自 工业, 30 亿 元来自 其它 部 门。此外, 还要支付劳动报酬 320 亿元, 并在本期获得 100 亿元的纯收入( 包括利润和税金) 。 物 质消耗 ( 180 亿元) 加上 活劳动消 耗( 420 亿元 ) , 等于农 业产品 的年生产 总值 ( 600 亿元 ) 。 因此表 3. 6 的第一列, 就是农产品的价值转移和价值创造过程的平衡表, 其它各列也有类似 的关系。 从以上分析可以看到, 由若干个物质生产部门纵横交叉组成的第Ⅰ象限, 反映了国民经 济各物质生产部门之间的生产与分配的关系, 亦即各部门之间的投入与产出的联系。这种联 系主要是由国 民经济的生产技 术结构决定的, 但也与 部门的划 分及各 部门产品 的价格变 动 有关。因此, 更确切地讲, 第Ⅰ象限是反映了各部门之间的技术经济联系。这就为我们分析 部门比例和运用数学工具进行平衡计算提供了坚实的客观基础。 第Ⅱ象限的最终产品, 体现了国民收入经过初次分配和再分配所形成的最终使用情况, 反映了各部门产品最终用于积累和消费的数量。因此可以从中分析积累与消费的比例关系 及构成, 这一象限主要反映的是国民经济中的经济联系, 由于这种联系主要取决于社会经济 因素, 因此在模型的分析计算中, 常常把最终产品当作外生变量来处理。 第Ⅲ象限内含有新创造价值一栏, 其中包括劳动者的原始收入与社会纯收入两大部分, 也就是必 要劳动创造的价 值( 包括工 资、附加 工资、奖 金、工 分报酬 等) 和剩余劳 动创造的 价 值( 包括利润和税金两部分) 。由于它反映的是国民收入初次分配的情况, 因此, 主要的也是 反映国民经济中的经济关系。 第Ⅳ象限由第Ⅱ、第Ⅲ象限共同延伸而成。从理论上进, 第Ⅳ象限能反映国民收入的部 分再分配过程, 如非生产 领域职工工资、非生产 性企业和 事业的收 入等等, 但它 无法反映 十 分复杂的现实国民收入再分配的全过程, 因此, 往往将第Ⅳ象限略去。 2. 直接消耗系数 表 3. 7 是用符号来表示表 3. 6 所示的投入产出表。我们用 ｉ 表示主栏中任一部门( 或产 品) , 用 j 表示宾栏中任一部门( 或产品) , 用 ｎ 表示部门( 或产品) 的总量( 在表 3. 7 中 ｎ = 3) ; 用 x ｉj 表示实 物表中 ｉ 种产品总量中提供 给 j 种产品作为 生产性消 耗和数 量, 或 表示价值 表 中 ｉ 部门总产品中提 供给 j 部门作为生 产性消耗 的数量; 用 Yｉ 表 示 ｉ 部门( 或产品) 的总 产 品中用作最终产品的数量; 用 X ｉ 表示 ｉ 部门( 或产品) 的总产品数量。 如 果 用 a ｉj 表示第 j 部 门( 或产品 ) 生 产单 位产 品所直 接消 耗的第 ｉ 部门 ( 或 产品) 的 数 量, 那末就有下列公式: ・ 9 4・

a ｉj =

x ｉj ( ｉ, j = 1, 2, …, ｎ) Xj

( 3. 7)

表 3. 7　 以符号表示的投入产出表 中　 间　 产　 品

单位: 亿元

最　 终　 产　 品 总产品

物 质 消 耗

农业

工业

其它

1. 农　 　 业

x 11

x 12

2. 工　 　 业

x 21

3. 其　 　 它

合计

积累

消费

合计

x 13

z1

w1

y1

X1

x 22

x 23

z2

w2

y2

X2

x 31

x 32

x 33

z3

w3

y3

X3

劳动报酬

v1

v2

v3

社会纯收入

m1

m2

m3

合　 　 　 计

X1

X2

X3

合　 　 　 计 活 劳 动 消 耗

　 　 a ｉj 就是直接消耗系 数。利用实物表计算 的 a ｉj 表示各种产 品生产过程中的 技术性联系, 它实际 上也就是 用实物 量表示的 消耗定额; 利 用价值表 计算 的 a ｉj , 由于 受部 门划分 与价 格 因素 的影响, 反 映了 各部门 之间 的技术 经济 联系, 它实 际上 就是 用价格 形态 表示的 消耗 定 额。 有了投入产出表, 利用式( 3. 7) 就可以算得所有直接消耗系数。如表 3. 6 中, 工业部门总 产品为 3800 亿元, 消耗的农业部门产品为 190 亿元, 那么 190 = 0. 05 3800

a农工 =

　 　 表 3. 8 是从表 3. 6 中计算得到的直接消耗系数表。 表 3. 8　 直接消耗系数表 农　 　 业

工　 　 业

其　 　 它

农　 　 业

　 　 60/ 600= 0. 1

　 　 190/ 3800= 0. 05

　 　 30/ 600= 0. 05

工　 　 业

　 　 90/ 600= 0. 15

　 　 1520/ 3800= 0. 4

　 　 180/ 600= 0. 3

其　 　 它

　 　 30/ 600= 0. 05

　 　 95/ 3800= 0. 025

　 　 60/ 600= 0. 1

　 　 如果用矩阵形式表示, 直接消耗系数矩阵 A 可以表示为:

A=

a1 1

a12

…

a 1ｎ

a2 1

a22

…

a 2ｎ

…

…

…

…

aｎ 1

a ｎ2

…

a ｎｎ

从表 3. 8 中可知该例的直接消耗系数矩阵为: A=

0. 1

0. 05

0. 05

0. 15

0. 4

0. 3

0. 05

0. 025

0. 1 ・ 9 5・

3. 投入产出经济数学模型 投入产出价值表( 或实物表) 的每一行表示某一个部门( 或某一种产品) 的总产品分配使 用的情 况和生产 总量, 它可以 用一个平 衡等式 来表示, 即: 中间产品 + 最终 产品= 总 产品。 表 3. 7 中第一行可以写成: x 11 + x 1 2 + x 13 + y 1 = X 1 同样, 第二、三行也有类似等式: x 21 + x 2 2 + x 23 + y 2 = X 2 x 31 + x 3 2 + x 33 + y 3 = X 3 　 　 如果部门( 或产品) 的总数为 ｎ, 则可以写出下列方程组: x 11 + x 1 2 … + x 1ｎ + y 1 = X 1 x 21 + x 2 2 … + x 2ｎ + y 2 = X 2 …　 　 …　 　 …　 　 …

( 3. 8)

x ｎ1 + x ｎ2 … + x ｎ ｎ + y ｎ = X ｎ ( 3. 8) 式称为分配方程组, 也可简写成: ｎ

∑x

ｉj

+ y ｉ = X 　 ( ｉ = 1, 2, …, ｎ)

( 3. 9)

j= 1

　 　 把直接消耗系数代入分配方程组, 即把( 3. 7) 式代入( 3. 8) 式, 得到分配方程组的另一种 表示: a 11 X 1 + a 1 2 X 2 + … + a 1ｎ X ｎ + y 1 = X 1 a 21 X 2 + a 2 2 X 2 + … + a 2ｎ X ｎ + y 2 = X 2 …　 　 …　 　 …　 　 …

( 3. 10)

a ｎ1 X 1 + a ｎ2 X 2 + … + a ｎ ｎ X ｎ + y ｎ = X ｎ 其中 a 11 , a 1 2 …为直接消耗系数, 从投入产出表中算得这些系数, 可以把它们作为常数。于是 在上述 方程组中, 如果 给定 y 1 , y 2 , …, y ｎ , 就可以解 出满足 给定 最终产 品数 量的总 产品 X 1 , X 2 , …, X ｎ 。在实际问题中, ｎ 一般很大( 因为国民经济的部门或产品数目都很多) , 要借助电 子计算机来求解该方程组。 为了简便地表示和运算, 可以用矩阵形式来表示( 3. 10) 式: AX + Y = X X1 式中:

X =

X2 … Xｎ

是各部门( 或各种产品) 总产量数量的列向量, 也称列矩阵; y1 Y=

y2 … yｎ

・ 9 6・

( 3. 11)

是各部门( 或各种产品) 最终产品数量的列向量。 为了建立总产量与最终产品数量间的联系, 将( 3. 11) 式移项, 得到: X - AX = Y

( 3. 12)

这就是 用矩阵表示的一 种投入产出经济 数学模型。从矩 阵的知识 中知道, 式( 3. 12) 可以 写 成: IX -

AX = Y 100…0 010…0

其中 I 为单位矩阵,

I =

001…0 …　 … 000…1

由矩阵乘法规则, 有: (I 用( I - A ) 的逆矩阵( I - A )

- 1

A) X = Y

( 3. 13)

左乘( 3. 13) 式两边, 得到: X = (I -

A)

- 1

Y

( 3. 14)

式( 3. 13) 与式( 3. 14) 没有根本不同, 只是用不同的形式来表示。从式( 3. 14) 中可以更清楚地 看 到, 在已知 A 矩阵 时, 可以 求 得( I - A )

- 1

, 这时, 只 要给 定 Y, 就 可以 解出 总 产量 的向 量

X。 4. 完全消耗系统 国民经济 各部门( 或 各种产品) 间的联系错 综复杂, 它们之 间存在 着一定的 数量依存 关 系。除了前面提到的直接消耗系数以外, 部门相互间还存在一种间接消耗关系。所谓间接消 耗关系, 是指每个部门在生产中所直接消耗的那些产品, 它们在自己的生产中又需要消耗一 定数量的各部门产品, 这样形成的一种各部门产品之间的相互依存关系。例如, 农业生产要 消耗电力、化肥、农药、塑料 薄膜、农 机、柴油、小 农具等, 而生产 这些产 品的过程 中又无不 需 要消耗电力。这后一部分电力虽然不是农业生产本身所直接消耗的, 但它还是间接地为农业 生产服务的; 从价值转移 角度看, 这部分电力的 价值最终 也形成农 业产品 价值的一 部分, 我 们把农业生产对这部分电力的消耗称为一次性间接消耗。与此类似, 在电力、化肥、农药、塑 料薄膜、农机、柴油、小农具等产品的生产中还分别要消耗石油、钢材等, 而石油、钢材等产品 的生产又要消耗电力, 这叫做农业对电力的二次性间接消耗。也就是说, 两个部门( 产品) 之 间, 通过一个中间环节 发生的间接消耗 叫做一次性间接 消耗( 例如 上例中的农业 →化肥 ① → 电 力) ; 通过 两个 中间 环 节发 生的 中间 消耗 叫 做二 次性 间接 消 耗 ( 例 如 上 例中 的 农业 → 农 ①

②

①

②

机 →钢材 →电力, 农业→化肥 →原油 →电力) 。其余类推, 还可以有三次、四次……ｎ 次 间接消耗。 随着社会 生产中专业化分 工的发展, 各部门( 产品) 之间可 能发生 的间接消 耗的次数 也 随之增高, 这反映了部门间联系的愈益复杂, 如果计划管理工作不能预先准确地了解这种联 系, 就难以使计划符合再生产过程客观上需要的比例。我们把两个部门间的直接消耗与间接 消耗之 和称为完 全消耗, 把第 j 部门生 产单位最 终产品 对第 ｉ 部门产 品的直 接消耗 量与 各 次间接消耗量之和称为 j 部门产品对 ｉ 部门产品的完全消耗系数。在投入产出数学模型中, ・ 9 7・

完全消耗系数的计算是依靠电子计算机来完成的, 其计算公式为: B = ( I - A)

- 1

-

I

( 3. 15)

式中　 B —— 完全消耗系数矩阵,

B =

b11

b1 2

…

b1ｎ

b21

b2 2

…

b2ｎ

…

…

…

…

bｎ1

bｎ 2

…

bｎｎ

矩阵中每一个元素 bｉj 表明生产 j 部门的单位最终产品, 要完全消耗 ｉ部门产品的数量; A —— 直接消耗系数矩阵; I —— 单位矩阵。 从投入产出表( 表 3. 6) 中可以计算得到完全消耗系数。写成矩阵形式, 完全消耗系数矩 阵为: B =

0. 1329

0. 0984

0. 0957

0. 3191

0. 7180

0. 5904

0. 0718

0. 0532

0. 1329

其 中农业行 ( ｉ= 1) 与工 业列( ｉ= 2) 交点处 的 b12 = 0. 0984 表示 生产工 业部门 单位最 终产 品 需完全消耗的农业部 门产品的数量, 其它数字含 义类推。B 是 由直接消耗系数 矩阵 A 经过 ( 3. 15) 式的矩阵运算而得到的, 而 A 是从投入产出表直接算得的。 完全消耗系数的计算公式( 3. 15) 的推导比较复杂, 也有不同的推导方法, 这里就不作介 绍了。 完全消耗系数的求得, 是投入产出法最突出的特点之一, 是其它经济数学方法难以实现 的。它不仅在经济的结构分析上有重要意义, 而且在经济预测和计划方面也有重要的应用。 例如在上述三个部门的经济体系中, 如果在新的 一年其它情况都 不改变, 只要求增加生产 1 亿元工业产品以供消费, 那么如何安排各个部门的生产任务呢? 按照传统的方法, 可以知道 增加 1 亿元工业产品, 就要多消耗一些农业、工业和其它部门的产品, 究竟需要多少呢? 仅考 虑直接消耗的那部分显然是不够的。根据完全消耗系数就可以知道, 多生产 1 亿元工业产品 以供消 费, 就 要完全消 耗 0. 0984 亿元 的农业 产品, 0. 0718 亿元的 工业 产品 和 0. 0532 亿 元 的其它产品。那么在安排生产时, 农业、工业、其它部门分别要多安排 0. 0984 亿、1. 71780 亿 和 0. 0532 亿元产品的计划。安排少了就会造成缺口, 安排多了又会造成积压。

3. 2. 2　 投入产 出法在能 源规划和系 统分析中 的应用 能源是国民经济的重要部分, 进行能源规划与能源系统分析, 从本质上说就是研究能源 在国民经济发展过程中的供求平衡问题, 研究实现供求平衡的最优途径, 研究各种能源产品 在国民经济中 的地位和它的发 展趋势, 所 以, 必 须抓住能 源部门与 整个国 民经济的 联系, 抓 住能源产品和其它产品的联系。投入产出法则是一种有效的方法。 下面仅就几个方面看看投入产出法在能源规划与系统分析中的应用。 1. 从最终产品出发预测能源需求量, 制订能源生产计划 对计划期的能 源需求量做出准 确预测, 使 能源需 求量能满 足计划 期国民经 济和社会 发 ・ 9 8・

展的需要, 又使国民经济和社会发展计划与能源可供给量相适应, 是制定国民经济计划的关 键问题之一。 30 年来, 我们在计划方法 方面, 已经 积累了一些比较 成熟的经验。在理 论上, 根据 马克 思主义政治经济学的基本原理, 明确了综合平衡是国民经济计划的必要条件。在实践中, 基 于这种认识, 并根据我国 的具体情况, 对国民经 济中的一 些重大比 例关系 和平衡关 系, 在 各 个不同历史时 期, 作了不 同程度的适当安 排; 积 累了不少 平衡数据 和定额 资料, 利用了一 些 平衡计算工具, 主要是各种形式的平衡表( 如物资平衡表、城镇劳动力平衡表、商品供求平衡 表、财政信贷平衡表等 ) 。这些都 在编制第一个五 年计划、第 二个五年计划的 建议及 1963— 1965 年三年调整计划中, 起过很好的作用。 由于经济规模越来越大, 部门之间的联系日趋复杂, 现行的计划方法存在不少问题。主 要是各个部门、各种产品的生产计划不能保证综合平衡, 在执行过程中不断出现短缺或积压 的现象。改进计划方法, 加强综合平衡, 比较有成效的是在计划方法中应用投入产出法。 利用投入产出法编制国民经济计划, 可以首先从确定最终产品的规模和结构开始, 通过 静态的或动态的投入产出模型, 求解得出各部门的生产指标和投资指标。这就在一定程度上 从方法论的角度解决了用“最终产品法”编制计划的问题。 如果我们通过其它预测技术给出计划年国民经济各部门的产品中用于消费、积累、固定 资产更新 和大修、进 口差额、损耗等方面的数 量, 把它称 为“最终产 品”, 用向 量 Y 表 示, 那 么 通过静态投入产出模型。 A) - 1 Y

X = (I -

就可以求出计划年各部门的总产出量。该产出量不仅保证了最终产品的要求, 而且保证了部 门之间的综合平衡。 对于每一个部门, 其生产计划为 ｎ

Xｉ =

∑d

ｉj

yj

( 3. 16)

ｉ= 1

其中 d ｉj 为矩阵( I - A ) - 1 的第 ｉ 行第 j 列元素。对于能源生产部门, 由式( 3. 16) 计算的结果既 为计划期的该能源生产部门的需求量, 又是该部门的生产计划。按该计划安排生产, 既保证 满足社会对最终产品的需求, 又保证国民经济各部门综合平衡地发展。 近年来, 节能作为与能源 开发并重的一 项能源 发展战略, 已为 人们所 认识, 结构节能 也 受到人们的重视。但是合理的经济结构并不是人为确定的, 它是由国民经济各部门间的联系 所决定的。从最终产品出发, 应用投入产出法求得的计划期的经济结构是在给定技术经济水 平下满足给定最终产品的最合理的经济结构。在该经济结构中所安排的能源部门的生产计 划, 是把合理的结构节能考虑在内的。 例如, 表 3. 9 是一张假想 的国家投入产 出表, 假设该 国民经济 分为原 油、炼 油和非能 源 物质生产部门三个部门。现在, 根据历史数据资料及社会发展计划, 预测得到计划期三个部 门的最终 产品分别为 31, 93, 310 亿元, 那 么, 计 划期对一 次能源( 原油 ) 的 需求量是 多大呢? 应该怎样安排计划期各个部门的生产呢? 从投入产出表中, 可以得到直接消耗系数矩阵 A: 0. 1 0. 5 0 A=

0. 1

0. 1

0. 3

0. 2

0. 2

0. 4 ・ 9 9・

表 3. 9　 假想投入产出表

单位: 亿元

中　 间　 产　 品 项　 　 目

最终

总产出

　

　

非能源

　

原油

炼油

生产部门

小计

原油

20

150

0

170

30

200

炼油

20

30

180

230

70

300

非能源生产部门

40

60

240

340

260

600

小计

80

240

420

740

360

1100

活劳动消耗

120

60

180

360

总投入

200

300

300

1100

物 质 消 耗

产品

假定计划 期直接消耗系数 与基期保持不变, 于是根据 ( 10) 式可 以得到 计划期对 原油部门 的 需求量为 240 亿元, 三个部门的生产计划分别为 240, 370, 720 亿元。 利用价值型投入产出表, 在给定计划期各部门的最终产品数量时, 可以预测出计划期对 能源部门以价值表示的需求量; 利用实物型投入产出表, 在给定计划期各种主要产品的最终 产品数量时, 可以预测出主要能源( 如煤炭、原油、发电量等) 的以实物量表示的需求量。 值得注意的是, 从某一年度的投入产出表中求得的直接消耗系数只反映该年各部门( 或 各产品) 间的技术经济联系( 或技术联系) 。所以在应用( 10) 式时, 必须对直接消耗系数作出 修正以符合计划期各部门( 或各产品) 间的技术经济联系( 或技术联系) 。这是一项较为困难 的工作。一般常用的修正方法有如下几种, 一是专家调查法, 由专家们根据生产技术的变化 来修正直接消耗系数。二是比较法, 即参考国外、国内先进企业的某些技术系数, 与从投入产 出表中得到 的系数进行比较, 以对某些 系数进行修 正。在应用 动态投 入产出模 型进行预 测 时, 可以认为新增生产能力具有先进的技术系数。因为在动态模型中, 新增生产能力是内生 变量, 所以直接消耗系数的修正可以由模型自动进行。三是适时修正法, 即应用 R ・A ・S 程 序, 把 较早年份的投入产 出表修正成近年 的投入 产出表, 例如把 1973 年的投入 产出表修 正 成 1982 年的投入产出 表, 再以 此为基础求得直 接消耗系 数应用于 ( 3. 16) 式, 远 比直接应 用 1973 年的直接消耗系数为准。有关适时修正法, 读者可以参看有关书籍。 2. 投入产出法在能源政策分析中的应用 在工程技术中, 任何一项新工艺、新产品的实施与投产, 都要经过试验, 以减少失误。但 对于经济问题, 除了局部 的政策、措施可以在少 数单位经 过试验然 后再推 广外, 对于一些 关 系全局的政策, 很难进行试验。例如提高某种能源产品的价格会对整个价格体系带来什么影 响? 实施某项能源进出口政策对各部门的影响多大? 等等。这些是很难试验的。构造各种 经济数学模型, 可以用数学方法计算某项政策措施造成的影响, 检查该项政策措施付诸实施 后是成功还是失败, 这就可以起到经济试验的作用。投入产出法是一种较为实用的方法, 下 面通过两个例子说明投入产出法在能源政策分析中的应用。 ( 1) 最终产品的改变对生产的影响 从物资平衡的观点出发, 社会总产品应该等于中间产品加最终产品。最终产品的任何变 化, 必然会对各个部门的生产计划产生影响。在计划执行之前或过程中, 最终产品的变化是 ・ 1 00 ・

经常发生的。例如根据经济发展的需要增加或减少基本建设投资额或改变投资额在各部门 间的分配, 就会使某些部门的最终产品发生改变; 根据消费市场的情况增加或减少某些产品 的市场供应量, 也就改变 用于消费的该种 产品的数 量; 根 据国际市 场的形 势, 改 变某些产 品 的进出口计划, 也使最终产品发生变化, 等等。在这些情况发生后, 整个生产计划应作出相应 的修正以满足变化了的最终需求, 例如能源的需求量就要发生变化, 应该根据新的变化改变 能源生产计划, 否则就要造成能源的短缺和浪费。 但是, 由于各个部门、各种产品之 间存在着 复杂的联 系, 用 一般的 方法很难 确定最终 产 品的变化会给各部门的总产品带来多大影响。用投入产出法可以精确地计算最终产品的变 化对生产的影响。若原生产计划是根据最终产品向量 Y 制定的, 即 A) - 1 Y

X = (I -

现在, 最终产品向量发生变化, 为 Y+ ΔY, 则总产量向量也应变为 X+ ΔX, 且满足 X + ΔX = ( I - A )

- 1

( Y + ΔY)

两式相减后得到 ΔX = ( I -

A)

- 1

ΔY

其中 Δy 1 Δy 2

Δx 1

ΔY =

Δx 2

…

　 　 ΔX =

…

Δy ｎ

Δx ｎ

　 　 对于第 ｉ 个部门, 其生产计划的改变量 ΔX i 应为 ｎ

ΔX i =

∑d

ｉj

Δy ｉ

( 3. 17)

ｉ= 1

　 　 例如, 在上节的例子中, 得到计划期原油需求量为 240 亿元。现计划期非能源物质生产 部门需增加 50 亿元的产品投放于消费市场, 其它部门的最终产品不变, 那末, 原油的需求量 改变多少呢? 应用式( 3. 17) , 有 ΔX i = d 11 Δy 1 + d 1 2 Δy 2 + d 13 Δy 3 现 Δy 1 = 0, Δy 2 = 0, Δy 3 = 50; d 11 , d 12 , d 13 为矩阵( I - A ) - 1 的第 1 行的三 个元素, 从投入 产 出表 3. 6 中得到 A=

0. 1

0. 5

0

0. 1

0. 1

0. 3

0. 2

0. 2

0. 4

对矩阵( I - A ) 求逆, 得到 d 11 = 1. 2903, d 1 2 = 0. 8065, d 1 3 = 0. 4032。于是算得 ΔX 1 = 20. 16 亿元, 即原油的需求量需增加 20. 16 亿元。 ( 2) 直接综合能耗和完全综合能耗 每一种产品在其生产过程中都要直接消耗能源产品, 如煤、油、电等, 其直接消耗系数为 a ｉj , 其中 j 表示某种产品, ｉ 表示某种能源产品。如果把各种能源产品都折算成标准燃料如标 准煤, 则可得到每种产品在其生产过程中对标准燃料的直接消耗系数, 称之为直接综合能耗 系 数。例如 1kg 煤的热值若为 5000k cal, 1kg 标准煤的热值为 7000k cal, 那末 1kg 煤可折算 成 0. 715 kg 标准煤。若用 ej 表示第 j 种产品的直接综合能耗系数, 则有 ・ 10 1・

k

ej =

∑ αa ｉ

ｉj

ｉ= 1

其中 αｉ 为第 ｉ 种能源产品与标准燃料之间的折算率, k 为能源产品的种类数。 正如前面所介绍的, 各种产品在生产过程中除直接消耗能源产品外, 还间接消耗能源产 品, 二者之和为完全消耗, 完全消耗系数 bｉj 表示第 j 种单位产品在生产过程中所完全消耗的 第 ｉ 种产品的数量。如果用 f j 代表完全综合能耗, 那么它表示第 j 种产品在生产单位产品中 所完全消耗的各种能源产品之和( 折算成标准燃料) , 显然应有: k

fj =

∑ αb

ｉ ｉj

ｉ= 1

完全综合能耗系数的求得必须借助于投入产出法。

3. 2. 3　 能源投 入产出表 一般的经济投入产出表( 包括价格型和实物型) , 主要揭示了国民经济各个部门, 各种产 品之间的技术经济联系, 包括能源部门、能源产品与其它部门、其它产品的联系。它可以用于 能源分析, 但也存在一些问题。例如, 在进行能源预测时, 若利用实物型投入产出表, 或者因 为所包括的产品种类不全而影响预测值; 或者因为产品种类较多而使计算量太大。若利用价 值型投入产出 表, 表中都 是以货币为单位 的, 由 于不同能 源有不同 价格, 同一种 能源用于 不 同的部门也有不同的价格, 而现在价格并不是以能源所含热值为标准的, 因此用价值表预测 能源需求量, 往往会因价格问题而造成混乱。而且价值型投入产出表部门分类比较粗, 一、二 次能源往往不能严格分开。所得到的往往是某个能源部门的以货币量表示的产值指标, 而不 是某种能源产品的以热量或能量单位表示的产量指标。所以, 一般的实物型、价值型投入产 出表应用于能源需求预测都存在一些问题. 又如, 考察一下能源从资源开采到最终使用的全 过 程, 就会发 现非 能源 部门( 如钢 铁、机械、农 业、居 民等) 的 需能 要求并 不是 笼统的 一次 能 源、二次能 源的 直接 投入, 而且 最终 用能形 式的 直接投 入, 比如 工艺热、动 力 电、照明、采 暖 等。这样, 在产生某种最终用能形式的一次、二次能源之间是可以互相代替的, 也是可以进行 优化的。而在一 般的投入产出表 中, 认为能 源消费部 门是直接 消耗能 源供应转 换部门的 产 品, 而且互相之间不可替代。以这样的投入产出表为基础构造的模型在整个能源系统模型体 系中难以与其它模型相连接, 尤其难以与能源系统优化模型连接。所以, 为了能源系统分析 的目的, 需要对一般的投入产出表进行改造, 编制专门的能源投入产出表。下面仅介绍两种 能源投入产出表表式。 1. 四块式能源投入产出表 表 3. 10 为一种四块式 能源投入产出 表表式。它 是由一般 的投入 产出表稍 加改造而 成 的。其主要特点有两方面: 一方面, 它把物质生产部门分成能源部门和非能源部门两大类。在 划分部门时, 非能源部门可以划分得粗一些, 尽可能保持一般的价值型投入产出表的部门分 类, 尽可能与计划、统计中的部门分类相一致。但对能源部门, 则应打破一般的石油工业、煤 炭工业、电力工业之类的 分类方法, 应按照能源 产品来划 分, 把 一次能 源产品与 二次能源 产 品分开。例如, 可把能源部门分成原煤、原油、水电、天然气、火电、炼油、洗煤、炼焦等部门, 每 一个部门实际上是一种或几种产品的集合。另一方面, 非能源部门的产品仍以货币量( 如万 ・ 1 02 ・

元、亿元) 为单位, 而 能源部门的产品, 则采用 统一的能量 或热量单 位( 通用单位 ) , 如万吨 标 煤、1012 J 等。所以这样的投入产出实质上是实物型投入产出表, 只是采用统一的实物单位。 表 3. 10　 四块式能源投入产出表表式 中　 间　 产　 品 能源部门

非能源部门

最终产品

总产品

合　 计

1

物 质 消 耗

能 源 部 门

2 　 m 　

1 2 … m

m+ 1 m+ 2 … m+ l

X EE

X EI

YE

XE

X IE

X II

YI

XI

单 位 ˙ 万 吨 标 煤

　 非 能 源 部 门

m+ 1 m+ 2 　

单 位 ˙ 万 元

m+ l

把表的第 I 象限按能源部门和非能源部门分成四块。左上方块中的每 一个数据表示一 个能 源部门在生产中所消耗的另一个能源部门产品的数量, 其它几块中数据都表示类似的含义。 从该投入产出 表中可以得到直 接消耗系数 矩阵 A , 把 A 也分 成四块, 每一块 则为 A 的一 个 子矩阵, 可以表示成: A=

AEE AEI AI E AI I

其中, A E E , A E I , A I E , A I I 为子矩阵。 A E E 中 元素为 某一 能源 部门对 某一 能源部 门的 直接 消耗系 数, 其单 位 为: 吨标 煤/ 吨 标 煤; A E I 中的元素为某一非能源部门对某一能源部门的直接消耗系数, 其单位为: 吨标煤/ 万 元; A IE 中的元素为某一能源部门对某一非能源部门的直接消耗系数, 其单位为: 万元/ 吨标 煤; A II 中的元素为某一非能源部门对 某一非能源部门 的直接消耗系数, 其单位为: 万元/ 万 元。 在能源分析中 应用这样的投入 产出表, 可 避免一 般的实物 型投入 产出表因 产品不全 所 带来的问题, 也避免了 一般的价值型投 入产出表因 能源产 品价格不 合理所带 来的混 乱。例 如, 若给定计划年度最终产品向量 YE 和 YI , 则可应 用直接消耗系数矩 阵求得计划年度 的各 种能源产品的生产计划。 由总产品等于中间产品加最终产品, 得到 X E = YE + A E E X E + A E I X I ・ 10 3・

X I = YI + A I E X E + A I I X I 经过变换, 代入, 得到 X E = [ I - AE E -

AI E ( I -

- 1

AI I )

AI E ]

- 1

[ YE + A E I ( I - A I I )

- 1

YI ]

这里 X E 中 每一个元 素即为每 一个能 源部门的 生产计 划, 是 以万 吨标煤 为单 位的实 物量 指 标。 2. 九块式能源投入产出表 表 3. 11 为一种九块式能 源投入产出表, 它 与表 3. 10 所示 的能源 投入产出 表的主要 区 别在于它把国民经济中并不存在的最终用能形式“部门”放入投入产出表的部门分类中。这 样, 按 能源供应转 换部门、最终 用能形式、非 能源生产 部门把投 入产出 表的第 I 象限分成 九 块。其中能源供应转换部门与表 3. 10 中的能源部门一致, 非能源生产部门与表 3. 10 中的非 能源部门一致。最终用能形式“部门”应包括所有最终用能形式。这样, 能源消费部门( 包括 非能源生产部门、非物质生产部门以及能源部门本身) 对能源的消耗在该表中表现为对最终 用能形式的消耗, 它们不直接消耗能源供应转换部门的产品。在表 3. 11 中, X S I 中的所 有元 素都为零, X S S 与 YS 中大部分元素为零( 在 X S S 中, 反映能源 转换的元素不为 零, 如电力 部门 要消耗原煤; 在 YS 中, 反映进出口与储备的元素不为零) 。表 3. 12 为一张假想的国家能源投 表 3. 11　 九块式能源投入产出表表式 中　 　 间　 　 产　 　 品 能源供应转换部门

　 转 换 1 部 门 2 …

物 　 质 　 消 　 耗

最 终 用 能 形 式 非 能 源 生 产 部 门

m+ 1 m+ 2 　 m+ l 　 　 m+ l+ 1 m+ l+ 2 　 m+ l+ ｎ 　

・ 1 04 ・

单 位 ˙ 万 吨 标 煤 单 位 ˙ 万 吨 标 煤 单 位 ˙ 万 元

总 　 产 　 品

最终用能形式

非能源生产部门

m+ 1 m+ 2 …

m+ l+ 1 m+ l + 2 …

m+ l

m+ l + ｎ

X SS

X SF

X SI

YS

XS

XFS

XFF

X FI

XF

XF

X IS

X IF

XII

YI

XI

1 2… m 　 能 源 供 应

最 终 产 品

原 　 　 油

电 　 　 力

炼 　 　 油

　 电

表 3. 12　 假想的某国能源投入产出表 工 农 制 其 居 政 　 　 民 府 艺 造 　 　 消 消 热 业 业 它 费 费

出 　 　 口

投 　 　 资

最 终 需 求

合 　 　 计

总 产 品

- 107. 3

0

　 原　 油

107. 3

电　 力 炼　 油

- 107. 3 17. 5

52. 5

电

17. 5 44

96. 5

1. 0

2. 5

1. 5

1

1. 5

10

11. 5

17. 5

工艺热

7

4

3

15

15

30

44

农　 业

15

3

5

26

4

20

12

72

95

制造业

5

5

10

10

15

10

5

5

15

35

80

其　 它

5

5

5

7

10

5

10

0

5

20

52

入产出表, 假设该国能源供应转换部门只有原油、炼油和火电, 其中原油全部依靠进口; 最终 用能形式只有电( 照明和动力) 和工艺热; 非能源生产部门分为农业、制造业和其它。对于能 源供应转换部门及最终用能形式“部门”采用统一的热量单位( 通用单位, 如万吨标煤等) , 非 能源部门采用统一的价值单位。 从该种能源投入产出表中, 可以得到直接消耗系数矩阵 A , 把 A 分成九块 A=

ASS

ASF

ASI

A FS

AF F

AF I

AI S

AI F

AI I

其中 A S S , A S F , A S I , A F S , A F F , A F I , A I S , A I F , A I I 为子矩阵, 每一个 子矩阵 中元素的 含义与单 位 不言自明, 这里不再赘述。需要指出的是, 子矩阵 A S I 中所有元素都是零, 表示非能源生产部 门在生产过程中不直接消耗能源供应转换部门的产品; 因为最终用能形式是虚设的“部门”, 实际生产活动中并不存在, 所以 A F F 和 A I F 的元素都应为零。 子矩阵 A S S 、A S F 和 A F I 中包 括的信息 也可以用 能流网 络图来说 明, 或 者说, 根据 能流 网 络图就可以把四块式能源投入产出表扩充为九块式能源投入产出表。在能源系统分析中, 以 这种表为主体构成投入产出模型可以很方便地与其它模型连接使用。例如, 把它与优化模拟 模型连接, 从投入产出模型中得以满足一定生产发展要求的最终用能形式的需求量, 以此作 为优化模型的约束条件, 可以得到符合某一目标的一次能源的合理和使用。

3. 3　 能源价格问题 能源作为一种重要的商品, 与其他商品一样, 其定价问题, 必须符合基本经济原则。 如前所述, 一般商品的价格决定无非与两个因素有关, 一是市场需求, 一是生产成本( 或 边际成本) 。市场上商品价格的波动往往受需求变动或成本推动或二者同时的影响。 因此, 我们在进行价格问题研究时, 常用的方法有两种, 一种是计量经济学方法, 另一种 是投入产出方法。计量经济学方法实际上是因果分析方法, 定量分析商品价格与影响价格诸 因素之间的因果关系。这些影响因素包括, 需求方面的( 人均) 需求量和( 人均) 国民生产总值 等, 供给方面的( 人均) 供给量及单位生产成本等。投入产出方法则是从经济系统的整体来考 ・ 10 5・

察, 通过各部门产品生产过程中的联系( 即直接消耗系数) , 来反映各部门产品的价格之间的 关系。这种方法实际上是从生产成本的角度进行价格问题的研究, 而这种价格实际上是理论 价格或生产价格。 下面我们将分 别对这两种价格 模型作简单 的介绍, 最后将 对不同 能源品种 价格确定 中 的特殊问题加以说明。

3. 3. 1　 投入产 出价格模 型的应用 应用投入产出法构造价格模型, 可以帮助人们确定各种产品的理论价格, 研究某一种产 品( 如某种能源产品) 价格改变后对整个价格体系的影响。 实物型 投入产出 表的第 j 列表示 第 j 种产 品在生产 过程中所 消耗的 各种产品 的数量, 现用 x 1j , x 2j , …, x ｎj 来表示; 再用 v j , m j 表示该种产品 的必要劳动消耗( 用劳动 报酬体现) 和 剩余 劳动消耗 ( 用 社会纯收 入体现) ; 用 p 1 , p 2 , …, p ｎ 表示 各种产 品的价 格; X 1 , X 2 , …, X ｎ 表示各种产品的生产总量。则应有如下的平衡方程( 若 ｎ 足够大) x 1j p 1 + x 2j p 2 + … + x ｎj p ｎ + vj + mj = X j p 1 两边同除以 X j , 得到 a 1 j p 1 + a 2j p 2 + … + a ｎj p ｎ + a vj + a mj = p j 其中 a 1j , a 2j , …, a ｎj 为直接消耗系数, a vj , a mj 为生产单位第 j 种产品付出的劳动报酬和得到的 社会纯收入。对每种产品都有这样的平衡方程, 故可以得到下列平衡方程组: a 1 1 p 1 + a 21 p 2 + … + a ｎ 1 p ｎ + a v 1 + a m 1 = p 1 a 1 2 p 1 + a 22 p 2 + … + a ｎ 2 p ｎ + a v 2 + a m 2 = p 2 　 　 　 　 …… a 1 ｎ p 1 + a 2ｎ p 2 + … + a ｎｎ p ｎ + a vｎ + a mｎ = p ｎ 写成矩阵形式为: T

A P + Av + Am = P

( 3. 18)

T

这里 A 为直接消耗系数矩阵 A 的转置矩阵, Av , Am , P 皆为列向量。解方程组就可以得到在 现有工资率、利润率、税率下的各种产品的价格 p 1 , p 2 , …, p ｎ 。式( 3. 18) 也称为价格模型。 改变方程( 12) 的自由项( Av + Am ) , 则可以解出不同意义下的产品价格。例如, 用 L + H β 代替 Av + Am , 其中 t 1 α1

l1 l2

L=

┆

=

t 2 α2 ┆ t ｎ αｎ

lｎ H β1 H β2

H β=

┆ H βｎ

　 　 　 　 βj =

lj

, 　 　 　 　 j = 1, 2, …, ｎ

ｎ

∑l X j

j= 1

・ 1 06 ・

j

这里, t j 代表单位第 j 种产品所直接消 耗的活劳动时间 ( 以自然 小时数表示) , αj 表示 第 j 种 产品生产过程中单位劳动 时间的工资额, 则 l j 表示单位产品 j 的工资额。H 代表整个 国民 经济生产领域的盈利总额, 比率 βj 就是第 j 种单位 产品的工资额在国 民经济生产领域 工资 总额中所占的份额, 于是 H βj 就是单位第 j 种产品按其工资额分摊的盈利额。这样, 方程组 T

A P + L + H β= P

( 3. 19)

解出的 p j 即是第 j 种产品的以价值为基础的价格。 下面再来 看看某种产品( 如某种能源 产品) 的价格发 生变化时, 其 它产品的 价格应如 何 变化。 如果第 ｎ 种产品的价格改变 Δp ｎ , 变为 p ｎ + Δp ｎ , 这时, 方程组中第 1 个方程变为: a 11 ( p 1 + Δp 1 ) + a 21 ( p 2 + Δp 2 ) + … + a ｎ1 ( p ｎ + Δp ｎ ) + a v1 + a m1 = p 1 + Δp 1 即为 a 1 1 Δp 1 + a 2 1 Δp 2 + … + a ｎ-

1, 1

Δp ｎ-

1

+ a ｎ1 Δp ｎ = Δp 1

a 1 2 Δp 1 + a 2 2 Δp 2 + … + a ｎ-

1, 2

Δp ｎ-

1

+ a ｎ2 Δp ｎ = Δp 2

同样可以得到 …　 　 　 　 …　 　 　 　 … a 1, ｎ - 1 Δp 1 + a 2, ｎ - 1 Δp 2 + … + a ｎ -

1 , ｎ- 1

Δp ｎ -

+ a ｎ, ｎ- 1 Δp ｎ = Δp ｎ-

1

1

写成矩阵形式为: a1 1

a2 1

…a ｎ-

1, 1

Δp 1

a1 2

a2 2

…a ｎ-

1, 2

Δp 2

┆ a 1, ｎ -

a 2, ｎ -

…a ｎ-

1

Δp ｎ -

1, ｎ- 1

a ｎ2

+

┆ 1

Δp 1

a ｎ1 ┆ a ｎ, ｎ-

1

Δp 2

Δp ｎ =

┆ Δp ｎ-

1

1

变换后得: Δp 1 Δp 2

=

┆ Δp ｎ-

I-

a 21

…

a ｎ-

1, 1

a 12

a 22

…

a ｎ-

1, 2

a 1, ｎ1-

a1 1 a 12

a 2 , ｎ-

1

-

1

a2 1

1 - a 22

…

a ｎ-

…

-

aｎ -

1, 1

…

-

aｎ -

1, 2

1

- a 2, ｎ -

1

…

1 - a ｎ-

a ｎ2

Δp ｎ

┆ a ｎ, ｎ -

1, ｎ- 1 - 1

1, ｎ- 1

1

a ｎ1 ¡¤

┆ - a 1 , ｎ-

a ｎ1 ¡¤

┆

1

=

- 1

a 11

a ｎ2

Δp ｎ

┆ a ｎ, ｎ-

( 3. 20)

1

　 　 从式( 3. 20) 可见, 如果第 ｎ 种产品价格改变 Δp ｎ , 其余 ( ｎ - 1) 种产 品价格也要随之 发生 变化, 变化大小由式( 3. 20) 算得。有些产品如卷烟, 其它产品对它的直接消耗系数皆为 0, 即 使它的价格发生很大变化, 从式( 3. 20) 看出, 其它产品价格不随之变化。但对能源产品如煤 炭, 几 乎每种产品在生产 过程中都要消耗 它, 一 旦它的价 格变化了, 其 它产品价 格也会随 之 变化, 所以对产品价格的调整应持积极慎重的态度。 上 述从实物 型投入 产出表出 发, 研 究某种 产品价格 变化 Δp ｎ ( 绝 对量) 后对其它 产品 价 格( 绝对量 ) 的 影响, 例如 煤炭价 格提 高 20 元/ t 后, 其它 各种 产品价 格应 提高 多少, 若用 价 值型投入产出表, 同样可以研究某一类产品的价格变化对其它类产品价格的影响, 但这里的 ・ 10 7・

变化不是指绝对量, 而是相对变化幅度。例如煤炭部门产品提价 50% 以后, 其它各部门产品 应在原价格基础上以多大幅度提高。

3. 3. 2　 计量经 济学价格 模型 如前所述, 计量经济学方法实际上是一种因果分析方法, 定量分析经济活动中各因素之 间的因果关系。如果选择某一变量作为“果”, 那么重要的是正确选择作为“因”的变量。一般 来讲, 前者可称为“被解释变量”, 后者可称为“解释变量”。 对于 计量经 济学 价格模 型而 言, 商品或 能源 的价 格是被 解释 变量, 那么 解 释变 量的 选 择, 从供给角度来考虑的话, 应该是生产能力和其他相关产 品的价格; 而从需求角度来 看的 话, 应该是消费需求量和其他相关产品的价格。如用数学公式来表达, 价格与其影响因素之 间的函数关系可以写成: p = f ( QS, p ′ …) 或 p = f ( QD , p ′ …) 式中　 p —— 商品或能源的价格; Q S —— 生产能力, 即供给量; Q D —— 消费需求量; —— 其他相关产品的价格。 p′ 很显然, 上述函数关系是商品的供给函数和需求函数的反函数。其中生产能力可以进一 步用投入要素, 如资本、劳动力以及技术进步来解释; 需求量可以用国 民生产总值和能 源使 用效率来解释。因此上述函数关系又可以写成: p = f ( K , L, T , p ′ …) 或 p = f ( GN P, E ff, p ′ …) 式中　 K —— 能源生产部门的资本投入; L —— 能源生产部门的劳动投入; T —— 技术进步因素; GN P —— 国民生产总值; E ff —— 能源使用效率。 通常, 在市场经济条件下, 价格问 题的研究 往往只与 市场需求 相联系, 但这 时隐含了 一 个假设, 即认为市场需求与供给基本上是均衡的。而对于能源产品来讲, 经常出现的局面是 供不应求, 因此在研究能 源价格的时候, 可能要 更多地考 虑市场供 给方面 的因素, 因此选 择 前一种函数关系比较合适。 至于函数形式, 选择可以是多种多样的, 有线性的, 指数型的和对数型的, 要视具体情况 而定。此外, 目前出现较多的还有一种超越对数函数形式, 在经济分析和能源价格分析中都 有一定应用。

3. 3. 3　 不同能 源品种价 格确定中的 特殊问题 如前所述, 能源产品作为商品的一族, 其价格制订的基本原则也应该是边际成本等于边 ・ 1 08 ・

际收入或价格, 在其他条件均符合经济学假设的前提下, 该原则将导致能源企业利润的最大 化。 但是, 鉴于能源产品在国民经济发展中的基础性重要地位, 以及在人民生活中所表现出 来的公用事业性, 不得不要求能源企业不断调整其生产规模, 直到价格水平达到长期平均成 本最低点时生产。此时, 无论是能源企业还是整个能源行业, 既无超额利润又无亏损, 而仍能 保证企 业能获得 正常利 润; 同 时企业在 长期平 均成本最 低点生产, 资 源得到了 最有效的 利 用, 从而将导致社会福利的最大化。 然而, 不同能源品种具有 各自的特点, 因此 在能源价 格政策制 定过程 中, 除 了要遵循 上 述基本原则外, 还必须考虑与其特点有关的相关因素。下面我们将分别给予简要的说明。 1. 不可再生( 或可贫化) 能源资源 不可再生能源资源, 如煤、石油、天然气等, 面临一个资源枯竭的问题。根据不可再生资 源经济学原理, 这类资源 在不断开采和利 用过程中, 特别 是当它趋 近耗竭 时, 其 市场价格 将 不断上升。因此, 资源的生产者面临一种选择, 即究竟在目前生产与销售其产品有利还是留 待将来价格上升之后再行生产更为有利。 这就是说, 不可再生能源资源的市场价格并非只包括生产该资源的边际生产成本, 而且 还包括一项更为重要的因素, 即所谓“贫化租金”或“经济租金”。 资源 的边际 成本, 就 短期 而 言, 可能 由于 经济 开采 规 模的 经济 性而 降低; 但就 长期 而 言, 当非再生能源愈来愈贫化时, 边际生产成本将不断提高。这种长期边际成本上升现象是 可贫化资源的一个基本特性( 参见图 5. 3) 。 资源的贫化租 金代表必须付予 生产者的一 种附加的 边际价值, 使 他愿意在 目前生产 一 单位的资源而不愿留待将来价格更高时再生产。在资源开发的初期, 当供应相当充分时, 边 际生产成本相对较低。为了鼓励资源生产者当前生产的积极性, 市场价格必须高出边际生产 成本较多。当资源逐步贫化, 边际生产成本由于自然条件的限制而增大时, 贫化租金逐渐减 小。在最后阶段, 资源生产者仅能回收其生产成本, 此时对该资源的需求终因市场价格过高 而减少, 并且会转而采用替代能源。 从经 济学观 点看, 贫 化租 金 作为 一种 附加 价值, 相 当 于生 产者 利润; 对 于 国有 资源 而 言, 贫化租金也就是非再生资源的资源使用费或资源税。如果政府对本国能源消费者的市场 价格仅控制在边际生产成本, 企图用廉价能源刺激经济增长, 必将导致本国能源资源的加速 贫化, 和以后长期内能源价格的昂贵, 因此, 非再生能源资源的定价政策中, 必须将资源的贫 化租金或资源使用费考虑在内。 2. 电力 电能与其 他能源品种( 如煤、石油制品) 不同, 它不能 大量储存, 而 对它的需 求却是随 时 间波动的, 一年中不同季节、一天中不同时间, 对电能的需求差别很大。 处理电力需求波动的方法有多种。从供电者的观点看, 最简单、最省钱的办法是当需求 超过供电能力时, 将供电量限制在一定水平上, 有选择地中断对某些用户的供电。采取这种 方法对电力公司的收入影响甚微, 但对电力用户来讲经济代价很大。所以强制性分配作为电 力峰荷需求管理的办法是很不理想、很不经济的。另一种办法是在电网中安装足够的备用容 ・ 10 9・

量或抽水蓄 能电站, 以 便在高峰负荷期 间增加供电 能力。电网 的备用 容量有时 也指一些 老 的、低效率的电厂( 本来已准备退役的) 或燃气轮发电机组。 考虑到高峰期 电力需求超过供 电能力的限 制, 我 们可以从 数学上 推导峰荷 期有效经 济 电价的内含。根据前述市场均衡原则, 在供需均衡时, 净收益的简单表达式为:

∫

NB =

Q 0

∫

p ( q) dq -

Q o

M C( q) dq

( 3. 21)

其中 p ( q) 和 M C ( q) 分别是需求和供给曲线方程。使 N B 最大化的必要条件是: dN B = p dQ

MC = 0, p = M C

( 3. 22)

而现在的约束条件是 Q< Q , Q 为供电能力限制值。此时上述问题可用拉格朗日算法求解: λ (Q -

L = NB L = p Q

MC -

Q)

( 3. 23)

λ= 0

( 3. 24)

　 　 式( 3. 24) 中 M C 为在 供电能力 一定时 供应更多 电能的 短期边际 成本, λ指增大 生产 能 力时的边际成本。因而有以下结果: 在非高峰期 Q < Q , λ= 0, p = M C, 在高峰期 Q = Q , λ> 0, p = M C + λ 　 　 可见, 在峰荷时所供电能的单位成本比非峰荷期的要高, 有时候二者差距会很大。因此, 从原则上讲, 应该分别制 订峰、谷 电价, 以便 降低对 供电负荷 的需求, 并实 现更有效、更均 匀 地利用发电设备, 从而导致边际成本的总的下降, 总体经济效益能随之提高。然而, 实现峰、 谷电价的困难在于高峰负荷需求的计量问题, 在此不再赘述。 目前使用 比较广泛的是( 特别是对工 业用电大户 ) 两 部电价制, 即 将电价分 成两部分 来 计算。其中一部分为容量电价, 代表售电成本中的固定费用部分, 以用户最大负荷容量为计 算价格单位; 另一部分为电度电价, 代表售电成本中的变动 费用部分, 以用户所用电度 数为 计算价格单位。以这两部分电价分别计算出固定电费和电度电费, 其总和即为用户应付的全 部电费。这种两部电价制的问题是很可能产生电能使用上的浪费, 从而使用电效率下降。如 果将两部电价制和峰、谷电价制结合起来, 可能会达到比较满意的结果。

参　 考　 文　 献 1. Walt er N icholson , M icr oeconomic T heory , 3rd Ed . Dryden P ress , 1985 2. 石瑛编著. 能源价格. 杭州: 浙江人民出版社, 1992 3. 梁小民. 西方经济学导论. 北京: 北京大学出版社, 1984 4. 联合国统计局编, 肖嘉魁、周逸江译. 投入产出表和分析. 北京: 中国社会科学出版社, 1981

・ 1 10 ・

4　 能 源 需 求 预 测 4. 1　 能源需求预测的意义和内容 4. 1. 1　 能源需 求预测的 意义 　 　 在进行能源规划时首先遇到的一个问题是: 为 满足发展国民经济 和提高人民生活 水平 的需要, 究竟需要多少能源呢? 这就是说, 对能源需求量必须进行预测, 它是制订能源规划以 至整个国民经济规划的重要组成部分和一个重要阶段。 真正的科学预 测必须立足于系 统地研究自 然过程和 社会现象, 预 测的过程 就是认识 客 观规律的过程。能源需求预测也是从研究一个国家或者地区能源消费的历史和现状开始, 分 析影响能源消费的各种因素, 找出能源消费需求量与这些因素的关系, 并根据这些关系对未 来能源需求发展趋势作出估计和评价。一般说, 影响能源消费需求的因素有人口数、国民经 济发展速度及其结构、生产技术水平、能源生产和消费构成等等。 能源需求预测 与未来可供使用 的能源预测 相结合, 即可对 未来的 能源供求 形势作出 分 析, 从 而为制订优化的能 源战略, 安排能源建设 和节能措 施以及能 源科研, 以保 证向新能 源 结构过渡。同时, 在能源供需平衡的基础上还必须对社会和经济发展、环境影响作出必要的 反馈, 以实现人类社会持续发展的目标。 因此, 能源需求预测的作用主要是: ( 1) 进行国民经济和科技发展规划、能源规划、节能规划等的重要依据; ( 2) 推动技术和产品更新, 增加竞争意识的手段; ( 3) 制订经济、能源、环境领域的政策和决策的参考; ( 4) 提高人民生活水平, 组织好社会生活, 进行科学管理的重要组成部分。

4. 1. 2　 能源需 求预测的 特点 与能源规划工 作一样, 能 源需求分析具 有连续、反复 和综合考 虑, 并与各部 门密切联 系 与综合平衡, 且对分析本身的高质量要求等特点。 能源规划工作是一个连续、反复进行的过程, 因此其基础工作—— 能源需求分析也必须 反复多次进行, 才能使依此制定的能源战略具有适应外界变化的灵活性和适应性。 当考虑能源供 求平衡时常常要 涉及到能源 投资情况, 注重 研究各 方面的资 金情况和 新 投资金的限制和筹措、能源供应可能性变化的反馈信息, 因此做需求分析时必须重视综合平 衡( 包括资金平衡、重要物资量平衡、部门和地区平衡) , 以便及时对需求加以调整, 包括增强 节能措施或增加对新增能源生产能力的各种备选方案。 由于人们越来 越重视能源规划, 因此也就 更重视 能源需求 分析的 效率和是 否能成功 地 通盘考虑各方面的政策。能源规划者和预测工作者重视政策的拟制和方案备选的研究, 要求 在能源计划的 解释方面增加灵 活性和适应性, 并具有 评价风险 和不确 定性对能 源部门决 策 影响的能力。 ・ 11 1・

4. 1. 3　 能源需 求预测的 分类及内容 能源需求预测可以分成定性的或者定量的两类。前一类是估计能源需求随某些因素变 化的定性关系。例如变化某一因素, 其后果是增加还是减少需求量。另一类是估计各种政策 措施、技术进展或者其他因素对能源需求影响的大小。这就需要预测能源的绝对量, 以便在 制定政策和规划并确定今后的能源方向和能源科研战略时, 起到指导和参考作用。 对于在一个国 家、地区、部门或特 定范围内 进行能源 需求预测 时, 主要是预 测能源总 量 ( 包括终端能源消费 量与一次能源需 求量) , 以及 其构成例 如包括 原煤、原油、天然气、核能、 水电及其他一次能源需求量( 可按实物量或折合标准燃料统一计算) 。有时为了需要可专门 预测某一种能 源的需求量, 如国民经济对 电力的需 求量、交通运输 对燃料 油的需求 量、城 市 居民能源消费量等等。 按预测时间的长短一般分为近期、中期及远期预测: ( 1) 近期能源需求预测 其周期约为 5—10 年。由于时间较近, 国民经济的可能发展及其变化比较清楚, 能源结 构也不可能发生很大变化。能源供应主要来自已经建成或开始建设的能源基地及设施。因 此能源需求预测值比较准确, 其结果对国民经济能起指导作用。 ( 2) 中期能源预测 其周期约为 10—20 年。影响能源需求的因素比较难于准确地把握, 因此预测总是带有 各种假设条件。然而, 这种预测可以表明在预测期内能源需要量是否能适应国民经济发展的 需要, 以利于确定近期内需要开始建设的能源工程的规模与种类, 从而在能源方案的选择上 具有一定的灵活性。 ( 3) 远期能源预测 其周期超过 20 年, 甚至到 50 年。这种预测虽然粗略, 其结果准确度也颇差, 但却能提出 极其重要的战略性问题, 直接影响到近期能源建 设和能源科研的一 系列政策和决策。 能源 工业开发周期长、投资大。 10 年 内开发的大型能 源基地与发展重大 新技术, 一般要在 20 年 后才能充分显示出其威力, 影响国民经济的布局与结构。这种预测在进行不同方案的选择时 灵活性最大, 值得研究的课题也最多。能源结构应如何改变或过渡, 主要需通过远期预测才 能分析清楚。 近期的能源预 测对国民经济具 有直接的 指导作用, 然而, 重要 的能源 基地建设、重大 的 技术措施的研究与发展, 需要中、远期的预测作为参考, 以免陷入盲目性, 影响国民经济的发 展以及人民的生活消费水平的提高。因此中、远期的能源需求预测与近期的一样, 同样是一 项不可缺少的重要任务。 近 年来 世 界 各 国 和 我 国都 开 展 大 量 的 能 源 需 求 预 测 工 作, 包 括 2000, 2010, 2020, 2030, 2050 年以至 2100 年 的预测研 究。目的在 于探索 未来 的能 源发展 战略 和能源 环境 战 略。

4. 2　 影响能源需求的因素 能源需求预测是从研究一个国家、地区或特定范围内能源消费的历史与现状开始, 根据 ・ 1 12 ・

其消费行为, 归纳影响能 源消费的各种因 素; 寻 求消费与 这些因素 的关系; 根据 这些关系 对 未来能源需求发展趋势作出估计和评价。 一般来说, 影响能源需求 的因素包括人 口和生 活方式、国民经 济状况、产业 结构与科 学 技术进步、资源与环境、价格与体制等。 在进行能源规划与预测时经常按如图 4. 1 所示模块进行。

图 4. 1　 能源规划与预测模块图 资料 来源 : 国际 原子 能机构 通报, 1990 年, 第 3 期 : 2—3

4. 2. 1　 人口和 城市化 人口数量及人口结构的时间分布变化及人口城乡结构的空间分布变化是与经济发展总 量密切相关的, 影响到城乡结构、产业结构、就业结构、消费结构包括能源消费总量和能源消 费结构。 中国人口多, 1990 年底总人口 已达 11. 43 亿。根据中科院 国情分 析研究小 组从充分 就 业角度 的推算, 我国经 济适度 人口为 8 亿左右, 过剩 人口为 2—3 亿; 从土 地资源生 产力 推 算, 目前我国合理的资源承载人口为 9. 5 亿, 其过剩人口在 2 亿以上。众多的人口, 已对社会 形成全面性的压力, 影响中国现代化的进程。也影响对能源的需求, 因此, 计划生育作为我国 的基本国策应长期坚持下去。 城市化 是经济发 展必 然过程, 我 国的 城乡人 口比 例由 1950 年 的 11. 2%∶ 88. 8% 增 加 到 1990 年的 26. 4%∶ 73. 6% 。仍处于低水平。 图 4. 2 说明城 市人口的比重将 随着人均 GNP 的 增加而增加, 因此, 中国的 城市人口 将 不断增长。虽然中国采取发展乡镇企业使农村剩余劳动力就地吸收的政策, 减少了向大城市 的迁移量, 但就地发展的 小城镇, 仍将增加城市 人口对能 源的需求, 特 别是对商 品能源与 优 ・ 11 3・

质能源的需求远大于农村人口。据人口预测, 到下世纪中叶我国的人口约为 15—16 亿, 城市 人口约占总人口的 60% —65% 。

图 4. 2　 城市人口比重与人均 G NP 的关系 资料 来源 : 世界 银行 . 世 界银 行发展 报告, 1992 年

4. 2. 2　 经济增 长和发展 阶段 我国的经济发展目标是到 2000 年人民生活达到小康水平, 到下世纪中叶达到中等发达 国家水平, 人民过着较富裕的水平。根据我国经济学家的分析, 按照科学技术发展水平和经 济发展状况, 可以把世界各国的经济划分为 4 种类型: ① 工业化前的经济; ② 前工业 化经 济; ③ 基本实现工业化的经济; ④ 后工业化经济。建国以来我国经历了第一阶段进入了第 二阶段, 今后几十年我国 将由第二阶段过 渡到第三阶 段并完成 第三阶 段的任务 达到中等 发 达国家水平, 进入后工业化经济类型。表 4. 1 给出不同发展水平国家的 GDP 增长率( 1965— 1990 年) 。由表可知, 我国 的经济增长还将 保持一段高速增 长时期, 然 后随着经济的发 展速 度会有所下降。高速的经济发展也要求能源以较高速度增长。 表 4. 1　 不同发展水平国家的 G DP 增长率( 1965—1990 年) 1965—1980 年 高收入国家( 人均> 6000 美元) 　 　 　 美国 　 　 　 日本 　 　 　 法国 　 　 　 德国( 东西德) 　 　 　 英国 上中等收入国家( 人均 2400—6000 美元) 韩国 下中等收入国家( 人均 600—2400 美元) 泰国 低收入国家( 人均 300—600 美元) 印度 中国

・ 1 14 ・

3. 2. 6. 4. 3. 2. 7. 9. 5. 7. 4. 3. 6.

7% 7% 4% 0% 3% 3% 0% 9% 5% 3% 9% 6% 8%

1980—1990 年 3. 1% 3. 4% 4. 1% 2. 2% 2. 1% 3. 1% 2. 4% 9. 7% 2. 6% 7. 6% 6. 1% 5. 3% 9. 5% —9. 9%

4. 2. 3　 生活方 式与消费 结构 随着人民生活水平的提高, 人们的消费观念和行为会有很大变化, 人们不满足于基本的 消费需求, 而要求有高级的消费享受。即使在基本的消费需求: 衣, 食, 住, 行方面消费的行为 也有很大的变化, 例如食不仅为吃饱, 而且要吃好, 动物蛋白的比例将提高, 中国著名的饮食 文化将在人民大众中普及; 衣不仅穿暖, 传统的“新三年, 旧三年, 缝缝补补又三年”的观念将 有极大的变化, 而且是追求时尚; 住讲究舒适美观甚至豪华; 行追求快速、方便等等。而消费 结构的变化既 影响产业结构的 变化, 也增 加对能源 直接消费 的需求, 特别 是电力、液体和 气 体燃料等优质能源的需求。

4. 2. 4　 产业结 构 产业结构与经济发展阶段紧密相关。一般讲, 前述四种经济类型, 第一种类型第一产业 ( 农业) 在国 民经济中占主导 地位, 现代 工业尚处于 萌芽时期, 第三 产业基 本上是消 费性的。 第二种经济类型的结构特征是第一产业比重有明显下降, 但仍占相当大的比重; 第二产业的 比重 有明显 上升, 但 在量和 质上 还未达 到足 够的 水平, 特别 是吸 收现代 科技 成果的 能力 有 限; 第三产业开始加速发展, 但很大部分仍是消费性的。第三种经济类型的结构特征是第二 产业在国民经济中处主导地位, 但在质上还没有达到成熟程度, 吸收最先进的科技成果的能 力比较薄弱, 第三产业的比重明显上升, 但仍低于第二产业。第四种经济类型的结构特征是 第一产业比重很低, 第二产业比重开始下降, 第三产业的比重明显上升, 并超过第一, 第二产 业, 出现所谓国民经济“第三产业化”趋向, 而且具有明显的服务性和咨询性。 表 4. 2 给出不同发展水平国家的产业结构。 表 4. 2　 不同发展水平国家的产业结构 第一产业 1965 年 高收入国家 美国 日本 法国 　 德国( 西德) 英国 上中等收入国家 韩国 下中等收入国家 泰国

5. 0% 3. 0% 10. 0% 8. 0% 4. 0% 3. 0% 16. 0% 30. 0% 22. 0% 32. 0%

低收入国家 印度 中国

41. 0% 44. 0% 38. 0%

1990 年

　 　 2. 0% ＊ 3. 0% 4. 0% 2. 0% 2. 0% ＊ 9. 0% 9. 0% 17. 0% 12. 0% 31. 0% 31. 0% 28. 4%

第二产业

第三产业

1965 年

1990 年

1965 年

1990 年

43. 0% 39% 44. 0% 38. 0% 53. 0% 46. 0% 36. 0% 25. 0% 32. 0% 23. 0%

　 　 　 33% ＊ 42. 0% 29. 0% 39. 0% 42. 0% ＊ 40. 0% 45. 0% 31. 0% 39. 0%

54. 0% 59. 0% 46. 0% 27. 0% 43. 0% 51. 0% 47. 0% 37. 0% 44. 0% 45. 0%

　 　 65. 0% ＊ 56. 0% 67. 0% 59. 0% 56. 0% ＊ 51. 0% 46. 0% 50. 0% 49. 0%

26. 0% 22. 0% 35. 0%

36. 0% 29. 0% 44. 3%

32. 0% 34. 0% 27. 0%

35. 0% 40. 0% 27. 2%

　 　 ＊ 1988 年 数值。 注 : 法 国电力 、自 来水 包括在 第二 产业工 业中 ; 日 本第三 产业 包括商 业、金融 保险业 、不 动产 业、运输通 讯业 、电 气、煤 气 、自 来水业 、服务业 。 资 料来 源: 世 界银 行. 世界银 行发 展报告 , 1992 年

・ 11 5・

由于 一, 二, 三 产业 的产值 能耗 不同, 第二 产业 的产 值能耗 远高 于一, 三 产 业的 产值 能 耗, 例如我国 1990 年一, 二, 三产业的产值能耗分别为 0. 97, 8. 79 和 1. 93 吨标煤/ 万元。因 此, 一, 二, 三产业结构的变化将影响对能源的需求。 产业结构的影 响不仅限于一, 二, 三产业结 构之间的 变化, 而且还 在于各产 业内部结 构 的变化。例如第一产业 —— 农业内部结构随着人民生活水平的提高, 对高蛋白食品的需求增 加, 因此农业内部畜牧业、水产业的比例将要增加; 第二产业内部工业各行业的比例变化, 如 传统的高耗能 行业和新兴的、高附加值的 行业和产 品结构的 变化; 第三产 业内部交 通运输、 通讯, 商业及其他各类服务业之间的变化等, 都会影响对能源的需求。

4. 2. 5　 技术进 步 科学技术是第一生产力。在产业结构调整中, 加快科技成果转化成生产力的进程, 促进 科技与生产相 结合, 采用 高技术改造传统 工业, 并促进新 技术的产 业化, 将大大 影响能源 需 求, 例如改造传统的化肥工业、水泥工业使产品能耗大幅度下降。或依靠科技进步, 提高劳动 生产率和管理水平, 使整个工业向节能型转化。 技术进步对能源需求影响是很大的。表 4. 3 列出我国一些主要耗能产品与目前国外先 进水平的比较。表 4. 4 列出我国能源设备效率与发达国家水平的差距。 表 4. 3　 主要产品单位能耗国内外比较 中国

目前国外先进水平

钢/ 吨标煤/ t

1. 61

0. 9( 我国综合能耗口径)

水泥/ 吨标煤/ t

1. 194

0. 101

6

合成氨/ 10 kcal/ t

13. 6

7. 0 ( 天然气)

9. 5

3. 4 ( 石脑油)

乙烯/ 10 kcal / t 6

2. 5 ( 乙烷) 平板玻璃/ 千克标煤/ 重量箱

39

烧碱/ 吨标煤/ t

1. 7

铝/ 吨标煤/ t

11. 2

煤/ 千克标煤/ t

41. 5

电( 发电) / 千克标煤/ ( kW ・h)

0. 392

　 ( 供电)

0. 427

14. 1 1. 1 6. 0—6. 8

0. 33

表 4. 4　 中国能源设备效率与发达国家差距百分比 设备名称

中国设备效率

发达国家设备效率

差　 　 距

28. 5%

36% —38%

6% —10%

工业锅炉

55% —65%

80% —85%

20% —25%

工业窑炉

6% —37. 5%

40% —60%

加权平均差 40

风　 　 机

65% —70%

80% —90%

30%

水　 　 泵

65% —80%

78% —90%

10%

火电厂热效率 ( 平均)

　 　 资 料来 源: 《节 能战略 研究》, 国家计 委能 源研究 所, 1990 年 12 月。

・ 1 16 ・

科学技术是最活跃的因素, 当前电子技术、生物技术、能源新技 术、新材 料、新工艺 的迅 速发展, 目前的先进水平若干年后将变成落后水平。而且持续发展与环境保护已成为世界各 国的共识, 因而对资源的合理利用, 提高资源包括能源的利用效率成为共同的努力目标。科 学技术进步对提高能源利用效率和效益的作用将愈益显著。

4. 2. 6　 价格 随着我国社会主义市场经济体制的建立和完善, 价格的作用将愈益明显。能源价格的制 订应反映成本, 兼顾能源节约、环境保护及经济发展的需要, 并维持合理的结构。能源事业在 合理经营下应维持适当的投资报酬率, 以取得自身长期发展所需的资金。目前我国能源价格 的不合理, 能源行业的自我发展的能力差, 甚至处于亏损的状况, 如煤炭行业, 需要进行价格 改革适应市场经济体制的建立。 因此, 能源订价的原则可简述为: ( 1) 反映成本( 社会成本= 外部成本+ 生产成本) ; ( 2) 能源节约; ( 3) 环境保护; ( 4) 经济发展( 出口竞争能力, 物价稳定等) ; ( 5) 长期发展所需资金( 合理的报酬率) ; ( 6) 各能源间应有合理的价比。 从社会观点看, 使用能源 会产生空气 污染、酸雨、噪音、交通堵 塞等影 响, 进 行防治需 要 投入, 因此要考虑外部成本。故在反映成本中除反映生产成本外, 还应考虑外部成本。外部 成本可以藉课税的方式加以内生化, 否则将违反使用者付费的原则, 影响社会的公平性。尤 为甚者, 可能会造成资源的错误配置及社会福利的损失。 在实际订价时, 如何精确计算能源所造成的外部成本, 并藉以课税是一项极为困难的工 作, 但由于考虑外部成本, 能源产品应课以比一般商品为高的税是必要的。在制订能源价格 还应兼顾经济发展和合理的能源价格结构的原则。较高的税负固有利于能源节约和环境保 护, 但太高的税及能源价格不利于国内物价的稳定和出口产品的竞争力, 因此会影响出口和 经济发展, 故订价时除考 虑国内因素外, 还应考 虑国外因 素, 即 国际市 场价以及 出口产品 主 要竞争对手国的能源价格水平, 不宜过高或过低。 从需求预测的 角度看, 主 要应研究各行业 中能源 需求的价 格弹性 以及能源 价格对各 行 业产品价格的影响。 表 4. 5 给出世界主要国家和一些地区的油价及税率( 不含进口税) 。表 4. 6 给出我国台 湾地区各产业 中油品需求的价 格弹性, 表 4. 7 给出我 国台湾地 区油品 调价对各 业价格的 影 响。 我国台湾地区的能源主要依靠进口, 进口占总能源供应量高达 95% , 而 1992 年能源供 应结构中煤炭占 26% , 石油占 53% 。发电能源中燃煤占 30% , 燃油占 26% , 天然气占 4% , 水电占 13% , 因此, 其油品价格对需求和各产业产出价格的影响比我国大陆地区要大。 我国在建立社会主义市场价格体制的过程中应研究能源需求的价格弹性和能源价格对 各行业产品价格的影响等, 从而对能源价格的制订提出相应的政策措施, 也是需求预测的一 个重要方面。 ・ 11 7・

表 4. 5　 世界主要国家和一些地区的油价及税率( 不含进口税) 国别和地区

普通无铅汽油 日期 价格 非 石 油 出 口 国 和 地 区

日本 韩国 新加坡 中国台湾 菲律宾 泰国 奥地利 德国 荷兰

1993. 3 1993. 3 1993. 3 1993. 3 1992. 5 1993. 2 1993. 3 1993. 2 1993. 2

税金

税前价

税金

税率

75. 6% 120. 0% 107. 5% 75. 2% 45. 5% 4. 6% 162. 4% 282. 7% 249. 1%

0. 66 0. 27 0. 30 0. 46 0. 28 0. 31 0. 69 0. 57 0. 69

0. 45 0. 23

0. 21 0. 04

46. 1% 19. 9%

0. 28 0. 22 0. 3 0. 3 0. 24 0. 26

0. 0. 0. 0. 0. 0.

0. 32

0. 43 146. 1%

0. 56

0. 28

0. 28 106. 7%

0. 29 0. 34 0. 43 0. 49 1. 07

0. 0. 0. 0. 0.

0. 0. 0. 0. 0.

16 117. 6% 02 7. 5% 20 90. 7% 43 84. 7% 73 218. 9%

0. 32 0. 18 0. 41 0. 46 0. 47 0. 58

0. 0. 0. 0. 0. 0.

0. 0. 0. 0. 0. 0.

平均价格

0. 50

0. 26

0. 24 103. 7%

0. 51

0. 27

0. 24

65. 6%

世界平均价

0. 67

0. 30

0. 37 134. 4%

0. 51

0. 27

0. 24

96. 0%

13 32 23 26 34

46 42 36 26 13 02 51 61 70

价格

0. 75 1993. 2 1993. 1 1992. 12 1992. 12 1993. 1 1993. 2

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.

税率

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.

美国 印尼 加拿大 澳大利亚 挪威 英国

61 35 32 35 29 34 31 21 28

柴　 　 油

1. 07 0. 77 0. 67 0. 61 0. 42 0. 36 0. 81 0. 82 0. 98

平均价格 石 油 出 口 国 及 产 国

税前价

单位: L

21 17 24 25 31 26

17 61. 3% 06 25. 9% 01 4. 4% 39 132. 7% 33 135. 9% 43 162. 0% 11 50. 6% 01 7. 7% 17 68. 5% 21 89. 2% 16 49. 6% 32 127. 8%

表 4. 6　 我国台湾地区各产业中油价的需求弹性( 1980 年) 汽油需求量变动/

柴油需求量变动/

燃料油需求量变动/

汽油价格变动

柴油价格变动

燃料油价格变动

农业 矿业 　 煤业 　 原油天然气 制造业 水、电、煤气业 建筑业 运输、仓储、通讯业 服务业

-

/ / 0. 8274% 0. 1438% 0. 9777% 0. 7561% 9. 7484% 0. 3054% 0. 1482%

-

3. 5689% 6. 3378% 0. 3594% 2. 1509% 0. 3312% 0. 7950% 1. 3692% 2. 4595 3. 9912%

-

0. 1874% 0. 7218% 0. 8291% 0. 9401% 1. 1189% 0. 4545% 0. 3606% 0. 7583% 2. 9917%

　 　 资 料来 源: 梁 启源 . 合 理油价 政策 与台湾 之能 源节约 . 海 峡两 岸暨香 港地 区能源 研讨会 , 1993 年 11 月 表 4. 7　 我国台湾地区油品调价对各产业产出价格的影响( 百分数)

农业 矿业 　 煤 　 原油及天然气 制造业 公用事业 　 电力 建筑业 运输仓储业 服务业

( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

汽油涨 88%

柴油跌 2. 07%

燃料油涨 6. 15%

( 1) ( 2) ( 3) 同时调整

0. 214 0. 420 1. 037 0. 117 0. 424 3. 734 3. 271 0. 429 0. 071 0. 281

0. 316 0. 298 1. 077 0. 035 0. 638 3. 809 3. 292 0. 804 1. 955 0. 644

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 0.

226 194 054 095 267 114 050 389 127 381

-

0. 124 0. 284 0. 017 0. 011 0. 036 0. 043 0. 032 0. 018 0. 245 0. 021

　 　 资 料来 源: 梁 启源 . 合 理油价 政策 与台湾 之能 源节约 . 海 峡两 岸暨香 港地 区能源 研讨会 , 1993 年 11 月

・ 1 18 ・

4. 3　 能源需求预测方法 4. 3. 1　 方法概 述 　 　 所谓能源需求预测是指确定能源需求在未来时刻上的可能值。上一节论述了能源需求 取决于社会经济的发展, 这就把对能源的预测转变为对社会经济发展的预测。那么社会经济 的发展又取决于什么? 又如何对其进行预测呢? 这样一个预测递推过程的终点在什么地方 呢? 任何一个 国家或地区的社 会经济系统都 在时间的 长河中( 过去、现在、未来 ) 运 动着, 表 征社会经济系统的每个量也随时间而改变着其取值( 常量应被看作特例) 。在我们的知识和 能力所及的范围内, 当我们被问及某个量在某一个时刻( 过去、现在或未来的任一时刻) 的取 值时, 我们的 回答原则 上只能 在下述四 种方 式中选 择: ① 查 阅自己 或他 人已 完成的 工作, 找出其取值。② 组织力量对其进行直接地度量( 社会调查) 。当然, 能如此定值的时刻只能属 于过去或现在。③ 由自己或邀请专家对其进行合理地假定或猜测。④ 由其他已定值的量将 其求出。前三种是直接定值法, 第四种是间接定值法。通常, 要确定同一个量在某些时刻的 取值, 需用不同的定值法。所以, 从定值的角度看, 一个量在不同的时刻有着不同的性质。为 叙述方便起见, 在本节的范围内, 我们对变量的定义, 不仅包含着其社会经济意义, 还包含着 时间, 即每个量的每个时刻的值都看作是一个单独的变量。以直接定值法定值的变量称为直 接定值变量, 以间按定值法定值的变量称为间接定值变量。 间接定值法与数学模型( 简称模型) 的使用直接相关。简单地讲, 一个模型是一组变量之 间的一组数学关系, 或一个数学关系式集合, 从中一些变量的取值可由另一些变量的取值决 定, 前者组成模型的内生变量集合, 后者组成模型的外生变量集合。为了给一些间接定值变 量定值, 所使用的模型必须对这些变量是完整的, 即数学关系集合要大到足以使每个间接定 值变量必属于内生变量集合, 而外生变量集合的每个变量必是直接定值变量。如果内生变量 集合包含着未来时刻的变量, 则模型为预测它们的模型。 使用间接定值 法包括三个基本 的步骤, 即构造 一个完整 的模型, 给每 个外生变 量赋值, 求解模型。 构造一个 完整的模型( 即确定内生变 量、外生 变量和数 学关系 三个集合 ) 的 原则过程 如 下: ① 确定需 要间接定 值的变 量集合, 以这 个变 量集合 初始 化内生 变量 集合, 而外 生变 量 集合和数学关系集合都被初始化为空集。② 寻找和建立内生变量之间或内生变量与其他变 量之 间的新关 系, 将 新关系 并入数学 关系集 合。③ 确定新 出现变量 集合, 若为直 接定值 变 量, 则将其并入外生变量集合, 否则将其并入内生变量集合。④ 判定数学关系集合是否足以 由外生变量的取值确定所有内生变量的取值, 若判定为“是”, 则构模过程结束, 否则, 转去第 ②步, 重复寻找和建立新的集合。 从构模过程可知, 其中心步骤是建立变量之间的数学关系。变量之间的数学关系是多种 多样的, 这反映了客观世界的丰富多采。原则上讲, 建立变量之间的数学关系的依据是变量 的定义、变量所受到的约束、客观世界运动所遵循的定量规律和定性规律。前三者本质上就 是量化的, 利用它们构造数学关系不会有任何困难。而定性关系仅告诉我们某些变量之间存 在着关系, 或是增关系还是减关系, 或关系是强还是弱, 至于关系的具体形式就不知道了, 因 ・ 11 9・

此, 利用非量化的定性关系构造量化的数学关系是困难的。由于社会经济系统的庞杂性, 社 会经济科 学至今还不是( 将来也未必 能是) 精 确的科学, 所以我 们对社 会经济系 统的知识 的 大部分是定性的, 如上一节列举的能源需求与多种社会经济因素之间的关系就是如此。将定 性关系量化的唯一途径是利用数值拟合技术建立经验公式。在数值拟合技术中, 当前占主导 地位的是 基于数理统计原 理的各种方法( 请参看数理 统计学 或计量经 济学教科 书) , 不过 基 于模糊数学的方法也已出现 [ 6] 。 模型中的数学关系应当是稳定的, 即在变量的取值范围和时间范围内, 数学关系始终满 足给定的精度要求。非经验公式型的数学关系显然是稳定的, 而对经验公式就不能下这个结 论。严格地讲, 经验公式仅在样本数据的取值范围和时间范围内是近似成立的, 超出这些范 围不能保证是成立的( 通常近似程度降低, 甚至不成立) 。这就是说经验公式的稳定性通常是 不好的。经验公式是对“黑箱”的“辨识”。显然黑箱越“大( 复杂) ”, 经验公式的稳定性越差, 所以改善经验公式稳定性的方法是将“大”黑箱化为一系列“小”黑箱, 分别对其进行辨识。 与构造模型相比, 给外生变量赋值理论上是简单的, 但工作量是大的。对过去和现在时 刻的外生变量赋值需要的是依据统计学原理对数据进行收集和处理。对未来时刻的外生变 量赋值需要的是依据专家预测法

[ 7]

进行假定和猜测。

求解模型是纯粹的数学问题, 要根据模型的具体形式选择算法。通常能源需求预测模型 的数学形式是简单的, 算法也是简单的。 使用模型的一个重要问题是所谓的想定( scenario ) 设计技巧问题。记模型的内生变量集 合为 m 维空间的点 Y= {y ｉ , ｉ∈M }, 其中 M = {1, 2, …, m}。记模型的外生变量集合为 ｎ 维 空间的点 X = {x j , j ∈N }, 其中 N = {1, 2, …, ｎ}。由于给外生变量赋值存在着不确定性, 比 如每个外生变 量在一个区间内 取值, 则模型 表达的是 定义在 ｎ 维长方 体内的 函数关系 Y = F ( X ) 。X 空间中的每一个点称为一个想定。通常写不出这个函数的解析表达式, 只能以函 数表的形式( X 1 , Y1 ) 、( X 2 , Y2 ) 、( X 3 , Y3 ) , …表达这个函 数。在模型可运行 以后, 编制 这个 外生变量仅取低值、中值和高值三个值, 则需计算 3 ｎ 个想定。 ｎ 用不着 很大, 解 3ｎ 次模 型已 ｎ

成为不 可能完成 的工作; 即使 3 个想定能 全部解 出, 观 看这一巨 大的函 数表也使 人不得 要 领。必须大大减少需要计算的想定数目。以所有外生变量都取中值为基本想定, 然后每一个 外生变量单独变化, 这样只需计算( 2ｎ+ 1) 个想定。用数值微分法处理计算结果可得到基本 想定处的矩阵 Y/ X = { y ｉ / x j , ｉ∈ M , j ∈ N }, 且可判定与 Y 呈现强烈非线性关系的外生变 量的脚标集合 N 1 和其他外生变量的脚标集合 N 2 。据此可得近似式 Y = F ( x1 , x 2 ) + 其中

y/ x 2 ¡¤( x 2 - x 2 )

X 1 = {x j , j ∈ N 1 }, X 2 = {x j , j ∈ N 2 }, X 2 = {x j 的中值, j ∈ N 2 }, Y/ X 2 = { y ｉ/ x j , ｉ ∈ M , j ∈ N 2 }。F ( X 1 , X 2 )

仅作为 X 1 的函数, 需计算的想定数目大大减少。 在基本想定附近的小邻域内, 下式总是成立, Y = F( x) +

Y/ X ¡¤( x -

x)

其中 X = {x j }的中值, j ∈N }。 yｉ yｉ 1 yｉ xｉ yｉ , xj ・ , ・ 和 ・ 分 别为 y ｉ 对 x ｉ 的 绝对－绝对、绝对－相对、相对－绝对和 相对－ xj x j yｉ xj yｉ xj 相对敏感度。最后一个量又称为 y ｉ 对 x j 的弹性系数。 ・ 1 20 ・

4. 3. 2　 弹性系 数预测模 型 这里所说的 预测是指服务于 全国、地区 或行业规 划的短、中或 长期( 按第一 节定义的 时 间长度) 的能源预测, 而不是服务于行业或企业运行的超短期预测。 弹性系数模型是最简单、最综合性的模型, 即 e

E = kG 或 lnE = lnk + elnG 式中　 E —— 内生变量, 能源需求量; G —— 外生变量, 宏观经济 指标, 如 国民生产总值、国内生产总 值、社会总 产值或工 农 业总产值等; k 和 e —— 宏观经济常数, e 即弹性系数。利用数值拟合技术很容易从历史样本数据中 得到 k 和 e。 设 lnE = y , lnG= x , lnk= a 则上式可写成: y = a + ex 可 选用相 应历史年 段的数据 y ｉ 和 x ｉ( ｉ= 1, 2, …, ｎ ) 。按照 最小二 乘法, 与数 据组( x ｉ, y ｉ ) 拟 合, 得最好的直线方程中的参数 a 和 e 的估计值为: ｎ

ｎ

ｎ ∑ x ｉy ｉ ｉ= 1

e=

ｎ

∑ x ∑y ｉ

ｉ= 1

ｎ

ｎ

ｎ∑ x -

2

∑x ｉ

2 ｉ

ｉ= 1

ｉ= 1

ｎ

ｎ

1 yｉ ｎ∑ ｉ= 1

a =

ｉ

ｉ= 1

1 e ¡¤ ｎ

∑x

ｉ

ｉ= 1

对回归方程应进行检验。简单的检验方法是计算出 x 与 y 之间的相关系数 r ｎ

ｎ

∑x y ｉ

-

ｉ

ｉ= 1

r= ｎ

∑x ｉ= 1

2 ｉ

-

1 ｎ

ｎ

∑x

ｎ

1 x ｉ∑ y ｉ ｎ∑ ｉ= 1 ｉ= 1 ｎ 2

ｉ

ｉ= 1

¡¤

∑y

2 ｉ

-

ｉ= 1

1 ｎ

ｎ

∑y

2 ｉ

ｉ= 1

若 r 接近于 1, 则表示 x 与 y 之间确实存在线性关系。当然, 严格讲还必须进行许多项检验, 但一般在计算能源弹性系数时, 计算出相关系数接近 1 时, 可粗略地认为可以接受。 建国以来我国 能源和国民收 入数据 从 1953 年到 1992 年均可 收集到, 而国 民生产总 值 数据仅从 1978 年开始, 目前国际上通用的都是国民生产总值 GN P 。 如果我国取 ( 1) 1953—1992 年一次能源消费总量 E ｉ 与国民收入 NI ｉ 的数据, 则可得 e = 1. 108 a = 2. 2 lnE = 2. 2 + 1. 108lnNI E = 9. 03N I 　 　 ( 2) 1953—1978 年一次能源消费总量 E ｉ 与国民收入 NI ｉ 的数据, 则可得 E = 0. 163NI 1. 6 87 　 　 ( 3) 1978—1992 年一次能源消费总量 E ｉ 与国民收入 NI ｉ 的数据, 则 ・ 12 1・

E = 661. 54N I

0 . 58 1

　 　 ( 4) 1978—1992 年一次能源消费总量 E ｉ 与国民生产总值 GNP 数据, 则 0. 5 75

E = 493. 94GN P 　 　 ( 5) 1985—1992 年一次能源消费总量 E ｉ 与国民生产总值 GNP 数据, 则 E = 280. 1GN P 0. 637 　 　 上述不同 年段数据点 所得弹性 系数 e 值相 差很大, 说明上 述简单 的数学关 系不具有 所 要求的稳定性。在稍长的时间内, 希望的直线关系并不存在。提高经验公式稳定性的方法是 将大黑箱化为一系列小黑箱, 这就是当前进行能源需求预测主要使用的部门分析模型。 由于影响弹性 系数的因素很多, 因此用历 史的弹 性系数作 为预测 未来能源 需求量可 信 度差。但基于此法简单、快捷, 人们往往用以快速粗略的估算, 或用以校核其他方法所得的能 源需求量。在进行粗略估算时, 能源弹性系数的取值, 往往是分析本国历史上弹性系数的变 化情况及其影响因素, 如节能率、产业结构等, 再参考国际相应的弹性系数值, 通过专家想定 加 以 估 计。表 4. 8 给 出 一 些 国 家 和 地 区 1973 年 和 1986 年 的 单 位 GDP 能 源 消 费 量 及 1973—1986 年的弹性系数值。 表 4. 8　 一些国家经济发展与能源消费 国家和地区

Y= E / G DP

能源弹性系数

dGDP / G DP

dE / E

美国

2. 37%

0. 17%

0. 571/ 0. 753

0. 07

加拿大

3. 26%

2. 0%

0. 755/ 0. 876

0. 61

澳大利亚

2. 66%

2. 1%

0. 604/ 0. 652

0. 79

原西德

1. 82%

0. 14%

0. 306/ 0. 38

0. 08

法国

2. 14%

0. 92%

0. 275/ 0. 324

0. 43

瑞典

1. 73%

1. 2%

0. 403/ 0. 431

0. 69

日本

3. 70%

0. 67%

0. 281/ 0. 413

0. 18

印度

4. 5%

5. 9%

0. 64/ 0. 55

1. 31

印尼

5. 8%

9. 8%

0. 43/ 0. 27

1. 69

南韩

7. 9%

7. 0%

0. 59/ 0. 74

0. 89

中国台北

7. 6%

4. 4%

0. 56/ 0. 82

0. 58

香港

7. 8%

8. 0%

0. 2/ 0. 17

1. 03

马来西亚

5. 9%

6. 7%

0. 42/ 0. 39

1. 14

巴基斯坦

6. 1%

7. 7%

0. 61/ 0. 51

1. 26

新加坡

7. 8%

7. 0%

0. 7/ 0. 77

0. 9

泰国

6. 0%

5. 2%

0. 38/ 0. 42

0. 87

/ 吨标煤/ 1000 美元

OE CD 国家

亚太发展中国家和地区

・ 1 22 ・

　 　 由表可知, 发展中国家经济处于发展阶段, 技术相对落后, 虽然其节能潜力不小, 但开展 节能工作的能 力与资金有限, 且经济发展 对能源需 求大幅度 提高, 故弹性 系数一般 都大, 而 且大于 1。而发达国家已处 于后工业化阶段, 经济发展 缓慢。自 1973 年石油危机后注 意节 能, 故弹性系数都较低。

4. 3. 3　 部门活 动分析模 型 由于人们广泛 地接受了自然资 源合理利用 的新概念 和逐渐提 高了环 境意识, 在研究 能 源问题时, 开始从经济－能源－环境系统的 整体优化角度来 考虑问题。在这个 大系统中, 常常 采用惯性与非 惯性预测互相配 合的方法, 尤其是进 行中、长期预测 时, 超过系统 自身惯性 周 期或系统本身惯性不足, 可根据想定情景法以政策分析为主指导经济预测与规划; 根据不同 生产与生活部 门的不同消费行 为和消费水平, 研究未 来年份引 起消费 行为与水 平变化的 可 能与影响因素, 根据部门活动分析法预测未来能源需求结构与数量; 最后考虑到技术进步对 需求变化和能源生产和转换的影响、能源替代的可能, 以及资源、环境的约束, 通过规划方法 进行 优化, 上述 经济 模型、能源 需求 预测模 型和 能源系 统技 术选 择模型 形成 一个完 整的 系 统。 在这个系统中 采用部门活动分 析模型进行 能源系统 需求分析 是承上 启下的中 心环节, 常按图 4. 3 所示框图分类进行。

图 4. 3　 分部门预测框图

采用部门活动 分析模型一般将 经济部门按 研究问题 的目的、经济 活动的管 理程序和 数 据可获性分类, 对不同的 生产部门和生活 部门的活动 水平及能 源消费 水平的历 史状况进 行 ・ 12 3・

分析, 研究未来活动水平 变化及能源消费 水平变化 的可能及 影响因 素, 预 测能源需 求状况。 分部门的原则 一般为历史上消 费行为大致一样, 未来 消费行为 变化仍 在一个范 畴之内的 部 门划分为一个单元( 或生产同一类产品的工艺过程也可划为一个单元) 。对单元的活动水平 可采用产值( 附加值) 、产量、保有量、社会经济技术参数( 如人口、人均居住面积) 和其他参数 表征。对划分好的能源单元分析过去的消费行为, 给出消费水平如单位产值( 附加值) 能耗、 ( 总量或分品种) 、单位产品能耗( 总量或分品种) 、人均能源消费量、汽车吨公里耗柴油等等, 用各种数学方法分析未来消费行为可能的变化及趋势。上述两方面的重要工作便是部门活 动分析模型的基础。部门活动分析模型按目前我国经济运行体制一般可采用分解法及综合 法。 1. 分解法 根据国民经济发展速度及三产业比例预测和历史状况, 采用层层分解方法, 计算目标年 产业与行业附 加值, 对部 门的技术发展进 行分析, 给出可 能的节能 趋势, 预测综 合能耗及 分 品种能耗。 分解 法中要 求基 础数据 一般 是由 上到下, 由 宏观 至微观, 视 预测 范围和 数 据可 获性 而 定。下面介绍基础数据及算法 ( 1) 经济结构与能源消费基年概况及消费行为分析 选定基期与目标期; 基年一、二、三产业构成及三产业内部构成; 基年, 各能源单元消费状况( 数量、品种) ; 历史期各能源单元( 数量、品种) 消费行为变化分析( 节能率, 能源替代趋势等) ; 测算基年各能源单元单耗。 ( 2) 经济发展的想定方案和产业结构调整( 经济发展规划外生变量) 国民生产总值增长率; 三产业结构调整; 第二产业中工业、建筑业结构调整; 第三产业中商业、交通和非物质部门结构调整; 第二产业中工业各子部门结构调整; 对重点行业增长率的控制( 如原材料行业、能源工业必须加快发展) 。 由以上规划指标的给定, 测算其附加值, 使其符合宏观调控。 ( 3) 未来能源消费变化 三产业节能率; 三产业内部节能率控制( 考虑能源替代可能及行业技术进步) ; 重点行业节能率控制( 高耗能行业和高附加值行业) 。 ( 4) 数学描述 V —— 附加值　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 C —— 三产业比例 E —— 能源消费量

P —— 人口

D —— 单耗

T —— 基年到预测年年限

R —— 增长率

r —— 节能率

・ 1 24 ・

f —— 预测期

h —— 历史期

s —— 基年

t —— 预测年

ｉ—— 能源品种角标( 1, 2, …, 18)

j —— 三产业及生活消费角标( 1, 2, 3, 4)

k —— 某部中分部门角标( 1, 2, …, k )

ru —— 农村角标

ur —— 城镇角标

q—— 实物量换算标煤系数

算法 1: 　 已知预测期国民经济增长率 R f , 求出预测年国民生产总值 T

V t = V s ( 1 + Rf ) 　 　 　 　 已知预测年三产业比例调整为 C 1 , C 2 , C 3 , 求三产业附加值及增长率 V j , t = V t ・C j 　 　 　 ( j = 1, 2, 3) 1/ T R j , f = ( V j , t / V j , s) - 1

( 注: 第二, 三产业内部结构算法同上) 算法 2: 　 已知 预测期三产业 节能率 调整为 r ( 如 果分品 种则为 r ｉ, j , f ) 、预测 年能源强 度 D 及人口总数和结构, 求预测年能源消费量 18

∑q D

D jt =

ｉ

ｉ, j , s

( 1 - r ｉj , f ) T

ｉ= 1

E jt = D jtVjt 18

18

∑q D

E 4t =

ｉ

4, ｉ, ru , t

∑q D

P ru , t +

ｉ

ｉ= 1

4, ｉ, u r, t

P u r, t

ｉ= 1

4

∑E

Et =

j,t

j= 1

　 　 算法 3: 　 已知某部门 R h , R f , Vs , Vt , 对部门中分部门附加值分解, 求分部门增长率和 ( 0)

(0)

附加值 R k, f , V k, t , 选择迭代控制变量 α、β, 令初始迭代量为 α = R f / R h , β = 0, 则 (ｎ)

(ｎ)

R k, f = R k, h α

Vk( ｎ), t = V k, s ( 1 + R (k,ｎ f) ) T 　 ( k = 1, 2, 3, …, K ) K ( ｎ) t

V =

∑V

( ｎ) k, t

　 ( ｎ = 1, 2, 3, …, N )

k= 1

(ｎ)

　 　 迭代满足条件: ©¦V t - V t ©¦< 给定值 如满足条件, 则迭代停止; 如不满足上述条件, 当 Vt( ｎ) > Vt 时 ( ｎ)

( ｎ+ 1)

α

β( ｎ+

1)

( ｎ+ 1)

α

( ｎ+ 1)

β

( ｎ)

= α -

(ｎ)

α -

(ｎ)

( ｎ)

β

α + β = 2

β( ｎ )

3α( ｎ) - β( ｎ) = 2

2

= βｎ ( ｎ)

= α +

α( ｎ) 2

( ｎ)

= α

　 　 重新迭代。 算法 4: 　 已知某部门 r h , r f , E t , 分部门 r k, h , D k , s , Vk t 求出分部门的 r k , f , D k, t 采用同算法 3 方法, 令 α( 0) = r f / r h , β( 0) = 0 (ｎ)

(ｎ)

r k, f = r k, h α

・ 12 5・

( ｎ)

( ｎ)

D k, t = D k, s ( 1 - r k, t )

T

K

E

( ｎ) t

=

∑D

( ｎ) k, t

Vk , t

k= 1

　 　 迭代满足条件©¦E (t ｎ) - E t ©¦< 给定值 其余算法同算法 3。如果考虑分品种能源, 则按不同品种用同样方法分解。 分解法的优点 在于适合宏观规 划、计划 调节工 作人员, 是一种 自上而 下比较笼 统, 但 是 快捷的方法, 可以迅速地 将各种经济规划 方案, 各种可能 节能效果 方案付 之数学运 算, 得 出 很多不同方案进行比较选择, 给规划工作提供很大的调整余地。但是此方法由于用数学迭代 方法将部门情况分解, 因此要求对子部门能源消费状况及各种能源消费趋势变化有所了解, 才能提供原始 的外生变量及以 后的预测值, 并且对子 部门具体 的技术 经济参数 变化及能 源 替代情况、各种高新技术的采用没有分门别类地加以分析, 所以对子部门的分析将有一定误 差。 2. 综合法 根据各最小能源单元的活动水平及耗能标志量, 采用层层归纳的方法, 给出能源消费量 的变化趋势。 综合法中要求基础数据一般是自下而上的, 由子部门和产品出发, 视预测范围和数据可 获取性, 层层综合一直到宏观总量。基础数据及数学描述如下。 ( 1) 不同的子部门和产品消费行为分析 可将各行业能源消费单元分解, 见表 4. 9。 表 4. 9　 能源消费单元分解举例 部门

农业

工业

消费单元

活动水平

能源消费水平 单位时间、单位面 积能源消 费( 电力、

灌溉

灌溉面积、时间

农业机械

农机保有量、工作定额

单位功率耗能( 电力、柴油等) 等

温室、炉灶及其他

温室面积、供暖时间等

单位面积、单位时间供暖标准

黑色金属加工

钢铁产 量、其他产 品产量 或

产品单耗、产值( 增加值) 单耗

化学工业

产值( 或增加值) 合 成 氨、乙 烯、烧 碱、化 肥、 产品单耗、产值( 增加值) 单耗 农药等 产品产 量, 其他产 品

建材工业

产值( 或增加值) 水泥、砖瓦、玻 璃、陶 瓷等 产 品产 量, 其 他 产 品 产 值 ( 或

单耗

增加值)

高附加值部门 其他部门

・ 1 26 ・

柴油等) 等

产品单耗、产值( 增加值) 单耗

续表 部门

消费单元 铁路

活动水平

能源消费水平

蒸 汽 机 车、内 燃 机 车、电 动

单耗

机车 等 货运 量 ( 货 运 周 转

货运

公路

量) 柴油车、汽 油车等 车保有 量

单耗

及单车货运量 空运

交通

水运 客　 运 管　 道 通　 讯 建筑业 旅游

宾客 设施

商业

施工机械保有量、冬季

施工 机 械或 其他 施 工 设备 等 耗 能水

施工保温设备等( 或投资)

平( 或单位投资耗能)

规模、个数等( 或旅游收入)

耗能标准( 或单位旅游收入耗能)

大、中、小商业 建筑数 ( 或 增 加值)

设施耗能标准( 或增加值单耗)

其他 供、

人口、户数、用 水标准、污 水

供水能耗、污水处理能耗等

服务业

排水

量及处理能力等

　

与商业 市政

道路

道路长度、平均路灯数等

单耗等

各 种 方 式 比 例、人 口、户 数

各种方式单耗等

等 集 中、地 区、水 火 炉 供 热 比

　

其他 食品制作 餐饮业 餐饮 其他 居民 消费 ( 城市 和农 村)

炊　 事 供　 暖

各种供热方式单耗等

例, 供热面积、供热标准等 照明、电器

各 种 电 器 拥 有 量、人 口、人

各种电器单耗等

均用电量等

　 　 具体部门综合算法举例如下: 算法 1: 对一般工 业部门中子部门, 已知基年 多种产品产量( 一般 产品附加 值约占子 部 门总附 加值的 60% —80% ) 、产 品单耗、其他 产品附加 值及附 加值单耗, 预测 期产量 变化, 单耗变化及其他产品附加值及附加值单耗变化, 求子部门能耗 E —— 能源消费量　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 V —— 除指定产品外其他产品附加值 P P —— 产品产量

D —— 产品单耗

A —— 除指定产品外其他产品附加值单耗

T —— 基年到预测年年限 ・ 12 7・

R —— 增长率

r —— 节能率

f —— 预测期

s —— 基年

t —— 预测年

a —— 其他产品角标

ｉ—— 能源品种角标( ｉ= 1, …, 18)

k—— 不同产品角标( k= 1, …, K )

l —— 子部门角标( l = 1, …, L )

q—— 实物量核算标煤系数

18

E l, k =

∑[q P P ｉ

l , k, s

( 1 + R l , k, f ) T ¡¤D ｉ, l , k, s ( 1 - r ｉ, l , k, f ) T ]

ｉ= 1 18

E l, a =

∑[q V ｉ

T

l, a, s

T

( 1 + R l , a , f ) A ｉ, l , a , s ( 1 - r ｉ, l , a , f ) ]

ｉ= 1

K

E l= E l, a +

∑E

l, k

k= 1

　 　 算法 2: 交通部门在今后经济发展中占重要地位, 耗能较大, 技术变化很快, 预测该部门 能源消费所涉及的参数方法很多。 ( 1) 已知 交通部门 基年通 讯、管 道子部门 附加值 情况及交 通本身 的技术经 济参数及 未 来发展状况, 求交通部门能耗 tr 1 —— 蒸汽机车角标 tr 2 —— 内燃机车角标 tr 3 —— 电动机车角标 C 1 —— 柴油车保有量 C 2 —— 汽油车 C 3 —— 其他新型车( 甲醇, 电动等) S h 1 —— 远洋船 S h 2 —— 沿海船 S h 3 —— 内河船 C —— 公路运输 CO—— 通讯 a ｉ—— 航空 tr —— 铁路运输 S h —— 水路运输 P —— 管道 3

E tr =

∑E ｉ= 1

tr

ｉ

3

=

∑[V

T

tr s ｉ

ｉ= 1

T

( 1 + R tr ｉf ) D t r ｉs ( 1 - r t r ｉf ) ]

3

E c=

∑E ｉ= 1

c ｉ

3

=

∑[V ｉ= 1

・ 1 28 ・

c s ｉ

T

T

( 1 + R cｉf ) D cｉs ( 1 - r tr ｉf ) ]

3

E sh =

∑E ｉ= 1

sh

ｉ

3

=

∑[V ｉ= 1

T

sh s ｉ

( 1 + R sh ｉf ) D sh ｉs ( 1 -

T

r sh ｉf ) ]

E = E t r + E c + E sh + E co + E p + E a ｉ 　 　 不同交通 工具耗能种类也 不同, 测算 时要充分考 虑到未来 交通工 具发展状 况及用能 单 元能源品种及单耗的变化。 ( 2) 也可 采用货运 周转量 和客运周 转量与 国内生产 总值、人口的 历史期样 本的计量 经 济方程, 预测货运周转量与客运周转量, 然后将按不同运输工具用能情况分别测算。 根据 1980 年—1990 年运输周转量的情况, 进行回归分析得出下列测算公式: P OP —— 人口数　 　 　 　 GDP —— 国内生产总值 Y 1 —— 客运周转量

Y2 —— 货运周转量 α β Y1 = A ・ POP ・GDP

Y2 = B ・ GDP

γ

式中, α= - 8. 35, β= 2. 40, lnA = 83. 6, R = 0. 97, γ= 0. 917, lnB = 1. 66, R = 0. 97 将预测年周转量 R 求出后, 根据货运、客运周转量中各 种运输工具所占 百分比的变化, 将各类机车、汽车、船只、飞机等周转量求出, 按其单位周转量能耗变化, 求出总能耗。 算法 3: 对于服务业、商业以及居民消费等比较复杂, 用能设施种类多的情况, 可针对测 算不同要求分成详略的子部门测算。 例如在市政用能测算时可考虑自来水供应、污水处理、市政道路、各种公共建筑, 涉及上 述子单元其参 数就包括人口、用水普及率、年 人均用水 量、供 水电耗、污水 处理率, 污水处 理 电耗、人均公共建筑面积、人均道路面积、单位面积电灯数、每盏灯平均功率、道路照明时间、 另外在服务业和商业中情况更为繁杂, 在表中只粗略分解一下。 又如居 民消费中 可分为 城市与农 村炊事供 暖和照 明不同的 消费行 为, 这 涉及到 人口、 城乡人口比例、城市煤气化比例、人工煤气占城市煤气比例、天然气占城市煤气比例、液化气 占城市煤气比例、炊事用能标准、使用小煤炉炊事占人口比例、煤炉用能标准、民用建筑总面 积、人均住房面积、供热标准、集中供热比例、分散供热比例、小煤炉供热比例、电力照明普及 率、照 明标准、各 种家用电器人均 拥有量、家 用电器 耗能标准, 这些 参数可 详可简, 比如可 直 接采用人均生活能源消费量及人口数粗略测算。 根据上述的能 源单元消费情况, 通过分解 或综合 法均可详 细地预 测出终端 能源消费 总 量。根据第二章能源统计中所述终端能源消费只是各部门自消费能源, 那么预测能源消费总 量还须考虑能 源生产转换部门 的损失和能源 在生产、输送、储存过 程中, 经营管 理及自然 灾 害造成的损失, 预测一次 能源消费总量则 将二次能源 消费量经 过折算 后合并入 一次能源 即 可。 如果不从部门出发, 而从社会消费的最小单元每一个人出发, 将社会的生产消费行为归 结为人类消费行为的总和, 可采用下列居民能源消费流模型。

4. 3. 4　 居民能 源消费流 模型 在居民能源消费流模型中, 首先研究居民消费行为( 包括衣、食、住、行、服务和家庭生活 ・ 12 9・

用能等) , 由于这种消费而引起的商品需求量与各种因素之间的关系－需求函 数, 几乎都 是从 某 种 形 式 的 效 用 函 数 直 接 推 导 得 出 的。直 接 效 用 函 数 U = U ( q 1 , q2 , …, qｎ ) 在 预 算 约 束 ｎ

∑q p ｉ

ｉ

= I 的情况下, 使效用极大的商品组合( q1 , q2 , …, qｎ ) 为最优商品组合。此商品组合可

ｉ= 1

以表示为价格 P 和收入 I 的函数, 这就是需求函 数。利用符合中国实 际情况的需求函 数进 行能源需求预测存在着一定的困难。因为需求函数大多是从效用函数直接导出的, 效用理论 和相关的效用 函数是西方经济 学理论的主要 内容, 目前中国 是不适 用的, 其次, 从效用函 数 推导需求函数, 描述的是预算约束下居民消费心理是否能得到充分满足, 而不是供给限制下 的行为, 目前也不太适合, 另外需求函数中做为解释变量的价格( 自价格和互价格) 在中国是 受到供给限制和控制的。目前, 我们经常采用的需求函数模型是线性支出系统和扩展线性支 出系统。 1. 线性支出系统( L E S L inear Expen diture System ) 1947 年 Klein 和 H . R ubin 提出如下的效用函数: ｎ

∑u ( q )

U=

ｉ

ｉ

ｉ= 1 ｎ

∑ b ln( q

=

ｉ

ｉ

-

r ｉ)

( 4. 1)

ｉ= 1

　 　 式( 4. 1) 中将商品 ｉ 的效用表示成实际需求量 qｉ 和基本需求量 r ｉ 之差的对数, 再利用效 用的可加性建立总效用函数, 其中 bｉ 为边际预算份额。 根据式( 4. 1) , 在满足效用函数极大化和预算约束的条件下, 考虑下述两个基本假设, 推 导出 L E S 需求函数系统, 第 ｉ 种商品( 或服务) 的需求量为: ｎ

bｉ qｉ = r ｉ + Vpｉ

∑p

j

r j 　 ( ｉ = 1, 2, …, ｎ; j = 1, 2, …, ｎ)

( 4. 2)

j= 1

ｎ

式中: V —— 总支出, 满足 V =

∑p q

ｉ ｉ

ｉ= 1

ｎ —— 商品和服务的种类数; p ｉ —— 商品( 或服务) ｉ 的价格; r ｉ —— 商品( 或服务) ｉ的基本需求量, 待估参数; ｎ

bｉ —— 边际预算份额, 即为超过基 年需求的支出

V-

∑p

j

r j , 用于商品( 或服务) ｉ

j= 1 ｎ

的超过基本需求量 r ｉ 的比重, 满足 ∑ bｉ = 1 , 0≤ bｉ≤1, bｉ 是待估参数; ｉ= 1

I —— 总收入; 线性支出系统的两个基本假设是: ( 1) 某时期人们对各种商品和服务的需求量只 取决于该时期人们 的总支出和各种 商品 ( 或服务) 的价格, 基本需求量 r ｉ 和边际预算份额 bｉ 是常数, 不随总预份额 V 变化。 ( 2) 人们对各种商品和服务的需求分别基本需求 r ｉ 和超过基本需求以外的需求两 个部 分, 在静态情况下, 假设 r ｉ 与总支出水平无关。 ・ 1 30 ・

2. 扩展的线性支出系统( E L ES, E xpand L inear Expen diture System ) 在线性支 出系统模型 LE S 的( 2) 式中的基本需求 量 r ｉ 和边际预算 份额 bｉ 为待 估参数, 可用时间序列或横断面数据估计其值, 然后再用于进行消费结构分析和预测时, 其预算份额 ｎ

V 和价格 p = ( p 1 , p 2 , …, p ｎ ) 应为外生变量, qｉ 为内生变量。但实际上, 因 V =

∑ q p , q 是内 ｉ

ｉ

ｉ

ｉ= 1

生变量, 则 V 难以外生给定。为解决这一困难, 1973 年 L iuch 对 L E S 做了两点修改: ( 1) 以收入 I 代替预算支出 V; ( 2) 以边际消费倾向 βｉ 代替边际预算份额 bｉ 。 这样式( 4. 2) 就变为: ｎ

∑p

V ｉ = p ｉ r ｉ + βｉ I -

j

rj

( 4. 3)

j

( 4. 4)

j= 1

或 ｎ

βｉ qｉ = r ｉ + I pｉ

∑p r j

j= 1

ｎ

0 ≤ βｉ ≤ 1, 　

∑ β= ｉ

1

ｉ= 1

ｎ

式( 4. 3) 和 ( 4. 4) 中 I 为 可支配收入,

I =

∑p r j

j

表示可以任意 支配的收入, βｉ 表示 可以

ｉ= 1

ｎ

任意支配的收入中用于购买第 ｉ 种商品( 或服务) 的百分比, 预算支出 V =

∑V

ｉ

变成内生变

ｉ= 1

量。( 3) 式比( 2) 得到更广泛的应用。 3. E L E S 的常用估计方法简介 对 于式 ( 4. 3) 和 ( 4. 4) , 是收 入的线 性函 数, 但对待 估参 数 r ｉ ( 或 p ｉr ｉ ) 和 βｉ 却是 非线 性 的, 对整个系统待估 的 ｎ 个基 础需求 量 r ｉ( 或基 本支出 p ｉr ｉ) 和 ｎ 个边际 消费倾向 βｉ 采用 如 下方法进行估计: ( 1) 在一 定条件下, 将 待估非线 性系统方 程简化 成 r ｉ 或 βｉ 的线 性方 程, 则可用 单方 程 最小二乘法估计出参数, 例如: ① 根据其它信息或经验给出基本需求量 r ｉ; ② 根据恩格尔曲线, 其它信息或经验判断给出边际消费倾向 βｉ ; ③ 利 用截面 数据 做样 本时, 根据 不同 的收 入, 商品 价 格相 同的 情况, 则 每 项基 本支 出 p ｉr ｉ 即为不变的常数, ( 4. 3) 式可简化成: Vｉ = αｉ + βｉ + u ｉ

( 4. 5)

ｉ 为与收入 I 无关的常数, u ｉ 为误差项, 由式( 4. 5) 可求出待估参数 β ｉ 和 α ｉ α ｎ

p ｉr ｉ = α ｉ + βｉ ∑ αｉ ｉ= 1

ｎ

1-

∑β ｉ

( 4. 6)

ｉ= 1

　 　 ( 2) 迭代法: 迭代法经常用于估计非线性计量经济方程参数。可利用方法( 1) 中的①和②两种方法对 r ｉ 和 βｉ 估计反复迭代使误差达到最小。 ・ 13 1・

( 3) 完全信息极大似然法( F IM L ) 用极 大似然 法对 联立方 程组 进行 参数估 计, 使用 了更多 的信 息, 包括方 程 组的 所有 变 量, 方程组中所有方程的结构信息及各方程扰动变量的周期相关信息, 用系统估计方法同时 得出所有参数的估计值( 推导方法略) 。但因此法计算十分繁杂, 其应用受到限制。在实际应 用中采用改进 的方法, 大 大简化了其中的 H es sian 矩阵, 使完全 信息极 大似然法 用于 E LE S 参数的估计成为可行。 4. E L E S 的实例 国内外采用 E L E S 模型, 用有关的居民消费的历史或截面数据估计待估参数实例很多。 我国 80 年代以前, 各种商品 ( 或服务) 的价格 变动幅度 很小, 因此在 用 E L E S 模 型研究全 国 或各省、市、县的居民需求函数时, 都采用估计方法( 1) 或( 2) 。但自 80 年代中以来, 我国经济 向市场机制转变的步伐加快, 各种商品( 或服务) 的价格将主要由供需情况决定, 其变动幅度 加大, 因此采用完全信息极大似然 法对待估参数( 2ｎ 个) 进行系统估计 是比较符合实际 情况 的。这里我们介绍一个 E L E S 城市居民需求函数系统模型, 其特点为: ( 1) 居民消费品分为食品、衣着、用品、燃料和电五大类。这样划分是遵循以下几项分类 原则: ① 模型 的主要目 的是研 究城市居 民的能源 需求, 因此把 非能源类 商品粗 分, 把 能源 类 商品尽可能细分。 ② 在同一类商品中应包括相互影响较大的互补商品和可互相替代的商品。属于不同类 的商品之间的直接相互影响很小。 ③ 与所用的统计资料的口径尽可能的一致, 以 减少数据采集调整 的工作量和保证 数据 的可靠性。 ( 2) 类 价格 的计 算按具 有相 同度量 单位 和不 同度 量 单位 的类 商品 进行 不 同方 法的 处 理: ① 对具有相同度量单位的商品, 如各种不 同成分、不 同热值、不 同产地、不同价格的煤, 其度量单位均为吨, 则煤的大类价格为: ｎ

P =

ｎ

∑p q ∑q ｉ ｉ

ｉ

ｉ= 1

ｉ= 1

　 　 式中 qｉ 为该类第 ｉ 种商品的销售量, p ｉ 为第 ｉ 种商品的价格, ｎ 为该类商品种类数, 这里 的类价格就是通常所说的混合平均价。 ② 对具有不同度量单位的类商品, 例如衣着类中, 衣服、鞋、帽 分别用“件”、 “ 双”和“顶” 来度量, 其类价格可用下式计算: ｎ

p =

ｎ

∑( p q ) p ｉ ｉ

ｉ= 1

ｉ

∑p q ｉ

ｉ

ｉ= 1

　 　 上式表明, 对于度量 单位不一的商品, 难以 用混合平 均价来表 示类价 格, 只 能将不同 计 量单位的商品用统一的货币单位作为它们共同的度量单位, 以求得类价格。 ( 3) 综合时间序列 和截面数据做为 样本。该模 型的样 本取自该 市 1980—1984 年 1200 户居民家庭调查资料。时间序列数据只有 5 年, 每年数据又只分为 8—9 个收入组, 只用时序 或截面数据均不能满足样本数至少应为 30 个的要求, 因此采用综合时序和截面数据的方法 ・ 1 32 ・

得到 44 组样本, 均采用人月平均数据。 ( 4) 采用改进的完全信息极大似然法估计模型参数, 其结果列在表 4. 10。 ( 5) 根据所得的 E LE S 模型可进行如下的分析和预测; ① 为居民的基本生活线提供客观的定量的参考 标准, 如 1980 年和 1984 年居民的 基本 生活线每月分别为 20 元和 30 元, 即人均月收入低于基本生活线的为困难户, 为社会救济扶 贫政策提供了定量的依据。 表 4. 10　 参数估计结果

食品 衣着 用品 燃料 电

rｉ

βｉ

R 2ｉ

23. 7320 0. 2442 0. 0062 25. 1872 0. 8461

0. 4289 0. 1457 0. 2313 0. 0057 0. 0057

0. 9984 0. 9904 0. 9766 0. 9874 0. 9601

　 　 ② 边际消 费倾向 βｉ 表明 收入的超 基本需求 支出的部 分投向 购买第 ｉ 种商 品支出的 比 例, 从 表 4. 10 中 可见, 食品 的边际消费倾向 最大, 说明居 民对食品 的消费 潜力很大, 食品 的 数量和质量均有待 于提高, 1985—1992 年 该市的恩格尔系数 为 54. 6% 和 54. 2% , 仍然 居高 不下, 正说明模型的分析结果是正确的。 ③ 需求的收入弹性 ηｉ 是指价格不变时, 当收入增长 1% 时, 第 ｉ 种商品( 或服务) 随之变 动的百分数: η ｉ =

qｉ I = qｉ I

qｉ I ¡¤ I qｉ

由

qｉ = v ｉ/ p ｉ

则

ηｉ = bｉ ¡¤I / V ｉ

( 4. 7)

式中 qｉ , V ｉ, p ｉ, bｉ 和 I 意义同式( 4. 2) , ( 4. 3) 。 由式( 4. 7) 计算得到 1984 年的收入弹性为: 食品

衣着

用品

燃料

电

0. 7916

0. 9354

1. 2763

0. 3573

1. 0109

　 　 由 此可见, 用品和 电的 收入弹 性大 于 1, 说 明用品 和电 的增 长速度 大于 收入的 增长 速 度, 用品中包括耐用消费品家具、机电产品等, 特别是电器产品中的电冰箱、彩电的拥有量在 1985—1992 年迅速增长到 80% —90% , 正说明模型的用品收入弹性已预示出这一趋势。与 家用电器迅速 在居民家庭普及 相关的是家庭用 电量迅速 增长, 这与模 型的电力 消费的收 入 弹性 大于 1 也 是一 致的。 衣着 的弹 性接 近 1, 表明 与收 入 同步 增长, 衣 着类 中 的高 档服 装 —— 呢绒、丝绸及皮革类衣着随收入增长会不断增加, 但衣着类支出在总支出中比例基本不 变。而食品和燃料的收入弹性小于 1, 表明 它们均为生活必 需品, 其支 出比例会随收入 增长 逐渐下降, 各类商品的收入弹性反应了各类商品的需求对收入变化反应的灵敏度。 ④ 商品需求的自价格弹性 eｉｉ eｉｉ =

qｉ p ｉ p ｉ ¡¤r ｉ ¡¤ = ( 1 - βｉ) p ｉ qｉ Vｉ

1

( 4. 8)

由式( 4. 8) 计算得到 1984 年商品需求的自价格弹性为: ・ 13 3・

食品

衣着

用品

燃料

电

- 0. 6858

- 0. 5999

- 0. 7834

- 0. 2076

- 0. 5769

　 　 由各类商品自价格弹性全部为负可以说明若收入不变各大类商品的需求量随自身价格 的上升而减少, 但减少的幅度不同。燃料的自价格弹性最小, 说明居民的燃料消费水平基本 处于必需品水平。 ⑤ 商品需求的互价格弹性 eｉj eｉj = -

βｉ ¡¤

p ｉ ¡¤r ｉ Vｉ

( 4. 9)

　 　 由式 ( 4. 9) 计算 结果, 若 收入不变, 食品价格的变 化对自身 及其它 商品的需 求均有较 大 的影响, 主要 原因是食 品支出 占居民全 部消 费支出 的比 例约 占 60% —70% , 因此食 品价 格 上涨, 意味着居民实际收 入下降幅度很大, 人们 只有减少 其它商品 支出, 以保持 原有的最 基 本的生活水平。 ⑥ 有收入补偿的需求价格弹性 eｉｉ和 eｉj : βｉ 1 eｉj = -

(1-

p ｉr ｉ , ｉ ≠ j ( 有收入补偿的价格弹性) Vｉ βｉ) 1 -

p ｉr ｉ , ｉ = j ( 有收入补偿的自价格弹性) Vｉ

　 　 由上式计算结果表明, 若有收入补偿( 即商品价格变动时, 给居民相应的补贴, 使实际收 入不致于下 降) , 自价格弹性的 绝对值比无收入 补贴时下 降, 说 明自身 价格的上 升对自身 商 品的需求的影响减少。而互价格弹性则变为正值, 食品的价格上升, 在有收入补偿时, 会使消 费者把较大的需求转向衣着、用品和电, 这对物价调整和因调价政府给予居民的补贴政策的 制定提供重要的参考。 ⑦ 用所得的 E L E S 模型进行五年内的居民能源需求预测。 用所得的 E LE S 模型进行预测, 就是假定 预测年内的基本 需求量 r ｉ 和边际 消费倾向 βｉ 等 10 个估计参数不变, 这种趋势 外推法只对居 民消费行 为比较稳 定, 其变化规 律比较符 合 模型所描述的情况的短期预测。 模型的外 生变量是居民人 均生活费收入和 各类商品 的价格( 价格 指数) , 用 想定方案 的 方法分析其外生变量的可能变化情况。综合常规价格变化和调价的影响, 给出各类商品的价 格指数。由( 4. 5) 式可求出各类商品的基本需求支出和各类商品的总需求支出。因该市居民 可用的燃料包括煤、液化石油气、天然气和煤气等, 设想几个替代方案, 比较复杂。 通过 需求函 数预 测居民 需求 的衣、食、住、行、用、服 务和 家庭 生活 用能, 然后 将衣、食、 住、行、用和服务与投入产出联系, 考虑各种需求分解合并成为与投入产出行业挂钩的大类, 按其消耗系数 测算能源产品的 投入, 这个 过程比较 繁杂, 例如衣主 要是化 学纤维工 业、纺 织 工业、皮革制造业等生产, 而在行、住和用也有这些工业的产品, 因此首先要将除去居民直接 消费能源后的各项活动所需要各行业的产出分解, 比如衣类活动需化学纤维工业产品, 行类 活动也需化学纤维工业产品, 住、用等类活动均需化学纤维产品, 诸如此类, 将各类活动所需 的化学纤维工业产品叠加, 同理其他各行业所需产品也将叠加, 在此情况下考虑能源工业的 投入量, 方可利用投入产出表的全能耗系数预测其全部能源需求。

・ 1 34 ・

参　 考　 资　 料 1. 李子奈. 计量经济学—— 方法和应用. 北京: 清华大学出版社, 1992 2. T anaka, H Linear Regres sion Analys is with F uzzy M odel. IE EE T rans actions on Syst ems , M an and Cybernet ios, 1982, SM C－12( 6) 3. 姜圣阶等. 决策学基础. 中国社会科学出版社, 1986 4. 清华大学核能技术研究院能源系统研究室. 能源系统规划与系统模型. 北京: 清华大学出版社, 1986 5. 中国能源研究会. 海峡两岸暨香港地区能源研讨会论文集, 1993

・ 13 5・

5　 能 源 供 应 分 析 5．1　 综　 　 述 5. 1. 1　 供应分 析目的及 其在能源规 划中的地 位 　 　 与能源需求分析一样, 能源供应分析也是综合能源规划的一个重要组成部分。能源供应 分析目的在于 根据规划年份需 求预测来规划与 评价能源 供应的潜 力, 以及相应 的能源供 应 方案。能源供应不能脱离需求而进行分析, 能源供应系统的选择受到需求结构及其增长情况 的强烈影响。例如在能源供应规划中, 石油的产量及其产品的数量和构成必须与石油产品的 需求结构相匹配。反之, 选定了的能源方案也会影响某些能源需求的改变或增长。例如, 一 个农村地区大 力发展了小水电 而有较富裕的电 力供应, 则将会 促使该 地区以电 力替代部 分 煤炭或薪柴, 因此, 能源供应分析和能源需求分析是能源规划的两个方面, 它们互相影响, 并 为能源规划过程中进行能源供需平衡分析提供中间输出。供应分析不仅要从技术可行性方 面进行讨论, 也要从经济合理性及社会政治需要程度来分析。

5. 1. 2　 能源供 应系统 要进行能源供应分析首先要了解能源供应系统及其特点。自然界生成的各种能源资源 并不能提供消费者直接服务的能量形式。它们必须经开采、加工转换, 并通过终端用能设备 才能转化成为经济活动和人们生活所需要的能量形式, 例如机械功、热和光等。将能源资源 转化为终端能源的一系列流程组成了能源供应系统。

5. 1. 3　 能源供 应分析的 内容 能源供应分析就是对上述能源供应系统进行分析。分析的基础是所提供的数据信息, 它 包括资源和技术两个方面。资源信息包含其储量、储量的增长率、可能的生产率、开采成本和 生产所受限制等。当然, 对可再生能源资源而言, 其资源的“储量”的表述方式与不可再生资 源不一样, 其可得资源总量没有上限, 而且它能否得到和利用取决于此种能源以及将之转换 为有用形态的技术。技术信息包括供应系统内由原料转换为终端能源所采用的全部技术。这 就是说对所研究的能源供应系统内的每种能源资源( 例如石油、煤炭、水力等) 的每个转换过 程( 例如开采、转化、加工、运输和分配等) 的所有技术数据。 进行能源资源评价和能源供应的技术评价最终是为了估计所研究的能源供应潜力以及 与需求之间的差距, 以便选择和确定能源供应方案。此外, 能源供应分析还应包含进口能源 的可得性及其价格的信息。因为许多国家和地区要依靠进口能源来填补需求与国内( 或本地 区) 能源供应量之间 的缺口。同时, 能源也与其 它商品一 样, 国 内产品 要与进口 的能源相 竞 争, 是否开采国内或本地区某种能源资源, 在很大程度上取决于其开采和生产成本与进口价 格的比较, 其中原油、煤炭等尤为明显。 归纳起来, 能源供应分析的具体内容和步骤为: ・ 1 36 ・

( 1) 评价资源供应潜力及转换技术; ( 2) 分析能源供应系统及燃料结构特点; ( 3) 确定能源转换各阶段上的供应缺口; ( 4) 研究能源进出口的可能性及相应价格; ( 5) 评价替代能源与相应的技术方案。

5．2　 能源资源评价 5. 2. 1　 资源评 价分类及 信息 　 　 不同的能源资源品种其特性不同, 因而对它们的评价和分析方法也有所不同。一般说, 把能源资源分成不可再生能源和可再生能源两类。然而正如前面所说, 能源供应还可来自国 际或其它地区, 因此对一个国家( 或地区) 来说, 能源资源的完全评价除了进行上述不可再生 能源和可再生能源两种评价外, 还应包括能源国际( 或地区) 供应的评价。 地质工作者对能源资源的评价是指资源的地质和工程评价。例如石油资源的地质评价 主要是确定含油区的地层与构造特点, 以确定油藏资源及储量。但从能源规划角度, 仅仅这 点是不够的, 还要包括确定石油可获得量以及开采成本的大小。再如对可再生能源而言, 例 如太阳 能资源, 虽 然确定单位面积 上入射的太阳能 强度( J / ( m 2 ・ d ) ) 是必 要的, 但这个数 据 尚不能直接用于能源规划目的, 以表明所研究地区的太阳能资源对该地区有多大实际贡献。 需要提供这样的信息, 即以什么样的经济代价来收集太阳能资源并加以利用, 这才是该地区 能源供应规划所更加注重的数据。 虽然在评价不可再生能源、可再生能源和进口能源资源所使用的方法不同, 但作为能源 规划需要有一些共性的数据, 如表 5. 1 所示。 表 5. 1　 不同类能源资源所需信息数据 不可再生能源

可再生能源

国际供应能源

可得能源量

能源总量

年供应量

年供应量

资源增加速率

勘探进度

技术开发程度

进口设施扩建率

资源的年生产能力 ＊ 开采成本 ＊

每年能取得供使用的能源数量 单位能源生产成本

口岸的供应成本

它 涉及 多种制 约条件 及生 产因素 对生 产率的 影响 。

5. 2. 2　 不可再 生能源 不可再生能源资源评价可从资源分类、勘探、生产率与生产的经济性四个方面进行。 1. 资源分类 进行能源规划需要估计能源资源的可得性。目前在国际上对能源供应的资源潜力还没 有一个公认的资源分类标准。一般在资源分类中采用两个参数, 资源储量在地质上的确切程 度和开采该种资源在经济上的可行程度。这里引用美国地质调查局( 1980 年) 使用的一种资 ・ 13 7・

源分类法, 如表 5．2, 虽然它并非是国际公认的, 但其定义已为多数人所熟悉。 表 5．2　 能源资源分类 [ 1] 已 知 资 源

未 发 现 资 源

经济开采

　 探明　 粗查 储　 量

推　 算 推　 算

　

　

储　 量

勉强( 边际)

推算边

经　 济

际储量

不经济

证实的不

　

经济储量

推　 测

猜　 想

( 在已知地区)

( 在未知地区)

　 经 济 上 的 可 行 性 增 加

推算不经济储量 地质上的确定性增加

资源( res ources ) : 自然界在地 壳内浓集 的固体、液体 或气体物 质, 且可作为 一种商品 进 行开采者。 已知资源( ident ified res ources ) : 根据确切的 地质资料已知或可 推算出位置、品位、质量 和数量的那一部分资源。已知资源中包括经济的、边际经济的和不经济的 3 类。为反映其地 质上的确定性, 每种经济级别又可分为探明的、粗查的和推算的 3 部分。 未发现资源( undiscovered res ources ) : 凭推测有可能存 在的资源, 扣除已知资源外 推测 出的资源。未发现资源也可如已知资源那样再分为经济的、边际经济的与不经济的三类。 储 量( reserve ) : 在确定 该资源时认为可 进行经济开采 或生产的 那一部分 资源。“储量” 并不意味着这些资源正被开采, 仅指可能采出的那一部分物质。 探明 储量( measured reserve) : 可用目 前已有技 术进行经 济开采, 而且 根据确切 的地 质 资料加上工程勘探已确定其数量的那一部分储量。 粗查储量 ( indicated reserve ) : 包括 探明储量之外根 据工程知识与判断 认为可以经济 地 开采的那一部分储量。 推算储量 ( inferred reserve ) : 扣 除粗查和探明储 量后根据 推算得 出的该矿 区最终可 能 储量。 上述的分类只 是提供了一套系 统的能源资 源分类方 法, 但 尚须补 充的是确 定资源由 某 一类变为另一类的办法, 例如如何从“推算”上升为“粗算”或“探明”储量, 又如开采成本是多 少才算“经济”可采储量, 而不是“边际”储量。同样, 目前也没有国际公认的办法, 须视各国具 体情况而定。 2. 勘探 勘探工作是为了确定资源所埋藏的位置及其范围, 以发现储量并加以分类。由于勘探工 作充满着不确定性与风险, 同时也由于其耗资很大, 因而有必要评价每一勘探计划可能的成 本－效 益比率, 进而确定 何种资 源勘探计 划可以 增加多少 探明储量, 决 定勘探的 投资量及 勘 探投资摊入到能源产品的成本。 图 5．1 表示勘探工作可能提供的新增储量的典型曲线。勘探计划初期, 发现的新增储量 ・ 1 38 ・

可能上升很快, 这表示比较容易确定新增储量。随着勘探工作继续, 新发现的可能性愈来愈 少, 最后趋近于可发现的总储量。 图 5．2 表示了典型的探勘成本曲线。随累计勘探量的增加, 其勘探成本将愈来愈高。 能源规划者将利用这类信息来估计储量的增加率以及新增单位储量的勘探成本。

图 5．1　 典型勘探成功率曲线( 曲线 形状取决于资源特性) [1]

图 5．2　 典型勘探边际成本曲线[ 1] 　

3. 生产率 某一能源资源的开采速率是许多技术与经济参量的函数。最优的生产率首先取决于该 资源的矿藏特 性和可能的环境 影响, 例如, 石油 的生产率 受井下压 力的制 约, 过 高的产油 率 将导致气顶的压力损失从而降低了最终的产出率。又如, 煤炭的生产率可能受到开矿技术的 限制。影响生产率的另一个重要因素是市场对该能源的需求。例如虽然煤炭有可能大量生 产, 但如市场有限, 则经济上合理的开采率要低得多。此外, 为了社会或政治需要, 有时希望 延长有限资源的开采期, 这也是一种生产的限制因素。 4. 生产的经济性 不可再生能源的资源随开采使用而日益减少, 所以称之为可贫化资源。当可贫化资源趋 近耗竭时, 其市场价格将上升。因此存在着这种资源什么时候开采, 开采多少的优化选择。这 就是说, 究竟在目前生产 与销售其产品有 利还是留待 将来预计 价格上 升之后再 开采和生 产 有利呢? 这个问题就是能源规划者在生产能源资源所需考虑的经济性问题。 能源资源的价格由几部分组成。首先是开采成本, 例如对煤炭而言就是采矿成本。开采 成本常用边际生产成本表示, 它的含意是多生产一单位资源所需成本。从不可再生资源的长 期观点看, 随着资源的不断开采而愈来愈贫化时, 边际生产成本将不断提高, 如图 5．3 所示, 这种长时期边际生产成本随累计开采量增加而增加的现象是可贫化资源的一个基本特性。 决定资源的市场价格除边际生产成本因素外, 还有另一个更重要的因素, 即“贫化租金” 或“经济租金”。贫化租金等于市场价格与边际生产成本之差, 它代表必须付给生产者的一种 附加的边际价值。图 5．4 表示了这种概念。在资源开发初期, 供应相对充分, 边际生产成本 相对较低, 但为了鼓励生产者在目前多生产, 市场价格必须高出边际生产成本较多使他们有 更多赢利。当资源逐步贫化, 由于资源的自然特性, 边际生产成本会增加, 如此时相应提高市 场价格则会减少市场需求, 因此贫化资金会减小直到最后接近于零。对一个国家或地区, 若 ・ 13 9・

图 5．3　 典型边际生产成本

图 5．4　 典型贫化租金曲线

政府占有资源, 一般都试图使供应本地区的市场价格控制在较低的水平, 以廉价的能源来刺 激经济增长。然而这种做法是否会加速资源的贫化过程, 导致以后长期的能源价格昂贵或资 源利用的不经济性, 这是一个有争议的问题。 对边际成本计算, 目前均采用长期生产的平均增量成本法。具体的计算按年贴现所有在 勘探、开发、生产的周期内增加的费用除以这段期间内经过贴现的产量的增量。计算公式为: T

∑[I AI C ｉ =

t

+ ( M t - M 0 ) ] / ( 1 + ｉ) t

t= 1

T

∑(Q

t

- Q 0 ) / ( 1 + ｉ)

t

t= 1

式中　 A IC ｉ —— 折现率为 ｉ 的平均增量成本; I t —— 第 t 年的勘探开发等投资费用; M t - M 0 —— 第 t 年的运行和维修费用增量; Q t - Q 0 —— 第 t 年的产量的增量; T —— 开发和生产年限。 上述这种方法在我国国内已开始使用。如四川的天然气开发的生产成本预测, 其基本方 法是以预计未来一定时期达到的生产规模为目标, 根据气田勘探开发的特点, 在一定天然气 生产规模基础上, 按一定储采比协调发展, 扩大生产规模到既定目标后, 假定不再进行勘探, 而继续正常开采剩余可采储量与初始规模相当。从扩大规模起到剩余可采储量与核算初期 相当时为止的整个生产期内所产生天然气的平均成本等于核算期内的所有生产费用现值除 以该时期内所有天然气产量现值, 可使用上述的计算公式计算。 在投资费用的 计算中, 要 使用开采的全 部费用, 即从 勘探、开发建 设到生产 出产品全 过 程的投资都应计算入内。这样才能避免过去那种勘探风险由国家负担, 勘探、开发等不形成 固定资产的投资不计入产品成本而造成能源成本的严重“扭曲”。以四川天然气开发为例, 如 3

按全投资计算 我国从 1976 年至 1985 年的天然气成本 为 136 元/ km , 如按过去 财务核算 规 程, 同一时期的天然气 成本仅为 50. 77 元/ km 3 。这说明成 本中是否考虑勘探 风险引起的 成 本差别高达 1. 7 倍。这种长期被扭曲的天然气成本值带来了严重后果。成本是产品生产中 物化劳动和活劳动消耗的货币表现, 是全部生产消耗费用的补偿。不真实的成本就不能正确 ・ 1 40 ・

评价我国天然气行业的经济效益的活动。同时, 偏低的成本值也影响了市场价格制订, 因而 造成我国天然气石油部门长期亏损, 没有自身发展潜力的一个重要原因。

5. 2. 3　 可再生 能源 从能源规划角度看, 可再生能源与不可再生能源相比较有两点区别。首先, 可用的资源 总量不存在上限, 此类资源可定期地再生。因此对能源规划者来说, 可以认为它可以无限地 使用。其次, 在能源供应系统中可再生能源有多少能被利用取决于该能源被转换成有用能的 工艺技术水平, 而不是像不可再生能源那样, 是经过勘探后被生产出来的那部分资源量。例 如太阳热能的 利用不仅取决于 它的辐射强度, 更主要 的是取决 于把它 转换成热 能的太阳 能 集热器及其技术水平。因此评价可再生能源资源不可能脱离取得该能源的技术上的可得性。 然而, 在具体评价时, 可再生能源和不可再生能源还有共同点。估计可再生能源的可得 性的主要指标是: 资源量、资源生产率和资源生产的经济性。 1. 可再生能源量的定义 可再生能源量的定义是十分重要的, 然而由于它比不可再生能源分类更带有不确定性, 以及从这些资 源中获取有用能 的方法各不相同, 因此 如何定义 可再生 能源量没 有明确的 统 一的意见。例如, 估计太阳能资源时, 一种方法就是测量地面接受到太阳辐射强度并绘制辐 射 场强度( W / ( m 2 ・ d ) ) 。不难看出, 如果“太阳能资源”定义为全 国或一个地区 的地面上 接 受到的辐射总量, 则该项资源将比这个国家或地区所消费的总能量都要高出好几个数量级。 显然, 这种定义对规划毫无用处。从能源规划角度, 它忽略了收集太阳能并使之转化为有用 功的技术经济限制, 包括技术上可得性, 如太阳能集热器允许占地面积以及采用这些技术的 经济性。对其它可再生能源也有类似的问题。因此, 这里需要强调的是, 从能源规划需要, 对 可再生能源量定义必须估计其在利用这种资源的技术经济制约条件下的真正有用的数量范 围。为此给出表 5. 3 提供如下几种可再生能源量的定义。详细的将在介绍每种可再生能源 时再讨论。 表 5. 3　 几种可再生资源量的估计方法 能源名称 太阳能 热能 光电 风能

决策资源量的主要参数

为规划目的估计资源量的方法

地面每单位 面积上接受

估计所获得热 量或电量, 需 要对太阳能 设备技术性

太阳辐射量

能和参数做某些假设

平均风速、风能密度

估计可能发电量及风力机技术性能

生物质能 薪材、秸秆、

物质量

工业和农业以 及城市废料 海洋能

估计可利用热当量以及转换设施的工艺效率

　

潮汐能

潮汐高度差

波浪能

波浪及频率

海洋温差发电

海水温差

估计可能发电量及相应的技术性能

・ 14 1・

续表　 　 能源名称

决策资源量的主要参数

为规划目的估计资源量的方法

水能

水头、流量

估计可能发电量、技术性能及坝址条件

地热能

温度

估计可能发电量或热量以及相应技术性能

2. 生产率 可再生能源也不可能无限制地利用, 有的受到现实条件的限制。如作物秸秆受到作物收 获量以及有多少用于燃料部分的限制, 薪材的开采应该从不破坏生态环境为条件等等。在其 它一些情况下, 生产率的限制来自能源利用设备的技术性能, 例如风力发电机的效率限制了 风力所提供的动力或发电量。此外, 与不可再生能源一样, 可再生能源利用和开发水平还直 接受市场条件制约。家庭用太阳能热水器的供应量受制于愿意购买此种热水器的用户数量。 从上述分析可看到, 对可再生能源的利用率具有决定性影响的是生产的制约条件, 包括 现实和技术条件。我们在进行能源规划时, 必须弄清这些限制以免过高地估计可再生能源的 实际利用率。 3. 可再生能源的生产经济性 不可再生能源的生产经济性是应用边际生产成本的概念, 它是能源生产累计量的函数。 对于可再生能源, 边际生产成本则为其转换技术及市场条件的函数。例如太阳能资源热利用 的生产成本就是生产太阳能集热器系统成本。在利用这种系统初期, 其价格较贵, 生产与销 售数量较小。随着更多地推广使用, 产量的增加将形成经济规模而使成本下降。但随着使用 条件及生产的制约, 当需要更多的市场供应能力时, 生产成本又会增加。一般说, 可再生能源 生产的边际成本随资源使用率的变化如图 5．5 所示。

图 5．5　 可再生能源生产的边际成本

可再生能源与不可再生能源的经济性有两点明显的差别。其一是可再生能源的成本函 数是按每年利用量计算, 而不可再生能源按累计产量计算, 正如图 5．2 与图 5．5 所示。 第二点差 别是评价可再生 能源利用要使用“全寿 命期成 本”的 概念, 它指的 是能源设 备 ・ 1 42 ・

整个寿期内的各项费用的总和, 包括投资成本、运行与维修费、燃料成本和设备残值( 一般为 负值) 。虽然这种评价方法适用于任何能源系统, 但对可再生能源系统更为重要, 因为可再生 能源的技术特点是初始投资高, 运行费用低, 燃料费用实际等于零。如果不考虑整个寿命期 内总成本而仅考虑初始投资成本, 则会极大影响其利用。例如水能的利用, 仅仅进行水电站 和火电站的初 始投资比较, 显然会放弃建 设水电站 的选择, 因为其 初始投 资要高于 火电站。 但从全寿命期成本进行比较, 两种选择均有机会, 甚至水电站更优于火电站。当然进行比较 选择时, 如何选取全寿命期成本是关键, 应当慎重决定。

5. 2. 4　 进口能 源 进口能源对国家说是指国际供应, 对一个地区而言是从其它地区供应能源。这也是一个 国家和地区能源资源评价的一个组成部分, 对于本国或本地区能源资源很少的情况下, 进口 能源更是重要来源。 进口能源供应的评价, 与所获能源的技术与经济的可行性有关。一般说进口能源是常规 的不可再生 能源, 其品 种如石油、煤炭、天 然气等。当 然电力也 可通过 相邻国家 或地区来 供 应。可再生能源一般不进行国际的和地区的贸易, 因为它有地区性特点, 不易输送。在评价 能源 进口潜 力时, 主 要考虑 的问 题是: 可能 进口 的能源 品种, 供 应的价 格, 进口 能源 的储 运 设施。

5．3　 能源的技术评价 技术 评价将 为能 源规划 者提 供能 源由原 料加 工到转 换为 终端 用能形 式的 各种 技术 信 息。能源供应方 案不仅取决于资 源的可得性, 而且取 决于能源 供应系 统中每一 个燃料循 环 ( 如 石油、煤炭、天 然气、水力、核 能、生物 质等) 中每 一种 不同 的转换 环节 ( 如 勘探、开 采、加 工、转换、运输、分配等) , 每一环节又有许多技术与设备可供选择。当评价了各转换环节的技 术可能性, 成本的经济性 以及对环境、社会的影 响后, 才能从各 种可供 选择的能 源供应方 案 中作出比较和决策。 在评价能源供应技术时, 习惯上分为不可再生能源技术和再生能源技术。但有时把电力 系统的技术单独分开来进行评价, 这一方面是由于电力独有的技术特点, 另一方面也是由于 电力在整个能源供应系统中占有极为重要的地位。 从能源资源开采直至最终使用的各项设施, 其投资不仅大, 而且工作年限长。在整个寿 命期内尽可能要满负荷运行以期最大限度地回收投资与取得利润。因而当前决策将影响未 来几十年。所以, 对有关技术进行长期的经济、技术、环境与社会影响的评价是十分必要的。 评价时一般须考虑的参数可按表 5．4 的说明。 当前在世界发展过程中, 环境保护是一个人们关注的热点, 提出了世界可持续的发展的 概念, 就是说人们的活动和发展在满足人类本身不断增长的需要的同时, 不要损害人类后代 的生存环境。那些危害人类大气环境质量的有害气体和物质, 如温室气体、酸雨等都是与人 们使用和消费能源有最密切关系。因此在评价各种能源工艺技术特点时要有环境保护意识, 能源的清洁使 用、高效使 用和用新能源和 可再生能源 替代高含 碳的能 源等都是 能源工艺 技 术选择的重要决策依据。 ・ 14 3・

表 5. 4　 技术评价中的重要参数 [ 1] 技术参数 　 　 技术现状与可靠程度( 是否成熟) 　 　 容量与规模是否合适 　 　 本国 技术水平能 否承担运行、维修及备 件供应 建造周期, 有效服役年限 设备利用 率, 即扣 除例行检修 及计划外 停机后的设备每年平均可用度 　 　 系统 总效率, 即产出的能量 与投入能量 之比, 比值可能随负荷而变化 　 　 环境参数 　 　 需要占用的土地与水域面积 　 　 环境影响 ( 如 对地貌 的改变; 释放 灰尘、 二氧化 碳与一氧化 碳、氧化 氮、二氧 化硫; 释 放 有害 液体; 直 接辐 射及 放 射性 物质 排 放) 及其治理成本

经济参数 　 　 总投资额与比投资 　 　 投资中外汇所占比例 　 　 规划、设计、建造中本国所占比例 投资折旧的长期贴现率。此值取决于投资的机会成 本, 世界银 行一般 取 10% , 投资回 收因子 ( CRF ) 由 贴现 率算出 ① 固定费, 包括税收、保险等。 年运行与维修成本( 燃料成本在外) 容量因子, 即设备容量的年平均利用率 平均年投入的性质、数量与成本 平均年产出的性质、数量与成本 单位产品的生产成本 对进口依赖程度的减少 供应渠道的多样化 社会因素 增加的就业机会 替代的可能性与用户的选择

① CR F = ｉ( 1+ ｉ) ｎ / [ ( 1+ ｉ) ｎ - 1] , 其 中 ｉ为 贴现率 , ｎ 为折 旧年 限。

5. 3. 1　 不可再 生能源技 术 不可再生能源供应系由几个不同的环节组成。例如石油, 由生产( 勘探、开采) 、输送( 管 线、油轮) 、储存、加工和精炼( 石油产品) 、运输、转换( 发电) 和分配。又如煤炭, 其所需转换环 节要少一些, 在清除杂质( 灰分、硫及水分) 之后, 就可交付使用。通过炭化( 炼焦) 、气化和液 化, 可以提高煤炭作为燃料的品位。由于煤炭用量巨大, 它的储运系统是供应中的一个重要 问题。天然气是一种优质燃料或化工原料, 它仅需很少加工就可使用。一般须去除其中所含 重碳氢化物、水分及气体杂质( 硫化氢及二氧化碳) 。但如输送到远处使用, 还须压缩或冷凝 成压缩天然气或液化天然气。 不可再生能源资源如石油、煤炭等已广泛使用, 而且规模设施大, 技术较为成熟, 所以进 行设备投资分析时, 规模大小的经济性是一个重要的考虑因素。不可再生能源供应技术评价 的另一个特点是它们之间的可互换性, 因而从规划观点看, 有很大自由度进行替换选择。

5. 3. 2　 可再生 能源技术 除水电开发技术已被广泛使用外, 大部分可再生能源技术尚未商业化和产业化。而且可 再生能源技术更多是分散性的小系统, 具有地域性特点。例如户用沼气池和沼气发电站、小 型风力机、生物质气化炉等。因此这种技术评价往往与不可再生能源供应的大系统的方法不 同, 它需要从用户观点来考虑, 比较其与市场供应的常规不可再生能源的成本以决定选择与 否。 ・ 1 44 ・

5. 3. 3　 电力系 统技术 电力可从各种能源品种转换而来, 已有的发电技术范围很广, 从集中的大型电厂到分散 的小型设备, 从成熟的商品化系统到正在发展的新型发电技术。在评价电力系统技术时, 除 发电设备外, 还应考虑输电设施。 鉴于复杂的多 种发电技术, 所以在进行电 力系统 评价时遇 到一个 很大问题 是选取某 些 基本数据上意见是否一致, 尤其是各种技术的成本数据。而且, 电力系统发展规划目标往往 是选择净效益最大或成本最小。所以在评价比较各种技术方案时, 需要慎重调查和选择好有 关的基本数据。

5．4　 我国不可再生能源 5. 4. 1　 原油 1. 原油资源分类 　 　 原油的定义为“贮存在地下储集层中, 在通过地面上的分离设施后仍保持液态的各种液 态烃的混合物”。包括油层、凝析液, 以及由焦油砂、天然沥青和油质岩生产的液态烃。 我国石油储量规范的国家标准中石油资源分类术语可见表 5. 5。其中最常用的为“地质 储量”、 “探明储量”、 “ 可采储量”、 “预测储量”和“剩余可采储量”等。与前面表 5. 2 所述基本 上是一致的。 表 5. 5　 原油分类法 常用术语 地质储量 可采储量

定　 　 义

与表 5．2 的关系

在地层原始条件下具有产油( 气) 能力的储层中原油的总量

相当于已知资源

在 现代工 艺技术 和经济 条件下 能从储 油层中 采出 的那 一部

相 当于经 济开 采储

分油量

量

剩余可采储量

油田投入开发后, 可采储量与累积采出量之差

远景资源量

依据一定的地质资料对尚未发现资源的估算值

总资源量

地质储量和远景资源的估算值

探明储量

相当于未发现资源

在 现代技 术经济 条件下 可提供 开发并 能获得 社会 经济 效益 的可靠储量

控制储量

根据工程知识与判断认为可以经济地开采的那一部分储量

相当于粗查储量

预测储量

对有利地区按容积法估算的储量

相当于推算储量 11

　 　 到 1992 年世 界石油探明可采储 量为 1. 365× 10 t, 如表 5. 6 所 示, 其中 沙特阿拉伯、科 10

威特、伊朗等中东地区的可采储量超过 7. 4× 10 t , 占世界总量的 54% 。我国尚未正式 公开 10

发布全国石油储量数字。据国内外专家估计和推算的探明地质储量数字约 1. 30× 10 t。到 9

1992 年底剩余可采储量约 3. 2× 10 t 左右。至于我国原油总资源量, 国内外专家估计值差别 10

10

较大。石油工业部和地质矿产部分别预测的数字为 7. 87× 10 t 和 6. 14× 10 t。这表明我国 未来可能发现的石油储量将会超过已发现的几倍。对未来石油储量增长提供了雄厚的资源 ・ 14 5・

基础。 原油除按其储量分类外, 还可按其物理特性分类。如以化学成分可分成石蜡基、芳香基 等。反映原油物理性质的一般用密度、热值及含硫量等表示。 2. 勘探 石油勘探过程包括地貌特征评价, 地震研究与钻探井。评价地貌特征将给出油藏的最初 信息, 并据此推测油藏的可能量。进行地震研究有助于确定有希望的含油构造和位置。然而 目前最为可靠的寻油方法是钻探井。为评价勘探工作, 所需要的主要的数据信息是: 钻探工 作规模、历史的与当前的 钻井成功率和由 钻井资料估 计的石油 资源以 及勘探所 化费的成 本 等。 中国的油气勘探经过了 30 多年的努力, 共找到了油田 253 个。分为 6 个含气、油区。其 中陆上 5 个, 海上 1 个。如图 5．6 所示。东部含油、气区, 包括东北和华北地区; 中部含油、气 区, 主要为陕、甘、宁及四川地区; 西部含油、气区, 主要有新、青两省区及甘肃西部地区; 南部 含油、气区, 包括苏、浙、皖、闽、粤、湘、赣、滇、黔、桂等省区; 西藏含油气区, 如昆仑山脉南、横 断山脉以西地区; 海上含油、气区包括东南沿海大陆架及南海海域。 3. 石油生产 在发现石油之后, 还需进行补充钻探, 因为油田的产量取决于含油层的岩石特性( 粒度、 孔隙率等) 、油层压力及流体的粘度。通过对这种称之为评价钻探的资料分析, 估计出油田可 采储量、采收率、预期的油井生产 率及最经济的 生产井数 目, 于 是就可 制订开采 方案钻出 更 多的生产井投入生产。 在最优的生产条件下, 油田寿命约在 10—30 年。一般在油田开发 2—5 年后, 随着生产 井数目的增加, 油田产量达到最高水平, 在此产量上保持稳定的产量。以后由于资源贫化, 油 田产量渐减。保有的可采储量与年产量之比称为储采比 R / P 。这是石油生产中最常用的规 划数 据, 据 此综 合反 映储量 下降, 有 限的新 发现 储量及 限制 产量 以延长 油田 生产寿 命等 要 求。这一比值最好保持在不低于 20—25 的水平。表 5. 7 列出了 1992 年世界原油产量, 总量 9

已超过 3. 17× 10 t 以上。 中国开采和利用石油有悠久的历史, 但是新中国成立前夕, 原油产量仅为 0. 12M t 。以后 地质学家打开了陆相盆地找油新领域, 尤其是大庆油田的发现和开发, 使中国石油工业得到 了高速发展。1963 年底, 中 国石油已基本自 给。以后又不断发展, 至 1992 年原油产量 已达 1. 42M t 。 4. 石油生产经济性 石油生产 经济性既涉及原 油资源的合理开 发和利用, 又涉 及国内 外( 或 地区内 外) 市 场 需求。对于拥有本国( 或地区) 石油资源的国家( 或地区) , 石油生产经济性可以概括为两个问 题: ①国内与出口石油市场价格的确定; ②石油从勘探到开发的成本及投资水平。我国在改 革开放的形势下, 对石油生产和出口问题的研究必须与国际石油市场联系起来, 才能作出正 确的分析和判断。 ・ 1 46 ・

图 5．6　 中国含油、气盆地示意图 [ 29]

・ 14 7・

表 5. 6　 1992 年底世界石油探明可采储量[ 26] ( 5× 108 t 以上国家和地区) 可采储量/× 108 t

国家及地区

储采比

1. 沙特阿拉伯

351

82. 0

2. 伊拉克

134

> 100

3. 科威特

129

4. 伊朗

国家及地区 14. 挪威

可采储量/× 108 t

储采比

12

10. 8

15. 加拿大

9

9. 6

> 100

16. 埃及

9

18. 6

127

73. 6

17. 印尼

8

10. 5

5. 阿布扎比

126

> 100

18. 印度

8

28. 1

6. 委内瑞拉

90

69. 7

19. 迪拜

8

36. 6

7. 前苏联

78

17. 3

20. 中立区

7

42. 0

8. 墨西哥

72

46. 2

21. 阿曼

6

17. 1

9. 美国

41

9. 8

22. 英国

6

5. 9

10. 中国

32

22. 2

23. 也门

5

60. 9

11. 利比亚

30

41. 2

24. 卡塔尔

5

21. 6

12. 尼日利亚

24

26. 6

25. 马来西亚

5

14. 9

13. 阿尔及利亚

12

21. 0 1365

43. 1

世界总计 表 5. 7　 1992 年世界原油产量 [ 26] ( 年产 30M t 以上国家和地区) 国家和地区

产 量/ M t

1992/ 1991

国家和地区

产 量/ M t

1992/ 1991

1. 沙特阿拉伯＊

427. 9

+ 1. 9%

12. 尼日利亚＊

91. 6

- 2. 1%

2. 美国

416. 6

- 2. 5%

13. 印尼＊

74. 3

- 0. 3%

3. 前苏联

396. 0

- 14. 1%

14. 利比亚＊

73. 0

+ 1. 1%

4. 伊朗＊

172. 2

+ 6. 3%

15. 阿尔及利亚＊

57. 0

+ 1. 1%

5. 墨西哥

154. 9

　 0

16. 埃及

46. 1

+ 1. 5%

6. 中国

141. 8

+ 0. 5%

17. 科威特

45. 6

+ 592. 4%

7. 委内瑞拉＊

129. 0

+ 0. 2%

18. 阿曼＊

36. 1

+ 0. 1%

8. 挪威

106. 6

+ 14. 2%

19. 马来西亚

32. 6

+ 2. 0%

9. 加拿大

98. 2

+ 4. 6%

10. 阿布扎比＊

96. 7

- 3. 6%

11. 英国

94. 2

+ 3. 2%

3169. 7

+ 0. 9%

世界总计

＊ 为 OP EC 成员国 。

　 　 国际市场 石油价格并非某 个出口国家所能 左右, 因此实际 上对于 具有石油 出口能力 的 国家所面临的是如何在考虑了国际市场价格的条件下确定国内石油价格。一般认为, 应以国 际石油价格代表国内用油的机会成本。在国内消费 1t 石油就意味着减少 1t 出口能力, 因此 国内消费的石油也应支付国际市场价格。这样定价从理论上说是有利于资源的最有效利用。 然而, 实际 上还 有一 种更为 实际 的观点, 应 该降 低国内 石油 价格 以降低 本国 工业产 品的 成 本, 提高本国工业在国际上的竞争能力, 从而促进整个经济发展。发展中国家更倾向于使用 这种方法来确定国内价格。例如 1993 年我国国内平价原油价格为 200—231 元/ t, 即使议价 油, 也才 520—590 元/ t , 比同年国际市场价 125 美元/ t 要低得多。然而, 我国石油制品 价格 ・ 1 48 ・

却与国际市场价格相当, 约 190 美元/ t , 甚至更贵。这些价格的差异会 影响对国内石油 制品 的生产项目的评价。例如从企业角度看, 由于国内原油价格低, 油制品价格高, 因此石油化工 项目是具有良好投资效益的项目; 但从国家角度进行经济分析, 由于使用国际市场价格作为 原油及石油制品的机会成本来考虑, 这类项目就不一定是好项目。这些结论将会影响石油生 产的经济性。今后, 我国石油价格改革趋势是与国际市场价格接轨。 石油从 勘探到生 产总成 本中, 一般勘探 费占油 田建设 总费 用的 30% , 油 田生产 开发 费 用占 70% 。 5. 加工与精炼 从油田产出的 原油需进行粗加 工, 让原油 通过一 系列的垂 直或水 平的钢罐 把溶解在 原 油内的天然气及含盐很高的水分排出。处理后的原油送到炼油厂精炼为各种石油制品。 原油的精炼包 括蒸馏、裂 解、催化 重整以及 脱硫与杂 质的氢化 处理 4 个步骤, 最后形 成 用于不同用途的各种石油产品, 如表 5．8 所示。 表 5. 8　 主要石油产品的生产及其用途 [ 1] 产品名称

炼油工艺

典型用途

石油气

原油蒸馏

化工原料、合成汽油、燃料

汽　 油

原油蒸馏

汽车与飞机燃料

沸点范围/ ℃ 30—200

重 组 分 裂 解 ( 热、催 化、加 氢 催 溶剂 化、沥 青焦化、渣油焦 化等) 重整 化工原料、照明及烹调燃料 ( 催化、热) 轻烯烃聚合 C 5 及 C 6 烷异构化 烯烃与异烷的烷化 煤　 油 柴　 油

原油蒸馏

喷气飞机燃料, 照明、烹调及房屋取暖燃料,

重组分裂解( 热, 催化等)

溶剂

原油蒸馏( 常压、真空)

家庭及轻工业燃料、柴油机燃料、化工原

重组分裂解( 热、催化等)

料、生产汽油原料、溶剂、运输

180—275 360—345

渣油加氢裂解 真空蒸馏 润滑油

原油蒸馏( 常压、真空)

各种润滑剂、药用白油、制造石腊与凡士

特种渣油加氢裂解

林、石油冻、沥青、润滑脂

340—450

渣油的溶剂精制 渣　 油 石油焦

原油真空蒸馏

生产燃料油及汽油原料, 化工原料, 石油

裂解产生的石油蒸馏

焦及沥青原料燃料、冶金、工业电极

很高

残渣和沥青热裂解

　 　 炼油厂按其所采用的工艺不同可分成初级、次级和综合炼油厂 3 类。初级炼油厂只设置 常压蒸馏装置, 可能再附加一个真空蒸馏和一个催化重整装置, 以及氢化处理与加氢精制去 除杂质的装置; 次级炼油厂包含一个裂解车间, 可能再附加异构化、聚合、烷化及氢化处理与 加氢精制等装置; 综合炼油厂为上述初级与次级炼油厂的综合体。 炼油 厂的转 换效 率取决 于其 复杂 性及运 行效 率。其自 耗能 约为 7% —12% , 即 每加 工 ・ 14 9・

100t 石油, 需消耗 7—12t 油当量的能量。 炼油厂规模相差很大。发达国家的大型综合炼油厂每日 炼制原油可达 15000t 以上, 但 发展中国家许多炼油厂的容量较小, 在几千吨量级。 6. 运输与储存 原油与石油产 品在油田集油站、炼油厂、输 出与接收 站、分 配中心 等各处都 需要储存 设 5

3

施。大型储油罐一般为直立的圆柱形钢罐, 其容量可达 10 m 。水平放置的小型储油罐常埋 3

在地下, 其容量为 50—250m 。 油的运输方式分管道、铁路、公路和水运等。管道输送运行费用低, 因此燃料运输费中的 75% —80% 是回收投资成本。在许多发展中国家, 使用更普遍的是用铁路长距离运输原油及 油制品。运输时采用特别油罐车。铁路运输石油的成本比管道输送贵 2—3 倍。用公路运输 石油比铁路运 费贵 1—2 倍, 但这种 运输方式方 便, 特 别对在管 道与铁 路不通的 地点或容 量 太小的情况, 公路运输不失为最好方式。在可能条件下, 水运是最廉价的运输方式, 在远距离 运输时, 其运费为管道运输的 1/ 5 以下。原油的海外运输采用大型远洋海轮, 油轮越大, 运费 愈低。但到 20 万吨级以下其优点已不明显了。 7. 转换和利用 石油及其制品 是一种优质燃料, 用途十 分广泛, 可以 方便地应 用于运 输, 工 农业及民 用 等部门。也可转换成电力为各终端设施使用。

5. 4. 2　 天然气 1. 天然气资源分类 　 　 天然 气定义为“地表下岩石储集 层中自然存在的 以碳氢 化合物为 主体的气 体混合 物”。 3

其主要成分为甲烷, 约占 85% —95% , 还含有乙烷、丙烷和丁烷, 热值 33—41M J/ m 。天然气 是一种优质燃料和化工原料。 天然气资源分类方法与原油相同。可参见表 5. 5。 天然气有气田气、油田伴生气、煤成气、生物气等多种类型。油田一般都有天然气, 这种 伴生气溶解在石油中( 溶解气) , 或聚集在含气已饱和的油层顶部, 称气顶气。 70 年代以来, 世界天然气勘探和生产迅速发展。1992 年底世界天然气探明可采储量达 12

3

12

3

138. 3× 10 m , 如表 5. 9 所示, 其中前苏联和伊朗是储气大国, 分别为 55 和 19. 8× 10 m 。 表 5. 9　 1993 年 1 月 1 日世界天然气探明可采储量 [ 26] ( 3000× 10 8 m 3 以上国家和地区) 国家和地区

储量/ 10 12 m 3

储采比

国家和地区

储量/ 10 12 m 3

储采比

1. 前苏联

55. 0

67. 8

17. 科威特

1. 5

> 100

2. 伊朗

19. 8

> 100

18. 中国

1. 4

92. 6

3. 卡塔尔

6. 4

> 100

19. 利比亚

1. 3

> 100

4. 阿布扎比

5. 3

> 100

20. 巴基斯坦

0. 9

53. 5

5. 沙特阿拉伯

5. 2

> 100

21. 印度

0. 7

49. 9

・ 1 50 ・

续表　 　 国家和地区

储采比

储量/ 10 12 m 3

国家和地区

储量/ 10 12 m 3

储采比

6. 美国

4. 7

90. 4

22. 孟加拉国

0. 7

> 100

7. 阿尔及利亚

3. 6

70. 3

23. 阿根廷

0. 6

28. 0

8. 委内瑞拉

3. 6

> 100

24. 英国

0. 5

10. 2

9. 尼日利亚

3. 4

> 100

25. 澳大利亚

0. 5

22. 0

10. 伊拉克

3. 1

> 100

26. 迪拜

0. 5

88. 1

11. 加拿大

2. 7

23. 5

27. 埃及

0. 4

44. 5

12. 墨西哥

2. 0

71. 9

28. 文莱

0. 4

40. 0

13. 挪威

2. 0

72. 1

29. 德国

0. 3

19. 3

14. 荷兰

1. 9

28. 1

15. 马来西亚

1. 9

72. 9

世界总计

138. 3

64. 8

16. 印尼

1. 8

34. 1 12

3

12

　 　 我国天然气资源总量估计为 33—43× 10 m , 但目 前探明储量还很少, 仅为 1. 46× 10 3

11

3

11

3

11

3

m , 其中气层气 7. 471× 10 m , 溶解气 7. 204× 10 m , 剩余可采储量为 7. 9× 10 m 。按照 不同成因, 各种类型天然气资源总量所占比例, 生物气占 6. 5% , 油田伴生气占 26% , 煤成气 占 28. 4% , 气田气( 碳酸盐岩天然气) 占 39. 1% 。从天然气的地区分布, 可分成近海、西北、中 部气区及勃海－松辽油气区四个大区, 其中中部及西北地区资源量估计占全国的 67% , 而沿 海大陆架同样蕴藏着丰富的天然气资源。 2. 勘探 天然气勘探方式与原油勘探相似, 两者很难区分。寻找油藏与油层试钻的技术基本上可 用于勘探天然气。 从前面我国不 同成因类型的天 然气资源占 有量来看, 今后 应特别 加强寻找 碳酸盐岩 气 和煤成气。而从地区分布情况看, 西北气区和近海区是寻找天然气的主战场。 3. 天然气生产 油田伴生气的生产几乎完全由石油生产决定。在与石油分离后可直接输送到用户消费。 由于天然气不可能大量储存, 而输送储运系统( 包括天然气处理厂、输气管线和配气管网) 又 比较复杂, 因此当与石油生产伴生的天然气产量超过市场需求时, 则必须将天然气放空或在 火炬中烧掉。 有些伴生气也有回流到井下增加压力以继续生产原油, 但每口井所需回流的比例不同, 应确定最优回注率。 至于气田气生产天然气的方式与原油相同。当勘探井与开发井确定了气田的范围后, 生 产将逐渐增长, 产量达到峰顶时, 气田开始贫化, 其后生产将逐渐下降。像原油生产一样, 确 定一个储采比的下限是必要的, 以保持正常的气田产量。表 5. 10 为包括我国在内的 1992 年 世界 天然 气 产量, 前 苏联、美 国和 加 拿大 分列 前 3 名产 量 分别 为 7. 880, 5. 271 和 1. 430× 10 11 m 3 , 我国为 1. 58× 10 10 m 3 , 排名第 21 位。

・ 15 1・

表 5. 10　 1992 年世界天然气产量 [26] ( 年产 1010 m 3 以上国家和地区)

单位: 1010 m 3

国家和地区

产量

国家和地区

产量

1. 前苏联

7880

13. 罗马尼亚

251

2. 美国

5271

14. 澳大利亚

242

3. 加拿大

1430

15. 委内瑞拉

230

4. 荷兰

823

16. 德国

211

5. 英国

535

17. 马来西亚

208

6. 阿尔及利

520

18. 阿根廷

172

7. 印尼

483

19. 意大利

169

8. 墨西哥

371

20. 印度

161

9. 沙特阿拉

328

21. 中国

158

10. 伊朗

266

22. 巴基斯坦

149

11. 挪威

258

世　 界

12. 阿联酋

255

21582

4. 天然气生产经济性问题 天然气生产成本估计与石油生产成本相同。世界银行对生产条件不同的几个储量地区 和国家进行了估计, 长期边际生产成本在井口处每吨油当量为 1. 65—10. 25 美元, 大用户分 配点为 12—75 美元。对于需要更复杂配气网的家庭用户, 计算到煤气灶上的天然气成本为 每吨油当量达到 86—450 美元。从我国情况看, 1990 年前天然气投资成本每吨油当量为 80 ～120 元, 运行成本为 60—100 元, 到用户分配点的成本数值在 500—700 元。 5. 天然气加工与储运 天然气不需要或只需极少处理就可作为燃料或石油化工及化肥原料使用。有时在进行 化学处理以清除硫化氢与二氧化碳之后, 就可以送入输气管道。 如果要以压 缩天然气或液化 天然气输送, 则需将天然气 压缩或冷 冻。在 1atm 下, 天 然 气 的液 化温 度为 - 162℃; 而 在 6at m 下, 则 为- 82℃。液 化气 的体 积比 原来 的 气体 小 600 倍。但液化天然气的储存与运输均需用冷冻设备。就国内天然气供应而言, 生产液化天然气 在经济上并不合算, 因为其转化及运输成本很高, 但日本等国包括台湾已大量进口液化天然 气。 几乎全部天然气是通过管道运输的。管道的直径 2—50in 不等。荷兰与苏联在役的天然 气管道直径分别达到 42—56 in 。所有管道都用高强度钢制成, 并经特殊处理以防腐蚀。总长 度达几千公里。每隔 100—300km 设置一座加压站以弥补管道内由于摩擦造成的压力损失。 由于一般管道输油是天然气的能力( 按所含热能计) 的 5 倍, 因此要输送同样的能量, 天 然气管道直径为输油管的 2—25 倍。天然气相应的输送成本要比石油高 4—7 倍。

5. 4. 3　 煤炭 煤炭, 是植物残体经受不同程度的腐蚀转变而成的一种黑色或褐黑色固体可燃矿物, 元 素成分包括碳、氢、氧、氮、硫和其它无机物。其中主要可燃成分是挥发分和固定碳。煤的低 ・ 1 52 ・

位发热量范围通常是 10. 25M J / kg—29. 27M J / kg 甚至更 高。灰分变化范围 很大, 可从 低于 10% 到 50% 不等, 我国一般为 15% —25% 。硫分含量从低于 1. 0% 到高于 4. 0% 均有分布。 1. 煤炭资源分类 煤炭作为一种 能源资源, 为反映其储量 在地质 上的确定 性, 国 际上通 常采用探 明储量, 粗查储量和推算储量等 3 个术语来描述。 我国煤炭资源评价通常涉及探明储量、保有储量和预测储量等概念。值得注意的是, 在 进行国际比较时, 必须明确国内外各个煤炭储量概念之间的差异。 ( 1) 我国 的探明储 量是经 过相当地 质勘探 工作后计 算出的储 量, 其中包括 可利用的 精 查储量, 供进一步勘探的暂不能利用储量( 即详查储量和普查储量) 。根据国际不可再生能源 资源储量分类标准, 我国的煤炭探明储量只大体上相当于国际上所用的粗查储量。我国探明 储量中约占 30% 的精查储量部分大致相当于国际探明储量。 ( 2) 我国的煤炭保有储量则是探明储量和扣除 已采出煤量和开采 损失煤量后剩余 的储 量部分。 ( 3) 我国 的预测储 量是根 据有关煤 田地质 理论、分布规律 及其它 地质勘查 情况推算 出 的煤炭储量, 大致相当于国际上的推算储量部分。 我国为区分和 衡量储量的可靠 程度, 煤 层、煤质、地质构造 等情况 和岩浆岩 对煤层煤 质 的影响, 按勘探程序分为 A , B , C , D 4 级。A 级储量系指对上述各方面情况已经查清的储量; B 级是 指上述情 况已基 本查清; C 级储量是 地质状 况已初步 查明 的储 量; D 级 可靠性 差, 不 能作为煤矿规划设计的依据, 只能作为远景储量。 A 级和 B 级之和( A + B ) 大致相当于国际 探明储 量部分, A + B+ C 相当于国 际粗查 储量部分, A + B+ C+ D 相当 于国际推 算储量 部 分。 另外, 从煤炭开采的技术经济角度考虑, 我国又把煤炭储量分为能利用储量和暂不能利 用储量两大类。能利用储量是指符合当前煤矿开采技术经济条件的那部分储量, 大致相当于 国际资 源分类中经济开 采和勉强( 边际) 经 济开采之和。 暂不能利 用储量 是指, 由于地质 状 况、技术条件或经济原因, 目前开采困难, 暂时还不能开采利用的那部分储量, 与国际分类中 的不经济开采储量大体相当。 我国煤炭储量的分类计算标准, 按“一般地区”和“缺煤地区”分别从煤层最低可采厚度、 灰分、发热量及开采技术条件等方面计算。 煤炭资源根据其煤化程度参数, 可分为无烟煤、烟煤、褐煤三大类。最新的国家煤炭分类 标准分 14 大类, 即无烟煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、1/ 3 焦煤、肥煤、气肥煤、1/ 2 中粘煤、弱 粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤。根据无水无灰( 即可燃基) 挥发分含量和粘接性指数的差异, 烟 煤又可分为贫煤、长焰煤等 12 类。无烟煤按挥发分或氢划分为老烟煤、典型无烟煤和年轻无 烟煤 3 小类。褐煤则采用透光率, 分为年轻褐煤和年老褐煤 2 类。 表 5. 11 给出了 1992 年世界煤炭资源探明可采储量。 表 5. 12 给出了 1990 年末我国煤炭保有储量及各种煤种分布情况。由表可知, 我国煤炭 资源在地理分布上呈北多南少, 西富东贫的格局。我国煤炭资源的另一特点是, 适于露天开 采的煤 炭储量 不多。目前 我国现有 煤炭资源 保有储 量中适 于露 天开采 的储 量, 只为 4% 左 右。 ・ 15 3・

表 5. 11　 1992 年末世界煤炭探明可采储量[ 26] 国家和地区

单位: 10 6 t

烟煤和无烟煤

次烟煤和褐煤

总　 计

所占比例

储采比

北美合计

117177

132006

249183

24. 0%

259

拉美合计

6900

4530

11430

1. 1%

248

西欧合计

29333

67591

96924

9. 3%

177

136167

179282

＊ 315449

30. 4%

301

非洲、中东合计

61004

1267

62271

6. 0%

349

亚洲、澳洲合计

170832

133093

303925

29. 2%

179

　 其中: 中　 国

6220

52300

114500

11. 0%

521413

517769

1039182

100. 0%

前苏联、东欧合计

世界总计

232

　 　 注: 1. 探 明可 采储 量是 在现 有的 经 济和 生产 条件 下, 可从 已 经查 明的, 地 理和 工程 资源 可 靠性 较高 的煤 田中 开 采 出来的 煤量 。 2. 储采 比( R / P ) 是 年末剩 余储 量除以 当年 产量, 得出 剩余 储量按 当前 生产水 平尚可 开采 的年数 。

　 　 煤炭资源 开发的前期基础 工作是煤炭地质 勘探, 目的在于 寻求具 有经济开 采价值的 煤 田, 并为建矿作出必要的准备。煤炭勘探根据深入程度可分为找煤、普查、详查、精查 4 个阶 段。勘探工作一般采用金刚石钻头, 钻取岩芯样品分析, 得出煤层有关的物理和化学状态数 据。此外, 也可采用金旋转钻方法切屑取样分析。 2. 煤炭生产 根据不同的覆盖层厚度及煤层斜度, 煤炭开采方法包括露天开采与地下开采两大类。由 于地质条件所限, 目前我国煤矿采煤主要依靠地下开采。 露天开采是对 距地表较浅的煤 层进行采 掘, 通 常包括清 除覆盖 层、采 出煤炭、后续回 填 三个步骤。开采方式有全面开采、等高线开采和螺旋钻采三种。露天开采由于具有规模大、 周期短、投资省、回采率高, 工作条件优越等 优点, 广泛被 世界各主 要产煤 国采用, 作为扩 大 煤炭生产的主要途径。 地下开采适用于煤层埋藏较深而露天开采不经济的情况。主要的地下开采方法有短壁 工作面采煤和长壁工作面采煤。无论是长壁、短壁工作面, 地下煤炭的主要生产工艺包括掘 进、落煤、装煤、运煤和顶板支护等环节。长壁采煤机械化就是上述各环节的机械化。 8

1992 年我 国原煤产 量已达 11. 16× 10 t , 居世界 第一位, 约占世 界煤炭 产量的 1/ 4。表 5. 13 给出我国按隶属关系生产的原煤量。 表 5. 13　 我国隶属关系区分的原煤产量 [29]

单位: 10 6 t

1980 年

1985 年

1990 年

1993 年

全国总计

620. 13

872. 28

1079. 88

1149．70

国有重点煤矿( 统配煤矿)

344. 39

406. 26

480. 22

458．03

地方煤矿

275. 74

466. 02

599. 66

691．67

　 　 其中乡镇集体及个体煤矿

113. 62

283. 25

389. 69

482．78

・ 1 54 ・

・ 15 5・

　 　 由 表可见, 我国 煤炭产量 35% 以 上由乡 镇小煤 矿生产, 且 呈增 长趋势。 乡镇矿 机动 灵 活, 建设期短, 能较快适应市场的需求, 但其生产工艺落后, 资源利用率低。因此, 今后如何引 导小煤矿进行技术改造, 提高生产效率, 是发展小煤矿的重要方面。 采煤机械化是提高煤矿生产效率的根本途径。发达国家已基本实现地下矿井开采的机 械化。我国开采机械化在国有重点煤矿中有较大的发展, 但机械化程度仍有待提高。表 5. 14 给出 1990 年世界主要产煤国家煤炭工业指标。 8

8

据有关预测, 2000 年我国原煤总产量达到 14—15× 10 t , 2020 年 将达到 20—22× 10 t, 2050 年则达到 28—30× 10 8 t 。原煤产量的稳步提高是满足我国日益增长的能源消费需求的 基本战略途径。 煤炭 产品作 为一 种商品, 无 论从 价值规 律或 者供 求规律 分析, 决 定其价 格 的基 础是 成 本。从理论上说这里的成本应是煤炭生产的长期边际成本, 事实上为方便计, 常以平均成本 代替。同时, 分析煤炭生产的经济性同样也应兼顾两方面的因素, 即一方面是煤炭产品从勘 探开采、加工到运输、销售的平均成本, 这取决于煤炭资源的地质环境因素; 另一方面是外部 环境即煤炭市场对煤炭产品的需求状况。两方面结合在一起, 即形成煤炭价格。 表 5. 15 给出我国自 1985 年以来平均煤炭价格的变化情况。 表 5. 15　 我国历年平均煤炭价格

单位: 元/ t

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

指令性价格

—

—

35. 89

39. 54

42. 25

48. 71

61

75

—

指导性价格

—

—

80

110

153. 4

137. 3

136

—

—

市场价格

77

74

85

146

236

161

154

158

173

出口离岸价格

117

140. 3

130. 9

122. 3

135. 7

180. 8

199. 1

—

—

　 　 长期以来, 我国煤炭一直实行计划价格, 与市场需求脱钩。计划价格低于国有重点煤矿 的生产成本, 国有煤炭 工业长期处于亏损 状况, 依 靠国家补贴。1988 年后采 用双轨制价格, 情况有所改善, 但并没有根本解决问题。今后随着煤炭市场的建立, 煤炭价格放开, 与国际接 轨, 煤炭工业在市场竞争机制下走自负盈亏, 自我发展的道路。 煤炭销 售价还应包括煤 炭运输费用。1993 年大同 煤出矿价 为 80—110 元/ t ( 人民 币) , 而达到上海的到岸价为 150—200 元/ t , 而到广州约为 180—230 元/ t 。 随着各国煤炭需求的增加, 国际煤炭市场日益兴旺, 特点是动力煤贸易量增大。1992 年 世界煤炭贸易总量达 401 M t , 其中动力煤 占 60% 以上。最大的煤炭进 出口国分别为日 本和 澳大利亚。我国煤炭净出口量为 19. 66M t, 规划到 2000 年我国煤炭出口量将达 35M t 左右。 1993 年国际市场炼焦 煤离岸价格约 40—50 美元/ t , 根据挥发 分、硫分和灰 分的差异 而 变化。动力煤离岸价格按热值、硫分和灰分含量从最低 23 美元/ t 到最高 46 美元/ t 不等。如 我国热值为 6200 kcal/ kg , 硫分为 0. 7% , 灰分为 8% 的动力煤离岸价格为 36—39 美元/ t 。 3. 煤炭洗选及加工 从井下开采出来的原煤, 不同程度地含有灰分、硫分及矸石等杂物, 需要通过洗选筛分、 加工, 降低灰分和硫分含量, 减排矸石等各种杂物, 提高商品煤质量, 按用户需求供应不同品 种规格的煤。随着采煤难度加大和采煤机械化程度的提高, 原煤质量通常会逐渐下降, 洗选 ・ 1 56 ・

加工尤为重要。 煤炭洗选 加工的工艺流程 包括: 破碎、筛 分( 分 级) 、洗涤、脱水 和干燥 及煤泥水 处理等。 常用的选煤方法包括: 手选法、重力选煤法( 包括干法和湿法) 、浮游选煤法、电磁特殊选煤法 等。我国主要采用湿法重力选煤, 包括跳汰选煤、重介质选煤两种工艺。 大规模洗选厂能带来较优 的综合效益。如原 煤入洗能力为 4M t / a 的炼 焦煤洗煤厂, 比 投资为 50 元/ t , 入洗能力为 2. 4 M t / a 的非炼焦煤洗煤厂比投资则 25 元/ t 。大型选煤厂的全 员效率可达 100t/ 工以上。 目前英国、德国、日本等发达国家适于洗选的煤已全部入洗, 我国原煤入洗率很低, 只有 20% 左右, 规划到 2000 年将达 40% 左右。 煤炭加工最主要的处理工艺是煤炭成型( 即型煤加工) 。它是用机械方法, 将粉煤和劣质 煤加工成具有一定形状和强度的煤制品( 如煤砖或煤球) 。高硫煤成型时加入适量固硫剂, 可 显著减少 SO 2 排放。 型煤中分为民用型煤和工业型煤。前者包括煤球和蜂窝煤, 后者包括用于工业锅炉、窑 炉、蒸汽机车的型煤, 以及用于气化、炼铁或铸造的型焦等。我国的型煤品种有 20 余种。 煤炭型煤加工工艺一般分为粘结成型和无粘结成型两类。常用的粘结剂有纸浆废液、烟 煤沥青、石油沥青、石灰、粘土、水玻璃等。型煤加工的主要工序是: 筛分、干燥、破碎、加粘结 剂、混捏和加压成型。 型煤厂吨煤 比投资约 30—50 元/ t , 生产 成本为 15—20 元/ t 。型煤结构性能良 好、燃 烧 效率高。据测定, 民用型煤 在目前先进的炉 具中燃 用, 热 效率比烧 原煤高 1 倍左右, 煤尘 和 SO 2 可减少 40% —60% , CO 减少 80% 。工业型煤的应用也可带来显著的节能效益和环保效 益。因此, 与煤炭洗选技术一样, 型煤技术也列入清洁煤技术计划。 4. 煤炭运输 当煤炭生产和消费的地理位置不均衡时, 就引起煤炭的运输问题。例如, 我国东部及东 南沿海 地区集中 了全国 2/ 3 的人口, 其工 业总产 值占全 国的 70% 以 上, 煤炭 消费量 占全 国 的 2/ 3, 但煤炭储藏量仅占全国的 1/ 7。在缺乏石油、天然气等能源资源条件下, 只有靠调入 煤炭才能满足该地区的能源需求。 我国煤炭运输量庞大, 而且运距长。80 年代末, 从“三西”( 晋、陕、蒙西) 煤炭基地外调的 8

煤量约 2. 07× 10 t , 上 述东南沿海缺煤地 区调入的煤量约 占全国总调入量 的 80% 。京 广铁 路干线煤炭运输量占货运总量的 57. 5% , 津浦线则达 58. 0% 。全国煤炭运输流向是由西向 东, 由北向南, 并通向东北。煤炭运力不足, 是严重制约我国经济发展的一个“瓶颈”。 煤炭运输的四条主要途径是: 铁路运输、公路运输、水路运输和管道输煤。铁路运输是世 界各主要产煤国国内运煤主要手段, 如万吨级载重直达列车通过运煤专线运煤。我国铁路煤 量占煤炭总运量的 65% —70% , 水运占 15% 左右, 公路 15% —20% 。 管道输煤是将煤加水并配以一定添加剂制成水煤浆, 以液态形式通过管道运煤。尽管目 前美国 管道运输 煤与铁 路运煤的 运输成本 之比为 1. 85∶ 1, 但 用管道 长距离 大量运 输煤 炭 的成本( 包括投资成本在内) 可能低于铁路运输。 此外, 直接在采煤中 心建立大型电 站, 以高压( 如 500000V ) 向 工业中 心输电, 也是输 煤 ( 能) 的一种间接替代方案。这种坑口电站高压输电具有很强的经济竞争力。 ・ 15 7・

5. 煤炭转换与利用 煤炭的利用和转换包括煤的直接燃烧、煤炭气化、煤炭焦化、煤炭化工等方面。 ( 1) 煤炭燃烧 目前 美国 57% 的 电力是 通过 煤炭燃 烧 转换 获得 的, 我国 80% 以上 的煤 炭 直接 用于 燃 烧。煤的燃烧过程由一系列复杂的物理、化学过程组成, 包括加热干燥、挥发分析出、着火燃 烧、剩余焦炭的燃烧等。煤的燃烧技术包括大型电站煤粉锅炉燃煤发电; 中、小型锅炉集中供 热和热电联产, 为建筑物 采暖和工业热用 户提供热 源; 大 量的工业 锅炉、工业炉 窑和民用 炉 灶燃煤。其中, 大型煤粉电站锅炉技术最为成熟, 燃烧效率高达 99% 以上, 热效率可达 90% 以上, 是目前燃煤发电的主力机型。常规煤粉锅炉所释放的 NO x , SO 2 及飘尘是大气污 染的 主要污染源。释放的 CO 2 被认为是导致全球气候变暖的最主要的温室气体。 近年来, 世界各国已在煤粉锅炉脱硫、脱硝上进行了大量研究, 如烟气脱硫技术, 炉内直 接喷钙脱硫技术等。自 80 年代以来, 流化床燃烧技术( 包括鼓泡床锅炉, 循环流化床锅炉、增 压流化床锅 炉等) , 以其高效、清洁的燃烧 特性获得 突破性发 展, 可 望成为 21 世 纪的主力 燃 煤发电机组。煤气化联合循环发电也被认为是前景优越的高效、清洁燃煤技术。 ( 2) 煤炭焦化 炼焦用煤( 气煤、肥煤、瘦煤和焦煤) 在炼焦厂焦化, 可获得焦炭产品, 供给高炉炼铁和机 械铸造。也可用来生产电石和化肥。炼焦过程中产生的焦炉气和焦油含有极丰富的化学组 分, 是煤炭化学工业的基础原料。 ( 3) 煤炭气化 煤炭转化为煤气利用, 可以提高煤的利用效率, 同时获得良好的环境保护效果。煤炭气 化是把煤转化为合成可燃气( CO , H 2 和 CH 4 等的混合物) 即煤气的工艺过程。煤气不仅可通 过燃烧 以产生热能, 而且可用来合 成多种有机化学 品。煤气中的硫化氢 ( H 2 S) 可 回收利用。 煤气化的洁净性及其加工的灵活性, 将使它成为下一世纪煤转化利用的主导技术。 煤炭气化方法主要可分为 4 种: 高温干馏法、发生炉煤气法, 水煤气法和加氢气化法。国 外已成熟的气化工艺有加压鲁奇炉气化、水煤气两段炉气化等。我国正在研究开发长焰煤制 水煤气工艺、两段固定床加压气化工艺及流化床煤气/ 蒸汽联产工艺等。此外, 煤炭地下气化 是集煤炭开采和气化于一体的利用技术, 具有常规煤气化不可比拟的优势。 ( 4) 煤炭液化 煤炭液化可分为两类: 间接液化是煤气化后再转化为液体燃料; 直接液化是将煤中复杂 的有机质直接转化为液体燃料, 包括热解和加氢两种工艺。热解工艺是使煤在隔绝空气条件 下分解, 产生液体( 焦油) 、复合气体和半焦产品。加氢液化工艺是把煤与重油等溶剂制成煤 油浆, 在一定温度和压力下加氢催化裂化, 产生合成气、油和煤气。目前煤炭液化技术在工业 化国家已达到 商业应用阶段, 我国采用间 接液化工 艺, 从 煤中制取 甲醇, 可为汽 车提供替 代 燃料。 ( 5) 煤炭化工 煤炭化学工业 是我国化学工业 的基础, 我 国以煤 炭为原料 的化工 产品占全 国化工产 品 的 70% 左右。煤炭化工主要包括煤基合成氨和甲醇; 煤炭焦化副产品( 焦油) 综合提炼, 为染 料、制 药、农药、精细化工提 供生产原料; 电石乙 炔化工; 由一碳 化学工 艺路线制 备含氧化 合 ・ 1 58 ・

物, 如醇、醛、酸、酯、醚、酮等及其衍生物。 此外, 还有水煤浆用作燃油替代燃料。高效、清洁的煤气化燃料电池发电, 燃烧磁流体等 高新技术正在研究之中。 煤炭作 为世界最 丰富的 化石燃料, 占常 规化石 燃料储 量的 90% , 占 世界 一次能 源消 费 的 1/ 3 左右。人类社会、经济和环境的持续、协调发展, 要求清洁、高效经济地利用煤炭资源。 当前正在世界范围内兴起的洁净煤技术为煤炭高效、清洁的转换利用开辟了广阔的前景。所 谓的洁净煤技术, 是一系列新近开发的煤炭加工、燃烧、转换和烟气净化技术的总称, 旨在减 轻煤炭和转换对环境的污染, 提高煤炭利用效率, 降低成本。

5. 4. 4 铀 1. 铀资源分类 　 　 铀是用在生产核能( 核电或核热) 的装置—— 核反应堆—— 中的主要核燃料。天然铀一 般 以铀 氧化合 物的 形式存 在, 含有 三种同 位素, 即 U ( 微量) 。其中只有 U

2 35

2 38

23 5

( 约 99. 3% ) , U

( 约 0. 7% ) 和 U

23 4

易于由热中子引起裂变核反应, 因而可直接用作热中子核反应堆( 迄 23 8

今世界上最主要的商用核反应堆堆型) 的燃料。天然铀中含量最多的 U , 可在俘获中 子后 239 239 衰变为镎( Np ) , 它接着又衰变成钚( P u ) 。钚也是一种可裂变材料, 能用作热中子核反应 堆的燃料。P u 239 与 U 23 5 也都可以作为快中子核反应堆的燃料。 国际组织和一 些主要产铀国家 对于铀矿资 源的分类 及其定义 已有标 准, 经 济合作组 织 ( OE CD) 的核能机构( N E A ) 与国际原 子能机构( IAE A ) 采用的铀矿 资源分类( 见表 5. 16) 可 作为代表。由表可见, 铀的开采成本分为三级, 资源估计和地质上确定性能程度也分为三级。 地质确定性能程度的含义是: ( 1) 合理确认资源( R A R ) 在目前成熟的技术条件下能按给定生产成本范围( 如表 5. 16 所示成本) 内开采的, 并已 知其储量大小、品位与分布的铀矿资源。可根据样品的确切数据, 对矿脉的测量及对矿脉特 性的了解作出储量大小及品位的估计。合理确认资源的数据具有较高的确定性, 其中开采成 本低于 80 美元/ k g( 铀) 的资源可认为是有开采价值的储量, 并称为工业储量。 表 5. 16　 OE CD 核能机构和国际原子能机构( NEA / IAEA) 的铀矿资源分类 [ 20] ↑ 开 采 成 本 增 加

130- 260

合理确认资源

估增资源－Ⅰ

估增资源－Ⅱ

预测资源

美元/ kgU 80- 130

( RA R ) 合理确认资源

( EA R －Ⅰ) 估增资源－Ⅰ

( E AR －Ⅱ) 估增资源－Ⅱ

( SR ) 预测资源

美元/ kgU < 80

( RA R) 合理确认资源

( EA R－I) 估增资源－Ⅰ

( E AR －Ⅱ) 估增资源- Ⅱ

( SR) 预测资源

美元/ kg( U )

( RA R)

( EA R－Ⅰ)

( E AR －Ⅱ)

( SR)

资源估计的可靠性减小→ 说 明: R A R — R eas onably As s ured R es our ce ( 合 理确 认资源 , 亦 称为“可 靠资源 ”) E AR — Es t im at ed Addit ional R es ource ( 估计增 加资 源) ; S R — Speculat ive R esource ( 预测 资源) 。 开采成 本按 1981 年 1 月 1 日 美元值 计算。

( 2) 估计增加资源( E A R ) 根据 直接的 地质 资料证 据在 合理 确认资 源之 外可能 存在 的资 源, 这 些资 源 存在 于: ① ・ 15 9・

已勘探 矿脉的扩 展区; ② 勘探 不足的矿 脉; ③ 根据已 发现铀矿 的地质 情况推断 有可能 发 现新矿的同类地质带。估计增加资源还可以按其地质上确定性能程度再分为 2 级。 ( 3) 推测资源( SR ) 用目前已有勘 探技术、根 据间接证据或地 质上外 推有可能 在估计 增加资源 之外再发 现 的附加资源。此范畴内矿脉所在的具体地点并未确定, 只知其在某一地区或某一地质构造之 内。此种资源的潜在量完全是推测出来的。 不同国家和国际组织所采用铀资源分类体系的对照见表 5. 17。由于各家所采用的分类 指标不一样, 因此这个对 照表并不表示严 格可比, 仅是大 致的对应 关系, 在资源 确定程度 减 小的时候对应关系就更为模糊了。然而, 根据地质上存在的确定程度的主要指标来看, 表上 相应的术语基本上是可比的。 表 5. 17　 铀矿资源的分类与等级间的对应关系 [ 20] 国别

铀资源等级划分及名称

澳大利亚

合理确认

估计新增

加拿大

确认

推算

法　 国

储量Ⅰ级

储量Ⅱ级

南　 非

合理确认

美国( 能源部)

工业储量

前苏联

A + B+ C 1

N EA / IA EA

合理确认

估　 算

推　 断

预测Ⅰ级

预测Ⅱ级

预测

估计新增 估　 算

预测

C2

D 估计新增

预测

　 　 按照上述铀资源分类, 80 年代中期世界铀资源的估计如表 5. 18 所示。由于近年来世界 核能发展缓慢, 天然铀供过于求, 因此不少铀矿生产缩减, 许多勘探工作停止, 所以近年来铀 矿资源无明显增减。 表 5. 18　 世界铀资源估计 [ 21] 资　 源　 等　 级

开 采 成 本 / 美元/ kg ( U )

合理确认( RA R )

估增( E AR )

合　 计

< 80

166. 9

92. 5

254. 4

80- 130

64. 9

40. 7

105. 3

小　 计

231. 5

133. 2

364. 7

　 　 我国对铀 矿资源的分类过 去是参照前苏联 的分类和 标准, 现已逐 步形成了 自己的分 类 与标准, 并将建立国家的储量规范。根据迄今我国铀矿的保有储量及资源预测来看, 我国尚 属铀矿资源较丰富的国家。在 80 年代中期曾有估计认为我国铀资源可以满足累计发展压水 堆核电站 15000 MW 的天然铀需求

[ 23 ]

。近年来对我国发展核电站可用天然铀供应量的估计

又有所增长, 认为对于现有发展规划, 近期天然铀供应量有富裕, 中期供应有保证, 远期也有 [ 24]

希望能满足需求。N E A / IA E A 则估计我国铀矿远景资源在 1M t 以上

。

美 国 东西 方中 心资 源 研究 所 采用 以 地质 类 比为 基 础的“地 区单 元 产 值法 ”( T h e U nit ・ 1 60 ・

R egional P roduct ion V alue M eth od) , 估计了我国潜在铀的资源分布。分析中是用美国各州 的地质情况及勘察开发情况与我国各省对比。结果表明在我国西部一些地区及内蒙应为富 铀资源地区, 见表 5. 19 和图 5. 7 [ 25 ] 。 表 5. 19　 我国分省的铀的地区单元产值估计( 至 1980 年) [ 25] 省　 份

美国的地质类似地区

铀的地区单元产值/ 美元/ km 2

省区的铀总产值/ 106 美元

( 1980 年币值)

( 1980 年币值)

四川( 东部)

新墨西哥

45000

15000

内蒙( 中部)

怀俄明

35000

30000

新疆( 中部)

怀俄明

35000

20000

青海( 南部)

科罗拉多

35000

20000

山东

科罗拉多

11000

2500

湖北

蒙大拿

310

58

吉林

蒙大拿

310

58

黑龙江( 东部)

亚利桑那

300

110

西藏

亚利桑那

300

350

福建

阿拉斯加

240

29

广西

阿拉斯加

240

55

黑龙江( 西部)

阿拉斯加

240

21

河南

阿拉斯加

240

40

湖南

阿拉斯加

240

50

内蒙( 东部)

阿拉斯加

240

76

四川( 西部)

阿拉斯加

240

56

云南

阿拉斯加

240

95

浙江

阿拉斯加

240

24

2. 铀矿勘探 铀资源的勘探 计划一般包括: 空中航测、采 用放射性 测量及磁 场测量 方法: 然后在有 希 望的地区用同样方法进行地面测量; 最后, 再根据需要采用地球物理、地球化学、测绘、槽探、 钻孔、测井等方法进行详细勘探。在上述方法中, 空中放射性测量与钻孔测井方法最为常用。 铀矿的勘探需要花费很长的时间: 一般由开始普查到进行具体开采准备需时 8—10 年。 据 经济 合 作 与 开 发组 织 估 计 [ 6] , 每 增加 1t 铀 储 量 所 需 的勘 探 投 资 约 为 2000—5000 美 元 ( 1980 年美元值) 。 我国自 50 年代末就已开 始铀矿勘探, 现已 为我国建 成一套核 工业体 系, 保 证国防建 设 需要及开发利用核能打下了基础。迄今的工作已使人们基本了解到我国的铀矿资源的主要 特点和分布格局。然而, 我国幅员广阔、地质情况复杂, 铀矿的找矿勘探工作尚远不充分, 技 术装备也相对落后。如图 5. 7 所示, 铀矿资源远景好的西部及内蒙等广大地区的勘探工作薄 弱, 已勘探地带也需进一步做工作。 ・ 16 1・

图 5．7　 我国潜在铀资源的地区分布[ 25] ( 图中美元指 1980 年值)

3. 铀的生产 铀的生产包括开采与处理矿石。根据具体情况, 可采用露天或地下开采方式。目前采出 的矿石中, 含铀量一般在 0. 02% —0. 2% 。大型铀矿每天采出几千吨矿石。矿石处理采用化 学方法, 如浸出、溶剂萃取或离子 交换以及沉淀法 等。最终产品称为“黄饼”, 其中含 70% — 90% 的 U 3 O 8 。现在发展的堆浸方法, 已可在适当的地质条件下开采品位很低的铀矿。 铀生产厂的比投资及单位生产成本主要取决于覆盖层的厚度、开采方法和矿石品位( 即 矿石内的铀含量) 。由于近年来国际市场铀价普遍下跌, 开采生产成 本低于 80 美元/ kg( U ) 的合理确认资源在经济上也不一定完全合算。然而, 如果出于自力更生或促进本国技术发展 的目的, 仍需在国内开采成本较高的铀资源。 4. 铀生产的经济性 影响铀生产的因素与其它非再生能源( 石油、天然气、煤炭) 不同。由于其产量比其它能 源小若干个数量级, 因此它主要受市场需求制约, 而非开采加工矿石的物理条件限制。当然, 开采与加工铀 矿石也存在物理 条件的限制, 但后者主 要取决于 矿山经 理愿意花 多大投资 去 添置采矿与加工用设备。 ・ 1 62 ・

在能源规划中, 天然铀生产的经济性的评价应放在整个核燃料循环过程中来考虑。目前 铀价格是由市场需求决定的, 因此, 进行国家能源规划时必须根据国内与全世界的核电需求 来综合考虑经济问题。 5. 铀的浓缩与燃料加工 天然铀 中含有 99. 3% 的 U 2 38 与 0. 7% 的 U 23 5 , 现 有的核 电站绝大 部分采 用热中 子动 力 反 应堆, 需用 U 235 作为燃 料。这些反应 堆内所 用的核燃 料是用天 然铀或 稍加浓铀 ( 其 中铀－ 235 的浓度提高到 2% - 4% , 占世界核电站 发电量近 90% 的轻水型动 力反应堆均需用 此稍 加浓铀) 的二氧化 物烧结成锭片, 然后装在 一种适当的包 壳( 如锆合金 ) 管 内制成燃 料棒, 再 根据具体反应堆的需求将棒装配成组件。 核反应堆所用 的核燃料二氧化 铀纯度要求 极高, 因此在由 黄饼制 成二氧化 铀之前必 须 提纯。如果需用加浓铀作燃料, 则需将氧化铀先转成六氟化铀( 一种气态化合物) , 在浓缩厂 内加浓后, 再转换为加浓铀的二氧化物。 目前已工业化的有两种浓缩方法, 即气体扩散法与气体离心法。迄今为止大量生产加浓 铀的工厂还都是气体扩散厂, 是一种投资浩大、耗电极多的多级大型厂, 只有美、英、前苏联、 法与我国拥有这种工厂。气体离心法需要的级数少得多, 因此工厂规模与耗电量也小得多, 但单位生产能力的投资较大。国外已建成离心法工厂投入生产, 我国也发展了这一技术。 虽然由黄饼加工成为反应堆品位的二氧化铀、然后加工成为核燃料的工厂已经商品化, 铀的浓缩工厂则不然。由于高加浓铀可用于生产核武器, 因此浓缩技术是核工业中保密性最 强的一部分。没有浓缩铀工厂的国家只能从国际市场上购买浓缩铀。 6. 乏燃料的后处理 在核反应堆内使用过后卸出的核燃料称为“乏燃料”, 其中含有剩余的铀、生产的钚以及 其它裂变产物。对乏燃料进行处理, 回收铀、钚再用于核反应堆; 提取放射性裂变产物进行妥 善保存或永久性处理, 称为乏燃料的“后处理”。 由反应堆卸出的乏燃料带有极强的放射性, 不可能立即由核电站运出。乏燃料首先( 至 少暂时 地) 储存 在核 电站内 的巨 大冷却 水池 中, 其中的 水不 仅用 于散出 乏燃 料元件 剩余 发 热, 而且用作射线屏蔽。 乏燃料在核电站内储存的时间由几个月到几年。在此之后, 由于短半衰期的放射性元素 已衰变殆尽, 可将乏燃料存放在容器内, 并运往适当地点永久储存或送往后处理工厂。 在乏燃料元件的后处理中, 将剩余的铀及所生产的钚与裂变产物分开。由于回收的铀尚 含有大约 1% 的铀－235, 可以在浓缩到必 要的浓度以后, 与钚再送 入堆内作为 燃料。对现 有 轻水堆核电站的乏燃料进行后处理, 并再用其中的铀及钚, 可以减小铀的消费量。但此种工 艺并未广泛应用, 因为这种产品可能导致核扩散。然而, 乏燃料后处理是采用增殖反应堆的 前提。目前只有包括我国在内的极少数几个国家拥有后处理厂。由于后处理厂生产的钚可 能制成核武器, 这种技术与浓缩铀技术一样严格保密。 强放 射性废物( 由后处理厂产生, 或不进 行后处理的乏 燃料本 身) 的最终( 永久 性) 处 置 在目前还未完全解决。 ・ 16 3・

5．5　 可再生能源 5. 5. 1　 水能 　 　 水能是一种可再生能源资源, 它可直接用于发电, 或为工业等用能部门提供原动力。包 括我国在内的 世界各国都有悠 久的开发水能资 源的历史, 实践 证明它 是一种清 洁方便的 能 源。进行水能资源的评价方法相对来说亦相当成熟。 1. 水能资源的定义和分类 3

确定水能资源数量的两个基本参数为流量( m / s ) 和水头( m ) 。我 们定义水能资源 理论 蕴藏量为河道水流的水能资源, 不包括坡面径流, 也不计沿海潮汐水能资源。计算时, 流量采 用多年平均流量, 不论洪水流量多大都计算在内; 水头采用河道全部落差。但实际上河道流 量和水头不可能全部利用。因此, 还定义一个技术上可能、经济上合理的可开发的水能资源 量, 称之为可开发水能资源。 我国计算水能 资源理论资料量, 采用国 际上通 用的方法, 即把 河道随 着支流的 汇入, 分 成若干段, 根据河段的多年平均流量 Q 和河段的落差 H , 用 W = 9. 18Q× H 计算得出。把一 条河道各河段的数字相加, 即为河流的水能资源理论蕴藏量。但由于统计范围的不同, 分段 的长短、水资料的代表性、地形资料的正确程度等因素, 计算是会有出入的。计算可开发水能 资源时, 根据勘探、设计或普查资 料, 按河流 建设的 水电站来 进行统 计, 当 然所计算 的水量、 落差都应是水电站可能利用的。 从可开发水能资源的数量大小来看, 可划分为大、中、小型水电站。虽然没有严格分类, 但一般指可安装单机容量在 12000k W , 电站装机容量在 25000k W 以下称为小水电资源。超 过这个 范围的为大、中型水电站。小 水电资源 有时还 分成微型 水电( 1—100 kW ) 、小型水 电 ( 101—1000k W) 和小水电( 1001—12000kW ) 。 2. 我国水能资源 我国具 有丰富 的水能资 源。据 1980 年调查 结果, 我 国水能 资源 理论蕴 藏量 为 6. 76× 8

8

12

10 k W。其中实际可开发的装机容量为 3. 78× 10 kW 。可利用的年发电 1. 92× 10 kW ・h。 9

占世界可开发的 1. 883× 10 kW 的 16. 7% , 居世界首位。但由于我国国土面积大, 人口多, 因 此按单位国土面积和计算可开发水能资源量时, 我国排在第 11 位。而按人口平均的可开发 水能资源仅 0. 34kW , 仅仅是全世界平均数 0. 54kW 的 64% 。 我国水能资源分布也很不均匀, 主要集中在西南及西北部, 见表 5. 20 及图 5. 8。但是水 能资源的地 理分布恰好和煤 炭、石油资 源的分布互 为补充。随 着远距 离高压输 电技术的 发 展, 还可实行西电东送, 把廉价水电输向能源资源短缺而经济又十分发达的东部地区。 表 5. 20　 全国分水系可能开发水能资源 编号

水　 　 系

装机容量/ M W

年发电量/ 10 8 kW ・ h

占全国比重

1

全国

357532. 4

19233. 04

100. 0%

2

　 　 长江

197243. 3

10274. 98

53. 4%

・ 1 64 ・

续表　 　 编号

水　 　 系

装机容量/ M W

年发电量/ 108 kW・h

占全国比重

3

　 　 黄河

28003. 9

1169. 91

6. 1%

4

　 　 珠江

24850. 2

1124. 78

5. 8%

5

　 　 海河、滦河

2134. 8

51. 68

0. 3%

6

　 　 淮河

660. 1

18. 94

0. 1%

7

　 　 东北诸河

13707. 5

439. 42

2. 3%

8

　 　 东南沿海诸河

13896. 8

547. 41

2. 9%

9

　 　 西南诸河

37684. 1

2098. 68

10. 9%

10

　 　 雅鲁藏布江及西藏其他河流

50382. 3

2968. 58

15. 4%

11

　 　 北方内陆及新疆诸河

9969. 4

538. 66

2. 8%

注 : 1. 本 表按单 站 500kW 以上 电站统 计。2. 根据年 发电 计算占 全国 比重。

图 5．8　 中国大型水电站位置图

　 　 水能在我国能源资源中有重要位置。如将已探明的煤炭、石油、天然气和水能资源统一 折算为标准能量, 水能资源按水库寿命期 100 年计算, 则水能资源占整个常规能源资源的比 重为 28% —38% , 约占 1/ 3。而且, 我国已做了大量的开发水能资源前期工作。根据资源的 勘探, 设计工作深度划分为四类, 第 1 类为地质勘探、工程设计已达选址阶段, 第 2 类为进行 了少量地质勘探设计; 第 3 类进行过现场勘探, 拟定了梯级布置, 但未进行钻探, 第 4 类为未 进行勘探, 只在室内估算过。其中第 4 类仅占 2. 2% 。这表明我国已为今后加快开发水能资 源提供了良好的基础。 ・ 16 5・

表 5．21　 我国大型水电站说明 [29] 编号

名称

河流

省区

坝高

装机容量 年发电量 平均流量 最大水头 投产 / MW 2715　 1500 1280 1500 1160 1210 900 1320 800 700 662．5

/ T Wh 14．10 1．50 6．00 6．30 5．58 5．66 3．88 4．92 2．86 4．12 1．86

/ m 3/ s 14300 239 640 1220 877 177 1230 615 608 1500 357

/m 27　 123 150 102 114 69．2 82 205 88 55 84

年份 1981 1983 1987 在建 1969 在建 1968 在建 1992 1972 1960

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

葛洲坝 白山 龙羊峡 漫湾 刘家峡 岩滩 丹江口 天生桥 安康 龚嘴 新安江

长江 第二松花江 黄河 澜沧江 黄河 红水河 汉江 南盘江 汉江 大渡河 新安江

湖北 吉林 青海 云南 甘肃 广西 湖北 贵州、广西 陕西 四川 浙江

/m 47　 149．5 177 126 147 110 97 58．7 120 85．5 105

12

宝珠寺

白龙江

四川

132

640

2．28

335

103

在建

13

乌江渡

乌江

贵州

165

630

3．34

502

134

1979

14

铜街子

大渡河

四川

80

600

3．21

1500

40

在建

15

鲁布革

黄泥河

云南、贵州

101

600

2．75

164

372

在建

16

丰满

第二松花江 吉林

554

1．89

434

69

1943

17

东风

乌江

贵州

168

510

2．42

345

135

在建

18

东江

耒水

湖南

157

500

1．32

144

139

1989

19

柘溪

资水

湖南

104

447．5

2．29

586

74

1962

20

凤滩

酉水

湖南

112．5

400

2．04

504

91

1978

21

大化

红水河

广西

78．5

400

2．06

1900

39

1983

22

万安

赣江

江西

56

400

1．50

947

32

1992

23

潘家口

滦河

河北

107．5

360

0．57

78

85

1992

24

盐锅峡

黄河

甘肃

55

352

2．05

877

40

1961

25

碧口

白龙江

甘肃

101．8

300

1．46

287

86

1976

26

沙溪口

沙溪

福建

45

300

0．96

778

24

1990

27

紧水滩

瓯江

浙江

102

300

0．49

100

85

1989

28

富春江

富春江

浙江

297．2

0．92

100

22

1968

29

新丰江

新丰江

广东

292．5

1．17

207

85

1960

30

青铜峡

黄河

宁夏

272

1．04

1050

22

1967

31

三门峡

黄河

河南

106

250

1．31

1330

52

1973

32

二滩

雅砻江

四川

240

3300

1640

187

在建

33

天生桥一级一期

红水河

贵州、广西

178

1200

5．226

612

143

在建

34

大峡

黄河

甘肃

70

300

1．465

1037

35

太平驿

岷江

四川

22．5

260

1．66

363

130

在建

36

松江河

松江河

吉林

109．7

510

0．837

28

109

在建

37

隔河岩

清江

湖北

151

1200

3．04

390

121．5

在建

38

水口

闽江

福建

74

1400

4．95

1728

57．8

1992

39

广州( 蓄能)

流溪河

广东

60

1200

2．38

0．544

535．71

1993

40

五强溪

沅水

湖南

87．5

1200

5．37

2040

60．9

在建

41

大广坝

昌化江

海南

57

240

0．52

96．6

87．4

在建

42

李家峡

黄河

青海

165

2000

5．9

662

135．6

在建

43

十三陵( 蓄能)

东沙河

北京

120

800

1．20

477．1

在建

・ 1 66 ・

90．5

47．7 105 42．7

17．7

31．4

在建

3. 水能的开发和生产 只要有足够的水流量; 水能就可以源源不断地供应, 通过水电站把它生产成电力作为干 净、方便的二次能源输送到各种类型的用户。 由于电力不便存储, 而各分散用户所需用电量的总和确定了该时刻电力需求的数值, 也 就是说电力用户的电量需求是时刻变化的, 因此电网中日负荷有高峰也有低谷。水电站具有 启动 迅速 灵 活的 特点, 在 1—2min 内 就 能从 停 机状 态 达到 满 负荷 运 行, 并 网供 电, 调 整 出 力。在与火电联网运行中是担负峰荷与腰荷的可靠电源。同时水电站也是电力系统中承担 负荷备用、事故和调频的理想电源。为改善电网供电质量和运行安全, 还可发展抽水蓄能水 电站。在非峰荷期间, 如夜间, 将水抽送到上水库内, 然后在峰荷期间用水发电。 从 1949 年至现在, 我国的水能 资源的 开发和利 用有了很 大发展, 至 1993 年, 已运行 的 水电装机容量达 4. 370× 101 1 k W , 发电量超过了 1. 360× 1011 kW ・ h , 占可开发的 11. 6% 。在 11

当年全国总发电量 8. 150× 10 kW ・h 中, 水电占了 16% 以上。 4. 水能的经济性 处理水能资源发展的经济问题可采用与非再生能源相似的方法。首先通过勘查确定水 资源理论及 可开发的资源量。估 计水系内每一 处水电站 的投资费 用, 它与各处 坝址地形 特 点、位置和装机容量都有密切关系。投资费用主要包括筑坝的土建工程及水力发电系统( 水 力发电设备透平和发电机、输变电系统等) 。当然一条河系的水能开发和利用往往与该河系 的防洪、航运生态环境、甚至移民密切相关, 因此还有一个投资分摊的问题。 水电站的一般开发方案是投资低, 较容易开发的先进行, 投资高的放在后面进行。这样 每开发一处新坝址, 其投资成本就高于前一处。于是当水能利用率增加时, 其边际成本也增 高。当所有坝址都建成水电站后, 水能资源已得到充分的利用。这种经济特性与煤及石油随 累计产量愈多 时边际成本增加 相似, 然而 它们的差 别在于, 水能源 资源完 全开发后, 它能 以 最大容量连年生产。而不可再生能源在充分开发后资源也就耗尽了。 目前在我国开发水能资源每千瓦投资在 3000—3500 元左右。对于大型水电厂前期筑坝 的土建工程费用占很大比重, 而对于小型水电站, 则发电设备成本是主要的。可以预计, 随水 能的充分开发和利用, 其边际生产成本将会增加。 水能建设的另一特点是初始投资高而运行费用低。目前我国火力发电运行成本每千瓦 时已超过 0. 10 元, 而水电由于没有燃料费, 其运行费用很低。

5. 5. 2　 生物质 能 生物质 能是指来 自于生 物质的能 源, 占 世界能 源消费 的 14% , 发展 中国 家能源 消费 的 35% , 来源于生物质能。发展中国家农村生活用能大部分依赖于生物质能。在我国, 生物质 能是农村地区主要消费的能源品种。它包括了 3 个方面, 即农作物秸杆中用于燃料部分; 森 林树木合理采伐用作薪材部分; 人畜类便及有机废水、废物。 1. 秸杆 秸秆是作物生产的副产品。一般作物在收获了主要产品之后, 都留有相应的秸秆, 如麦 ・ 16 7・

秸、高梁秸、稻草、豆秸等。农业剩余物中, 除秸秆外, 还有玉米芯、谷壳、稻壳等, 在资源量计 算中, 也一并计入秸秆项内。 秸秆的理论蕴藏量由农作物的产量乘上草谷比计算得到。由于不同的农作物的草谷比 是不同的, 所以必须分别计算, 最后求和。秸秆的可利用量等于理论蕴藏量乘上收集系数。在 进行资源评价时, 秸秆的草谷比和收集系数必须根据当地的实际情况确定。 评价秸秆质量的主要指标是秸秆的热值。秸秆的热值与含水量有关。在含水量为 12% 的情况下, 我国主要秸秆的热值大致为 13113—14101kJ/ kg( 3142—3368kcal/ kg) 。 秸秆有多种用途, 既可作为燃料, 也可作肥料、饲料、轻工原料和建筑材料等。秸秆作为 燃料用途的比例与当地的产业结构、地理条件有关, 一般通过调查得到比例数。据估计, 1992 年我国 农作物 秸秆可 利用量 为 6. 0× 10 8 t , 折 2. 86 亿吨标 煤。其 中 53% 作为 燃料使 用, 约 1. 52亿吨标煤。 秸秆作为燃料, 常 用的利用方式是在 灶炕中直接燃烧。 传统灶的效率很 低, 只有 8% — 12% 左右。改 进后的 省柴 灶的热 效率 可达 到 20% —25% , 到 1992 年全 国已 累计推 广使 用 1. 4亿个省柴灶, 占总农户的 64% 。 秸秆作为燃料, 往往是农 民自产自用, 多数 地区不作 为市场的 一种商 品, 因 此对使用 秸 秆进行成本计算, 往往是机会成本。它包括收集秸秆的成本和运输成本。收集成本等于花费 劳动力的人天数乘上劳动力价格。但要注意不同地区, 不同季节劳动价格的差异。农忙季节, 发达农村地区劳动力价格的要比农闲季节、欠发达地区高好几倍。运输成本指的是从农田收 集的农作物运输到使用者或市场的成本。目前国内对秸秆的价格一般估计在 60—100 元/ t, 它根据当地煤炭价格以及秸秆作为非能源用途价格来确定。 2. 薪柴 林木作为燃料, 称之为薪柴。薪柴是人类最早利用的能源。目前, 全世界使用的薪柴约 占能源总消耗量 的 6% 。在 发 展中 国 家, 有 15 亿 人从 木 材和 木 炭中 得 到 他们 所 需能 源 的 90% , 另外 10 亿人所需的能源, 至少有 50% 来自木材和木炭。 薪柴资源是指薪炭林、防护林、用材林、灌木林、疏林和四旁散生树木, 通过采伐、抚育间 伐、更新改造和修枝打杈等途径所获得的薪柴量以及棉柴之类的产量。 薪柴资源的理论蕴藏量等于林木种值面积乘上单位面积的产柴量。其可开发量等于理 论蕴藏量乘 上可取薪柴面积 系数, 而可 利用量等于 可开发 量乘上可 利用系数。 由于不同 林 种、不 同地区的薪柴的单 位面积产柴量, 可取薪 柴面积系 数和可利 用系数 是不一样 的, 所 以 必须分别计算, 然后求和。 我国薪柴资 源地区分布差 异很大。云 南、福 建、黑 龙江三省 的薪柴 自给度每 年 6—7 个 月, 在浙江、湖南、四川、广东、自给程度只有 2—3 个月, 而在河北、山西、北京、天津、上海、自 给程度则更低。1992 年按各类林地及林种估计, 年薪柴合理采伐量为 1. 4× 10 8 t , 折合 8000 万吨标煤。其中薪炭林种和用材林的剩余碎粉分别占 26. 1% 和 37. 2% 。 与秸秆一样, 薪柴的利用主要在灶和炕中的直接燃烧。比起秸秆, 它的传统灶和省柴灶 的燃烧效率稍高一点。不同林种的薪柴的生产经济性是不一样的, 评价方法的侧重点各不相 同。薪炭林经济性的评价采用项目经济评价方法计算其寿命期内的单位产出成本。薪柴生 产中的各种投入都必须计入成本之中。一般来讲, 主要的投入为土地、树苗、种植劳动力、维 ・ 1 68 ・

护劳动力、病虫防护以及收获费用。不同质地的土地的成本是很不一样的。由于我国土地是 国家所有的, 没有进入市场买卖, 所以, 土地成本一般采用替代项目的收获来估计。比如, 某 县一块土地可用于种植薪炭林, 也可以用于种植农作物。这块地用于种植薪炭的成本, 就用 该地用于种植农作物的净效益( 未扣除土地成本) 来估计。又比如某一荒山, 它除了用于种植 薪炭林外没有别的用途。那么这块地的成本就可以认为是零。薪炭林项目的经济评价中的 劳动力成本的取值采用其机会成本。不同立地条件的薪柴林, 其经济性很不一样, 比如, 在湖 南衡南县, 立地条件较好 的薪柴林, 其 薪柴的单 位产出成 本为 40—50 元/ 吨标煤, 而在立 地 条件较差的地区, 其薪柴的单位产出成本为 250—280 元/ 吨标煤。 灌木林、疏林、四旁林的评价方法与薪炭林相同。而用材林和防护林的评价则有所不同。 用材林的主要产出是木材, 薪柴只是其副产品。防护林的主要收益是生态效益, 薪柴也只是 其副产品。评价时必须考虑成本的分摊问题。 3. 人畜粪便 人畜粪便是我国重要的生物质能资源。人畜粪便的能源资源量与人口和牲畜的数量以 及人畜的单位粪便排泄量成正比, 粪便资源的估计需要按不同地区进行。在农区, 人畜粪便 一般不用于直接燃烧, 人畜粪便的资源量指的是粪便用作沼气发酵原料的数量。而牧区, 人 们则有直接烧用牲畜粪便的习惯。 人畜粪便的理论蕴藏量、可开发量和可利用量按下列公式计算: 年理论蕴藏量= 年人畜数量× 单位人畜年排泄量 年可开发量= 年理论蕴藏量× 收集系数 年可利用量= 年可开发量× 可利用系数 人畜单位排泄量、收集系数、可利用系数的参考值见表 5. 22。 表 5. 22　 人畜粪便资源估计参考值 单位粪便排泄量/ kg / d

收集系数

干物质占鲜物量

干物质产气量/ m 3 / kg

人粪

0. 6

1

10% —15%

0. 20

猪粪

4

1

20%

0. 30

牛粪

20

0. 6

18%

0. 20

马粪

15

0. 6

25%

0. 25

羊粪

0. 5

0. 6

40%

0. 24

鸡粪

0. 1

0. 6

80%

0. 36

兔粪

—

1

—

—

8

　 　 1990 年我国人畜粪便的可开发量为 1. 8× 10 t 。折合 0. 9 亿吨标准煤。 粪便资源作为沼气发酵原料的资源必须考虑沼气的技术特性。根据目前常温发酵技术 的要求, 粪便资源的可利用 量可按能产沼气时 间( 即 日平均气温大于 10℃的日 数) 内的 粪便 资源计算。除了考虑温度条件, 还必须考虑粪便资源的分布状况。因为粪便资源的富集程度 对沼气发展有决定性的影响。一般情况是: 一个农户至少应有 3 头猪或拥有同等数量的粪便 才具备发展沼气的资源条件。 沼气工艺技术是目前中国采用得较多的生物质能能源资源生物转换工艺技术。到 1993 ・ 16 9・

年底中国已推广户用沼气池 525 万座, 大中型沼气工程共 630 多处。沼气是各种有机物在一 定的温度、湿度、酸碱度和隔绝空 气的条件下, 经过微 生物的作 用而发 酵产生的 以甲烷为 主 要成分的可燃性气体。 我国农村建造 的户用沼气池, 大致可归 为 3 种 类型, 即水压式 沼气池、分离 浮沉罩式 沼 气池和红泥塑料沼气池。水压式沼气池是我国农村定型推广的沼气池, 其数量占全国现有沼 气池的 95% 以上。 沼气有多种用途, 可用来煮饭、点灯照明, 也可作为柴油机和汽油机的燃料, 提供机械功 或用于发电。沼肥和沼液不仅是优质的有机肥料, 而且可用于种植业和养殖业, 如用于养蘑 菇、养蚯蚓、养鱼和水果保鲜等。 直接燃烧的人畜粪便的成本主要是粪便收集和凉干的劳动力成本。作为沼气发酵原料 的 人畜 粪便 的成 本一 般 认为 是零 ( 这里 假定 粪便 作为 肥 料的 价 值可 从 沼 肥的 价 值得 到 补 偿) 。沼气的生产成本采用项目经济评价方法, 计算在整个寿命期内的单位产出成本。不同 池型、不同气体条件、不同发酵原料的沼气池的单位产出成本是不一样的。在我国湖南常德 市鼎城区, 一口 8m 3 沼气池产出的沼气单位成本为 324—368 元/ 吨标煤。 4. 生物质能的高品位利用 将低热值的生物质能转化成油、气、炭等高品位商品能源是目前世界上包括中国在内的 生物质能利用的一个重要发展方向。我国正在研制和发展的几种主要工艺技术是: ( 1) 生物质气化技术 利用空气中的氧气或与水蒸汽一起将固体燃料中的碳氧化生成可燃气体过程。已往研 3

制成功的一些小型气化炉, 气化效率达 70% 以上, 煤气热值为 6—8M J/ m 。用于烘干、加热、 供暖, 也可作生活燃料。在一些工厂已有批量生产。 还有一种是生产物质燃烧炉。把压成捆的玉米芯、秸秆等加入燃烧装置的燃烧室。经充 分燃 烧后 得到 烟道气, 在 除尘 后可直 接用 于粮食、木 材、饲料 的烘干。已 研制 出 10× 10 4 — 4

120× 10 kcal/ h 的高效燃烧炉, 热效率高达 85% , 已有小批量生产。 ( 2) 生物质致密成型固化技术 把粉 碎烘干 的生 物质加 入成 型挤 压机, 在一 定温 度和压 力下, 形 成较高 密 度的 固体 燃 料, 热值在 20M J / k g , 含 水率低 于 12% , 是 一种易 着火, 使用方便, 燃料 效率高, 无污 染的 高 品位的优质燃料。国内已有几 十家工厂利用这 种技术生成生物 质压块, 其 成本在 180—220 元/ t 范围。 ( 3) 热裂解工艺制木炭和生物油 农业废弃物在反应器中厌氧条件下进行热化学, 变成木炭和可燃气体, 可燃气体经冷却 后成生成油。这种工艺技术在中国还处于研究、试验阶段。 生物质高品位 利用技术将随着 农村经济发 展、规 模经营和 农民生 活水平提 高而有更 快 的发展。另一个促进因素是环境考虑。生物质能是替代煤炭最有潜力的能源之一。世界银 行有关报告估计到 2050 年世界上 20% 电力和 10% 工艺热将由生物质能转化而来。

5. 5. 3　 太阳能 狭义的太阳能是指来自于太阳的辐射能。决定太阳能资源量的基本参数是地球表面接 ・ 1 70 ・

受的辐射量。影响太阳辐射量的因素有入射角、大气散射与吸收、云层厚度、大气混浊度和空 气密度等。 中国地处北半球欧亚大陆的东部、幅员辽阔, 有丰富的的太阳能资源。全国各地年太阳 6

6

2

辐射量约为 3. 3× 10 —8. 4× 10 k J/ ( m ・a) 。按太阳辐射强度可把中国分成 5 类地区。如表 5. 23 所示。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区是太阳能资源比较丰富的地区, 约占全国总面积的 2/ 3。 表 5. 23　 太阳能资源区域划分 全年日照时数

太阳辐射年总量

/h

/ 104 kJ / ( m 2 ・ a )

Ⅰ

2800—3300

670—840

Ⅱ

3000—3200

590—670

Ⅲ

2200—3000

500—590

Ⅳ

1400—2200

420—500

Ⅴ

1000—1400

340—420

地区分类

包括的地区 宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部 河 北北 部、山西 北部、内蒙 和宁 夏南 部、甘肃 中部、青海 东部西藏东南部和新疆南部 山 东, 河南, 河 北东南 部、山西 南部、新 疆北 部、吉林、辽 宁, 云南、陕西北部、甘肃东南部、广东和福建南部、北京 江苏和 安徽北部, 湖北, 湖南, 江西, 浙江, 广 西以及广东 北部、陕西、江苏、安徽三省的南部、黑龙江 四川、贵州

　 　 太阳能资源的理论储藏量为该区域地面上接受到的辐射总量。然而从能源规划者角度, 必须结合利用 太阳能的工艺技 术及其与常规能 源系统争 夺市场的 前景, 来估计 和评价太 阳 能资源的可利用量。 太阳能的转 换和利用方式有 光－电转 换、光－热转换和光－化学转 换 3 种。从 太阳能利 用 的直接转换技术可分成太阳能光伏发电和太阳能热利用两类。前者是利用光生伏打、热电或 热离子装置将 直接辐射和散射 辐射直接转为电 能; 而 太阳能热 利用是 通过各种 转换工艺 直 接利用太阳热辐射能量。 太 阳 能 热 利 用 工 艺 技 术 按 终 端 使 用 温 度 范 围 大 致 可 分 为 低、中 和 高 温 三 档: 低 温 ( < 100℃) , 生 活热水、采暖、干燥、蒸馏、农用 温室等; 中温 ( 100—300℃) , 工 业用热、制冷 空 调和烹调等; 高温( > 300℃) , 热发电、材料高温处理等。与常规能源相比, 太阳能具有明显的 优点在于它普照大地, 无需开采和运输; 无公害且是最清洁的能源, 十分有利环境保护, 使用 完全。但它的缺点是能量密度低、间歇而不稳定, 这给收集、贮存和利用带来技术上的难度和 很大的投资费用, 特别是不易与需求负荷相匹配。这是制约太阳能利用的一个重要因素。 从 80 年代开始中国优先 研究发展太阳 能低温 热利用技 术, 如 太阳能 热水器、被动太 阳 房、太阳干燥器和太阳灶。目前这几个领域的工艺技术已基本成熟。科研成果转入批量生产, 初步实现商用化, 有了一定的推广面。至 1993 年, 应用规模为: 太阳能热水器 2. 30× 106 m 2 , 被动太阳房 1. 80× 106 m 2 , 太阳能农用 温室 8. 44× 107 m 2 , 太阳能 禽畜舍 1. 17× 107 m 2 , 太 阳 能干燥器 1. 32× 104 m 2 , 太阳灶 14 万台。 中国已有近 40 家科研单 位和大专院校 从事光 伏的研究 与发展 工作, 包括从光 伏电池、 光伏系统到 推广应用。从研制、引进及国产 化过程到 现在商品 化的太 阳电池效 率已提高 到 10% 以上。地面用太阳电池生产线或工厂已有 12 个, 总生产能力达到年 5. 5 MW 。近年来中 国光 伏应用 领域 不仅在 航天 上, 地面应 用也 有很 大发展, 已 涉及 农牧业、交 通运 输、通讯 气 象、地震及医疗卫生等领域。国内已有若干个光伏组件功率为 10kW 的光伏电站, 包括著名 ・ 17 1・

的西藏阿里 10kW 光伏电站。 进行太阳能利用的生产经济性分析主要是评价其利用技术的经济性。针对具体的太阳 能应用技术, 采用动态的项目经济评价方法, 计算和评价它们的技术与经济指标。表 5. 24 为 几种太阳能热利用技术的典型技术经济参数。表中数字表明这几种太阳能热利用由于技术 趋于成熟, 已显示良好的经济性, 可与同类型的常规能源技术的经济性相比较。 表 5. 24　 几种太阳能利用方式的典型技术经济参数

太 阳能 热水器

初始 投资

寿命

年能 源效益

300— 900 元 / m 2 ( 平 板)

10—15

71- 107kg 标煤 / m 2

其 他效 益

1300—2000 元 / m 2 ( 真 空管) 被 动式 太阳房

17. 5 元/ m 2 ( 增加部 分)

10—20

8. 6- 53. 6 kg 标煤/ m 2

太 阳能 禽畜舍

13. 1 元 / m 2

10—15

冬 季升温 5- 10℃ 夏季 降温 6- 7℃

出栏 天数 减少 饲 料减 少

太 阳灶

100— 300 元 / 台

2—5

280— 500kg 标 煤/ 台

太 阳能 干燥器

200— 350 元/ m 2

10

系统效 率 20% —40%

是 否要求 备 用设施

被 替代能 源

是

煤、薪炭、秸 秆

是

煤、薪炭、秸 秆

薪炭、秸秆 、煤 是

煤

是

　 　 然而, 太阳光伏发电 组件和发电系统, 无论 工艺技术 的成熟性 还是它 的经济性, 离进 入 商用还有相当距离。目前每峰瓦的组件价格在国内为 35 元左右, 形成光伏发电系统每千瓦 投资高达几万元。相应发电成本为 2. 80 元/ ( kW ・h ) , 因此, 目前它不具备商用前景, 即使如 西藏地区, 也只能建个别示范性研究发电系统。专家估计, 随着世界太阳光电工艺技术发展 和成熟, 规模化生产的扩 大, 将在 21 世纪 20 年 代进入太 阳光伏发 电的商 用化发展 阶段, 到 那时, 其发电成本可与常规电站相比较。太阳能经济时代将会出现。

5. 5. 4　 风能 风是一种常见的自然现象, 它是太阳的热辐射引起的空气流动。当地面受到太阳照射, 温度增高后, 空气体积膨胀变轻, 向上升高, 气压降低。别处的气压高、温度低的冷空气会流 过来补充。空气的横向和竖向的不断流动形成了“风”。气压差值越大, 空气流动越快, 风也 就越大。 评价风能资源的主要参数是: 有效能量密度、平均有效风速和有效风速小时数。风能的 功率密度由下式表示: P = 1/ 2ρV

3

式中, P 为风能的功率密度, 表示单位面积风力的功率; ρ为空气密度; V 为风速。 风力透平的功率由下式计算得到: N = PF 　 　 式中, N 为透平功率, F 为垂直于风向的面积( 一般取风力透平叶片所扫过的面积) 。 中国风能资源十分丰富, 在世界排名第三, 仅次于美国和原苏联。中国地面的风能总量 8

8

约有 16× 10 k W , 其中近地可供开发利用的约占 1/ 10, 为 1. 6× 10 kW 。表 5. 25 为中国风能 资源的区域划分, 可分成风能丰富、风能较丰富、风能可利用和风能欠缺等 4 类地区。

・ 1 72 ・

表 5．25　 全国风能资源区域划分 指标 分布 风 能 丰 富 区

风 能 较 丰 富 区

风 能 可 利 用 区

风能强度/ W/ m 2

> 200( 海岛达 300)

年可利用小时/ h 风速≥3m / s

风速≥6m / s

最大风速

东南沿海> 60, 山东 600

3500

分布地区

/ m/ s

和辽东半岛为 30

东 南 沿 海、山 东、 辽东沿海 及其海 上岛屿

> 200( 个别地区达 300)

5000—6000

> 3000

30—35

内蒙北部

> 200

5000

> 3000( 60- 20m / s)

25- 30

松花江下游

150—200

4000—5000

2000—3500

25—30

150—200

4000—4500

30—32

> 150( 个别地区达 180)

> 5000

30

青藏高原

50—100

2000—4000

37

两广沿岸

～100

3000—4000

30—32

东南沿海 岸和渤 海沿海 东北、华北和西北 的北部

大小兴安岭山区 东北长白 山开始 向 西, 过 华 北 平

100—150

～4000

～25

原, 经 西北到我国 最西端, 贯穿全国 东西地带

风 能 欠 缺 地 区

川、云、贵 和 南 岭 < 50

< 2000

20—25

< 50

< 2000

25

山地区 雅鲁藏布 江流域

25—28

和昌都地区 塔里木盆地西部

　 　 为了对风能资源作出合理的估计, 规划者可以首先定义一个最乐观的想定方案, 即在所 有有利地点都安装足够数量的风力透平, 将这些地区的风能充分利用起来, 计算出的结果可 以作为风能 资源的上限, 这相当于风能 的可开发量。 在计算中 要考虑 风能利用 中的几个 限 制。首先是透平本身的理论效率。透平的理论效率为 59. 3% , 于是理论上可利用的风能仅为 3

ρ= 0. 297ρV 。在 这一 基数 上还需 要乘 上具体 的叶 片设 计效率、齿 轮传 动效率 及发 电效 率 ( 如用于发电) 。其次是风力透平的地址。风速－时间曲线随地点变化很大, 风力透平必须安装 在风速足够 高的地点才能取 得起码的合理功 率输出。第 三, 几 台风力 透平不能 相互靠得 太 近。若靠得太近, 透平的尾流引起相互干扰影响出力, 同时也会影响自然景观。 中国风能资源不仅丰富, 在分布上的另一特点是与煤炭、水力具有很大互补性。这使风 力发电在无煤、缺水而风能资源较丰富的地区有良好的开发前景。如东南沿海及其岛屿常规 能源缺乏, 虽有电网到达但缺电严重, 很适合于大中型风力发电机并网运行, 组成风电场。而 在电网难以覆 盖的边缘地区与 某些岛屿, 如内蒙等 地的广大 牧区, 人口分 散, 最 适合于发 展 小型风力发电机, 解决牧民生产、生活用电。 ・ 17 3・

把风能转变为电能是风能利用中最主要的一种方式。正在世界各地运行的数百台风力 机中风 力发电 超过 2/ 3。风 能其它 利用方式 还有: 风力提 水、风力助 航、风力 致热和 致冷 等 等。 目前国内对风力机大小的划分没有严格规定, 大体上可分成 3 类: 小于 3 kW 的微 小型 风机; 3—100kW 的中型风机和大于 100kW 的大型风机。 我国已研制成 功的风力发电机 有 50, 70, 100, 300, 500 W 以 及 1000, 2000, 3000W 等 10 余个机型规格。这些微小型风力发电技术性能已达到国际先进水平, 可靠性好。此外, 也已 研制出范围在 30—200kW 的多种风力发电机组。为提高我国风力发电机设计水平, 已采取 了技术引进, 购买国外先进的大型风力发电机进行消化吸收的技术路线。 目前, 全国已有 60—200W 的 微小型风 力发电 机 11. 9 万台, 其中 9 万多台 在内蒙古 自 治区。内蒙古微小型风力发电机的年产量已达到 2. 1 万台, 并且已形成技术培训和售后服务 网络, 保证了微小型风力发电机的正常运行, 完好率达到 90% 以上。可以说在内蒙古微小型 风力发电机的 推广和应用已进 入了工厂化生产、商品 化销售和 社会化 服务的市 场机制的 运 行轨道。 随着微小型风 力发电机的推广 和应用, 近 年来已 先后有 4 台国内 研制的大 中型联网 风 力发电机通过技术鉴定或投入运行, 与此同时引进了一批大型风力发电机投入并网运行。至 1991 年底各 地区共在 10 个 风力场 安装并投 入运行 的大中型 联网风 力机 共 51 台总 容量 为 5. 23M W , 见表 5. 26。 表 5. 26　 我国已装机的风力场 地　 点

装机台数

单机功率/ kW

总功率/ kW

广东南澳

6

150, 90, 130

780

内蒙古朱日和

5

100

500

新疆达坂城

14

100, 150

2050

浙江嵊泗

10

30

300

浙江大阵岛

3

55

165

山东长岛

2

55

110

福建平潭

6

200, 50

1050

山东荣城

3

55

165

海南东方

1

55

55

辽宁大连

1

55

55

合　 计

51

55

5230 4

　 　 上述两类风力发电机总容量已超过 15. 8M W , 年提供 5300× 10 kW ・h 以上电量, 约折 合 2 万多吨标煤。 风能系统的经济评价方法与太阳能相同。由于风能是间歇性能源, 在评价风力透平得到 的能源时还需要考虑获得风能的时间。对于风力发电机, 必须考虑风力发电机对电力系统的 负荷分布的贡献。风力系统的间歇性也使电力公司在评价风能时慎重考虑其供应的可靠性。 在有些情况下, 风力系统 靠常规电力系统 作为备用 称为重复 容量, 这样, 在评价 经济性时 必 须把风力系统与备用系统一起考虑。微小型风力发电机主要是在电网不及或有网缺电的边 远和沿海农牧渔区。在评价其经济性时不能简单地与电网价相比较, 而必须考虑其实际的替 ・ 1 74 ・

代能源利用方式( 比如是小型柴油机发电等) 的经济性。 风力发电的经济性与当地的风力资源条件、风力机组的容量关系甚大。在沿海地区的福 建省平潭 县, 户用微 型风机分散供电 的单位产出成本 是 0. 664- 1. 000 元/ ( kW ・ h ) 投资 机 会成本= 10% ) , 小型风力机群 集中供电的 单位产出 成本是 0. 505—1. 284 元/ ( kW ・ h ) , 高 于 电网供电电价( 省电网新电 价为 0. 146 元/ ( kW ・h) , 华 能电价为 0. 25 元/ ( kW ・h ) ) , 也 高于柴油机发电供电成本 0. 505—0. 628 元/ ( kW ・h) 。但在电网覆盖不到的地区, 在交通不 方便的岛屿, 户用风机具有别的电力替代项目难能比拟的竞争力。 对于大中型联网发电机组, 主要使用在供电不足而风能资源丰富的地区。它的单位千瓦 装机容量 的投资在 6000—8000 元之间, 发电 成本 0. 35—0. 41 元/ ( kW ・ h ) , 均 高于常规 煤 电和水电的成本。表 5. 27 为广东南澳县风电场第一期工程的资料。1989 年从瑞典引进 3 台 390kW ( 2 台 150kW , 1 台 90kW ) 的 风 力 发 电 机 组, 初 始 投 资 260 万 元, 单 位 千 瓦 投 资 为 4

6666 元, 年发电 172× 10 ( k W・h) , 1( kW ・h) 的供电成本为 0. 235 元, 如考 虑利息和税收, 则供电成本将提高到 0. 410 元。 表 5. 27　 广东南澳县风力场第一期工程投资和供电成本( 1990 年价) 初始投资/ 10 4 元

260

　 　 其中: 工程设备安装/ 104 元

211. 5

　 　 　 　 　 土建基建费/ 104 元

48. 5

装机容量/ kW

390

年发电量/ kW・h

720× 103

单位投资/ 元/ kW

6666

单位供电成本/ 元/ kW・h

0. 235

计息加税后单位成本/ 元/ kW ・ h

0. 410

＊ 项 目有 10% 残值 , 20 年寿命 折旧。

　 　 风能利用不产生污染, 并认为是一种良好的替代高含碳的化石燃料的替代能源, 因此它 有很好的开发前景。但也存在某些危害, ① 结构损坏, 如塔架倒塌和叶片折断; ② 干扰电磁 通信系 统; ③ 叶片转引 起的噪 音污染; ④ 电 力风 力机的 安装 引起的 对于 环境 的审美 污染。 在进行风能资源评价时必须考虑这些因素。

5. 5. 5　 地热能 地热能是来源于地球内部的自然热能。地球是个庞大的热库, 蕴藏着巨大的热量。但地 球的绝大部分热量不是埋得太深, 就是过于分散。只有当热能运移并在浅部富集时, 才能形 成可供开采利用的资源。地壳热能量绝大部分都储存在一些大型岩石之内, 它通过某种介质 ( 如水或蒸汽) 将分散的热量聚集、迁移并在适宜的地质环境下富集起来。使地热的富集足以 构成能量资 源, 并在当 前或不远的将来 在经济、技术上有开 发价值 的系统叫 做地热 系统( 或 热田) 。地能资源评价主要评价地热系统的质量和数量及其经济成本。 按照地壳构造和岩浆活动特点, 中国地热资源可划分成 4 个地热带: ・ 17 5・

( 1) 东南沿海以对流型为主的中低温地 热带。分布在福建、广东等地。 共有热泉、沸泉 600 多处, 出露在地表温度的 80—100℃。 2

( 2) 华北、东北和西北大 型沉积盆地传导 型中低温地热带。 地热区面积达 6000km , 尤 以河北省更为丰富, 井口温度一般在 80℃左右, 也有的达 96℃。 ( 3) 西南 对流型 高中温地 热区。共有 水热活 动区 700 多 处, 其 中高温 地热系 统 120 多 处, 从藏南到滇西形成了巨大的高温地热带, 故又称为藏滇高温地热带。著名的西藏羊八井 地热电站( 装机 25. 18M W ) 就在拉萨附近的这个区内。 ( 4) 台湾高温地热区。主要分布在台湾东部, 故称又称台东高温地热带。 中国已发现的温泉点 3000 多处, 打成地热井 2000 多口, 其中已勘探并经过评价的地点 300 多处。探明可利用的热量为: A 级 41. 72 MW 占 1. 5% ; B 级 982. 55 M W 占 35. 4% ; C 级 648. 93 M W 占 23. 4% ; D 级 1102. 97 M W 占 39. 7% 。 表 5. 28 为中国地热资源汇总表。表中数字表明我国地热资源很丰富。已探明的地热资 源总量每年 93× 101 5 k J , 相当于 31. 6 亿吨标煤。 表 5. 28　 中国地热资源量 面　 积

可采量/ 1018 kJ

折标煤/ 109 吨标煤

1 050 478

13. 564

462. 65

远景资源量

990 519

13. 125

447. 83

推测资源量

49 810

0. 342

11. 67

已探明资源量

10 150

0. 093

3. 16

总资源量

　 　 地 热能是 洁净、污 染少的 一种 能源, 它具 有稳 定( 不受 季节干 扰) , 占 地少, 无废 渣等 特 点。在化石燃料日益减少, 环境保护呼声越来越高的今天, 已成为具有一定替代潜力的能源。 地热能的利用可分成地热能直接利用和地热发电两种方式。中低温地热能被广泛应用 在养殖、采暖、农业温室、种植、工业加工处理以及浴疗等方面, 到 1990 年已开发利用总量达 8. 95× 10 12 kJ , 相当于 30. 8 万吨标煤。其中养殖和采暖分别占总量的 46. 4% 和 16. 7% 。 自 70 年代 以来, 我国已 先后建成 10 个 装机总 容量为 28. 2M W 的地热 电站( 不包括 台 湾清水 3 M W 的地热电站) 。中低温发电技术虽然已经成熟, 但总因成 本过高而大部都 停止 运行。有的也只维持继续运转。然而, 水温 150—172℃, 井口压力 3at m 的西藏羊八井地热电 站从 1M W 试验开始, 已稳定地发 展到 1992 年 的 25. 1M W , 并且成为拉萨供 电 40% 的 骨干 电站。地热发电替代了约 8 万吨标煤的用量。 综合上述, 到 1990 年中国地热发电和直接用的总量替代了 38 万吨标煤的煤量。 目前, 中国地热能源资源利用的工艺技术已日趋成熟, 但在一些关键技术上仍处于攻关 实验阶段。超过 3000m 深的钻探技术还没 有过关, 地热发电工艺技术 也只限于在高温 地热 区域内应用。适用于地热管路的材质也有待进一步提高。 比起商品能源, 地热利用的投资和成本要高。地热发电装机每千瓦投资约 7000 元( 1990 年价) , 比煤电厂要高出 2 倍 多。而地热直接利 用约在 600～620 元/ 吨 标煤( 1990 年价 ) , 比 煤锅炉提供的热水也要高 出 50% —100% 。因而在 一定程度上限制了 利用地热能的发 展速 度。但是, 在某些能源资源短缺、交通不便而地热资源又比较丰富的地区, 开发利用地热能有 ・ 1 76 ・

良好 的经 济性, 具有 商业 上的 竞争能 力。如西 藏羊 八井电 站, 按 1990 年 价格 计, 地 热发 电 0. 12元/ ( kW ・ h ) , 而 当地 水电 和油 电 发电 成本 分别 为 0. 08 元/ ( kW ・ h ) 和 0. 58 元/ ( kW ・h ) 。而且虽然水电的成本比地热的要低, 但水电站年 运行小时仅为 3000h, 而地热发 电站 年运行可超过 6000h 。这也说明了羊八井电站已成为拉萨电网的主骨干电站的原因。 一些地热专家 估计, 从总 体上讲, 地热的 开发和利 用的工艺 技术在 2000 年 后可达到 成 熟阶段, 经济性也有一定提高, 因而地热能将进入工业利用和市场化阶段。特别是在西藏、云 南一些商品能源短缺而又有丰富的地热资源地区更有大规模开发和利用的良好前景。

5. 5. 6　 海洋能 海洋能是指依附于海水的可再生能源, 如潮汐、海水温差、波浪、潮流和海水盐差。目前 在我国海洋能资源中主要是开发利用潮汐能。 我 国 潮 汐 能 资 源 的 理 论 蕴 藏 量 为 1．9× 10 8 kW , 可 开 发 利 用 的 装 机 容 量 为 2175× 4

8

10 k W, 年发电量为 690× 10 kW・h 。东南沿海是我国潮汐能量最丰富的地区, 福建省 和浙 江省分别占全国可开发利用装机容量的 47．8% 和 40．8% 。主要分布在舟山地区、温州湾以 南沿岸地区, 其中福建的平潭岛以北沿海潮差大。平均达 3．4—5 m , 最大为 5．2—8m 。 潮汐能资源由潮水的水头高度与潮水涌入的水库面积决定。计算潮汐能的公式为: h

∫ A( z ) zdz

退潮功率 =

0 h

∫ A( z ) ( h -

涨潮功率 =

0

z ) dz

其中, z 为水库内水面高度, A( z ) 为水库面积, h 为潮水最高高度。目前我国正在运行的潮汐 电站有 8 座, 总装机容量可达 10 400 kW 。浙江温岭县的江夏潮汐电站. 平均潮差 5．08m , 最 大潮 差 8．39m . 装 机 6 台. 共 3800kW ( 500kW× 2+ 700kW× 4) , 采用卧 轴双 向贯式 灯泡 机 组, 是我国目前最大潮汐电站。 投资成本是评价海洋能系统经济性的核心问题。以潮汐发电为例. 目前其系统投资逊于 常规能源系统。从我国已经建成的几个电站来看, 电站投资约为 2 000—2 500 元/ k W( 1990 年价) , 高于 火力发电厂的建 设投资, 而 与小水电站 相当。但是 潮汐电 站一般都 具有水产 养 殖、围垦、灌溉和旅游等功能, 因而在对潮汐能经济性评价时还应考虑到以上因素的影响, 以 便全面估计其开发利用价值。

参　 考　 文　 献 1. R. 科多尼等, 吕应中译. 综合能源规划手册. 北京: 能源出版社. 1989 2. 由力生等, 当代中国的石油工业. 中国社会科学出版社, 1988 3. 谢秋元, 中国石油储量增长与资源基础, 石油与天然气地质文集第 2 集, 北京: 地质出版社, 1989. 1—5 4. 国家标准 G Bn 269－88, 石油储量规范, 国家标准局发布, 1988 5. 王庆一等, 中国能源, 北京: 冶金工业出版社, 1988 6. 中国水利学会/ 中国水力发电工程学会科普委员会. 水力发电. 北京: 水电力出版社, 1988 7. Ronald Dipippo. Geot her mal Energy: E lectricit y G enerat ion and Enviromental Impact . Energy P olicy, 1991, V ol. 19, No 8

・ 17 7・

8. 朱世伟等. 中国农村能源技术经济. 北京: 水利电力出版社, 1988 9. 蔺金印、刘鉴明等. 实用农村能源手册. 北京: 化学工业出版社, 1989 10. 农业部环保能源司. 中国农业科技研究进展( 第四分册) . 北京: 北京农业大学出版社, 1991 11. 河间农村能源综合试点课题组. 华北平源区农村能源的开发与利用. 北京: 中国科学技术出版社, 1990 12. 邱大雄等. 农村能源综合建设规划与实施. 清华大学出版社, 1991 13. 黄尚瑶. 火山温度地热能. 北京: 地质出版社, 1986 14. 陆维德. 太阳能热利用的现状与我国对策. 科技导报, 1993, 总 61 期, 第 7 期: 41- 44 15. 王 斯成. 中 国光伏技 术的应 用. 见: 中 国太阳 能协会 编. 中 国新能 源和可 再生能 源. 中 国科技 出版社, 1991. 36- 42 16. 贺德馨 等. 中国风能利用现状与发 展. 见: 中国太阳能 协会编. 中国新能源和 可再生能源. 中国科 技出 版社, 1991. 52- 58 17. 任湘等. 中国地热资源及开发利用. 见: 中国太阳能协 会编. 中 国新能源和可 再生能源. 中国科技 出版 社, 1991. 95- 100 18. 佟树声. 中国生物质能的发展现状 与展望. 见: 中国太 阳能协会编. 中国新能 源和可再生 能源. 中 国科 技出版社, 1991. 73- 77 19. 郭怀让. 中国薪炭林建设与薪柴利用. 见: 太阳能协会编. 中国新能源和可再 生能源. 中国科技出版社, 1991. 83- 86 20. 王

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・ 1 78 ・

6　 能 源 工 程 项 目 经 济 评 价 方 法 在进行能源规划时, 为满足各能源需求部门在规划年份对最终有用能的需求, 在能源供 给系统中, 往往需要引入一些新的能源生产或转换设施, 如大型露天煤矿、水电站等。这些工 程项目往往是规模大, 投资多, 建造周期长。因此, 对整个能源系统进行分析时, 应首先对其 进行经济评价。 工程项目的经济评价, 就是比较和分析那些对工程项目有影响的、经济上可用数量表示 的因素。这里所介绍的评价方法, 是对这些因素进行经济分析的一些数学技巧。当然, 经济 评价仅是对工程项目进行全面评价的一个方面, 此外还有社会、技术、环境、国防、政治、自然 资源 等多方 面的 可行性 研究, 在 进行能 源系 统分 析时, 这些 因素 也均应 以一 定方式 予以 考 虑。

6．1　 项目经济评价的基本概念 工程项目的经济评价方法, 实质上是研究如何将实现这一工程项目所需的投入如人力、 物力和财力与其可能取得的最终效益相比较的方法。因此, 应将尽量多的因素化为经济上可 以计算的参量, 并用货币表示。这样, 所有与工程项目有关的经济活动就可表现为资金( 或货 币) 的流动。

6. 1. 1　 现金流 量图 一个工程项目 从开始建造到它 的寿命终结, 其间 所有经济 活动的 现金流动 可用现金 流 量图表示。所谓现金流量, 就是在某一时期由于现金收 支的结 果所造成 的净收 入或净 支出 额。若取正 现金 流 量表示 现金的净 收入额, 则 负现金 流量 就表示 现金 的 净支出额。现金流量图是将现金流量画在一个时间坐 标系中的图示方法。如图 6. 1, 我们把时间周期定为一 年, 那么, 时点 0 代 表基 年, 时点 1 代表 第一个 周期 末

图 6．1　 现金流量图

( 即第一年末) 。用垂直向上的箭头表示正现金流量, 向 下的箭头表示负现金流量。假如现金流量均发生在周期末( 年末) , 图 6. 1 则表示第 1, 2, 4 年 末各有净支出款项, 而第 3, 5 年末有净收入款项。

6. 1. 2　 货币的 时间价值 与资金成本 所谓 货币 的时 间价值, 是 指货 币值对 时间 参量的 变化 关系。用 通俗 的话 来 说, 现在 的 100 元钱与一年以后的 100 元 钱具有不同的价 值, 今天拿 出 100 元钱存入银 行, 一年之 后加 上利息, 就会超过 100 元, 同样, 将 100 元投资于某项生产活动, 也会产生一定利润。在资本 主义国家, 非常重视货币的时间价值, 流行“时间就是金钱”的格言。我们在进行工程项目评 ・ 17 9・

价时引入这个 概念, 不仅 在向国外贷款、合资经 营或补偿 贸易等经 济活动 中有重要 意义, 而 且对国内建设中节约资金, 缩短建设周期, 提高经济效益都有重要作用。 货币的时间价值, 是通过计算利息来体现的。利息也可解释为占有资金应付之代价。我 们把初始投资额或借款称为本金, 本金经过一段时间后所积累的金额称为本利和, 它包括原 来的本金及其增值, 这部分增值就是利息。单位时间内利息与本金的百分比称为利息率, 或 简称利率。计算利率的时间单位称为利息周期, 或称为计息周期, 它通常取一年( 本章中以后 如无特殊说明, 计息周期均为一年) 。利息的计算有单利和复利之分。单利在计算某一计息 周期利息时, 只计算本金的利息而以前计息期所累积的利息则不再计算利息。复利在计算某 一计息周期的 利息时, 是 由初始本金加上 先前周期中 所积累利 息的总 和作为该 期的本金 来 计算利息, 俗称“利上加利”。本章中将主要讨论复利的情况。 与货币的时间价值相联系的另一概念是等值的概念。它表示不同时点的不同金额可具 有相等 的经济 价值。例如在 年利 率 6% 的 情况下, 今 天的 100 元会 等于 一年 后的 100( 1+ 0. 06) = 106( 元) , 也等于一年前的 100/ 106= 94. 34( 元) 。利用等值的概念, 不同时点的现金 流量, 在一定利息率的条件下, 具有可比性。 资金做为一种紧缺的资源, 它的提供者要求使用者支付一定的报酬, 资金使用者为取得 资金的使用权所支付的费用称为资金成本, 资金成本与投资的效益是密切相关的。一项投资 要实 现盈利, 必 须首 先提供 足够 的收入 以补 偿投 资占用 成本 和其它 支出, 然 后才谈 得上 盈 利。不同的资金来源具有不同的成本, 比如借贷资金要按利息支付报酬, 所以借贷资金的利 息就是它的成本。如果投资者所使用的是自有资金, 这时资金成本则表现为一种隐形成本。 在资金有限的条件下, 投资者往往不得不放弃一部分有利的投资机会以及相应的获利机会, 故可以认为投 资者所选择的投 资项目是以放弃 其它项目 的盈利机 会为代 价的, 这种代价 就 称之为资金的 机会成本, 它的定义也可表 述为资金用 于某一种 目的而 不用于另 一种目的 所 丢弃的效益。一 般而言, 资 金的机会成本等 于投资者 的放弃的 最有利 投资机会 的资金利 润 率。在以后几节中将会看到, 资金的机会成本在项目经济评价中是个十分有用的概念。

6. 1. 3　 现值因 子及其计 算公式 为了对不同的现金流量进行比较, 我们利用“等值”的概念, 引进了一些互相折算的计算 因子, 推导出它们之间 互相转换的公式, 并制 做出数值 表、曲线便于 使用。在使 用中要注 意 “等值”的条件是利率相同。 1. 基本符号 P : 现值, 货币现时的瞬时价值, 一般是指初始投资总额或本金。 F : 未来值( 或称为终值) , 指货币的现值, 在一定计算利率条件下, 经过 ｎ 年后货币的新 值, 也就是本金 ｎ 年后的等值。 ｉ: 利率, 一个计息期内, 利息与本金的百分比值。通常是指年利率。 把某一时点的货币值折算成任意时点的现值, 称为折现( 或贴现) ; 其换算利率称为贴现 率; 在讨论投资时, 有人把某投资期的利润与投资额的百分比例称为投资报酬率。本文对利 率、贴现率和投资报酬率等不严格区分, 均以符号 ｉ 表示。 ｎ: 计息周期数, 如前所述, 通常以一年为一个计息周期, ｎ 为某周期的年数。 ・ 1 80 ・

A : 等额年金, 即在几年内, 连续每年底偿付或回收相等金额, 并使其总和与本金等值。 2. 基本复利公式及现值因子 ( 1) 一次偿付复利终值因子与复利现值因子 如果 某项投 资计 划在开 始时 投入 资金 P , 在利 息 率为 ｉ 的条件下, ｎ 年后其终值 F 应为多少呢? 我们先 给出现金流量图, 如图 6. 2。 第一 年初 投 入本 金 P , 年 末所 得 到的 利 息 ｉP , 第 一年末的本利和则为 P + ｉP = P ( 1+ ｉ) ; 第二年所得到 的 利息为 ｉP ( 1+ ｉ) , 则第 二年末 的本 利和 为 P ( 1+ ｉ) 2

+ ｉP ( 1+ ｉ) = P ( 1+ ｉ) 依此 类推, 可知 第 ｎ 年 末的 本

图 6．2　 一次偿付现金流量图

利和为 P ( 1+ ｉ) ｎ , 所以有: F = P ( 1 + ｉ)

ｎ

ｎ

　 　 我们记 CAF ( ｉ, ｎ) ≡( 1+ ｉ) , 称为复利终值因子, 括号中的 ｉ 表 示利息率, ｎ 表示计 息周 期数。 与上面计算相反, 如已知 ｎ 年末的未来值 F , 在利息率为 ｉ 的条件下, 求其现值 P 。由上 面公式不难得出: P = F

1 ｎ ( 1 + ｉ)

1 , 称之为复利现值因子。 ( 1+ ｉ) ｎ 由定 义可以 看到, 复 利终值 因子 与复利 现值 因

令 P WF ( ｉ, ｎ ) ≡ 子互为倒数, 有:

[ CAF ( ｉ, ｎ) ] [ P WF ( ｉ, ｎ) ] = 1 　 　 ( 2) 等额复利因子与偿债基金因子 在 ｎ 年内, 每年年末等额投入资金 A , 在利息率 为 ｉ 的 条件下, 求 ｎ 年末的本利 和 F , 其 现金流量 如

图 6．3　 等额序列支付现金流量图

图 6. 3 所示。 由第一 年末所投资金额 到第 ｎ 年末其 计息周期为( ｎ - 1) 年, 到期 它的本利 和为 A ( 1+ ｎ- 1

ｉ) ; 第二年末 的投资到第 ｎ 年末的本利和即 为 A ( 1+ ｉ) 推, 直到第 ｎ 年底最后投资, 已无利息, 所以有: F = A ( 1 + ｉ) ｎ -

1

= A [ ( 1 + ｉ) ｎ-

+ A ( 1 + ｉ) ｎ 1

+ ( 1 + ｉ) ｎ-

ｎ- 2

; 第 三年为 A ( 1+ ｉ)

ｎ- 3

; 依此 类

+ … + A( 1 + ｉ) + A

2

+ … + ( 1 + ｉ) + 1]

2

将等式两端均乘以( 1+ ｉ) , 有: ｎ

( 1 + ｉ) F = A [ ( 1 + ｉ) + ( 1 + ｉ)

ｎ- 1

2

+ … + ( 1 + ｉ) + ( 1 + ｉ) ]

由上两式相减, 则得: ｉF = A [ ( 1 + ｉ) ｎ - 1] ｎ

( 1 + ｉ) - 1 F = A ｉ ・ 18 1・

ｎ

( 1+ ｉ) - 1 令 SCAF ( ｉ, ｎ ) ≡ , 称之为等额复利因子。 ｉ 与此相 反, 如 果我们认 为 F 是 ｎ 年末到 期的 一笔债 务, A 为从 第一 年末 至第 ｎ 年末 每 年等额偿还的金额, 在利率为 ｉ 的条件下, A 为多大数值, 其和才与 F 等值? 由上式可看到: ｉ A= F ｎ ( 1 + ｉ) - 1 ｉ , 称之为偿债基金因子。 ( 1+ ｉ) ｎ - 1 由定义可知, 等额复利因子与偿债基金因子有倒数关系, 即

令 SF F ( ｉ, ｎ ) ≡

[ SCAF ( ｉ, ｎ) ] [ SF F ( ｉ, ｎ) ] = 1 　 　 ( 3) 资本回收因子与等额现值因子 如果在 基年投入 资金 P , 欲在 ｎ 年内每年 年末等 额回收资 金 A , 在利率 为 ｉ 的条 件下, 使其和与 P 等值, 求 A 的数值为多少? 由前面两式可得: ｉ A= F ｎ ( 1 + ｎ) -

ｉ = P ( 1 + ｉ) ｎ 1 ( 1 + ｉ) ｎ

ｎ

ｉ( 1 + ｉ) = P ｎ 1 ( 1 + ｉ) - 1

ｎ

ｉ( 1+ ｉ) 令 CRF ( ｉ, ｎ ) ≡ , 称之为资本回收因子。 ｎ ( 1+ ｉ) - 1 反之, 已知等额序列收入 A, 求其现值 P , 则有: ｎ

( 1 + ｉ) - 1 P = A ｎ ｉ( 1 + ｉ) ｎ

( 1+ ｉ) - 1 令 SP WF ( ｉ, ｎ) ≡ , 称之为等额现值因子。显然: ｎ ｉ( 1+ ｉ) [ CR F ( ｉ, ｎ) ] [ S P W F ( ｉ, ｎ) ] = 1 3. 各现值因子的使用 上述 6 个现值因 子, 分 别反映 了在一定 利率 ｉ 和周 期 ｎ 的情况 下, P , F 和 A 三 者之 间 的关系; 或者说 P , F 和 A 三 者之间可以通过 这 6 个因子相互 联系起来, 计算其相互间的 等 值。图 6. 5 形象地反映了它们之间的关系。

图 6．4　 等额回收现金流量图

图 6．5　 P , F , A 与各现值因子关系

由此可见, 在现 值 P 、未 来值 F 和 等额年金 A 之间, 任意给定 其中一 个数值, 在既定 的 利息率 ｉ 和周期 ｎ 的情况下, 即可通过相应的现值因子求出另外两个量的等值。在实际应用 中, 为 简化各现值因子的 计算工作, 已有标准的 因子数值 表可供查 阅, 它包括各 种利息率 及 各种计息周期数的情况, 表 6. 1 和表 6. 2 分别是当利率为 6% 和 15% 时, 各现值因子对不同 的计息周期数的数值。在以后的例题中, 我们将会看到直接使用这些数值表是很方便的, 它 ・ 1 82 ・

可以避免每次 对现值因子重复 而繁琐的计算工 作, 而 对于复杂 方案的 计算通常 又都是通 过 电子计算机来完成的。 在收支序列比较复杂的情况下, 计算时往往会同时用到几个因子。为计算时简单明了, 并便于确定应利用哪个因子, 其首要步骤即是绘制现金流量图, 把经济活动的现金流通过流 程描述清楚, 然后再确定哪个现值因子可供使用。 表 6. 1　 利率为 6. 00 % 的各种复利因子 一次支付 ｎ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 25 26 28 30 32 34 35 36 38 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

复利终值 CA F 1. 0600 1. 1236 1. 1910 1. 2625 1. 3385 1. 4185 1. 5036 1. 5938 1. 6895 1. 7908 1. 8983 2. 0122 2. 1329 2. 2609 2. 3965 2. 5493 2. 6927 2. 8843 3. 0256 3. 2071 3. 6035 4. 0489 4. 2918 4. 5493 5. 1116 5. 7434 6. 4533 7. 2509 7. 6860 8. 1471 9. 1641 10. 2885 13. 7643 18. 4197 24. 6496 32. 9867 44. 1435 59. 0738 79. 0539 105. 792 141. 573 189. 456

等额序列支付 复利现值

偿债基金

P WF 0. 9434 0. 8900 0. 8396 0. 7921 0. 7473 0. 7050 0. 6651 0. 6274 0. 5919 0. 5584 0. 5268 0. 4970 0. 4688 0. 4423 0. 4173 0. 3936 0. 3714 0. 3503 0. 3305 0. 3118 0. 2775 0. 2470 0. 2330 0. 2198 0. 1956 0. 1741 0. 1550 0. 1379 0. 1301 0. 1227 0. 1092 0. 0972 0. 0727 0. 0543 0. 0406 0. 0303 0. 0227 0. 0169 0. 0126 0. 0095 0. 0071 0. 0053

SF F 1. 00000 0. 48544 0. 41411 0. 22859 0. 17740 0. 14336 0. 11914 0. 10104 0. 08702 0. 07587 0. 06679 0. 05928 0. 05296 0. 04759 0. 04296 0. 03895 0. 03545 0. 03236 0. 02962 0. 02718 0. 02305 0. 01968 0. 01823 0. 01690 0. 01459 0. 01265 0. 01100 0. 00960 0. 00897 0. 00840 0. 00736 0. 00646 0. 00470 0. 00344 0. 00254 0. 00188 0. 00139 0. 00103 0. 00077 0. 00057 0. 00043 0. 00032

等额复利 SCAF 1. 000 2. 060 3. 184 4. 375 5. 637 6. 975 8. 394 9. 897 11. 491 13. 181 14. 971 16. 870 18. 882 21. 015 23. 276 25. 672 28. 212 30. 905 33. 759 36. 785 43. 392 50. 815 54. 864 59. 155 68. 527 79. 057 90. 888 104. 182 111. 433 119. 118 135. 901 154. 759 212. 738 290. 328 394. 160 533. 111 719. 059 967. 897 1300. 899 1746. 529 2342. 881 3140. 934

资本回收

等额现值

CRF 1. 06000 0. 54544 0. 37411 0. 28859 0. 23740 0. 20336 0. 17914 0. 16104 0. 14702 0. 13587 0. 12679 0. 11928 0. 11296 0. 10759 0. 10296 0. 09895 0. 09545 0. 09236 0. 08962 0. 08718 0. 08305 0. 07968 0. 07823 0. 07690 0. 07459 0. 07265 0. 07100 0. 06960 0. 06897 0. 06839 0. 06736 0. 06646 0. 06470 0. 06344 0. 06254 0. 06188 0. 06139 0. 06103 0. 06077 0. 06057 0. 06043 0. 06032

S P WF 0. 9434 1. 8334 2. 6730 3. 4651 4. 2123 4. 9173 5. 5823 6. 2098 6. 8017 7. 3600 7. 8863 8. 3838 8. 8526 9. 2949 9. 7122 10. 1058 10. 4772 10. 8276 11. 1581 11. 4699 12. 0415 12. 5503 12. 7833 13. 0031 13. 4061 13. 7648 14. 0840 14. 3681 14. 4982 14. 6210 14. 8460 15. 0463 15. 4558 15. 7619 15. 9905 16. 1614 16. 2891 16. 3845 16. 4558 16. 5091 16. 5489 16. 5787

ｎ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 25 26 28 30 32 34 35 36 38 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

・ 18 3・

95 100

・ 1 84 ・

253. 534 339. 286

0. 0039 0. 0029

0. 00024 0. 00018

4208. 902 5638. 082

0. 06024 0. 06018

16. 6009 16. 6175

95 100

表 6. 2　 利率为 15. 00 % 的各种复利因子 一次支付

等额序列支付

复利终值

复利现值

偿债基金

等额复利

资本回收

等额现值

CAF

P WF

SF F

S CAF

CRF

S P WF

1

1. 1500

0. 8696

1. 00000

1. 000

1. 15000

0. 8696

1

2

1. 3225

0. 7561

0. 46512

2. 150

0. 61512

1. 6257

2

3

1. 5209

0. 6575

0. 28798

3. 472

0. 43798

2. 2832

3

4

1. 7490

0. 5718

0. 20027

4. 993

0. 35027

2. 8550

4

5

2. 0114

0. 4972

0. 14832

6. 742

0. 29832

3. 3522

5

6

2. 3131

0. 4323

0. 11424

8. 754

0. 26424

3. 7845

6

7

2. 6600

0. 3759

0. 09036

11. 067

0. 24036

4. 1604

7

8

3. 0590

0. 3269

0. 07285

13. 727

0. 22285

4. 4873

8

9

3. 5179

0. 2843

0. 05957

16. 786

0. 20957

4. 7716

9

10

4. 0455

0. 2472

0. 04925

20. 304

0. 19925

5. 0188

10

11

4. 6524

0. 2149

0. 04107

24. 349

0. 19107

5. 2337

11

12

5. 3502

0. 1869

0. 03448

29. 002

0. 18448

5. 4206

12

13

6. 1528

0. 1625

0. 02911

34. 352

0. 17911

5. 5831

13

14

7. 0757

0. 1413

0. 02469

40. 505

0. 17469

5. 7245

14

15

8. 1370

0. 1229

0. 02102

47. 580

0. 17102

5. 8474

15

16

9. 3576

0. 1069

0. 01795

55. 717

0. 16795

5. 9542

16

17

10. 7812

0. 0929

0. 01537

65. 075

0. 16537

6. 0472

17

18

12. 3754

0. 0808

0. 01319

75. 836

0. 16319

6. 1280

18

19

14. 2217

0. 0703

0. 01134

88. 211

0. 16134

6. 1982

19

20

16. 3664

0. 0611

0. 00975

102. 443

0. 15976

6. 2593

20

22

21. 6446

0. 0462

0. 00727

137. 631

0. 15727

6. 3587

22

24

28. 6249

0. 0349

0. 00543

184. 166

0. 15543

6. 4338

24

25

32. 9187

0. 0304

0. 00470

212. 791

0. 15470

6. 4642

25

26

37. 8565

0. 0264

0. 00407

245. 710

0. 15407

6. 4906

26

28

50. 0651

0. 0200

0. 00306

327. 101

0. 15306

6. 5335

28

30

66. 2111

0. 0151

0. 00230

434. 741

0. 15230

6. 5660

30

32

87. 6541

0. 0114

0. 00173

577. 094

0. 15173

6. 5905

32

ｎ

ｎ

34

115. 803

0. 0086

0. 00131

765. 357

0. 15131

6. 6091

34

35

133. 174

0. 0075

0. 00113

881. 160

0. 15113

6. 6166

35

36

153. 150

0. 0065

0. 00099

1014. 334

0. 15099

6. 6231

36

38

202. 541

0. 0049

0. 00074

1343. 606

0. 15074

6. 6338

38

40

267. 860

0. 0037

0. 00056

1779. 067

0. 15056

6. 6418

40

45

538. 761

0. 0019

0. 00028

3585. 076

8. 15028

6. 6543

45

50

1083. 639

0. 0009

0. 00014

7217. 598

0. 15014

6. 6605

50

　 　 例 6. 1　 有某项投 资现付 50000 元, 第一年 末付 20000 元, 第三 年末 开始 至第 10 年 末 每年付 10000 元, 在年利率 6% 的情况下, 该项投资的现值为多少? 折合为 10 年内的等额年 金为多少? 为计算 该项投资 的总现 值, 将 投资额分 三部分, 第一 部分 是基期 投资 P 0 = 50000, 第 二 部分是第一年末投资 P ′ l = 20000, 第三部分是从第三 年末开始的等额 年金 A = 10000。 我们 ・ 18 5・

先利用等额现值因子将第三年末开始的等额年 金折算为第二年 末的现值 P ′ A, 即此 时 ｎ 为 8 年, 由表 6. 1 可得 SP WF ( 6% , 8) = 6. 2098, 所 以有: P A′= A ¡¤SP WF ( 6% , 8) = 10000× 6. 2098 = 62098 P A′ 位于 第二年末, 利用复 利现值因 子将其折 算

图 6．6　 例 6．1 现金流量图

为现值 P A , 查表得 P WF ( 6% , 2) = 0. 8900, 有 P A = P A′¡¤P WF ( 6% , 2) = 62098× 0. 8900 = 55267 将第二部分投资 P 1′ 折算为现值, 查表可得 P WF ( 6% , 1) = 0. 9434, 则有: P 1 = P 1′¡¤P WF ( 6% , 1) = 20000× 0. 9434 = 18868 总现值 P T 为三部分投资现值之和, 有 P T = P 0 + P 1 + P A = 50000 + 18868 + 55267 = 124135 所以, 该项投资的总现值为 124135 元。将其折算为等额年金 A ′ , 可利用资本回收因子, 此时 ｎ 为 10 年, 查表得 CR F ( 6% , 10) = 0. 13587, 即有 A′= P T ¡¤CR F ( 6% , 10) = 124135× 0. 13587 = 16866 所以, 折算为 10 年的等额年金为 16866 元。 在有些情况下, 经济分析中涉及求利息率 ｉ 或计息周期数 ｎ 的问题。例如所用投资的现 值与在已知年限所回收的总金额已知, 而需求投资的报酬率, 或者我们需决定在一定报酬率 情况下, 某项投资全部偿还时所需年数。如果问题中包含单项支付和单项收入, 或者是等额 年金的支付和 收入, 那么 即可由现值因子 直接求得, 但如 果问题比 较复杂, 包含 有不规则 的 支付, 涉及多个因子时, 则不便直接求解, 需用差误尝试法求得。 例 6. 2　 某项投资初始投入 3000 元, 于 5 年后收回 5000 元, 试求该项资金的报酬率。 现金流量图如 6. 7 图所示。利率可由复利现值因子或复利终值因子中求出。利用复利 现值因子, 则有: P = F ¡¤P WF ( ｉ, ｎ) 3000 = 5000 ¡¤P W F ( ｉ, 5) P WF ( ｉ, 5) = 3000/ 5000 = 0. 6000

图 6. 7　 求利息率示图

・ 1 86 ・

图 6. 8　 线性插值法求利率

　 　 直接 用现值因子的公 式求解, 但 是太繁, 可利用复利表, 寻找 P WF ( ｉ, 5) = 0. 6000 所对 应 的 利 率, 从 表 上 可以 查 到 ( 本 书未 附 此 表) , P WF ( 10% , 5) = 0. 6209, P WF ( 12% , 5) = 0. 5764, 可见 P WF ( ｉ, 5) = 0. 6000 所 对应的利率在 10% 和 12% 之间, 再用线性 插值来求 其 近似解, 即有: 0. 6209 0. 6209 -

0. 6000 ｉ - 0. 1 = 0. 5674 0. 12 - 0. 1

　 　 解得: ｉ= 0. 1078= 10. 78% 。图 6. 8 为图示线性插值法求利率 ｉ。 计算计息周期数 ｎ 的办法大致与此相同, 对于复杂收支序列, 两者均需用差误尝试法求 解。 例 6. 3　 某项投资开始时投入 2000 元, 三年后又投入 500 元, 5 年后再投入 1000 元, 若 投资报酬率为 6% , 问经过多少年后, 其资金总额可积累至 10000 元。 现金流量如图 6. 9 所示。我们将每次投资均折算为终值, 则有 F = P 0 ¡¤CAF ( ｉ, ｎ) + P 3 CAF ( ｉ, ｎ -

3) + P 5 ¡¤CAF ( ｉ, ｎ -

图 6．9　 求 ｎ 值的图示

5)

图 6．10　 线性插值法求回收年限 ｎ

因其终值为 10000, 利率为 6% , 则有 10000 = 2000CAF ( 6% , ｎ) + 500CA F ( 6% , ｎ -

3) + 1000CAF ( 6% , ｎ - 5)

　 　 此时不便 直接查表, 可选择不同 ｎ 值加以试验, 选择 合适的值, 然 后再用线 性插值法 求 解。 分别选 ｎ = 5, ｎ = 15, ｎ = 20 进行试算, 由表 6. 1 所查得结果如表 6. 3 所示。 表 6. 3　 以差误尝试法解 n P 0 = 2000

P 3 = 500

P 5 = 1000

CAF ( 6% , ｎ )

CA F ( 6% , ｎ - 3)

CA F ( 6% , ｎ- 5)

5

2676. 4

561. 8

15

4793. 00

20

6414. 20

ｎ

F

评定

1000

4238. 20

太小

1006. 10

1790. 80

7589. 90

太小

1346. 35

2396. 50

10157. 05

略大

　 　 由上表可见, 正确的 ｎ 值应介于 15 年与 20 年之间, 用线性插值计算: 10000 - 7589. 90 ｎ - 15 = 10157. 05 - 7589. 90 20 - 15 ・ 18 7・

　 　 即 ｎ= 19. 69 年。所以, 若资金积累至 10000 元, 则需经 19. 69 年, 近似 20 年。实际上从 上表中可看到, 20 年后的 F 值与 10000 元是非常接近的。

6. 1. 4　 名义利 率和实际 利率 在实际情 况中, 计息 周期并非都是一 年, 有 时会出现 诸如一年 计息两 次的“半年息”, 及 “季息”、 “ 月息”等情况。计息周期的不同对利息的计算是有影响的。例如, 某项贷款按月付 息, 月 息为 1% , 则 每 年 担负 的 利息 为 12% ; 严格 地 讲, 它 是按 月 复利 计 算的, 它同 年 利 率 12% 是有差别的。假如初始投资 1000 元, 按月利 1% 计算, 至 12 月底本利和为: F = P ¡¤CA F ( 1% , 12) = 1000× 1. 127 = 1127 元 若按年利率 12% 计算, 至年底则为 F ′= P ¡¤CAF ( 12% , 1) = 1000× 1. 12 = 1120 元 它比按月计息少了 7 元。由上式亦可看到, 按月计息的年利率 12% , 实际上相当于按年计息 的年利率 12. 7% , 这样在一年 末所得到的利息 才相等。因此, 我们把前者称 为名义利率, 而 后者称为实际利率。 假设名义利率为 r , 每年计 息 t 次, 则每次计息的 利率为 r / t , 某项投资 P 在一年后 的终 值 F 为: F = P 1+

r t

t

设按年计息之实际利率为 ｉ, 则某一年后的终值 F 又为: F = P ( 1 + ｉ) r t 两者比较: 1+ ｉ= 1+ t t r - 1 ｉ= 1+ t 实际利率 ｉ, 即相当于按名义利率的 1/ t 计息 t 次化为每年计息一次的利率。若 t= 1 即有 ｉ= r 。这时名义利率也就是它的实际利率。

6. 1. 5　 投资的 回收与固 定资产折旧 从事某一项投 资, 从经济 角度来考虑, 应当 得到一定 的报酬, 否则 就不值得 从事这项 投 资。也就是说, 从事该项投资后的收入, 除回收所投入的资金外, 还应得到一定的利润。如果 投资是从事某 项基本建设或购 置固定资产, 投资后的 收入是在 该项固 定资产的 使用年限 内 逐年取得的, 该项投资也必须从经营收入中逐年收回。而且由于固定资产的使用、退化或过 时, 其市场价值往往逐渐减少, 存在着一定的经济寿命。在其经济寿命期内将固定资产的投 资逐渐转移到产品的成本中去, 此项回收的办法, 在会计学上称之为折旧。折旧是生产资料 已经损耗部分的货币表现。通过折旧适当地分摊固定资产的投资于各期的经营成本之内, 便 于计算企业的盈亏。同时, 通过折旧逐年从经营成本中回收一部分资金, 当固定资产的寿命 终结时, 所提折旧的积累金额加上固定资产的残余价值( 称为残值) , 正好与原始投资金额相 等, 所以折旧又是固定资产重置的财源。当然, 折旧所得的金额实际上未必会专门存储以备 固定资产的重置, 可能早就作为自由资金加以利用了。而且对于寿命长的设备, 在其寿命终 结前, 又由于技术的进步, 可能早已被淘汰, 再无重置的必要, 而需代之以更新的设备。 ・ 1 88 ・

应该指出, 在固定资产的 使用年限内, 所提 折旧的累 积金额, 正好 等于该项 固定资产 所 用投资的原值。这里并没有考虑货币的时间因素。由于投资在先, 折旧的提取在后, 如果考 虑到货币的时间价值时, 初始投资还应得到一定的利息。因此, 折旧仅是投资资本回收的一 部分, 而不是全部, 全部资本回收还应该包括初始投资所应得到的利息, 或正常的资金报酬。 折旧的计算方 法多少带一些人 为性质, 每 年所提 折旧额并 非一定 等于固定 资产在这 一 年中其市场价值的减少。通常把初始投资与某一时点总折旧额的差额, 称为固定资产的帐面 价值。虽然, 在寿命期内每年所提折旧的总额加上残值正好等于初始的投资金额, 但在某一 时点其帐面价值与市场价值的关系甚微。在资本主义国家中, 折旧计入经营成本, 可不缴纳 所得税, 所以折旧的方式对其税后利润影响颇大, 对计算折旧的算法也很重视。这里介绍几 种常用的折旧算法。 1. 直线折旧法( SL ) 直线折旧法是最常用的一种方法, 它由于固定资产的帐面价值随时间直线下降而得名。 该方法每年所 提的折旧金额均 相等, 其数 值为初始投 资减去残 值后再 除以固定 资产的经 济 寿命, 可用公式表示为: D=

P -

SV ｎ

其中　 D —— 每年所提取的折旧金额; P —— 初始投资额; S V —— 固定资产的残值; ｎ —— 固定资产的经济寿命。 由于每年所提折旧金额相同。所以在其使用 m 年后的帐面价值 B Vm 为: m

B Vm = P -

∑D

j

= P -

mD 　 ( j = 1, 2, …, m)

j= 1

2. 年份数和折旧法( SYD ) 在实际情况中, 有时为了 加快资本的回 收, 采用加速 折旧的方 法, 即在固定 资产使用 的 初期, 每年所提折旧金额相当高, 而在其寿命末期却迅速减少。这种折旧办法有时也和固定 资产在初期效 率高, 生产 经营成本低, 而在末期 则效率低, 生产 经营成 本越来越 高的情况 相 适应。年份数和法为一种加速折旧的方法, 该法将固定资产的大部分价值在其寿命的前 1/ 3 的时间内收回, 其第 m 年的折旧额 D m 由原始投资额减去残值后再乘以其剩余折旧年数( 包 括所求折旧额的当年) 与整个折旧期的年份之和的比值求得, 有: Dm =

ｎ-

m+ 1 ( P - S V) SYD

ｎ

其中, SYD =

∑j

= 1+ 2+ 3+ …+ ｎ=

j= 1

Dm =

ｎ( ｎ + 1) , 所以有: 2

ｎ- m+ 1 ( P - SV) ｎ( ｎ + 1) / 2

第 m 年末的帐面价值为: ・ 18 9・

m

m

∑D

BV m = P -

j

P - SV ( ｎ - j + 1) ｎ( ｎ + 1) / 2 ∑ j= 1

= P -

j= 1 m

其中　

∑( ｎ -

j + 1) = ｎ + ( ｎ -

1) + ( ｎ -

2) + … + ( ｎ -

m + 1)

j= 1

= ｎ + (ｎ-

1) + ( ｎ - 2) + … + ( ｎ + 1 - m) + ( ｎ - m) + ( ｎ

- m - 1) + … + 2 + 1 - ( ｎ ｎ

=

ｎ- m

∑j

-

j= 1

= =

ｎ( ｎ + 1) 2

∑j = j= 1

m) - ( ｎ -

(ｎ-

m) ( ｎ 2

1) … -

m-

2-

1

m + 1)

1 2 ( ｎ + ｎ - ｎ2 + mｎ - ｎ + mｎ - m 2 + m) 2 1 m 1 2 ( 2mｎ - m + m) = m ｎ + 2 2 2

所以: m + 2 ｎ( ｎ + 1) / 2

1 2

( P - SV) m ｎ BV m = P -

( P - SV) m( 2ｎ ｎ( ｎ + 1)

= P -

m + 1)

3. 余额递减折旧法 余额递减折旧法也是一种加速的折旧方法, 或称为等额百分比折旧方法, 其某一年的折 旧额由该年初的帐面价值乘以等额的百分比求得。通常所允许的最大折旧比率为直线法比 率的 2 倍, 即为 2/ ｎ, 此时亦称之为双倍 余额递减法( DDB) 。双倍余额 递减法也是常用 的一 种折旧方法, 假定初始投资为 P , 第一年的折旧额即为: D 1 = ( 2/ ｎ) P 第一年末的帐面值即为: 2 P = ｎ

B V1 = P -

2 P ｎ

1-

第二年的折旧额为: D2 =

2 B V1 = ｎ

2 1ｎ

2 P ｎ

第二年末的帐面值为: B V2 = BV 1 - D 2 =

1-

2 P ｎ

2 1ｎ

2 P = ｎ

1-

2 ｎ

2

P

依此类推, 则第 m 年的折旧额为: Dm =

2 BV m ｎ

1

=

2 ｎ

2 ｎ

1-

m- 1

P

第 m 年末的帐面值为: B Vm =

1-

2 ｎ

m

P

　 　 由于该方 法每年的折旧额 由递减的帐面值 乘以固定 的百分比 求得, 所以其 帐面价值 永 远不会为零, 因此, 在无残值时, 允许在适当时点( 假如固定资产的寿命超过一半之后) , 将其 改为直线折旧, 以回收剩余的帐面价值。在有残值时, 也可在适当时点转为直线折旧, 也可一 直用 DDB 法折旧到底。用该种折旧方法计算折旧金额时, 并没有将残值从初始投资中扣除, ・ 1 90 ・

这样会增加初始投资在固定资产寿命初期回收的比例。然而, 虽然在计算每年的折旧额时没 有考虑残值, 但最终所提取的折旧总额却不得包括其预期的残值, 即在逐年提取折旧使其帐 面价值减到它的残值后, 即使还没有到达折旧年限的终了, 也不得再继续提取折旧了。

6. 1. 6　 各种折 旧方法的 比较 上述常用的三种折旧方法, 最终所取得的折旧总额是相同的, 但投资的回收速度以双倍 余额递减法为最快, 直线法最慢。 例 6. 4　 某项固定资产的初始投资为 80000 元, 其预期寿命为 10 年, 届时残值为 10000 元, 用上述三种办法计算其每年的折旧及帐面价值。 我们依前面所述公式分别计算, 其结果如表 6. 4 所示。 表 6. 4　 各种折旧方法比较 直线法( SL )

年次

年份数和法( SY D)

双倍余额递减法( DDB)

m

Dm

BVm

Dm

BVm

Dm

BVm

0

-

80000

-

80000

-

80000

1

7000

73000

12727

67273

10000

6400

2

7000

66000

11455

55818

12800

51200

3

7000

59000

10182

45636

10240

40960

4

7000

52000

8909

36727

8192

32768

5

7000

45000

7636

29091

6553

26214

6

7000

38000

6364

22727

5243

20917

7

7000

31000

5091

17636

4194

16777

8

7000

24000

3818

13818

3355

13422

9

7000

17000

2545

11273

2684

10738

10

7000

10000

1273

10000

738

10000

　 　 在表 6. 4 双倍余额递减法中, 第 10 年折旧金额按公式计算应为 2148 元, 但这时其帐面 价值会低于残值, 这是不允许的, 所以该年仅能折旧 738 元, 以使期末的帐面值与残值相同。 由上表可 以看到, 双 倍余额递减法的 折旧速度相 当快, 在第 5 年 其帐面 值( 26214) 元仅为 直 线法( 45000) 元的 58% , 而在前三年, 它的帐面值就已减去了将近一半。图 6. 11 给出了使用 三种折旧方法每年帐面价值的比较图示。

6．2　 能源工程项目的成本与效益分析 能源工程项目所涉及的范围是非常广泛的, 与之相关的成本和效益情况也很复杂, 既有 项目本身直接的资金和物质投入的成本以及直接的经济收益, 又有受项目影响, 环境间接付 出的成本或所得的效益。同时, 从决策者不同的立场来分析( 例如从国家的角度或企业的角 度) , 成本和效益的类别及数量也是不相同的。此外, 在实际情况中经常会遇到很多复杂的因 素, 例 如通贷膨胀、现行价格体系 的不合理等, 这时对 成本和效 益的确 定及有关 参数的选 取 也需要进行认真分析和区别对待。 ・ 19 1・

图 6．11　 不同折旧方法的帐面值比较

6．2．1　 财务评 价和国民 经济评价中 成本与效 益的差别 对能源建设项目一般分别进行财务评价和国民经济评价。财务评价是从企业利益的角 度出发, 按现行财税制度分析计算项目的效益、费用、盈利状况及借款偿还的能力, 以考察项 目本身的财务可行性; 国民经济评价是从国家利益出发, 从国民经济整体的角度分析计算项 目需国家付出的代价和对国家的贡献, 以考察投资行为的经济合理性。 由于财务评价 和国民经济评价 出发的角度 不同, 所以它们 对同一 项目的效 益与成本 的 含义和划分范围也不同, 财务评价根据项目的实际收支确定项目的效益和成本, 其中税金和 利息等均应计为费用。国民经济评价则着眼于项目对社会提供的用户产品和服务以及项目 所耗费的全社会有用资源来考虑项目的效益和费用, 所以税金、国内借款利息和补贴等均不 应计为项目 的效益或成本。财务 评价只计算项 目直接发 生的效益 及费用, 即项 目的内部 效 果, 国民经济评价对项目引起的间接效益与费用即外部效果也要进行计算和分析。 效益与成本含 义的差别, 使财务评价和国 民经济 评价中所 采用的 价格和主 要参数有 很 大不同。财务评价对投入物和产出物都采用市场价格, 国民经济评价则应采用根据机会成本 和供求关系所确定的影子价格; 财务评价对外汇采用官方汇率, 对资金成本采用各行业的基 准收益率做为折现率, 国民经济评价则采用国家统一测定的影子汇率和社会折现率。 由于上述区别, 财务评价和国民经济评价有时可能导致相反的结论。例如, 某石油化工 厂的原料石油 可以出口, 其产品也可以出 口, 由 于石油的 国内价格 低于国 际市场价 格, 从 财 务评价考虑, 企业利润很高, 项目是可行的; 如果进行国民经济评价, 采用以国际市场价格为 基础的影子价格来计算, 该项目就可能对国民经济没有什么贡献, 成为不可行的项目。又如 煤炭的国内价 格偏低, 企 业利润很低, 项目财务 评价的结 果可能不 易通过, 如果 用影子价 格 进行国民经济评价, 该项目国民经济的贡献就可能很大而获得通过。 项目经济评价应以国民经济评价为主。当财务与国民经济评价的结论相矛盾时, 项目的 取舍一般应取决于国民经济评价的结果。某些国计民生急需的建设项目, 当国民经济评价认 为可 行, 而 财务 评价 认为不 可行 时, 可向国 家和 主管部 门提 出采 取相应 经济 优惠措 施的 建 议, 使项目具有财务上的生存力。 对那 些成本 和效 益计算 比较 简单, 建设 期和 生产 期比较 短, 又不 涉及进 出 口平 衡的 项 目, 例 如大部分农村能源 建设项目, 如果财务评 价的结果 能够满足 最终决 策的需要, 也可 以 不再进行国民经济评价。 ・ 1 92 ・

6．2．2　 能源项 目成本与 效益的划分 和计算 能源项目的成 本和效益, 有反映项目本 身获利 能力、清偿能力 等财务 状况的指 标, 即 其 内部效果, 同时也存在对国家或地区的经济、社会及环境的影响, 即项目的外部效果。因此, 对反映项目内部效果的间接成本和效益以及反映项目外部效果的间接成本和效益都应分别 进行分析和计算。 项目的直接成本指项目直接投入物的经济价值; 直接效益则是其产出物的经济价值。项 目的间接费用是指社会为项目付出的代价, 而项目本身并不需要支付的费用; 间接效益则指 项目为社会做出的贡献, 而项目本身并未得到的效益。例如, 某些能源项目所造成的废水、废 气和废渣对环境的污染即表现为其间接费用, 又如, 建造大型火力发电厂所修建的厂外运输 系统, 使周围地区的工农业生产和人民生活得益, 这即表现为该项目的间接收益。 如前所述, 财务评价只计算以现行市场价格计算的直接成本和直接效益, 而国民经济评 价中则使用影子价格计算项目包括内部效果和外部效果在内的全部成本与全部效益。 影子价格也称为计算价格, 使用影子价格可以纠正市场价格的扭曲现象。能源项目投入 物和产出物 的影子价格, 是对这些材料 和产品真实 价值的 度量。用影 子价格计 算的项目 效 益, 一 般表现为增加其产 品数量满足国内 需求的效 益, 或 替代其它 产品, 使被替 代企业减 少 国家有用资源消费的效益, 以及增加出口( 或减少进口) 所增收的国家外汇等。以影子价格计 算的成本一般表现为, 其它部门为供应本项目投入物而扩大生产规模所耗用的资源费用, 或 减少 对其它项目( 或最终消费者) 投入物 的供应而放弃的 效益, 以及增 加进口( 或减 少出口) 所耗用( 或减少) 的外汇等。 影响一种产品影子价格的因素很多, 它不仅取决于国内价格体系, 还取决于国际市场价 格、影子汇率、物资稀缺程度以及供求关系等多种因素。在进行能源项目国民经济评价时, 对 项目的投入物和产出物的影子价格, 一般应分为外贸货物、非外贸货物和特殊投入物和产出 物的影子价格( 包括土地和劳动力) 分别加以计算, 计算方法可参阅国家计委公布的“建设项 目经济评价方法”中的有关规定。 国家计委也定期公布一些重要货物的影子价格, 如 1990 年 9 月公布的北京地区煤炭的 影子价格为 105．95 元/ t , 散装普通硅盐水泥的影子价格为 153 元/ t , 原油的影子价格为 773 元/ t 等。 外汇的影子价格即影子汇率, 它体现从国家角度对外汇真实价值的衡量, 在项目国民经 济评价中用于外汇与人民币之间的换算。1990 年 9 月国家计委公布的影子汇率为 1 美元折 算 5．8 元人民币。 资金的影子价 格即其社会贴现 率, 它表征 从国家 角度对资 金机会 成本和货 币时间价 值 的估量。资金的机会成本的含义是其所替代的投资机会所产生的平均收益, 可按国内投资的 平均内部收益率计算。在国内投资比较紧缺, 对外贷款又受到限制的情况下, 只能保证投资 效益较高的 项目。根据我国一定 时期内的投资 收益水平、资金 供求状 况以及合 理的投资 规 模, 选用适当的社会折现率来进行国民经济评价, 有利于合理使用建设资金, 引导投资方向, 调整投资规模, 促进资金 在短期与长期项目 之间的合理配置。 1990 年 9 月所公布的我 国贴 现率为 12% 。 社会贴现率在 项目的国民经济 评价中是个 非常重要 的参数, 用不 同的社会 贴现率对 几 ・ 19 3・

个项目进行比较时, 其结果可能差导很大。不同的能源项目在其寿命期内成本的支付序列是 不同的, 也就是它们的现金支付流量是不一样的。例如以燃煤火电站和核电站进行比较, 核 电站建设的初始投资比火电 站高, 1989 年我 国投产的火电站平 均造价为 1926 元/ kW , 而国 产核电站的比投资却高达 4000 元/ k W, 但是核电站的运行成本却比火电站低。经济学家通 常把成本分解为固定成本和可变成本两部分。固定成本指不随生产水平变化的成本, 比如电 站建设的初始 投资、厂房 等, 这些 成本在电站建 成后将不 随每年发 电量的 多少而变 化; 可 变 成本指随生产水平变化的成本, 如电站运行中所消耗的燃料和原材料等, 这些成本将随年发 电量的增加而上升。投资密集度比较高的项目, 具有比较大的固定成本, 核电站固定成本在 总成本中的比例, 就比火电站高得多。在进行项目的国民经济评价时, 社会贴现率取值越高, 对投 资密集 程度 高的项 目越 不利, 而有 利于 虽然 可变成 本较 大, 但投资 密集 程度较 低的 项 目, 当社会贴现率取值较小时, 则对可变成本低而相对投资密集程度较高的项目相对有利。

6．2．3　 成本和 效益计算 中几个值得 注意的问 题 在有些情况下, 对能源项目成本和效益的一些概念容易引起混淆, 可能造成错误的取值 或引起重复计算, 因此应特别予以注意。 1． 国民经济评价中对项目外部效果的计算 与项目相关的间接收益和间接费用统称为项目的外部效果。在通常情况下, 外部效果是 难以计量的, 有时为了简 单, 可以 采用扩大项目 范围的办 法, 把 一些相 互关联的 项目合在 一 起作为“联合体”进行评价。值得指出的是, 在国民经济评价中, 项目的成本和效益都采用了 影子价格来进行计算, 这使得项目的一部分“外部效果”已在项目内得到了体现。在上述将项 目部分外部效果以内部化处理后, 仍可能会存在某些外部效果需要单独进行计算。 在进行项目外 部效果分析时, 是将拟建项 目可能 产生的影 响与没 有该项目 的情况进 行 比 较, 即进行“有项目”与“无项目”的比较, 它不同于“项目前”与“项目 后”情况的比 较, 项 目 前后比较法不 能说明在无项目 情况下外部环境 的变化, 这样就 会导致 对项目投 资的外部 影 响做出错误的判断。例如, 某地区修建小水电站后可以给本地区农田提供更为便利的灌溉条 件, 并在干旱季节可以提供较多的农业用水。有了这个项目后, 该地区的农作物产量预计将 以每年 5% 的速度增长, 然而在没有该项目的情况下, 其产量也预计会以 2% 的速度增长。如 果以项 目的前后 进行比 较, 则 会把 5% 的 增长都归 功于项 目的 外部效 果, 实际 上, 其 外部 效 果只有 3% , 另外 2% 的增长率, 是在无项目情况下也会出现的。在评价项目对其“上、下游” 企业产生的效果时也存在类似的问题, 拟建能源项目的投产可能使“上、下游”企业原来闲置 的生产能力得以发挥或达到其经济规模。但是应该注意, 随着时间的推移, 如果没有该拟建 项目,“ 上、下游”企业生产能力的利用也会发生变化, 其它拟建项目也可能会有类似效果。因 此, 应按照“有项目”与“无项目”的比较原则计算增量效益, 避免对外部效果的重复计算或扩 大。 对项 目的有 些外 部效果, 比 如人 才的培 养、技术 的推广、环 境的 改善 等, 均 将使 社会 受 益, 但往往由于定量困难, 只能做定性说明, 以供决策时参考。 2． 转移支付 项目的某些费用和收入, 只是从社会内部一个实体转移到另一个实体, 从国民经济角度 ・ 1 94 ・

来看, 并未造成资源或财富的损耗或增加, 因此通常被称之为转移支付。例如税金、补贴及国 内贷款的利息。税金是项目与政府间的转移支付, 补贴则是与税金反向的转移支付, 国内贷 款利息为项目与政府或项目与国内借款机构之间的转移支付。在进行国民经济评价时, 转移 支付均不应计入项目的收益或费用。但在财务评价中, 它们应作为现金收支的项目。在此应 该指出, 国外贷款的利息支付造成了国内资源向国外转移, 因此在国民经济评价中应计入项 目的费用。 拟建项目的产出可能会缓解原来供应紧张的局面, 从而导致产品价格的下降, 使用户和 消费者从中受益, 但它不能计作项目的间接效益, 因为产品降价是工厂减少效益后转移给了 用户, 从国民经济角度来看, 效益并未增加或减少, 它仅是工厂和消费者之间的转移支付。但 是, 如果拟建项目的产出增加了出口量, 导致原出口产品价格下降, 减少了创汇的收益, 则应 计为该项目的费用。 3． 沉没成本 在对由于某种 原因停建的项目 考虑继续动 工时, 或在项目 进行中 出现效益 上的争论 需 要对项目重新进行评价时, 以及对项目原有的设施进行更新或改造时, 都会涉及到项目已沉 没成本的概念。沉没成本是指过去所发生的成本, 不管过去的决策是否正确, 这些成本已是 无法避免的, 在这些成本已经发生的基础上又拟进行新的投资决策时, 我们只计算未来再投 入的费用及效益, 对已沉没的成本则不再考虑。实际上, 如果在某一项目上已经花费了相当 大数量的资金, 那么再投入比较少的资金就有可能将项目完成并带来可观的收益, 即使事后 看得很清楚, 这个项目当初就不应该上马, 但是既然已有大量的费用沉没, 如果项目不峻工, 那么什么效益也得不到, 因此, 这最后追加的那部分投资的“收益”就会很高。但在另外有些 情况下, 不计项目已经沉没的大量费用, 就以其应继续追加的费用和项目的预期效益进行评 价, 仍 然是不可取的, 这时就应该 索性让这个项 目中止, 将资金 用于其 它更高效 益的备选 项 目上。那种认为在某个项目上已花费了大量投资就必须继续搞下去的论点, 并不一定是一个 正确的决策标准。只有按着“边际”的观点, 对未来所需的追加投资和项目的预期效益进行重 新评价, 以决定舍取, 才是正确的决策标准。 4． 物价变动的影响 在现实生活中 物价是经常变化 的, 一般 表现为 物价上涨, 称之 为通货 膨胀, 它对项目 经 济评价的影响是很大的。 在国民经济评价中通常都采用不变价, 一般不考虑价格变动因素, 以投资基年的价格为 依据, 对项目整个寿命期内的成本与效益进行评价。这时所采用的影子价格和社会贴现率, 也都没有考虑通货膨胀的因素。在国民经济评价中, 用不变价格考查一个项目对国民经济的 贡献, 在一般情况下是完全可行的。 物价变动对项目的财务收支会产生较大影响。由于物价上涨, 工程所需资金往往会超过 按不变价格所 做的预算, 在项目实施过程 中, 如 果不能及 时获得足 够的追 加资金, 就可能 造 成施工中断, 工程延期或被迫接受条件苛刻的临时贷款, 导致项目经济效益的下降。同时, 项 目投产后的盈利也有可能被物价上升因素抵销一部分或大部分。另外, 固定资产折旧是投资 回收的重要来 源, 在物价 上涨情况下, 折旧费将 随货币的 贬值而贬 值, 这就意味 着投资回 收 ・ 19 5・

的风险也将因物价上涨而增大。 在进行项目的财务评价时, 可以采用不变价, 而对未来有可能发生的物价变动进行敏感 性分析。同时也可以采用现行价, 即项目寿期内每年的预期价格, 这需要进行预测或分析而 得。但是由于项目的资金投入和现金收益都是按当年现价发生的, 所以, 采用现价进行财务 评价, 能够比较明了地反映项目收支的财务情况。 采用不变价或现行价进行项目评价时, 所使用的贴现率也是不相同的, 在现行价情况下 所使用的贴现 率应包含有通货 膨胀率, 如 果在不变价情况 下项目的最低 期望盈 利率为 ｉ, 物 价上涨率为 f , 那么在现行价情况下的贴现率 ｉ′ 应为 ｉ′ = ( 1+ ｉ) ( 1+ f ) - 1= ｉ+ f + × ｉ f,其 中× ｉ f 的数值很小, 可以忽略不计, 即有 ｉ′ = ｉ+ f , 即为不变价情况下 最低期望收益率 与通 货膨胀率 f 之和。 采用现行价进行评价时, 还应该考虑项目的投入物及其产品之间相对比价的变化, 其中 某些物品物价 上涨的速度可能 快于其它物品, 如果项 目主要投 入物价 格上涨的 速度低于 项 目产品价格上 涨的速度, 那么物价的变动 则对拟建 项目有利, 反之, 将 使拟建项 目的效益 受 到影响。

6．3　 能源工程项目的经济评价方法 前面已经提到 工程项目的经济 评价就是进 行项目的 成本和效 益分析, 以比 较选择那 些 可接受的项目。这一节在具体介绍评价方法以前, 还必须阐明项目选择的可比较性。

6．3．1　 项目的 可比较性 在进行各种项 目的经济评价时, 它们之 间应有 可比较性, 要在 共同目 标、共 同时标及 共 同的计算单位条件下来比较。 1． 共同目标 评价和比较各种项目应以实现共同目标为前提。不能对两个具有不同目标的项目进行 比较。例如有一个项目是建造水电站, 其目的是向附近的城市供应工业用电, 另一个项目是 发展煤气以增加居民的炊事用能。这两者不能比较其优劣。然而把这两个项目的目标都确 定为对城市居民炊事提供一定数量的有用能, 即建水电站供家用电炊, 而发展煤气提供民用 燃料, 那么就可选择具有最小成本或具有最大的效益成本比值的项目。 2． 共同时标 为了选择比较各种项目, 它们的成本和效益所发生的时间必须是可比较的。需要把这些 项目在时标上调整到同一时刻再进行比较才是合理的。在经济评价中, 对各替代项目进行时 标调整常采用贴现现金流分析。 3． 相同的计算单位 比较不同能源建设项目时, 需要有相同内容的分析, 使用相同的计量单位。如人民币或 能量单位等。通常, 需把各种影响因素都转换成共同的单位, 例如单位产出能量的成本值, 从 ・ 1 96 ・

而选择最低成本的燃料项目。

6．3．2　 最小成 本分析 1． 最小的总成本现值 　 　 先举一个实例。某农村一村民组为满足该组农民生活炊事用能, 有一个种植薪炭林的计 划以替代煤炭作为炊事燃料的项目。表 6．5 为种植薪炭林项目在整个 20 年的寿命期内的成 本流( 第 3, 4, 5, 6 列) 和使用煤炭的成本流( 第 8 列) 。为相互可比, 表中第 7 列和第 9 列分别 列出了以贴现率( 即投资机会成本) 10% 的成本现值流和总成本现值。数字表明如果种植薪 炭 林, 农民 从第 5 年 到 第 20 年间 每 年比 购 买煤 炭 所化 的 成 本要 节 省很 多, 约 2192 元 ( 用 2800 元减去 608 元) 。当然在前 4 年农民不但要投资种薪炭林, 还由于薪炭林的 4 年成长期 仍需购买煤炭。现在问题是哪一种选择对该村民组更合算? 是在 20 年间一直购买煤炭并把 多余的钱投资在其它具有 10% 的收益率项目呢? 还是投资于薪炭林项目而放弃以 10% 收益 率去投资在其它项目的机会呢? 表 6．5 第 7 列和第 9 列给出计算结果。在贴现率 10% 的条 件下, 虽然种植薪炭林是 属于投资密集性 项目, 其相当多 的成本出 现在寿 命期的早 期, 而 购 买煤炭则完全 没有初始投资, 但结果仍表 明种植 薪炭林总 成本现 值 20807 元比 煤炭总成 本 现值 23838 元要低, 因此, 薪炭林项目是一个可接受的替代煤炭的项目。 表 6．5　 薪炭林项目和使用煤炭的成本及其比较 ( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

( 5)

( 6)

( 7)

薪　 炭　 林　 项　 目 年

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

( 8)

( 9)

使用煤炭

年贴现因子

材料

劳力

薪炭林成

总成本

薪柴成

煤炭

成本

( γ= 10% )

　

　

长期买煤

　

本现值

成本

现值

/元

/元

/元

/元

/元

/元

/元

4775 75 75 75 633 633 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608

2800 2800 2800 2800

12135 2875 2875 2875 633 633 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 608 30538

11032 2876 2160 1964 393 357 315 284 258 234 213 194 176 160 146 132 120 109 99 90 20807

2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 2800 56000

2545 2314 2104 1912 1739 1581 1437 1306 1187 1080 981 892 811 737 670 609 554 504 458 416 23838

0. 9091 0. 8264 0. 7513 0. 6830 0. 6209 0. 5645 0. 5132 0. 4665 0. 4241 0. 3855 0. 3505 0. 3186 0. 2897 0. 2633 0. 2394 0. 2176 0. 1978 0. 1799 0. 1635 0. 1486

4560

4560

・ 19 7・

　 　 这个例子说明了如何应用贴现现金流分析来比较选择具有最小总成本现值的项目。 值得注意的是贴现率的选取对成本现值大小影响是很大的。对于投资密集型项目, 其成 本支付时间在 项目早期, 因此在低现率情 况下, 其成本现 值相对较 小, 而在高贴 现率下相 对 昂贵。表 6．6 展现了不同贴现率情况下种植薪炭林和购买煤炭的现值成本值。可以看到, 贴 现率值越小, 对种植薪炭林项目越有利, 因为其成本现值相对较小, 反之贴现率越高, 则放弃 薪炭林项目更好。图 6．12 表示了该两个项目的现值随贴现率大小变化的曲线。其交点称作 均衡贴现率或替换贴现率。它表示在该点时, 两个项目总成本现值相等。从表 6．6 和图 6．12 所示结 果看, 如果比较 这两个 项目, 则①贴现 率低 于 12% 时, 以种植 薪炭 林为 宜; ② 贴现 率 高于 16% 时, 以购买煤炭为好; ③贴现率为 12% —16% , 不宜仓促做出选择。换句话说, 对于 资金特别短缺的地区, 它的贴现率值一般都很高, 因此在选择那些投资密集型项目时更要慎 重, 因为资金的短缺因而有更多的机会去选择具有更高效益的项目。 表 6．6　 薪柴和煤炭在各种投资机会成本下现值成本的比较 ( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

年贴现率

薪柴成本

煤炭成本

现值之差

年贴现率

薪柴成本

煤炭成本

现值之差

　

现值/ 元

现值/ 元

/元

　

现值/ 元

现值/ 元

/元

0. 0%

30538

56000

25462

11. 0%

20245

22297

2052

1. 0%

29033

50528

21494

12. 0%

19722

20914

1193

2. 0%

27697

45784

18087

13. 0%

19234

19669

435

3. 0%

25436

41657

15152

14. 0%

18779

18545

- 235

4. 0%

25436

38053

12617

15. 0%

18353

17526

- 827

5. 0%

24473

34894

10421

16. 0%

17953

16601

- 1352

6. 0%

23601

32116

8515

17. 0%

17576

15758

- 1819

7. 0%

22809

29663

6855

18. 0%

17220

14988

- 2233

8. 0%

22085

27491

5406

19. 0%

16884

14282

- 2601

9. 0%

21421

25560

4139

20. 0%

16564

13635

- 2930

10. 0%

20807

23838

3028

图 6．12　 薪柴和煤炭成本现值曲线

・ 1 98 ・

2． 最小的年金成本 最小成本方法也可用成本年金化来比较各项目。仍以上述的二个项目为例。由于煤炭 成本每年是固定不变的, 所以每年成本均为 2800 元。但薪炭林项目的年成本是变化的。为 了用年成本来 比较, 同样 可利用贴现现金 流量等值 公式, 即第一节 中所介 绍复利转 换公式, 计算出薪炭林项目年均化等值成本。首先把表 6．5 中第 6 项薪炭林现金流按 10% 贴现率计 算出现值总 成本, 即 20807 元, 然 后再应用 资本回收 因子公 式求得等 值年金 为 2444 元。表 6．7 为该 两项目 的等 值年金 成本。结 果表 明, 当贴现 率为 10% 时, 薪炭 林项 目 的年 金成 本 2444 元比煤炭的 2800 元低 356 元。这个结论和总成本现值的结果是一致的。 表 6．7　 薪炭林项目和使用煤炭的年金成本比较 ＊ 年

薪炭林的实际成本流/ 元

薪柴的年金成本/ 元

煤炭的年金成本/ 元

1

12135

2444

2800

2

2875

2444

2800

3

2875

2444

2800

4

2875

2444

2800

5- 6

633

2444

2800

7- 20

608

2444

2800

20807

20807

23838

现值( γ= 10% )

＊ 年金成 本按 利率为 10% , 年限 为 20a, 现 值成本 为 20807 元 。

　 　 与上述总 成本现值方法一 样, 在不同 贴现率 条件下, 薪炭林 年金也 不一样, 如表 6．8 所 示, 即在较低贴现率时, 种植薪炭林年金成本低于购买煤炭的年金成本; 而在较高贴现率时, 则高于购买煤炭的年金成本。图 6．13 为两个项目年金成本随贴现率变化的关系曲线。显然, 购买煤炭的年 金成本不随贴现 率变化, 而 薪炭林由 于有初始 投资, 但管理 运行成本 较低, 因 此年金成本随贴现率增加而增加。

图 6．13　 年金成本曲线

・ 19 9・

表 6．8　 薪柴和煤炭在各种投资机会成本下的年金成本比较 ( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

( 5)

( 6)

折现率

薪炭林成本的

年金因子

薪柴的年金

煤炭成本

煤炭的年金

成本/ 元

现值/ 元

成本/ 元

现值/ 元 0. 0%

30538

0. 0500

1527

56000

2800

1. 0%

29033

0. 0554

1609

50528

2800

2. 0%

27697

0. 0612

1694

45784

2800

3. 0%

26505

0. 0672

1782

41657

2800

4. 0%

25436

0. 0736

1872

38053

2800

5. 0%

24473

0. 0802

1964

34894

2800

6. 0%

23601

0. 0872

2058

32116

2800

7. 0%

22809

0. 0944

2153

29663

2800

8. 0%

22085

0. 1019

2249

27491

2800

9. 0%

21421

0. 1095

2347

25560

2800

10. 0%

20807

0. 1175

2444

23838

2800

11. 0%

20245

0. 1256

2542

22297

2800

12. 0%

19722

0. 1339

2640

20914

2800

13. 0%

19234

0. 1424

2738

19669

2800

14. 0%

18779

0. 1510

2835

18545

2800

15. 0%

18353

0. 1598

2932

17526

2800

16. 0%

17953

0. 1687

3028

16601

2800

17. 0%

17076

0. 1777

3123

15758

2800

18. 0%

17220

0. 1868

3217

14988

2800

19. 0%

16884

0. 1960

3310

14282

2800

20. 0%

16564

0. 2054

3402

13635

2800

　 　 上述例 子表 明, 无论是 用总 成本现 值还 是用 年金成 本进 行项目 比较, 其 结论应 是一 致 的。一般说, 如果被比较的项目具有不同寿命使用期, 或每年具有固定不变的成本系列, 则采 用年金法更好。由于年金法概念清楚, 也更容易为非经济工作者所接受。

6．3．3　 单位产 出成本分 析 如果所选择项 目的产出可以定 量测量, 则 常使用 单位产出 成本现 值最小来 比较选择 项 目。单位产出成本的确定是计算两个现值之比, 即以成本现值除以产品产量的现值。表 6．9 为我国某煤矿技改项目每吨煤 炭成本现值计算 结果。取投资机会 成本 10% 为贴现率, 则技 改项目后新增煤炭的成本现值为 37．18 元。这就是说, 如果煤矿按此价格出售其煤炭, 则对 改造煤矿的投资能得到 10% 的收益率。当然, 如果提高煤价, 则年收益率也将提高。利用这 种方法可以比较不同技改方案的优劣。 表 6. 10 列出了煤矿技改项目的成本现值随贴现率大小的变化情况。计算结果表明, 每 吨煤炭成本现值随贴现率即投资机会成本增高而变大。 ・ 2 00 ・

表 6．9　 煤矿技改项目现值成本 年

新增投资成本/ 10 6 元

1

93

2

186

32

218

1

3

93

97

190

3

4

258

258

8

7—20

322

322

10

5540

5912

172

2304

62

总计

新增远行成本/ 106 元

新增总成本/ 10 6 元

新增煤产量/ 106 t

93

372

现值( γ= 10% )

吨煤成本: 2304× 106 / 62× 106 = 37. 18 元/ t 表 6. 10　 煤矿改造项目在不同贴现率下吨煤现值成本的变化 ( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

贴现率

煤矿成本的现值/ 106 元

新增煤炭的现值/ 106 t

吨煤的现值成本/ 元/ t

0. 0%

5912

172

34. 37

1. 0%

5293

153

34. 59

2. 0%

4758

137

34. 83

3. 0%

4293

122

35. 07

4. 0%

3883

110

35. 34

5. 0%

3543

99

35. 61

6. 0%

3223

90

35. 90

7. 0%

2950

81

36. 20

8. 0%

2790

74

36. 51

9. 0%

2495

68

36. 84

10. 0%

2304

62

37. 18

11. 0%

2135

57

37. 53

12. 0%

1983

52

37. 89

13. 0%

1847

48

38. 26

14. 0%

1725

45

38. 65

15. 0%

1614

41

39. 04

16. 0%

1514

38

39. 45

17. 0%

1424

36

39. 86

18. 0%

1341

33

40. 28

19. 0%

1265

31

40. 72

20. 0%

1195

29

41. 16

21. 0%

1135

27

41. 61

22. 0%

1077

26

42. 06

6. 3. 4　 成本－效益方 法 成本－效益方法在我 国也称建设项目 的经济评价方法, 应用得十 分广泛。正如 本章第 2 节所说, 它包括财务评价和国民经济评价两部分。虽然它们评价的角度、成本和效益取值不 ・ 20 1・

同, 但评价的指标和计算公式是相同的。 成本－效益法 是通过贴 现现金流 分析, 直接计 算出几个 评价指 标, 据 此来评价 项目的 优 劣程度。主要指标有: 1. 净现值( NPV) 项目效益总现值减去成本总现值。如净现值大于零, 那么项目可行。 2. 效益成本比( B/ C) 效益总现值除以成本总现值, 也简称为益本比。如益本比大于 1, 那么项目可行。 3. 内部收益率( IRR ) 在 寿命 期内 使 净现 值 为 零的 贴 现率。 该贴 现 率 即内 部 收益 率, 如 超 过投 资 机会 成 本 ( OCI R) , 则投资在该项目比其它替代项目具有更好的投资资金效果, 项目可行。 具体计算时, 首先要确定总成本 B 和总收益现值 C 。设 bｎ 和 cｎ 分别为第 ｎ 年收益和成 本, N 为寿命期, ｉ 为贴现率。则利用第 1 节中现值因子计算公式, B 和 C 分别表示成: N

bｎ

∑ (1 +

B =

ｎ= 1 N

ｎ

ｉ)

ｎ

cｎ

∑ (1+

C=

ｉ)

ｎ= 1

则上述 3 个评价指标的计算公式可分别表示为: N

净现值: N P V = B -

C=

N

∑b ( 1 +

- ｎ

ｉ)

ｎ

∑c ( 1 +

-

ｎ

ｎ= 1

益本比:

B = C

N

ｎ

ｎ= 1

N

∑b ( 1 +

ｎ)

ｎ

- ｎ

ｎ= 1

∑c ( 1 +

ｉ)

ｎ

- ｎ

ｎ= 1

N

内部收益率( I RR ) :

ｎ) -

N

∑b ( 1 + ｎ

＊

ｉ )

- ｎ

=

ｎ= 1

∑c ( 1 + ｎ

＊

ｉ )

- ｎ

ｎ= 1

＊

I RR= ｉ

上式中内部收益率的计算比较麻烦, 用不同贴现率重复计算相应的净现值, 直至它等于零时 的那个贴现率, 即为内部收益率。一般可采用试探法, 利用上述公式找出相邻低和高的贴现 率 ｉ1 和 ｉ2 , 使 低贴现率 ｉ1 时 N P V 为正值, 而高贴现率 ｉ2 时为负值, 且这两个贴 现率之差 不 ＊

超过 2 个百分点, 然后用线性插值求解 ｉ , 即 I RR : ｉ＊ = ｉ1 + ( ｉ2 -

ｉ1 )

©¦N P V 1 ©¦ ©¦N P V 1 ©¦+ ©¦N P V 2 ©¦

　 　 仍然使用前面的煤矿技改项目为例。表 6. 11 为该项 目的成本－效益计算。当贴现 率取 10% 时, 净现值为 485× 106 元, 大于零。而益本比为 2789× 10 6 / 2304× 106 = 1. 21, 也大于 1。 应用上述插值法计算内部收益率为 28. 1% , 比投资机会成本 10% 要高出很多。因此无论选 用哪一个评价指标, 该技改项目是一个良好的投资项目, 是可以被接受的。图 6. 14, 图 6. 15 分别为煤矿技改项目成本现值和净现值曲线。

・ 2 02 ・

表 6. 11　 煤矿技改项目成本效益现值 ( 1)

( 2)

( 3)

( 4)

( 5)

( 6)

( 7)

年

增量总成

增加煤产

煤炭销售

煤炭销售

净收益

累计净现金流

本/ 106 t

量/ 106 t

价/ 元/ t

总收入/ 106 元

106 t

/ 10 6 t

　 0

- 93

- 93

1

93

2

218

1

45

45

- 173

- 266

3

190

3

45

135

- 55

- 321

4

258

8

45

360

102

- 219

5

322

10

45

450

128

- 91

6

322

10

45

450

128

37

7

322

10

45

450

128

165

20

322

10

45

450

128

1829

现值

2304

62

2789

485

( γ= 10% )

内部收率: I RR = 28. 1%

图 6. 14　 煤矿现值曲线

图 6. 15　 煤矿净现值曲线

6. 3. 5　 投资回 收期方法 上面 3 种方法 都是考虑了货币 的时间价值, 利用 贴现现金 流的分 析将不同 时间内的 资 金流入和流出换算成同一时点的值, 为不同项目的比较选择提供了同等的基础。这些方法称 之为动态评价方法。由于动态评价方法在反映投资盈利能力等方面具有显著的优点, 而且对 投资者树立资 金周期观念、利息观念、投入产出 观念、合理利用 资金并 提高经济 效益提供 了 坚实的基础, 因此这些方法 很快替代了传统的 静态评价方法而 得到了广泛的使 用。80 年代 初对 美国 58 家 大型 跨国 公司 所做 调 查表 明应 用 动态 方 法对 项 目进 行 投 资分 析 的已 超 过 76% 。 所谓静态评 价方法是对资金 的时间因素 不做价值 形态的 量化。这种 方法比较 简单、直 观, 使用也方便。在评价过 程中可以根据项 目的规模 和评价的 深度采 用和计算 静态评价 指 ・ 20 3・

标, 常用的是投资回收期或投资利润率。 “投资回收期”是指投资还本年限, 是项目净收益抵偿全部投资所需要的时间。该指标反 映了项目在财务上回收投资的能力。当回收期小于项目的经济寿命时, 项目可行。当比较几 个项目时, 就要选择具有最小投资回收期的项目。计算公式为: 　 N＊

　 N＊

∑b

ｎ

=

ｎ= 1

∑c

ｎ

ｎ= 1

式中　 N ＊ 为投资回收期, 一般用 RP 表示。它可通过财务现金流量表 累计净现金流为 零时 求得, 其计算公式表示成: RP =

累计净现金流量 上年累计净现金流量绝对值 - 1+ 当年净现金流量 开始出现正值年份

　 　 我们仍以前面使用过的煤矿技改项目为例。表 6. 11 第 7 列表明了该项目的累计净现金 流量, 在第 6 年时出现了正值, 因此该项目的投资回收期为: P R = 6 - 1 + 91/ 128 = 5. 71( 年) 　 　 如果项目投产后每年净收益相等时, 即年收益 b 减去年成本 c 保持不变, 则从建设 期后 算起的投资回收期 R P 可写成: RP =

I ( 年) b- c

式中　 I 为初始投资。 显然, 当投资者希望尽快回收他们的初始投资资金时, 当然愿意使用投资回收期法。但 它不能确切 反映项目能否增 加净收益这个基 本经济目 标, 而仅着眼 于投资回 收的速 度。因 此, 我们的目的是选择经济效益高的项目, 那么使用回收期法往往会导致错误的判断。这是 投资回收期法的局限性。例如有两个项目 A 和 B, 如表 6. 12 所示。若期望回收期为 3 年, 贴 现率为 10% , 如分别用回收期法 和净现值法计算 结果得到了不同的 结论。以回收期指 标比 较选择方案必然取 A 项目, 结果否定了投资少, 资金投入晚而净现值大的 B 项目。这显然是 不合理的。它的主要问题是不考虑货币时间价值, 以及在投资回收后项目的盈利能力, 因此 回收期法不适用于周期较长的项目和后期才出现高偿还的项目。 表 6. 12　 项目 A 与 B 的投资回收期和净现值 项　 目　 A 年

成本

1 1000 2 200 600 3 200 600 4 200 600 5 200 600 6 200 600 7 200 600 贴现率: ｉ= 90% 净现值 N P V: 内部收益率 IRR : 回收期:

・ 2 04 ・

收益

项　 目　 B

净现金

累　 计

- 1000 400 400 400 400 400 400

净现金 - 1000 - 600 - 200 200 600 1000 1400

674. 7 32. 7% 3. 5　 a

单位: 元

成本 700 300 150 200 250 250 250

收益

100 550 650 850 850 850

净现金

累　 计

- 700 - 200 400 450 650 600 550

净现金 - 700 - 900 - 500 - 50 550 1150 1700

799. 7 33. 1% 4. 09a

6．4　 建设项目的投资分析 前面介绍了项目的经济评价, 着重对它的经济效果进行分析。这时往往假设项目不用外 部资金, 全部投资和费用 均用自有资金提 供, 称 为全投资 经济效果 分析, 如果项 目在宏观 上 可行, 我们就要进行项目的投资分析, 包括项目投资资金来源、偿还方式等财务平衡分析。这 节将着重对资金花费、筹措和偿还方式, 时间序列及财务收支账目的平衡等财务问题进行讨 论, 并进而研究和比较在一定资金偿还和还款方式及筹集资金时间安排下项目的财务效果。 投资分析首先 是进行财务计划 的安排, 它 要求各 种来源的 资金流 入和资金 运用在时 间 上相一致, 不要使项目执 行过程中所需资 金得不到 保证, 也不要形 成资金 的闲置, 造成不 必 要的债务负担, 从而降底项目的经济和财务效果。第二步还要在一定财务计划的基础上进行 自有资金的财务效果分析。此时将项目利用的外部资金和还本付息的流动考虑在内, 比较多 种财务条件下的不同结果, 选取比较满意方案。 财务计划一般以财务报表的形式进行, 编制财务计划过程也即编制财务报表的过程。

6. 4. 1　 财务计 划表的编 制 财务计划表也叫资金来源和运用表, 或者叫财务平衡表。在这里, 我们选用国家计委编 制出版的《建设项目经 济评 价方 法 与参 数》中 的有 关表 格。表 格中 所用 的名 词 或术 语见 图 6. 16中所示。 工厂 成本 总成本

销售收入

折旧、摊销与流动资金利息 物料( 包括原材料、燃料、动力等) 投入与工资 其他费用 房产税、土地使用税、车船使用税

经营 成本

销售费用 销售税金( 产品税、增值税、营业税、城市维护建设税等) 教育费附加( 财务评价中可计入销售税金项内) 技术转让费( 指按年提成的部分) 营业外净支出 销售利润

资源税 利润总额 图 6. 16

所得税、调节税 企业留利 销售收入、成本、税金关系图

[ 8]

本章末附表 1 为财务平衡表的格式。在项目栏内包括了资金来源和资金运用两大部分。 表格头上列出了项目的建设期、投产期和达到设计能力的生产期等三个阶段, 表明了所做的 财务平衡是指项目整个寿命期内的财务平衡。在建设期和部分投产期, 资金主要来自于自有 资金和各种投资贷款。贷款方式可以是国内各类银行的各种利息率的贷款, 也可以是国际的 借贷。当进入投产期和正常生产期, 则资金主要通过企业的利润和折旧来获得。资金的运用 中包括了投资期内的固定资产投资, 投产期和生产期的运营成本和债务的偿还, 以及向国家 交纳的税收等。因此编制财务平衡表就是要把每年的资金来源或收入以及资金的支出或运 营逐年填入表格内。通过对比显示出整个项目财务平衡状况, 确定资金缺口的数量和时间, ・ 20 5・

以采取相应措施来弥补这个缺口。 项目借款的还本付息方案也是在编制财务平衡表的过程中进行的。例如, 因此而发生新 的资金缺口, 则需调整还贷方案或寻找新的资金来源。 一般说, 还本付息有多种计算方法: ( 1) 等额利息 法: 即每期只 归还利息 ( 因 借款总额 不变, 所以利 息是等额 的) , 本金在 最 后一期一次还清。设借款本金为 P 0 , 利率为 ｉ, 偿还期为 ｎ 年, 则: 第 t 年偿还的利息为: P 0 ｉ　 ( t = 1, 2, …, ｎ - 1) 第 t 年偿还的本金为: P 0 　 ( t= ｎ) ( 2) 等额 本金法: 即每 期归还等 额本金 并支付 应付 利息( 每 期归还 的利 息因贷 款总 额 递减而递减) 因此有: 第 t 年偿还的利息为: [ P 0 - ( P 0 / ｎ ) ( t - 1) ] ｉ 第 t 年偿还的本金为: P 0 / ｎ ( 3) 等额年金法( 或等额摊还法) : 即每期归还等 额的本 利和( 其中还 本额逐期 递增, 而 付息额逐期递减, 其和不变) , 有: ｉ[ ( 1+ ｉ) ｎ - ( 1+ ｉ) t - 1 ] 第 t 年应偿还利息: P 0 ( 1+ ｉ) ｎ - 1 - 1 t- 1 ｉ( 1+ ｉ) 第 t 年应偿还本金: P 0 ( 1+ ｉ) ｎ - 1 ｎ ｉ( 1+ ｉ) 第 t 年应偿还本利和为: P 0 ｎ ( 1+ ｎ) - 1 第 t 年应偿还的本利和与 t 无关, 即每年均相等。 ( 4) 一次性偿付: 即全部本利都在最后一期一次还清, 中间并不偿付本息。 第 t 年偿付利息:

0　 ( t= 1, 2, …, ｎ- 1)

　

P 0 ( 1+ ｉ) - P 0 　 ( t= ｎ)

ｎ

第 t 期偿付本金: P 0 　 ( t = ｎ ) 末期偿付本利和: P 0 ( 1+ ｉ)

ｎ

( 5) 偿债 基金法: 即对 原贷款每 期归还等 额的利 息 P 0 ｉ, 同时另 外每 期存 入等额 年金, 其利息率 ｉ′ , 到最后一期取出存款正好归还本金, 这种方法只有 ｉ′ > ｉ 时才有实际意义。 第 t 年归还原贷款利息: P 0 ｉ ｉ′ ( 1+ ｉ′ ) ｎ- 1 按什么标准选择还本付息方案呢?复利的计算可以保证各还本付息方案都是等值的, 因 第 t 年存入偿债年金: P 0

此单就其本身 来说似乎无优劣 可言, 但实 际上还本付 息是项目 现金流 量的一个 主要组成 部 分, 不同的还本付息方 案不仅对项目的 现金流量产生 直接影 响, 而 且通过税 金的计 算( 利 息 一般允许税前列支) 给项目的现金流量造成间接影响。但在有些情况下, 还本付息方案是借 款时由银行确定的。在条件允许情况下, 应从项目本身利益的最优来选择还本付息方案。 附表 1 中资金运用一栏的第 8 行是所得税, 一般是指利润总额( 即毛利) 的百分之若干。 有些项目国家可能采取减免的优惠政策, 或者在项目生产期前几年减免税收。因此视情况而 填入相应的所得税额。第 9 行是盈余资金。这一项数字必须都为正数, 这是编制财务计划表 的原则, 这个数字若为负值就意味着这一年的资金用转不开, 这在财务上是不可行的。 ・ 2 06 ・

表 6. 13 是某项目的财务平衡表实例。表中列出了项目从开始建设到最终报废的整个寿 命期的现金流量, 其中分成项目的建设期, 此时期项目尚无收入; 开始生产期, 此时期项目开 始投产运行, 但尚未达到设计指标, 尚不能满效率运行; 全部能力生产期, 此时期内项目已达 到设计标准, 全部生产能力均能发挥。 表 6. 13　 财务平衡表实例 [8] 投 产 年　 份 建设期 期

序 　 号 项

1

目

2

3

生产负荷( % ) ( 一)

5

达到设计能力生产期 合计 6

7

8

9- 17

18

80% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

资金来源 1． 利润总额

634

941

941

941

941 941× 9 941 13808

2． 折旧费

214

214

214

214

214 214× 9 214

其中: 可作为归还借款的折旧

164

164

164

164

164

3210 820

3． 固定资产投资借款

374 2039 801

3214

( 1) 国内借款

224 839 205

1268

( 2) 外汇借款

150 1200 596

1946

4． 流动资金借款

261

65

326

5． 企业自有资金( 用于流动资金)

111

28

139

6． 回收固定资产余值

360

360

7． 回收自有流动资金

139

139

来源小计 ( 二)

4

单位: 104 元

374 2039 801 1220 1248 1155 1155 1155

10395 1654 21196

资金运用 1． 固定资产投资

374 2039 801

3214

2． 流动资金

372

93

3． 还款的企业留利

13

19

19

19

4． 企业留用的折旧

18

18

18

18

18 182× 9 182

1910

5． 自折旧中提取的能源交通基金

32

32

32

32

32

32× 9

480

6． 固定资产投资借款利息支付

718

242

165

80

18

1223

( 1) 国内借款利息

458

163

116

61

16

814

( 2) 外汇借款利息

260

79

49

19

2

409

7． 固定资产投资借款本金偿还

67

844

921 1006

376

3214

( 1) 国内借款本金

2

478

525

613

328

1946

( 2) 外汇借款本金

65

366

396

393

48

1268

465 70 32

8． 所得税

391 518× 9 518

5571

9． 盈余资金

320 423× 9 922

5049

运用小计

374 2039 801 1220 1248 1155 1155 1155

10395 1654 21196

　 　 表中 ( 一) 列出的各种资 金的来源, 除利润、折旧、贷款、自有资 金外, 还有固 定资产的 余 值和自有留动资金的回收。它们均按其得到的年限填入表中, 作为该项目的现金流入, 在表 内应认为是正数。( 二) 中表示资金的使用, 在表中虽用正号表示, 但应理解为负值, 包括了建 设投资、营运成本、贷款利息的还贷及税金等, 按其支出列入表中。

・ 20 7・

6. 4. 2　 利润表 财务平衡表所研究的是整个寿命期内现金流量收支平衡问题, 保证项目有足够资金, 以 使其正常运营。但该表未涉及项目获利情况的分析, 而这正是投资者所最关心的问题. 因此 应编制利润表, 如章末附表 2, 也称净收入表。 表 6. 14 是和表 6. 13 同一项目的利润表。表中给出了该项目运营后的收支情况及利润 情况。在支出栏中, 因资源税及营业外净支出很小, 故未计入表中。 单位: 104 元

表 6. 14　 利　 润　 表 投产期

生产期

项 目 生产负荷

4

5—18

80%

100%

( 一)

产品销售收入

7050

8813× 14

130432

( 二)

总成本

6018

7375× 14

109268

( 三)

销售税金

398

497× 14

7356

( 四)

销售利润: ( 一) - ( 二) - ( 三)

634

941× 14

13808

( 五)

利税和: ( 三) + ( 四)

1032

1438× 14

21164

年

序号

份

合计

6. 4. 3　 现金流 量表 在项 目的现 金流 量计算 时, 我们 将项目 看成 一个 独立的 系统, 流 入系统 的 现金 就是 收 益, 如销售收入、残值回收等。自有资金原来就在系统内部, 故不算流入。流出系统的现金就 是费用, 如基建投资、运营成本、还本付息、交纳税金等。这就是识别财务评价中效益与费用 的基本原则。在此容易引起混淆的是折旧费的处理, 折旧费的大小表示固定资产随着磨损转 移到产品中的价值, 它是组成产品成本的一部分, 所有产品折旧费的总和在数量上就等于固 定资产投资额。在流量计算时计算了固定资产投资这项支出, 成本项目就不应再包含折旧的 运营成本。另外, 流入项目系统的销售收入中, 已包含了对折旧这部分转折价值的回收, 不应 再将折旧计为收入了。另一种计算办法是在计算成本时使用包括折旧在内的生产成本, 因而 在支出项中重复计算了一次折旧的资金, 同时在收入项目将折旧资金计为收入, 以将支出计 算时的重复抵消, 以上两种办法的计算结果是相同的。 项目某一年的流量计算公式为: 　 　 　 　 　 销售收入- 总成本- 销售税金- 其它支出= 销售利润 　 　 　 　 　 销售利润- 所得税= 净利润( 企业留利) 　 　 　 　 　 净利润+ 折旧= 年净现金流量 项目整个寿命期内的现金流量计算公式为: 现金流量= 投资额+ 净利润+ 折旧+ 残值及流动资金回收 章末附表 3, 4 分别为现金流量表的全部投资和国内投资表。应用前一节所介绍的计算 方法, 可分别计算上述项目的财务效果。表 6. 15 为全部投资的财务计算结果。内部收益率 为 25. 27% , 比 贴现率 ( ｉc = 17% ) 高 8 个百分 点, 显 示了该 项目的盈 利能力, 项 目是可 行的。 计算的投资回收期为 6. 4 a ( 包括建设期) , 投资回收能力很大。 ・ 2 08 ・

・ 20 9・

・ 2 10 ・

表 6. 16 为存在外部资金时的现金流量表和对自有资金的经济效果分析, 由于存在外部 资金, 在资金支出计算中存在还本付息的项目, 因外部资金的还本付息在现金流量计算中已 及时扣除, 所以在净现值的计算中所体现的是自有资金部分的净现值, 与之相联系的内部收 益率的计算和投资回收期的计算则均为内部自有资金的内部收益率和投资回收期。计算表 明, 国内投资的内部收益率为 30. 13% , 大于全部投资内部收益率的值。由此可见, 当借款利 率低于投资全部收益率时, 国内资金的收益率将高于全部投资收益率。反之, 当借款利率高 于全部投资内部收益率时, 国内投资收益率将会低于全部投资内部收益率, 这时的贷款是不 利的。前者情况下债务比例越大, 国内资金的内部收益率越大, 贷款越多, 越有利; 后一种情 况下债务比率越大, 则国内资金的内部收益率越小, 这种项目经济效益较差。这是因为贷款 利率是事先定好的, 不以项目的盈利状况为转移。国外银行在贷款时对于债务与自有资本比 率有一定规 定, 以减少 银行贷款的风险。不 同国家和 不同项目 对这个 比率的规 定均有所 不 同。

6．5　 不确定性分析 项目评价所采用的数据大部分来自预测和估算, 而且评价所依据的环境、条件及有关因 素的变动, 使项目评价都有一定程度的不确定性。为了分析不确定因素对经济评价指标的因 素影响, 需要进行不确定性分析, 以判断项目可能承担的风险, 确定项目在财务上、经济上的 可靠性。不确定性分析方法有敏感性分析、盈亏平衡分析和概率风险分析。敏感性分析还有 一种变化形式, 称为“转换值”分析( s wit ching value ) 。这几种分析方法将在下面分别介绍。

6. 5. 1　 敏感性 分析 通过分析、考察与经济评价有关的主要因素发生变化时对评价指标, 如项目净收益或内 部收益率的影响程度。如果某一影响因素变动引起项目内部收益率的变动幅度越大, 则可说 该项目对该影响因素越“敏感”。例 如某一项目的原 材料成本价格变 动 10% , 而引起的 项目 内部收益率变动了 25% , 则可以说项目对原材料价格变动是很敏感的。反之, 如果原材料价 格变 动 10% , 而项目 内部 收益 率只变 动 5% , 则 可认 为项目 对原 材料 价格变 动 是不 够敏 感 的。“敏感性分析”一词也由此而来。一般来说, 对经济评价指标的主要影响因素有: 产品产 量和价格、主要原材料、可变成本、固定资产投资、建设周期等。通常敏感性分析就是进行这 些因素单独变化或多因素同时变化对项目内部收益率的影响程度。表 6. 17 为前述煤矿技改 项 目 对 总 成 本 和 总 收 益 的 敏 感 性 分 析。 当 总 成 本 提 高 10% 时, 内 部 收 益 率 将 由 原 来 的 28. 1% 下降到 19. 43% , 即下 降了 30. 8% , 项目 对总成本 变化是很 敏感的, 具有 较大的投 资 风险。然而当煤炭销售 价提高 10% 时, 该 项目的内部收益率 也由 28. 1% 增加到 36. 7% , 提 高了 30. 3% , 这说明项目也有较大的潜在效益。图 6. 17 是该项目的敏感性分析图。项目内 表 6. 17　 煤矿技改项目的敏感性分析 ＊

现值( OCI R = 10% ) / 106 元

总成本现值

总收益现值

净收益现值

内部收益率

2304

2789

485

28. 1%

・ 21 1・

成本增加, 收益率变化率

+ 10%

收益增加, 收益率变化率 转换值( OCI R= 10% )

- 30. 8% + 10%

485/ 2304= + 21%

+ 30. 3%

- 485/ 2789= - 17%

＊ 现值数 据取 自于表 6. 11。

部收益率随成本增加而下降, 随收益增加而上升。当成本或收益变化到使内部收益率降到投 资机会成本时, 就是允许成本或收益的最大变动幅度。反映在图中是成本曲线和收益曲线与 投资机 会成本曲 线的 交点 A 和 B, 相 应的 成本和 收益 的最大 变动 幅度 为+ 21% 和 - 17% , 也称为临界点。越敏感的变化因素其临界点越小。从下面的转换值分析可以看到, 项目对某 一影响因素的临界值就是该因素的转换值。

图 6. 17　 项目敏感性分析图示

6. 5. 2　 转换值 分析 这是另一种形式的敏感性分析, 只是提问的方式不同。它问的是影响内部收益率的某一 个因素变化多少时使项目内部收益率降到投资机会成本。从而使该项目从可接受变到不能 接受。表 6. 17 下面的最后一行就是煤矿技改项目成本和收益的转换值。 转换值的计算是很容易的, 在上述例子中 项目成本的转换值 就是用净现值 485× 10 6 除 6

以此项目成本现值 2340× 10 , 所得的值为 21% 。它表示了当项目成本现值增加了 485× 10

6

元, 即增加了 21% , 该项目内部收益率将从原有的 28% 下降到 10% , 即投资机会成本值。换 句话说, 当成本现值增加 21% 时项目内部收益率将跌落到 10% , 项目变得不能接受。用同样 的方法计算项目收益的转换值 为- 17% 。这表示如 果煤炭价格下降 17% , 项目内部收 益率 将从 28. 1% 下降到 10% , 项目变得不能接受。 由于转换值计 算比前面敏感性 分析的计算 更为方便, 因此 它常常 用于分析 每一个影 响 项目内部收益率的因素的。例如成本中的原材料和劳动力, 效益中的产量和售价等。仍应用 6．3 中所利用过的种植薪炭林项目替代购买煤炭项目以满足民用能源需求为例。表 6. 18 计 算了各种影响因素( 材料、劳动力等) 的转换值。表中原始数据取自于表 6. 5。这里分析了每 一个影响因素变化多少使种植薪炭林的好处( 相对于购买煤炭的净节省) 变为零。结果表明 种植薪炭林的原材料和劳动力的转换值很大, 分别达到 73% 和 39% , 并不“灵敏”。然而当煤 ・ 2 12 ・

炭价格降低 13% 时, 就会使种植薪炭林项目变得不能接受。这个分析很有意义, 说明煤炭价 格变动对薪炭林项目能否成立是很敏感的。这个分析似乎也启发我们, 如果为了减少树木砍 伐, 或 要封山育林改善生 态环境, 政府可采用煤 炭价格补 贴的政策, 以 鼓励农民 使用煤炭 作 为燃料, 所花的代价可能比农民种植薪炭林方案从经济上更有效。

・ 21 3・

表 6. 18　 种植薪炭林和购买煤炭成本的转换值 生产薪柴成本 材料

劳动力

到开采时成本

总成本

现值( OCI R= 10% ) / 元

4144

7788

8875

20807

转换值

73%

39%

34%

15%

煤　 炭　 成　 本 煤炭成本

种薪炭林比煤炭净节省

现值( OCI R= 10% ) / 元

23838

3031

转换值

13%

6. 5. 3　 盈亏平 衡分析 这种分析 主要是计算项目 投产后的盈亏平 衡产量( B E P ) , 以观察项目对风 险的承受 能 力。通常可根据项目正常生产年份的产量、可变成本、固定成本及销售价来进行计算。常用 下列两种公式: B E P ( 生产能力利用率) =

年固定成本 × 100% 年销售收入- 年可变成本( 含税金)

年固定成本 B E P ( 产量) = 单位产品价格- 单位产品可变成本- 单位产品销售税金 B E P ( 产量) = 设计生产能力× B E P ( 生产能力利用率) 公式 BE P ( 产量) 中的 分母表示 了单位产 品价格 扣除单位 产品可 变成本和 税金后的 余 额, 称 之为单位贡献的毛 收益, 它 必须抵偿不受 产品产量 影响的年 固定成 本, 得 到了该项 目 投产后保本的最低产量, 即盈亏平衡产量。如果由于各种原因使产量达不到盈亏平衡量, 就 要亏本, 该项目就要承担很大风险。同样, 公式 BE P ( 生产能力利用率) 表示了该项目投产后 必须保证的生产能力的最低开工率, 否则该项目就要亏本。

6．6　 经济评价方法在能源系统模型中的应用 在能源规划中, 无论是地区能源规划, 还是某个能源部门的规划, 无论是长期规划, 还是 中短期规划, 都要研究为 满足国民经济各 部门不断增 长的能源 需求下 能源系统 如何发展 的 问题。欲在规划 年份提高能源供 给水平, 则 需在规划 期内新增 或扩建 常规能源 的生产设 施 ( 如煤矿、油田等) 和能源转换设 施( 如电 站、炼油厂 等) , 或者 引入替代 能源技术 ( 如 核能、太 阳能、风能等) 。对这些工程项目进行可行性分析时, 应用本章所介绍的经济评价方法, 对这 些项目在经济上进行分析比较, 对于节约资金, 提高经济效益是大有好处的。当然, 对于能源 设施的经济评价, 还不能仅限于该工程项目的本身, 而应从使整个能源系统甚至整个国民经 济得到较大收益的战略角度分析。有可能某个能源设施的建造, 对这个项目本身经济平价的 结果是不可取的, 但从整个国民经济系统来看, 它的经济效益可能是很显著的, 也就是说, 由 于能源供应量的增加, 促进了其它生产部门的发展, 带来了较大的经济效益。在本书以后章 ・ 2 14 ・

节中, 对能源系统作“影子价格”分析时, 将较详细地讨论这一点。 对能 源工程 项目 本身经 济评 价, 也是我 们建 立能 源系统 模型 的基础, 其 经 济评 价的 结 果, 往往是构造能源系统最优化模型所必需的参数。也就是说, 能源系统模型要在对每个工 程项目进行经 济评价的基础上, 对它们进 行综合、系统的 全面评价, 以 在满足国 民经济各 部 门对能源需求的前提下, 对它们各自的发展速度、规模进行最优化的选择。在以后的章节中, 还将详细介绍在能源系统模型中, 与工程项目的经济评价方法有关的一些问题。

6. 6. 1　 经济评 价方法在 静态能源系 统模型中 的应用 静态能源系统最优化模型, 用以研究未来某一规划年份能源供给系统的最优结构, 也就 是在满足各种 最终用能形式需 求的前提下, 使能源系 统供能成 本最低 的能源供 给及转换 途 径。模型只求解规划年的一年的能源供应结构, 而不涉及从基年到规划年间每年动态变动的 情况, 所以称它为静态最优化模型。 该种模型的目标函数一般选取为规划年份的供能成本最低。其成本应包括各种能源开 采、运输及转换等工艺环节的年运行成本及上述各环节固定资产按年回收的资金成本。前一 种成本是与各环节的生产水平相联系的, 是与产量有关的可变成本; 后一种成本与环节的生 产水平无关, 只要该环节 的容量存在, 其固定资 产所占资 金就要回 收, 它是与产 量无关的 固 定成本。在模型 中, 一般我 们分别设置代表 生产水平 的决策变 量和代 表环节容 量的决策 变 量, 两种成本则分别与两种变量相联系。例如, 设 X k, j 为规划年份第 k 个工艺环节所生 产的 用于第 j 种用途的能源量, Yk 为第 k 种工艺环节在规 划期内新增的设 备容量。 X k, j 与 Yk 为 内生变量, 如考虑该项设施的经济规模, Yk 可设为整数变量, S k 为外 生变量。比如对于 燃煤 电站, X k, j 即表示规划年份供给第 j 种最终用能 形式的电量, Yk 即表示 在规划期内新建 该种 电站的装机容量, 而 S k 则代表基期所具有的该种电站的容量。它们相 互关系可用约束 条件 表示为:

∑X

k, j

- αk Yk ≤ α′ kSk

j

其中　 α k、 k 分别为新建设施和原有设施单位容量年生产的能源量。 α′ 与其相联系的目标函数部分可记为: min Z =

∑ ∑ VC k

k, j

X k, j +

j

∑F C Y k

k

k

式中　 VC k, j —— 第 k 种环节的年生产运行成本; F Ck —— 新建设施按年回收的资金成本。 在模型中, 由于基期已有 设施的容量为 已知量, 与之 相联系的 资本也 是常数, 它不影 响 模型优化的结果, 所以模型中不必考虑。 VC k, j 为相应的年运行成本, 不外生给出。F C k 是环 节设施的投资成本按年回收量, 其计算方法有以下几种。 1. 资本回收法 该方法是在考虑一定的投资报酬率的前提下, 在其经济寿命期内, 将初始投资每年等额 地回收。每年所回收的金额计为按年回收的资金成本, 也就是上节所讨论的等额年金成本。 其计算方法与等值年金成本的计算相同, 以残值偿债基金法为例, 有 F C = E UA C = P ¡¤CR F ( ｉ, ｎ) -

SV ¡¤SF F ( ｉ, ｎ) ・ 21 5・

　 　 知道该项设施单位容量的初始投资 P 、服役年限 ｎ、残值 S V 及 预定资金报酬率 ｉ 之后, 即可求出该项投资的资金成本 F C 。 2. 直线折旧加平均利息法 该法每年资金 成本的计算, 是将初始投 资采用 直线折旧 的方式, 每年 等额收回, 然后 再 考虑投资的报酬率, 每年再加上平均利息, 即得到投资资金的年成本。 每年折旧额 =

P - SV ｎ

第一年末利息= P ・ｉ= ( P - S V ) ・ ｉ+ SV ・ ｉ P - SV + ・ ｎ ｉ SV ｉ 1 P - SV 每年平均利息= ( P - SV) ｉ+ SV・ｉ+ ｉ+ SV・ｉ 2 ｎ P - SV ｉ = P + SV+ ｎ 2 所以, 该法计算的年资金成本为: 第 ｎ 年末利息=

FC =

P - SV + ｎ

P + SV +

P -

SV ｎ

ｉ 2

　 　 直 线折旧加 平均利 息法计算 结果略小 于资本 回收法的 计算结 果, 在 模型中选 取 F C 的 值时, 以资本回收法最为常见。

6. 6. 2　 经济评 价方法在 动态能源系 统模型中 的应用 动态能源系统 最优化模型要考 虑从基年到 规划年之 间整个规 划期的 动态发展 过程, 它 把规划分成几个时间周期, 在模型中对每个时间周期能源的供求关系都要详细研究。假定每 个时 间周期 取为 一年, 那么 在模 型中要 逐年 列出 约束条 件, 以描 述能源 系统 的动态 变化 过 程。它的目标函数一般取整个规划期内的总费用最低, 考虑到货币的时间价值, 它应为在整 个规划期内贴现的总费用最低, 即规划期内每年所付费用的现值总和最小。 和静态模型的处理办法相类似, 在动态模型中, 一般也把每年支付的费用分为可变费用 和固定费用两种, 模型中决策变量也区分为代表生产水平的变量和代表设备容量的变量, 它 们分别 与可变 费用和固 定费用相 联系。在此, 我 们假设规 划期 为 T 年, 每个 时间周 期为 一 年。并设 X k, j , t 为第 k 种工艺环节在第 t 年所生产的用于第 j 种用途的能源量, Yk, t 为 第 k 种 工艺环节在第 t 年投产的设施容量。如果考虑新建能源设施容量必须具有一定的经济规模, 那么可以将 Yk, t 设为整数变量, 取其为经济规模倍数的离散值。假设该项目建成后的经济寿 命为 ｎ 年, 显然 t 年投产的项目将在( t + ｎ) 年退役, 设 t 时刻在役的生产容量为 X P k, t , 则有

∑X

k, j , t

-

X P k, t ≤ 0

j

X P k , t-

1

+ Yk, t - Yk, t-

ｎ

-

X P k, t = 0　 ( t = 1, 2, …, T ; k = 1, 2, …)

　 　 目标函数中要求整个规划期内贴现的总费用最低, 对每个时间周期而言, 其费用有该年 的生产运行成本和新建设施的投资。在动态模型中, 我们不采用将投资折算为等额年金成本 以在其寿命 期内逐年回收的 办法, 而是 按实际情况 考虑每 年所实际 支付的资 金。为计算 简 单, 这里假定 投资均发 生在每 年之初, 而每年 项目只 投资一次, 那么 第 t 年的总投 资即为 所 ・ 2 16 ・

有工艺环节在该年新建容量的总投资之和。第 t 年的总投资 I t 即为: m

∑ ∑b

It =

Yk, t + λ　 ( t = 1, 2, …, T )

k, λ

λ = 1

k

其中 m 为建设周期, bk, λ为单位第 k 种设施施容量在投产前 λ年所需投资额。在模型中, 有时 要限制每年的投资总额或限制每年投资的递增速度, 则可表示为: I t ≤ I N Vt 或

( 1 + σ) I t -

It -

1

≤0

其中, I N Vt 为第 t 年所允许的最大投资额, σ为所允许每年投资的增长率。 由于 模型的 规划 期是有 限的, 在 规划期 内某 一年 所投资 新建 的设 施, 在规 划期 末第 T 年可能并未到其经济寿命, 这时相应于其残余寿命的那部分投资不应算为规划期的总费用, 在计算规划期总费用时应把这部分残值收回, 以补偿第 t 年的总投资额。不然计算结果在靠 近规划期末尾 时会尽量选择那 些始投资少, 使用年限 也相应短 而经济 效果并不 一定好的 项 目, 这会使模型带来“末端效应”, 而补偿残值的处理手段可尽量减少末端效应的影响。 在目标函数中, 使系统贴现的总成本最小, 应为贴现的总运行费用和贴现的投资之和减 去残值的贴现值最小, 有: minZ =

∑ (1 +

m

1 ｉ) t -

t

t+ ｎ- T

-

∑∑ k

τ = 1

1

∑∑ C

k , j, t

k

X k, j , t +

j

1 T+ ( 1 + ｉ)

∑ ∑b

Yk, t+

k, λ

λ

λ = 1

k

m τ - 1

crf ( ｉ, ｎ)

∑b

Yk, t + λ

k, λ

λ= 1

式 中, C k, j , t 为单 位能 源流量 的生 产运 行成本; crf ( ｉ, ｎ ) 为资 本回收 因子, 其 中 ｉ 为 年利 率, ｎ 为设施的经济寿命( 年) 。且有: ｎ

ｉ( 1 + ｉ) crf ( ｉ, ｎ) = ｎ ( 1 + ｉ) - 1 　 　 在动态能源系统最优化模型中, 按上述讨论的原则选取目标函数的成本系数, 则能有效 地去除末端效应的影响, 从而较好地对每种能源工程项目进行综合的经济评价, 选择合理的 能源系统结构, 为制定能源系统的发展规划提供参考。

6．7　 项目综合评价 6．7．1　 综合评 价意义 　 　 前面阐明的经济评价是从财务和国民经济角度进行工程项目的资金投入和产生效益的 分析。这当然是十分重要的内容。然而, 一个工程项目的建设可能带来的效果不仅仅是经济 方面, 还会有其它效益, 如间接的经济效益、生态效益和社会效益等。能源工程项目的建设更 具有多种效益的特点。以农村能源为例, 在农村能源供求平衡中生物质能是一项重要的能源 资源, 而生物质资源既可作为燃料, 又是畜牧饲料、有机肥料和轻工业原料。所以生物质资源 的合理分配对农村经济发展有直接影响, 并且与生态环境也密切相关。因此农村能源工程项 目的建设, 小到节柴灶、沼气池的 普及和推广, 大到中 小型水电 站的建 设都不仅 具有项目 本 身的经济效益, 而且有更广泛的能源、间接经济和生态等效益。例如几百万个户用沼气池的 推广, 特别 是以 沼气 池为中 心环 节的家 庭庭 院经 济的出 现, 不仅 使沼气 池建 设投资 很快 回 ・ 21 7・

收, 获 得了经济和能源效 益, 而且 由于充分利 用沼渣液 作肥料、饲料, 促进 了种植业、养殖 业 的发展, 改善了农业生态 的平衡, 实现了家庭式 的生态农 业的模式, 使 沼气池推 广成为具 有 多种综合效益的项目。 另一方面, 能源工程项目 的建设除了资 金的约 束外, 还有技术 管理等 方面的限 制, 甚 至 人们的习俗和心理状态都可能是能源工程项目的制约因素。仍以农村能源为例, 我国过去几 年以试点县形式推广节柴灶取得了很大成绩, 然而在某些农村地区, 虽然在资金上得到了国 家的扶持, 但由于缺少技术人员以及管理水平的落后, 很难普及和推广高效节柴灶。甚至少 数地区由于人们传统风俗, 认为灶王爷是神, 不能任意搬动而拒绝改灶。这些因素都变成了 某些工程项目的制约。 因此, 对能源工程项目的多种效益和多种制约的综合分析和评价是必要的, 它将使我们 能更全面地考虑项目的综合效果。而且, 一个地区为满足能源需求要进行的能源项目和可供 选择的工艺有多种多样, 因此根据项目的效益和制约也有一个比较和排序问题, 使有限的资 金、人力、物力投入到综合效果最好的项目上去。 这里提出的能源工程项目的综合评价的矩阵方法主要 内容是: 分 析这些项目所能 获得 的各种效益和 总效益及其所受 到的各种主客观 条件的限 制, 进 而得到 各个项目 的综合获 益 能力和发展潜力, 使决策者对各项目可产生的效益及所受限制有一个数量概念, 从而为能源 建设决策提供参考依据, 使选择的能源工程项目有最好的综合效果。

6．7．2　 综合评 价方法 1． 效益矩阵 　 　 在能源建设中, 根据本地情况, 一般要考虑到多能互补, 进行多种项目的建设。其中每一 个项目都会取得一定效益, 包括经济的、社会的和生态的多方面的效益。把不同项目的各种 效益用数量来表示, 记为矩阵形式, 我们称之为效益矩阵, 用 B 来表示:

B =

b11

b1 2

…

b1ｎ

b21

b2 2

…

b2ｎ

…

…

…

…

bm1

bm 2

…

bmｎ

B 是 m× ｎ 阶矩阵, 表示有 m 个项目, 每个项目有 ｎ 种效益。其中 bｉj 表示第 ｉ 项目所取 得的 第 j 种效益的值。 效益矩 阵 B 中的 元素数 值通常以 物理量 来衡量, 不 同种 类的效 益度 量的 物理量 不同, 且其数值大小在不同种类效益之间也经常相距甚远, 为对各种效益进行综合评判, 我们将各 种效益 化成无量 纲的数 值, 以 便比较和 综合, 为此我 们将效 益矩 阵 B 处 理为 相对效 益矩 阵 , 其中元素 B′ b′ ｉj =

bｉj max bｉj ｉ

即在效 益矩阵 B 中, 对于表示 一种效益 的同一 列, 每 个能源 项目 的效益 值均 被该列 中最 大 的效益值去除, 即表示各能源项目对同一种效益相对获益的能力。 ・ 2 18 ・

2． 制约矩阵 能源项目的建 设无不受着人力、物力、财力 等各种因 素的制约, 这 些限制因 素影响了 能 源的建设规模及其效益的发挥。每种制约因素对不同的能源项目的限制程度是不同的。换 言之, 不同项目受各种制约因素的影响程度也是不一样的。把各种制约因素按对不同项目的 制约程度大小加以定量化, 构成制约矩阵 C: c1 1

c1 2

…

c1 l

c2 1

c2 2

…

c2 l

…

…

…

…

cm 1

cm 2

…

cm l

C=

C 是 m× l 阶矩阵, 表示有 m 个项目, l 种制约因素。其中 cｉj 是第 ｉ 项目受第 j 种制约因素的 制约值。这些制约因素包括资金、资源、人力、社会因素( 用户心理、风俗习惯等) 和政策因素 等。也可以把制约看作是广义的费用。 与效益矩阵类 似, 制约矩 阵中的元素数 值是由 物理量或 评分得 来, 为 便于比较 和综合, 亦需将其化为相对制约矩阵 C ′ , 其中元素 c′ ｉj =

cｉj max cｉj ｉ

3． 权重向量 ( 1) 效益权重向量 在确定每个项目的综合效益时, 不同地区, 决策者对每种效益的重要性的看法和要求是 不同的, 例如有些地区把能源建设的社会效益看得比经济效益更为重要, 而有些地区则更偏 重于经济效益。把各种效益重要性的程度用数值来表示, 从而构成各种效益的权重向量 β: β= [ β1 , β2 , …, βｎ ] 其中 βj 为 j 种效益的权重系数。 ( 2) 制约权重向量 与效益相类似, 各种制约因素在不同地区所起的制约作用或其所处地位也是不同的, 作 用有“轻”、 “ 重”之别。以制约权重向量 σ来表示各种制约因素作用的大小, 对制约因素加权: σ= [ σ1 , σ2 , …, σl ] 其中 σj 表示第 j 种制约因素的权重系数。 4． 综合效益因子和综合制约因子 ( 1) 综合效益因子向量 每个能源项目的综合效益因子为其各 种效益的加权之 和, 由相对 效益矩阵 B′ 和效 益权 重向量 β可得到表示各个能源项目综合效益的向量 ξ:

ξ= B ′ βT =

b′ 11 b′ 12 …

b′ 1ｎ

β1

b′ 21 b′ 22 …

b′ 2ｎ

β2

…

…

┆

mｎ b′

βｎ

…

…

m1 m2 b′ b′ …

ξ1 =

ξ2 ┆ ξm

m× 1

・ 21 9・

其中 ξ ｉ 即第 ｉ 个项目各效益的加权和, 称之为综合效益因子。 它反映了该项目与其它项目相 比获益的相对值。 ( 2) 综合制约因子向量 由相对制约矩阵 C ′ 和其权重向量 σ, 即可得到综合制约因子向量 η:

T

η= C′ σ=

c′ 11 c′ 12 …

c′ 1ｎ

σ1

c′ 21 c′ 22 …

c′ 2ｎ

σ2

…

…

┆

c′ mｎ

σｎ

…

…

c′ m1 c′ m2 …

η 1 η 2 =

┆ η m

m× 1

其中 η ｉ 是第 ｉ 项目所受到的各种制约因素的加权和, 称之为综合制约因子。 它反映了该项目 与其它项目相比受到的总的制约的相对值。 5． 综合评价因子 对每个项目而 言, 其综合 效益因子越大, 表 示它和其 它项目相 比获益 能力越强, 因此 其 发展的优越性 也越大; 如 果其综合制约因 子越大, 则表示 它与其它 项目相 比, 所 受到的限 制 大, 其发展必受到较大的制约, 因此其发展的潜力较小。我们取每个项目综合效益因子 ξｉ 和 综合制约因子 ηｉ 的 比值作为评价每个 项目的综合指标, 称为综 合评价因子, 记为 f ｉ , 它 反映 了每个项目的综合发展潜力, 有:

f =

f

1

f

2

┆ f

m

ξ1 / η1 ξ2 / η2 =

┆ ξ m/ η m

f 即为综合评价因子向量。 6． 项目规模的可比性 应用上述方法对能源项目进行综合评价时, 应使各个项目建立在可比的基础上。比如农 村地区发展沼 气池、小水 电站和省柴灶, 首先要 对它们的 规模作一 些规定, 使它 们在等同 的 规模上进行比较。一般有如下几种比较的基础: 以相同的能量产出为基准, 把各种项目都折 算到具有相同能量产出的规模; 以相同的建设投资为基准, 把各项目规模都折算到具有相同 投资的 规模; 以受益人 口或户 数为基准, 把项 目的规 模都折算 到可使 相同的人 口或户数 受 益的规模。还可以根据实际情况选择其它的基准。总之, 是以项目之间相互可比为原则。在 进行综合评价时, 还有一个时间标准。需要确定一个时间周期, 一般以一年为单位进行分析。 7． 参数决定 在上述评价方 法中, 有四 组参数需要确定, 它们是 矩阵 B 和 C 以 及权重向量 β和 σ, 可 采用以下 3 种方法来确定这些参数。 ( 1) 用实际物理量确定参数 这种方法用来确定那些可以直接定量化的、物理意义比较明确的参数。这些参数取其实 ・ 2 20 ・

际数值即可。例如经济效益, 通过对项目进行经济评估就可以得到其具体值。再如资金限制, 直接取该项目所需的投资额即可。这些参数意义明确, 较易得到比较精确的数值。 ( 2) 相对值法 有些参数目前还没有精确的定量化方法, 它的绝对数值无法确定, 因此可采用评分的相 对值方法。这里可取 0—5 的评分数值, 其意义如下: 在效益矩阵中, 0—— 没有效益; 　 　 　 　 　 　 　 　 　 3—— 效益较好; 1—— 稍有一点效益;

4—— 效益很好;

2—— 有一些效益;

5—— 效益非常好。

在制约矩阵中, 0—— 没有制约;

3—— 制约较可观;

1—— 稍有一点制约;

4—— 制约很大;

2—— 有一些制约;

5—— 制约非常大。

用上述两种方法即可得到矩阵 B 和 C 的数据。 ( 3) 层次分析法 对于权重向 量 β和 σ中的权重系 数, 我们可 采用层次 分析法来 求得。比如 在分析效 益 时, 有经济效益、社会效益和生态效益 3 类, 在每类中还有若干子效益。例如, 在社会效益中, 有生活质量的 提高、劳动 强度的减轻和改 善卫生等 多种子效 益; 在 环境效 益中有改 良土壤、 提高林木覆盖 率和改善大气质 量等; 在经 济效益中有 直接经济 收益和 促进经济 发展的间 接 效益。怎样对这多种子效益加权, 对它们的重要性加以优先次序的排队呢? 面对这样复杂的 问题, 层次分析法是一种有效的工具。 层次分析法就 是按照各类因素 之间的隶属 关系把它 们排成从 高到低 的若干层 次, 建 立 不同层次元素之间的相互关系, 根据对同一层元素相对重要性进行比较的结果, 决定层次各 元素重要性的先后次序, 从而得到各元素的权重值。在 6．7．4 中, 我们将结合实例进一步说 明使用层次分析法确定权重向量的过程。

6．7．3　 计算实 例 选择一个县开发和利用小水电站、沼气池和省柴灶三个项目的分析, 做为该综合评价方 法的应用例证。 1． 确定项目等同比较规模 以年产出相等的能量为标准定项目的规模。这里的能量产出既包括实际产量, 也可指节 约或替代能量。并确定以一年为时间周期。 我们取该县建一个 820kW 的小水电站的年产出能量作为确定规模的标准。该小水电站 年发电量可达 600× 10 4 kW ・ h , 折合标准煤 2 526 t ( 0. 421kg 标煤/ ( kW ・h ) ) 。其它项 目也 以年产出或节约 2 526t 标准煤的规模计算, 则沼气池 需 3 536 个, 省柴灶 需 3 693 个。 在相 同能量产出( 或替代和节能) 的规模下, 各项目的成本及年收益如表 6．19 所示。 ・ 22 1・

表 6．19　 能源项目的成本和净收益 规　 　 　 　 模

年成本

年净收益

( 年产出或节约 2 526t / 标煤)

/ 104 元

/ 10 4 元

装机 820kW , 年发电量 600× 104 kW・h

19　

24　

3 536 个户用 沼气池, 每个沼气池 年替代 0．7143t 标煤( 与效率为

16

34．3

8% 普通柴灶相比较)

　

　

项　 目 小水电站 沼气池 　 省柴灶

3 693 个节柴灶, 每个灶年节柴 1．2t

2．6

23．3

2． 确定效益矩阵 在效益矩阵 B 中, 元素 bｉj 表示第 ｉ 项目所能获取的第 j 种效益, 取 ｉ= 1 代表小水电站, ｉ= 2代表沼气池, ｉ= 3 代表省柴灶, j = 1- 7 则分别对应如下效益: j 效益

1

2

3

4

5

6

7

直接经

间接经

提高生

减轻劳

改善环

改良

增加植被

济效益

济效益

活质量

动强度

境卫生

土壤

覆盖面积

　 　 根据前面所述方法, j = 1 时, 直接经济效益即取其 年净收益值, j = 2- 7 时, 则采用 相对 评分的方法, 所得矩阵如下: B =

24

5

5

5

1

0

0

34. 3

4

3

4

5

5

4

23. 3

1

0

2

2

1

2

　 　 由效益矩阵 B 进而得到相对效益矩阵 B ′ : B′=

0. 7

1. 0

1. 0

1. 0

0. 2

0. 0

0. 0

1. 0

0. 8

0. 6

0. 8

1. 0

1. 0

1. 0

0. 68

0. 2

0. 0

0. 4

0. 4

0. 2

0. 5

3． 确定制约矩阵 对能源建设起 制约作用的因素 有多种, 如经 济、技 术、管 理、习 惯心理 和不确定 因素等。 不确定性制约 是一些不确定因 素对能源项目建 设可能带 来的风险, 如 某个项目 建设失败 或 不能达到预期收益的可能性。在制约矩阵中, 我们选取 5 种制约因素, 分别为: j

1

2

3

4

5

制　 约

经　 济

技　 术

管　 理

心　 理

不确定性

　 　 j = 1 时, 经济制 约即取各 项目的年 成本( 包括 折旧) 数值, j = 2- 5 时, 用打 分的方法 取 其相对数值, 得 C 矩阵如下: C= ・ 2 22 ・

19. 0

2

1

0

1

16. 0

3

4

5

3

2. 6

1

0

2

0

　 　 由此进而得相对制约矩阵 C′ 如下: C′=

1. 0

0. 67

0. 25

0. 0

0. 33

0. 84

1. 0

1. 0

1. 0

1. 0

0. 14

0. 33

0. 0

0. 4

0. 0

4． 权重向量 用层 次分析方 法可求 得效益权 重向量 β和制约 权重向量 σ( 具体计算 过程见 下节) , 其 数值为: β= [ 0. 425　 0. 212　 0. 067　 0. 164　 0. 027　 0. 070　 0. 035] σ= [ 0. 557　 0. 090　 0. 090　 0. 205　 0. 058] 由 β和 σ可以看到, 直接 经济效 益的权系 数 β1 = 0. 425, 是效 益权系 数中 最大 的, 说 明该 地 区最重 视项目 的直接经 济效益。在 制约权向 量中, 经济制 约因素的 权为 σ1 = 0. 557 是最 大 的, 即表示在该地区经济状况对能源项目的发展起主要制约作用。 5． 综合效益因子和综合制约因子的确定 由相对效益矩阵和效益权重向量可得综合效益因子: 0. 425 0. 212 T

ξ= B ′ β=

0. 7

1. 0

1. 0

1. 0

0. 2

0. 0

0. 0

0. 067

0. 746

1. 0

0. 8

0. 6

0. 8

1. 0

1. 0

1. 0

0. 164 =

0. 898

0. 68

0. 2

0. 0

0. 4

0. 4

0. 2

0. 5

0. 027

0. 439

0. 070 0. 035 　 　 由相对制约矩阵和制约权重向量可得综合制约因子: 0. 557 η= C′ σT =

1. 0

0. 67

0. 25

0. 0

0. 33

0. 090

0. 659

0. 84

1. 0

1. 0

1. 0

1. 0

0. 090 =

0. 911

0. 14

0. 33

0. 0

0. 4

0. 0

0. 205

0. 190

0. 058 6． 综合评价因子的确定 由综合效益因子和综合制约因子可得综合评价因子: f =

ξ1 / η1

0. 746/ 0. 659

1. 132

ξ2 / η2 =

0. 898/ 0. 911 =

0. 986

ξ3 / η3

0. 439/ 0. 190

2. 311

7． 几点结论 根据上述计算结果, 可归纳如下几点结论: 第一, 由综合效益因子可以看到, 在年产同等能量的前提下, 沼气池的综合效益最高, 其 ・ 22 3・

次是小水电站, 再之是省柴灶。这主要是因为沼气的效益是综合而广泛的, 它不仅有较好的 经济效益, 也有着较好的社会效益和生态效益, 因此其综合效益比较显著。 第二, 由综合制约因子可见, 在 3 个项目中, 沼气的发展所受制约最大, 而省柴灶发展所 受制约最小。这主要是因为沼气的发展受技术、管理和社会心理的影响较大, 其发展受到较 大限制, 因之在发展沼气过程中克服这些制约因素的影响是很重要的。 第三, 综合评价因子 f 反映了项目的综合发展潜力和综合优势。可以看到, 省柴灶的综 合评价因子远 大于其它两个项 目, 尽管其 综合效益 因子不很 高, 但 其所受 制约最小, 具有 最 大的发展潜力。因之, 该地区应把推广省柴灶放在优先地位。 第四, 由上 述分 析可 见, 该 评价 方法 不仅可 结合 单个项 目的 经济 评价进 行 综合 效益 分 析, 而 且还综合分析其发 展所受的制约, 进而评 价每个项 目的综合 发展潜 力及优势, 其评 价 所得结果可为决策提供参考。

6．7．4　 层次分 析法及其 应用 1． 层次分析法 [ 13 ] 　 　 人们在进行社会的、经济的以及科学管理领域问题的系统分析中, 面临的常常是一个由 相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统。层次分析法为分析这类复杂的社会、经济 以及科学管理领域中的问题提供了一种新的、简洁的、实用的决策方法。 用层次分析法作系统分析, 首先要把问题层次化。根据问题的性质和要达到的总目标, 将问题分解为 不同的组成因素, 并按照因 素间的相互 关联影响 以及隶 属关系将 因素按不 同 层次聚集组合, 形成一个多层次的分析结构模型。并最终把系统分析归结为最低层( 供决策 的方案、措施等) 相对于最 高层( 总目 标) 的相 对重要性权 值的确定, 或 相对优劣 次序的排 序 问题。 在排序计算中, 某一层次 的因素相对上一 层次某 一因素的 单排序 问题又可 简化为一 系 列成对因素的判断比较。为了将比较判断定量化, 层次分析法引入 1—9 比率标度方法, 并写 成矩阵形式, 即构成所谓的判断矩阵。形成判断矩阵后, 即可通过计算判断矩阵的最大特征 根及其对应的特征向量, 计算出某一层元素相对于上一层次某一个元素的相对重要性权值。 在计算出某一 层次相对于上一 层次各个因素的 单排序权 值后, 用上一 层次因素 本身的权 值 加权综合, 即可计算出该层次因素相对于上一层整个层次的相对重要性权值, 即层次总排序 权值。这样, 依次由上而下即可计算出最低层因素相对于最高层的相对重要性权值或相对优 劣次序的排序值。决策者根据对系统的这种数量分析, 进行决策、政策评价、选择方案、制定 和修改计划、分配资源、决定需求、预测结局、找到解决冲突的方法等等。 这种将思维过程数学化的方法, 不仅简化了系统分析和计算, 还有助于决策者保持其思 维过程的一致性。在一般的决策问题中, 决策者不可能给出精确的比较判断, 这种判断的不 一致性可以由判断矩阵的特征根的变化反映出来。因而, 我们引入了判断矩阵最大特征根以 外的其余特征 根的负平均值作 为一致性指标, 用以检 查和保持 决策者 判断思维 过程的一 致 性。 对有些总目标 可以分解为若干 关系确定的 子目标时, 各子 目标可 以分别建 立中间层 次 各异的层次分析结构。在分别计算出各子层次的排序问题后, 我们得到同一最低层次的不同 ・ 2 24 ・

排序结果, 按照它们 对应子目标之间 的关系, 将相应排序 权值对应 相乘( 除) , 即 得到总目 标 的排序结果。如在层次分析中的效益费用及资源分配分析中, 通常需要建立两个子模型: 效 益子层次结构, 代价( 费用) 子层次结构模型。 某市能源供应存在的主要问题有: 能源供应分散、设施落后及污染严重等。根据该市具 体情况, 有关部门提出改 造其能源供应系 统可供选择的主 要方案有: ① 加工制作高效 煤制 品; ② 实现区域供热; ③ 建造热电 联供系统; ④ 逐步实现城市 煤气化; ⑤ 郊区推广沼 气 池, 形成以沼气为主的农村生活用能供应系统。通过分析不难看出, 上述措施在节能、降低环 境污染等社会综合效益方面, 以及投资、造成原有设备闲置等所付出的综合代价方面各不相 同。为了对上述各种方案依照其重要性排序, 可以分别构造出以效益和代价为子目标的两个 子层次分析结构模型, 分别如图 6．18( a ) , ( b) 所示。

图 6．18　 效益与代价层次结构

这样我们依据两个子层次模型, 构造比较判断矩阵, 计算出效益和代价两个排序的特征 量, 并 将其对应元素相除 并规一化, 便可得到 按效益/ 代价作为 总目标 的各种方 案的相对 排 序权值。 进行层次分析法的分析和计算大体分为 5 个步骤: ( 1) 建立层次结构模型 在深入分析所 面临的问题之后, 将问题 中所包 含的因素 划分为 不同层次, 如目 标层、准 ・ 22 5・

则层、指标层、方案层、措施层等等, 用框图形式说明层次的递阶结构与因素的从属关系。当 某个层次包含的因素较多时( 如超过 9 个) , 可将该层次进一步划分为若干子层次。 ( 2) 构造判断矩阵 A 判断矩阵 元素的值反映了 人们对各因素 相对重要 性( 或优劣、偏好、强度等 ) 的 认识, 一 般采用 1—9 及其倒数的标度方法。当相互比较因素的重要性能够用具有实际意义的比值说 明时, 判断矩阵相应元素的值则可以取这个比值。 ( 3) 层次单排序及其一致性检验 判断矩阵 A 的特征根 问题 AW = λma x W 的 解 W , 经规一化 后即为 同一层次 相应因素 对 于上一层次某因素相对重要性的排序权值, 这一过程称为层次单排序。上式中 W 为判 断矩 阵 A 的特征 向量, λma x 为最 大的特征根。为进 行层次单排序( 或判断矩 阵) 的 一致性检验, 需 要计算一致性指标 CI =

λma x - ｎ ( 为元素数) 并与平均随机 一致性指标 RI 进行比较。 当随 ｎ- 1 ｎ

CI < 0. 10 时, 认为 层次 单排 序的结 果有 满意的 一致 性, 否则需 要调 整 RI 判断矩阵的元素取值。 机一致 性比率 CR =

( 4) 层次总排序 计算同一层次所有因素对于最高层( 总目标) 相对重要性的排序权值, 称为层次总排序。 这一过程是最高层次到最低层次逐层进行的。若上一层次 A 包含 m 个因素 A 1 , A 2 , …, A m , 其层次总排 序权值 分别为 a 1 , a 2 , …, a m , 下一层 次 B 包含 ｎ 个因 素 B 1 , B 2 , …, B ｎ , 它们对 于 因素 A j 的层次单排序权值分别为 b1j , b2j , …, bｎj ( 当 B k 与 A j 无联系时, bkj = 0) , 此时 B 层次 总排序权值由下表给: 层次 A 层次B

A1

A2

…

Am

a1

a2

…

am

B 层次总排序权值 m

B1

b11

…

b12

b1m

∑a b j

1j

j= 1 m

B2

b21

…

b22

b2m

∑a b j

2j

j= 1

┆

┆

┆

┆ m

Bｎ

bｎ1

…

bｎ2

bｎm

∑a b j

ｎj

j= 1

　 　 ( 5) 层次总排序的一致性检验 这一步骤也是从高到 低逐层进行的。如 果 B 层次某些因 素对于 A j 单排序的一致 性指 标为 CI j , 相应的平均随机一致性指标为 R I j , 则 B 层次总排序随机一致性比率为 m

∑ a CI

j

∑ a RI

j

j

CR =

j= 1 m

j

j= 1

类似地, 当 CR < 0. 10 时, 认为层 次总排序 结果具 有满意的 一致性, 否则 需要重新 调整判 断 矩阵的元素取值。 ・ 2 26 ・

2． 层次分析法的应用 应用层次分析法计算上述计算实例中的效益和制约的权重向量。 ( 1) 效益权重向量 ① 建立层次结构 如图 6．19 所示。

图 6．19　 层次结构

② 构造判断矩阵 判断矩阵表示针对上一层次某元素, 本层次有关元素之间的相对重要性。这个相对重要 性用数值表示就构成了判断矩阵。它是通过元素间两两相比较而得来的, 其比较数值通常取 1—9 及其倒数, 以 N 层判断矩阵 A －N 为例, 其含义为: 1—— N ｉ 与 N j 两者重要性相同; 3—— N ｉ 比 N j 稍重要; 5—— N ｉ 比 N j 明显重要; 7—— N ｉ 比 N j 很重要; 9—— N ｉ 比 N j 极端重要。 如果取偶数值, 表示其重要性介于两个相邻奇数之间。 该判断矩阵取值为: A

N1

N2

N3

N1

1

3

5

N2

1/ 3

1

3

N3

1/ 5

1/ 3

1

　 　 在该矩阵中表示经济效益比社会效益稍重要, 比生态效益明显重要。矩阵中对角线元素 均为 1, 对称元素互为倒数。 对于 P 层判断矩阵有:

・ 22 7・

N 1 －P :

N1

P1

P2

N 2 －P :

N2

P3

P4

P5

P1

1

2

　

P3

1

1/ 3

3

P2

1/ 2

1

　

P4

3

1

5

P5

1/ 3

1/ 5

1

N 3 －P :

N3

P6

P7

P6

1

2

P7

1/ 2

1

　 　 ③ 层次单排序 层次单排序就是根据判断矩阵计算本层次与上一层次某元素有联系的元素之间重要性 程度的相对值, 其归 结为求判 断矩阵 的特征向 量问题, 即对 判断矩阵 A －N 计算 满足 AW = m ax W 的特征向量 W 。其相应 W ｉ 值即该层次的排序权重值。 λ

对判断矩阵 A －N 求得: W A = ( 0. 637　 0. 258　 0. 105)

T

　 　 其最大特征根 λ m a x = 3. 02, 根据最大特 征根计算一致性 指标, 尚需 对计算结果进行 一致 性检验, 如果表明具有满意一致性, 则 W A 即为该层次所求权重向量。 以上结果经检验 具有 满意一致性( 检验步骤从略) 。 对于判断矩阵 N 1 －P , N 2 －P , N 3 －P , 分别有: W N 1 = ( 0. 667　 0. 333)

T

W N 2 = ( 0. 258　 0. 637　 0. 105) T W N 3 = ( 0. 667　 0. 333)

T

　 　 其检验结果具有满意一致性。 ④ 层次总排序 利用同一层次中所有层次单排序的结果, 就可以计算针对上一层次而言, 本层次所有元 素重要性的数值, 这就是层次总排序。层次总排序需要从上到下逐层次进行, 总排序结果亦 需进行一致性检验。总排序结果有: N P P1 P2 P3 P4

N1

N2

N3

层次 P 总

0. 637

0. 258

0. 105

排序结果

0. 667 0. 333 0 0

0 0 0. 258 0. 637

0 0 0 0

0. 0. 0. 0.

425 212 067 164

N1

N2

N3

层次 P 总

0. 637

0. 258

0. 105

排序结果

0 0 0

0. 105 0 0

0 0. 667 0. 333

0. 027 0. 070 0. 035

N P P5 P6 P7

由总排序结果得到了效益权重向量: β= ( 0. 425　 0. 212　 0. 067　 0. 164　 0. 027　 0. 070　 0. 035) 　 　 ( 2) 求制约权向量 σ 建立判断矩阵为: A

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

1 1/ 6 1/ 6 1/ 4 1/ 7

6 1 1 3 1/ 2

6 1 1 3 1/ 2

4 1/ 3 1/ 3 1 1/ 3

7 2 2 3 1

・ 2 28 ・

用上述同样方法求得制约权重向量: σ= ( 0. 557　 0. 090　 0. 090　 0. 205　 0. 058) 附表 1　 财务平衡表 年

序号 项 ( 一)

( 二)

份

目

建设期

投产期

1

3

2

单位: 104 元　 达到设计能力生产期

4

5

…

6

合计 ｎ

　 生产负荷 　 资金来源 1． 利润总额 2． 折旧费 　 其中: 可作为归还借款的折旧 3． 固定资产投资借款 　 ( 1) 国内借款 　 ( 2) 外汇借款 4． 流动资金借款 5． 企业自有资金 　 ( 1) 用于固定资产投资 　 ( 2) 用于流动资金 6． 回收固定资产余值 7． 回收自有流动资金 　 来源小计 　 资金运用 1． 固定资产投资 2． 流动资金 3． 还款期间的企业留利 4． 企业留用的折旧 5． 自折旧中提取的能源交通基金 6． 固定资产投资借款利息偿还 　 ( 1) 国内借款利息 　 ( 2) 外汇借款利息 7． 固定资产投资借款本金偿还 　 ( 1) 国内借款本金 　 ( 2) 外汇借款本金 8． 所得税 9． 盈余资金( 或资金短缺) 　 运用小计 单位: 104 元　

附表 2　 利润表 年

序号 项

目

投产期

份

达到设计能力生产期 合计

3

4

5

6

…

ｎ

生产负荷 ( 一)

产品销售( 营业) 收入

( 二)

总成本

( 三)

销售税金

( 四)

技术转让费

( 五)

销售利润:

・ 22 9・

续表　 　 年

序号 项

投产期

份

达到设计能力生产期 合计

目

3

4

5

…

6

ｎ

( 一) －( 二) －( 三) －( 四) ( 六)

资源税

( 七)

营业外净支出

( 八)

利润总额: ( 五) －( 六) －( 七)

注 : 技术 转让 费是指 生产 期支付 的技 术转让 费。

附表 3　 财务现金流量表( 全部投资) [ 9] 年

序号

项

份

目

建设期

投产期

1

3

单位: 104 元

达到设计能力生产期 合计

2

4

5

6

…

ｎ

　 生产负荷 ( 一)

　 现金流入 1． 产品销售( 营业) 收入 2． 回收固定资产余值 3． 回收流动资金 　 流入小计

( 二)

　 现金流出 1． 固定资产投资 2． 流动资金 3． 经营成本 4． 销售税金 5． 技术转让费 6． 资源税 7． 营业外净支出 　 流出小计

( 三)

　 净现金流量

( 四)

　 累计净现金流量 计算指标: 财务内部收益率: 财务净现值( ｉc = 　 % ) : 投资回收期:

　 　 注 : ( 1) 根据 需要 可在现 金流 入和现 金流 出栏里 增减项 目。 ( 2) 生产 期发 生的更 新改 造投资 作为 现金流 出单独 列项 或列入 固定 资产投 资项 中。 ( 3) 经营 成本 中不包 括基 本折旧 、摊 销费 、流 动资金 利息 、矿 山项 目采矿 部分的“维简费 ”。 ( 4) 对 于某 些项目 , 如 合资 企业或 老厂 改造项 目需计 算改 造后效 益的 , 必 要时可 以在 建设期 前另 加一栏“建 设起 点 ”。 将建 设期以 前发 生的现 金流 出填写 在该栏 , 计算净 现值 时不予 折现。 ( 5) 技术 转让 费系指 生产 期支付 的技 术转让 费。

・ 2 30 ・

附表 4　 财务现金流量表( 国内投资) [ 9] 年　份

序号 项

目

建设期

投产期

单位: 104 元

达到设计能力生产期 合计

1

2

3

4

5

6

…

ｎ

　 生产负荷 ( 一)

　 现金流入 1． 产品销售( 营业) 收入 2． 回收固定资产余值 3． 回收流动资金 　 流入小计

( 二)

　 现金流出 1． 固定资产投资中国内资金 2． 流动资金中国内资金 3． 国外借款本金偿还 4． 国外借款利息支付 5． 经营成本 6． 销售税金 7． 技术转让费 8． 资源税 9． 营业外净支出 　 流出小计

( 三)

　 净现金流量

( 四)

　 累计净现金流量 计算指标: 财务内部收益率: 财务净现值( ｉc = 　 % )

参　 考　 文　 献 1. 黄孟藩编. 管理决策概论. 北京: 中国人民大学出版社, 1982 2. 唐守正编著. 可行性研究. 辽宁人民出入社, 1983 3. 沈景明主编. 机械工业技术经济学. 北京: 机械工业出版社, 1980 4. 李营章著. 企业经营决策 ． 北京: 中国展望出版社, 1982 5. 展广伟主编. 农业技术经济学 ． 北京: 中国人民大学出版社, 1980 6. D H 艾伦著. 陈演汉泽. 工程项目经济评价入门 ． 北京: 化学工业出版社, 1983 7. D D 奥利伯, K . C 施尼伯格著 ． 叶谦吉译 ． 现代家业企业管理 ． 北京农业出版社, 1982 8. 国家计划委员会编 ． 建设项目经济评价方法与参数 ． 中国计划出版社, 1988 9. 国家计委投资司. 建设项目经济评价方法与参数实用手册 ． 北京: 新华出版社, 1990 10. J 普赖期・吉延格著 ． 农业项目的经济分析 ． 北京: 中国财政经济出版社, 1986 11. 肖笃甥编 ． 工程投资分析 ． 北京: 机械工业出版社 12. 邱大雄等编 ． 农村能源综合建设规划与实施 ． 北京: 清华大学出版社, 1991 13. 赵焕臣等 ． 层次分析法 ． 北京: 科学出版社, 1986

・ 23 1・

7　 能 源 系 统 模 型 7. 1　 系统分析概论 7. 1. 1　 系统与 模型 如果我们把真实世界的一部分称为一个系统, 则一个系统是一个三元组, 可记为 系统 = {状态事物集合, 环境事物集合, 关系集合}

( 7. 1)

其中一个状态 事物为用来确定 这一部分真实世 界所处的 状态的事 物, 一个环境 事物为真 实 世界的其他部 分中能对本部分 产生影响的事物, 一个 关系为状 态事物 与状态事 物之间的 联 系, 或为状态事物与环境事物之间的联系。真实世界的这一部分在真实世界的其他部分所提 供的环境中, 遵循关系集合所代表的规律而运动。如果将状态看作环境的函数, 则一个系统 可记为 状态( 环境)

( 7. 2)

如果将状态看作输出量, 环境看作输入量, 则一个系统可记为 　 　 环境

系统

状态

( 7. 3)

　 　 真实世界的其余部分也是由一些系统构成的。一个系统的状态事物可以是另一些系统 的环境事物, 一个系统的环境事物必定是另一些系统的状态事物。这就是说各系统之间存在 着复杂的相互联系。在一个大系统的内部, 还可以再划分出若干较小的子系统, 所以系统又 有着嵌套结构。 如果能分别用 状态变量和环境 变量来度量 状态事物 和环境事 物, 且能用数 学语言把 关 系集合表达出来, 则这个系统的数学模型, 简称模型, 就能被建立起来。与式( 7. 1) , ( 7. 2) 和 ( 7. 3) 相对应, 一个模型可记为 模型 = {状态度量集合, 环境变量集合, 关系式集合}

( 7. 4)

或 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 状态( 环境)

( 7. 5)

或 　 　

环境

模型

　 　 状态

( 7. 6)

这里状态应理解为状态变量空间中的一点, 环境应理解为环境变量空间中的一点。我们不能 指望, 状态是环境的单值映射。求解一个模型经常是指, 在环境变量值给定的情况下, 寻找使 关系式集合成立的状态变量的值。所以求解模型是对系统运动的模拟。 由上面的叙述可知, 我们把一个模型看成一个系统在数学意义上的无条件等价物。不幸 得很, 这只是我们的愿望。我们能做到的只是, 一个模型是一个系统的可算的近似。可算性 ・ 2 32 ・

是指, 模型是可解的, 且模型的用户付得起和愿意付求解模型所花费的代价。近似性是指, 由 于真实系统通常是非常复杂的, 所以模型不可能在完全精确的意义上对系统进行模拟。一个 模型的精度高, 必然复杂, 可算性也就差, 反之亦然。好的模型是能满足给定精度要求的具有 良好可算性的模型。 模型的可算性是一个客观指标, 可用使用模型所花费用来度量。模型的的精度也是一个 客观指标, 可用系统的真实状态来度量。但是这后一个指标在严格意义上是无法使用的。因 为模型主要用来预测未来, 而系统未来的真实状态是未知的。我们常用谈论模型的可用性来 代替谈论模 型的精度。这是一个 主观指标, 是指模型 按过去的 和现在 的系统真 实状态校 准 后, 模型预测的系统未来状态按经验判断是合理的。所以好的模型是具有良好可算性和良好 可用性的模型。 由于模型只是真实系统的近似, 所以它们之间并没有一一对应的关系。同一个系统, 可 被一系列具有不同精度和不同可算性的模型模拟。

7. 1. 2　 系统、模型 与决策 一个决策过程涉及两个系统, 决策者系统和 被决策系统, 它们之间的 关系可以用图 7. 1 表示。在这里, 被决策系统的环境被分成两部 分, 一部分是主观环境, 即决策者系统作出的 决策, 另一部分是客观环境。决策者系统根据 被决策系统的状态和客观环境作出决策。被 决 策系 统 的 状 态 是对 客 观 环 境 和 决 策 的 响 应。决策者系统的任务是, 通过作出的决策, 使被决策系统能较好地应付客观环境的可能

图 7. 1　 真实决策过程

的变化, 而达到使决策者满意的状态。实际上, 决策者系统是被决策系统的控制器, 决策是控 制变量。 决策者系统 代表着决策者在 决策过程中 的行为。决 策者可能 是一个 人, 也 可能是一 组 人。实际上, 决策者作为人, 他的行为可分为两类。第一类符合定量的因果关系, 因而可以被 模型化。第二类取决于他本人的偏好, 因而不可能被模型化。不同人的偏好是不同的, 同一 个人的偏好也不是固定的。这后一类行为, 与其说表现出科学性, 不如说表现出艺术性。一 个出色决策者的领导才能, 其魅力也在于此。我们约定, 总是将决策者的第一类行为并入被 决策系统, 使决策者系统仅代表决策者的第二类行为, 即完全不可被模型化的行为。 我们约定, 被决策系统是可被完全模型化的, 即仅讨论最简单的决策问题。如果不是这 样, 则讨论的将是多级嵌套决策问题。 从图 7. 1 可知, 决策者作 出决策, 一要估计 客观环境 的变化, 二要 预测被决 策系统未 来 状态, 即被决策系统对客观环境和决策的响应。实际上, 前者是预测其他系统的未来状态, 已 超出我们的讨论范围。原则上, 后者可用经验方法、实验方法和模型模拟方法来解决。在人 类认识真实世界的进程中, 这 3 种方法相辅相成, 都起着巨大的作用。 当代高层次决策者面对的是复杂的大社会经济系统。对于这样的被决策系统, 经验方法 给出的, 与其说是预测, 不如说是直觉猜测。在这样的被决策系统上做实验, 通常要冒极大的 风险, 甚至是完全不可行的。模型模拟是在真实系统“等价物”模型上进行的数学实验。由于 ・ 23 3・

当代 计算机 技术 和应用 数学 的发 展, 使 这种 数 学实 验, 几 乎可 在任 何系统 的模 型上随 心所 欲 地进 行, 模 型模 拟方 法已成 为支 持决策 者的 主 要手段。考虑到模型是真实系统的“等价物”, 所 以图 7. 2 是 图 7. 1 的“等 价物”, 图 7. 2 所表 示 的模拟决策过程是图 7. 1 所表示的真实决策过 程的“等价物”。

图 7. 2　 模拟决策过程

7. 1. 3　 系统分 析与决策 支持系统 模拟决策过程通常又被称为系统分析。由图 7. 2 可知, 要使系统分析过程得以进行, 需 要先实现决策者系统、被决策系统模型和两者之间的界面。决策者通过界面使用模型, 来预 测被决策系统的未来, 评价他将做出的决策和寻求满意的决策。所以界面与模型二者作为一 个整体被称为决策支持系统。 决策者系统是完全不可模型化的系统, 只有决策者本人才能充当决策者系统, 其他人无 法替代他。 实现一个被决 策系统的具有良 好可算性与 良好可用 性的模型 需做如 下的工作: 对被 决 策系统进行概念性分析和简化, 构造理论模型, 搜集和整理所需数据, 确定模型的解法, 在计 算机上实现模型, 校准模型。完成这些工作需要花费大量的时间, 需要具有被决策系统的专 业知识和数据统计、模型论、运筹学、应用数学、软件技术等多方面的知识。决策者, 特别是高 层次决策者, 很难担当此任。他或者抽不出足够的时间, 或者不具备必要的知识。担当此任 需要来自多个领域的人员的合作, 他们被统称为系统分析工作者。在计算机上实现模型不能 简单地理解为仅在计算机中装入一个可运行的程序, 而是意味着: 建立模型库以适应总模型 的模块化结构; 建立数据 库和算法库以支 持模型的 运行; 建立字典 库以解 释专用字 词; 建 立 知识库以保存有用的参考资料。这些库被记录在计算机可接受的记忆介质中, 或其他诸如笔 记本、书籍、大脑等介质中, 后者仅当需要时才被转录到计算机可接受的记忆介质中。 实现决策者系统与被决策系统模型之间的界面有两种方式。第一种方式是以系统分析 工作者作为界面, 决策者假借系统分析工作者之手操作模型; 第二种方式是在计算机上建立 一个面向决策者的人机界面, 使决策者成为模型的直接操作者。 具有第一种界 面的决策支持系 统是初级决 策支持系 统, 具 有第二 种界面的 决策支持 系 统是高级决策支持系统。在初级系统中, 模型库、数据库和算法库应记录在计算机可接受的 记忆介质中, 而字典库和知 识库则不必。在高级 系统中, 5 个库都应记 录在计算机可接 受的 记忆介质中。以初级系统支持决策, 模型对决策者来说几乎是个黑箱, 决策者对模型没有“感 情”, 决策者甚 至会失去使用模 型的兴趣, 系统分析方 法也就很 难替代 经验方法 成为支持 决 策的主要手段, 决策支持系统将成为时髦一时的短命鬼。以高级系统支持决策, 通过多次直 接操作模 型, 决策者 会感到黑箱逐渐 变成透明箱, 模型将 成为他们 的“朋友”, 使 用模型的 兴 趣会越来越大, 系统分析方法也就逐渐替代经验方法成为支持决策的手段, 决策支持系统也 就具有了长久的生命力。初级系统运行时, 作为决策者与模型之间的界面, 系统分析工作者 的工作是单调、乏味和无创造性的, 因而他们的工作热情将很快冷却。高级系统运行时, 系统 分析工作者的工作是完善和维护决策支持系统, 他们可部分撤离, 最后完全撤离。初级系统 ・ 2 34 ・

运行时, 由于使用模型和解释计算结果要依靠系统分析工作者, 所以系统分析工作者的偏好 经常会直接或间接进入决策, 他们也经常自认为自己就是决策者。高级系统运行时, 这种来 自系统分析工 作者的对决策的 干扰就不存在了, 系统 分析工作 者也就 把自己放 在一个安 全 的位置上, 避免承担决策失误的责任。综上所述可知, 建立起初级决策系统之后, 应不失时机 地向高级决策支持系统发展。

7. 1. 4　 想定预 测 由系统模型定义的函数—— 状态( 环境) , 代表着系统的运动规律, 其中自变量环境和因 变量状态分别是两个高维空间中的点( 向径) 。了解这个函数对决策者是至关重要的。通常 写不出这个函数的解析表达式, 而只能以函数表的形式表达这个函数。原则上这个表由一些 点对组成: ( 环境 1, 状态 1) , ( 环境 2, 状态 2) , ( 环境 3, 状态 3) , 　 　 　 ……　 　 　 每一个环境点被称为一个想定, 每一个点对被称为一个想定预测。 在系统模型可运行以后, 编制这个表好像是很便当的事情, 但是实际上并非如此。假定 每个环境 变量只取 低值、最可及 值和高值 三个值, 则有 3 N 个 想定, 其中 N 为环 境空间的 维 N

N

数。N 用不着很大, 作 3 个想定预测就成为不可能完成的工作。即使 3 个想定预测全部作 出, 如此巨大的一个函数表也会使决策者陷入数字的海洋而不得要领。通常逃避这一困难的 作法是, 多数环境变量只取最可及值一个值, 少数几个最重要( 最敏感) 的环境变量才取三个 值, 使需计算的想定预测的数目限制在可能完成的范围内。 初级决策支持系统是这样工作的: 决策者设计出需计算的多种想定, 并将其交给系统分 析工作者, 后者完成想定观测, 并将其交给前者。这种对话要进行多次。高级决策支持系统 是这样工作的: 从一个想定到下一个想定, 决策者可按自己的偏好进行搜索。 每一个想定预测回答了一个如下的条件预测问题: 　 　 　 　 如果　 环境= ……, 则状态= …… 而不是一个如下的无条件预测问题: 　 　 　 　 状态= …… 实际上, 对于一个社会经济系统来说, 不存在无条件预测问题。

7. 1. 5　 不确定 性 真实世界存在 着随机性和模糊 性两类不确 定性, 概率数学 与模糊 数学分别 是对它们 的 定量描述。 我们知道, 社会经济系统的未来状态存在着极大的不确定性。由图 7. 1 可知, 未来状态 的不确定性来自环境( 包括客观环境和决策) 的不确定性和系统内在机制的不确定性。比较 图 7. 1 和图 7. 2 可知, 预 测的未来状态的 不确定性还 来自模型 对系统 的近似性 和计算误 差 的积累。 由于预测的状态的不确定性的存在, 系统分析方法对决策的支持, 不能理解为保证决策 ・ 23 5・

不失误, 而应正确理解为减小决策失误的概率。 由计 算误差 积累 引入预 测状 态中 的不确 定性, 通 过算法 选择、编 制程序 技 巧和 字长 选 择, 很容易被控制在可忽略的范围之内。通常模型越简单, 计算误差积累越小。 由模型近似性引入预测状态中的不确定性很难被定量度量。前面我们已经讨论过这一 点。基于这一点, 模型的解不可完全相信, 也不可完全不信。这里需要的是决策者的判断。通 常模型越复杂, 这种不确定性越小。 系统 内在机 制的 不确定 性, 理论 上可以 被直 接纳 入模型 中, 建立 起随机 模 型或 模糊 模 型。由于这些模型的可算性都不好, 所以只有在迫不得已的时候才直接使用它们。如果系统 内在机制的不 确定性仅表现为 某些状态变量为 随机变量, 或模 糊变量 则可用它 们的主要 特 征变量( 确定性变量) 来近似它们, 而将其余部分作为扰动变量来处理。 估计由环境的不确定性引入预测状态中的不确定性, 被称之为敏感性分析。

7. 1. 6　 敏感性 分析 由式( 7. 5) , 状态作为环境的函数, 在线性近似之下, 对于＂ ｉ∈M 和＂ j ∈N 有, Δ状态 ｉ, j =

状态 ｉ ¡¤Δ环境 j 环境 j

( 7. 7)

状态 ｉ Δ环境 j ¡¤ 环境 j 环境 j

( 7. 8)

Δ状态 ｉ, j 1 状态 ｉ = ¡¤ ¡¤Δ环境 j 状态 ｉ 状态 ｉ 环境 j

( 7. 9)

Δ状态 ｉ, j 环境 j 状态 ｉ Δ环境 j = ¡¤ ¡¤ 状态 ｉ 状态 ｉ 环境 j 环境 j

( 7. 10)

Δ状态 ｉ, j = 环境 j ¡¤

其中　 M 和 N —— 分别为状态变量和环境变量的脚标集合; 状态 ｉ 和环境 j —— 分别为第 ｉ 个状态变量和第 j 个环境变量; Δ环境 j —— 分别为环境 j 的绝对和相对不确定性; 环境 j Δ状态 ｉ, j Δ状态 ｉ, j 和 状态 j —— 分别为由环境 j 的不确 定性引入的状态 ｉ 的绝对和 相对 不确定性; Δ环境 j 和

状态 ｉ —— 状态 ｉ 对环境 j 的绝对－绝对敏感度 ｉ, j ( 偏导数) ; 环境 j 状态 ｉ —— 状态 ｉ 对环境 j 的绝对－相对敏感度 ｉ, j ; 环境 j 1 状态 ｉ ・ —— 状态 ｉ 对环境 j 的相对－绝对敏感度 ｉ, j ; 状态 ｉ 环境 j 环境 j ・

环境 j 状态 ｉ ・ —— 状态 ｉ 对环境 j 的相对－相对敏感度 ｉ, j ( 弹性系数) 。 状态 ｉ 环境 j 一个变量的不确定性有两种度量, 两个变量之间的敏感度有 4 种度量。在讨论具体问题时, 应按实际需要, 在前二者中择一, 在后四者中择一。写出敏感度的解析表达式通常是极困难 的, 但在模型可以运行以后, 采用数值求导的方法得到敏感度则是很方便的。 若敏感 度 ｉ, j 相对大, 则称 状态 ｉ 对环境 j 是敏感 的; 若 敏感度 ｉ, j 相 对小, 则称状 态 ｉ 对环境 j 是不敏 感的。若至 少一个 状态变量 对环境 j 是敏感的, 则 称系统对 环境 j 是敏 感 ・ 2 36 ・

的, 环境 j 称 为敏感变 量; 若 所有状 态变量对 环境 j 都 是不敏感 的, 则称系统 对环 境 j 是 不 敏感的, 环境 j 称为不敏感变量。 若所有 Δ环境 j ( j ∈N ) 小到足以使式( 7. 7) 成立, 则 Δ状态 ｉ =

∑ j ∈N

状态 ｉ ¡¤Δ环境 j 环境 j

否则, Δ状态 ｉ( ｉ∈M ) 或由状态( 环境) 函数表插值得出, 或由直接解模型得出。

7. 2　 电力系统规划模型 电力是最重 要的、使用 最广泛的一种 二次能源。 电力工业 的职能 是将各种 初级能源 形 式, 如煤炭、石油、水力、核能和地热等, 转换成电能, 并将电能输送给国民经济的其他部门和 居民。电力系统规划是整个能源系统规划的重要内容。 电力工业具有投资密集, 建设期长, 使用寿命也长的特点。因此, 电力工业发展中的每项 决策都将产生长期的后效, 并对国民经济发展产生相应的影响。同时电力工业的发展与决策 又受着国民经 济发展状况的严 格制约, 电 力的需求量 和消费量 与国民 经济发展 水平密切 相 关, 电力建设资金量由国民经济各部门平衡发展的要求所约束。一次能源的生产、分配及运 输量也是严重 限制电力工业的 发展的重要因素, 科学 技术发展 水平等 因素也对 电力工业 的 发展有所影响。在诸多的制约条件下, 经济合理地发展电力工业, 对保证和促进国民经济发 展有着重要意义。正因为如此, 电力工业发展决策问题的研究在全世界都受到了普遍重视, 应用数学模型 进行投资决策分 析, 在电力 部门比其 它经济部 门开始 得早, 实际应用 也较广。 电力工业规划 包括 4 个最基本 的内容: 电 力负荷预 测, 电 源扩展规 划、输电网扩 展规划和 配 电网扩展规划。电力系统负荷预测包括电力需求预测( 即对最大需求功率进行预测) , 电量需 求预测 ( 即对电能 需求量的预测) 和电力负 荷曲线预测( 对需求 功率大 小随时间 变化的规 律 进行预测) 。可靠的电力系统负荷预测是制定电力工业规划和正确决策的基本依据。电力负 荷预测的模型 和方法很多, 本节将仅把电 力负荷需求 预测所得 到的结 果作为规 划模型的 外 生变量, 而不对电力负荷预测的方法和模型做更多的介绍。由于在电力系统中, 电源( 发电设 备) 、输电网和配电网所担负的不同职能, 以及它们在技术经济特性方面的较大差异, 在研究 电力发展规划问题时, 目前尚没有较好的办法将这三个部分统一起来进行计算分析, 而是对 每一部分分别进行研究和计算, 分别称之为电源扩展规划、输电网扩展规划和配电网扩展规 划。发电是电力工业的投资主体, 也是技术经济关系最复杂的部分, 并直接涉及能源的转换, 因此在能源系统规划中占有相当重要的地位, 本节将着重讨论电源规划的构模问题。 我们知道, 电力生产具有它自身的特点。首先, 电能可以由许多种初级或次级能源得到, 如水能、核能、以及煤、油、汽等化石燃料的化学能等等。所以电力部门内, 燃料间可以有多种 替代方案。电能生产可以采用许多不同的工艺过程, 如不同的核反应堆型, 不同类型的燃煤、 燃油锅炉, 不同参数的汽 轮机组, 燃油及燃气透 平机组等 等, 使 得可选 择的电力 转换设备 种 类很多。其次, 电力储存非常困难并且成本极高, 使得电力生产必须随时按负荷变化而调整, 这不仅要求电 力部门必须安装 足够容量的机组 以满足系 统最高峰 负荷要 求, 而 且还必须 有 足够的能力随时调整每台发电机组的出力以达到供需平衡。因此电力部门为了以最经济的 方式进行生产, 总是在每 一电网中, 根据资源及 负荷特点, 配备 不同效 率与不同 投资的各 种 ・ 23 7・

发电技术。再次, 电力生产设备的使用寿命很长, 电力生产的特点使得新的发供电设备的投 入不仅长期影响电力系统的未来结构及生产情况, 也会改变系统中原有设备的运行方式。这 一切都使电力 系统生产费用的 大小不仅取决于 技术因素, 即利 用各种 可投入的 生产要素 生 产电能的技术 可行性, 而 且取决于行为科 学的因素, 也就 是在各种 技术上 可行的方 案中, 如 何进行投资决策和运行决策。电源扩展规划所要研究解决的问题就是要根据具体地区的系 统现状、负荷特点、资源和运输条 件等, 确定 出为了满 足未来负 荷的持 续增长和 保证可靠 供 电, 应该在什么时间, 什么地点, 建设什么类型的发电机组及适当的容量, 并使得这一决策与 诸多的电源扩展可行方案相比, 具有最好的经济性。 在进行各方案的经济性比较时, 目前最常用的是最小费用法。 在研究电源规划问题时, 可以将发电设备的总成本( 费用) 分为两部分: 固定成本和可变 成本。固定成本指那些基本上不随产出量变化而变化的成本之总和, 它通常是随着固定资产 的投入 而发生, 如 厂房、设 备、常雇人 员的工资等。在 某一特定 规模的 固定资产 ( 设 备) 投 入 后, 每年的固定成本可以看作一确定的常数。在固定成本中, 一部分是需要当期支出的费用, 如利息、租金、保险费、工资等; 另一部分则是不一定当期支出, 但需要加以分摊的费用, 如正 常利润, 按设备经济寿命折算的折旧费用等。变动成本则指随着产量( 发电量) 变化而变动的 生产成本之和, 如原料、燃料, 设备检修等项成本费用, 这部分费用在停产时为零。 电源扩展方案的总费用包括系统中全部发电设备的总的固定成本( 费用) 和总的可变成 本( 费用) 两部分。当规划期的负荷需求由负荷预测确定后, 对于每个不同的电源扩展方案, 只要它们满足所确定的负荷需求, 便认为它们具有相同的国民经济效益( 总效益) 。在总效益 相同的条件下, 总成本( 总费用) 最小的方案就可以认为是最经济的方案。 由于每个扩展方案有着不同的投资项目, 不同的投资和投产时间, 各投资项目的经济寿 命不同, 资金的经济价值 随时间也在不断 变化, 因此进行 总费用的 运算和 比较时, 必须将 不 同年份发生的各种费用折算至同等可比的基础之上, 一般折算为某一基准年的贴现值。在进 行发电扩展方 案的动态经济比 较—— 即对整个 规划期内 逐年的费 用比较 时, 则 更多地采 用 最小现值费用 法—— 即应用最小费 用的思想, 对电力 扩展方案 在整个 规划期的 逐年费用 的 贴现值进行比较的方法。

7. 2. 1　 电力负 荷曲线 电力负荷随时间变化的曲线, 称为电力负荷曲线。国民经济各部门的活动和人民生活秩 序通常以年、季、周、日为周期呈现出一定的规律性。电力负荷随用户上述活动的改变也呈现 出一定的周期性。日通常是最小的重复周期。将一天中电力负荷随时间变化的情况用曲线 描示出来, 就可得到日负荷曲线, 见图 7. 3( a ) 。把每日的负 荷曲线依次连接 在一起, 就 可得 到周、季、年的负荷曲线。负荷曲线在各种重复周期内的变电情况反映出系统的负荷特性。不 同的电力负荷 特性, 决定 了电力系统中各 种发电设备 容量的不 同的合 理配置方 式和发电 量 的不同分配方式。但是对未来的电力负荷, 我们不可能画出每日的负荷曲线并连接成整个规 划期的连续曲线。在进行电力规划时, 一般是预测( 或选择) 出一些具有不同特点, 有代表性 的典型日负荷曲线, 把它们组合在一起来表示未来规划期内负荷随时间的变化情况。 在做电力规划时, 还常常用到另一种负荷曲线, 叫做持续负荷曲线或累积负荷曲线。持 续负 荷曲线不是按负 荷随时间的变化, 而是按负 荷大小( 纵 坐标) 及其 持续的时 间( 横坐标) ・ 2 38 ・

的顺序排列作成的。图 7. 3( a ) 和( b) 分别表示同一典型日的负荷曲线和持续负荷曲线, 两条 曲线下的面积相同。表示同样的电量, 但( b) 更直观地表示出了当负荷大于等于某一值 时所 持续的时间。由日、周、季、年负荷曲线, 便可转换成相应的日、周、季、年持续负荷曲线。在电 力系统规划时, 常用的持续负荷曲线是周、月( 季) 、年持续负荷曲线。

图 7. 3　 典型 日负荷曲线

7. 2. 2　 Scr een Cur ve 法 Screen Curve 法是一种最简单、最直观的电力扩展规划方法。这种方法由于不能对系统 中发电设备间 的复杂的技术经 济关系进行详细 描述, 也难以用 于对电 力扩展方 案进行动 态 经济比较, 因此在进行实际电力系统规划计算时, 早已被其它的方法所取代。但是这种方法 以其简单和直 观, 在定性 地判断用其它方 法所得到的 电源扩展 规划结 果是否正 确时常常 还 是很有用的。 假定发电机组的可变运行费用与其发电量( 利用小时) 成线性关系。发电量与利用小时 存在如下的关系: U ｉ=

Qｉ CP ｉ

式中　 U ｉ —— 系统中第 ｉ 台发电机组的年利用小时数; Q ｉ —— 系统中第 ｉ 台发电机组的年发电量; CP ｉ —— 系统中第 ｉ 台发电机组容量。 我们就可以将各种发电机组的年费用表示如下: AC ｉ= F C ｉ+ vcｉ U ｉ 式中　 A Cｉ —— 单位千瓦的第 ｉ 台类, 发电机组的年总成本; F Cｉ —— 单位千瓦的第 ｉ 台类, 发电机组的年固定成本; vcｉ —— ｉ 类发电机组每发 1 度电的可变成本。 　 　 如果以费用为纵坐标, 以每年 8760 h 为横坐标, 把电力系 统中各种不同发 电机组( 如果 太多, 可以分类, 同类的用一种典型机组特性代表) 的年费用曲线画在同一图上, 则可得到类 似于图 7. 4( a ) 的曲线族 ( 在图 7. 4 中, ｉ= 1, 2, 3) 。每条年 费用曲线 ACｉ 与纵轴的交点 处的 数值表示年固定成本费用的大小 F C ｉ , 曲线的斜率表示每发 1 度电的( 单位) 可变成本 vcｉ 。 在图 中, 由 年费 用曲 线的交 点 可以 确定 出 t 1 , t 2 , 显 然, 当机 组 的年 利用 小时 U ｉ 大 于 t 2 ・ 23 9・

时, 第 3 类机组的年总费用最小。当年利用小时数 大于 t1 , 且小 于 t2 时, 第 2 类 机 组 的年 总 费 用 最 小, 而 当年 利 用小 时 数小 于 t 1 时, 则 第 1 类 机 组 最经济。 如果在年费用曲线下面给出系统的年持续负 荷曲线, 就可 以很 容易 地确定 出在 该年度 各种 不 同 类 型 的发 电 机组 的 最 经济 ( 最 佳) 的 装 机 容 量 CP ｉ, 如图 7. 4( b) 所示。用各类机组的最佳装机容 量减去 该类机 组已 有的装 机容 量, 便可得 出各 类 机组在该年度的最佳扩展容量。

7. 2. 3　 电源规 划数学模 型的投资部 分 为了对电源扩展方案在整个规划期的动态总 费用进 行比较, 不 仅要 对规划 期内 的投资 费用 进 行计算, 而且 需要 计算 出规划 期内 系统逐 年的 运 行费用。当系统很大, 各种电站间的替代关系很多

图 7. 4　 典型机组年费用曲线及

以及它 们在系 统内 部相互 作用 的关 系很复 杂时,

装机容量曲线

就必须借助于计算机和电源规划数学模型。 以最小现值费用方法所描述的电力系统电源规划数学模型的一般形式可以表述为: 　 　 min 　 f ( X , Y) 　 　 s. t .

G( X ) ≤A H ( Y) ≤B K ( X , Y) ≤D

式中　 X —— 发电机的装机容量变量; Y —— 发电机的发电量变量; A , B , D —— 常数; G ( X ) —— 对发电机装机容量的技术经济关系约束; H ( Y) —— 与机组发电容量相关的机组发电约束; K ( X , Y) —— 与机组容量有关的机组发电约束; f ( X , Y ) —— 表示全系统各类机组逐年固定成本和可变成本的贴现值之总和。 当采用不 同的优化技术( 方法) 对电源规划 问题计算 时, 上 述模型 的具体型 式将有所 不 同。 如前所述, 电力生产的总 费用可以分为与 容量有 关的固定 成本和 与发电量 有关的可 变 成本两部分, 这样就可以将总费用函数 f ( X , Y) 表示为: f ( X , Y) = f 1 ( X ) + f 2 ( Y) 　 　 通常, 我们把由 min 　 f 1 ( X ) s . t . 　 G( X ) ≤A 　 　 描述的部分叫做电源规划的投资决策子问题。 ・ 2 40 ・

　 　 把由　 min 　 f 2 ( Y) 　 　 　 s . t . H ( Y) ≤B K ( X , Y) ≤D X 已确定 描述的部分叫做电源规划的生产模拟子问题。 电力扩展规划 模型最早的可追 溯至 40 年代, 经过几 十年的研 究和发 展, 至 今演化出 各 种不同形式的模型。各种模型在优化技术上, 在生产模拟子问题的描述上差别极大, 但在投 资决策子问题的描述上则基本相同。 下面给出电源扩展规划模型的目标函数和投资决策子问题的主要约束条件的具体的数 学表达式, 而将生产模拟子问题的表示方法留待后面的部分讨论。 电源规划问题的目标函数 J

min Z =

T

t

∑ D ( t) ∑ t= 1

F C′ ( j , t) ∑ X ( j , t) τ= 0

j= 1

t

+ F C″ ( j , t) ∑ I X ( j , τ ) + vc( j , t) Y( j , t) τ= 0

式中　 T —— 规划期的年数; 　 J —— 系统中已有或可选的电厂个数或机组类型数; 　 D ( t) —— 第 t 年的贴现系数; 　 F C′ ( j , t ) , F C "( j , t ) —— 第 j 类电厂在第 t 年的固定成本系数; 　 vc( j , t ) —— 第 j 类电厂在第 t 年每发 1 度电的可变成本; 　 X(j , τ ) —— 内生变量, 第 j 个电厂在第 τ年的 新增容量, τ = 0 时, X ( j , 0) 表示 第 j 个 电厂 在规 划起始 年的 已有 容量, 显然 在第 t 年, 第 j 类 电厂 的总 容量 为 t

∑ X ( j , τ) , 在线性 规划 模型中 X ( j , τ) 取为连 续变量, 在 混合整 个规 划 τ = 0

和动态规划模型中, X ( j , τ ) 可以是整数变量; 　 IX( j, τ ) —— 为 0—1 变量, 用于表示第 j 类电厂在第 τ年的一次性投资。 为了便于对不 同年份投入的机 组在一个统 一的标准 下进行比 较, 固定成本 的投资部 分 采用等年值表 示, 即将机 组的全部投资以 每年相同的 数值分摊 到其正 式投产至 经济寿命 终 了的每一年内。 等年值投资费用的计算公式可表示为: ｉ( 1 + ｉ) EV = IV ( 1 + ｉ) N -

N

1

式中　 I V —— 项目的投资费用; 　 N —— 项目的寿命年限; 　 ｉ—— 标准投资效果系数; 　 E V —— 投资费用 I V 的等年值。 有些工程投资很大, 而且施工周期很长, 它们的投资不是一次投入, 而是分阶段投入的。 对于这种工程就必须考虑它们的投资过程。相应地, 等年值投资费用的计算公式为: L

EV =

∑ I V ¡¤I P l= 1

l

( 1 + R)

L- 1

ｉ( 1 + ｉ) N ( 1 + ｉ) -

N

1 ・ 24 1・

式中　 L —— 项目需要的施工年限; I P l —— 工程在第 l 年应投入的资金占总投资的比例; R —— 利息率。 我们已经知道, 在电厂建设中, 主要投资包括有: ( 1) 土建工程投资, 记为 I V 1 。如水电站、抽水蓄能电站的 大坝及 其它水工 设施所需 投 资; 核电站的核反应堆建造投资; 电厂的厂房引水管道、冷却塔建设投资等。 ( 2) 运输或铁路投资分摊, 记为 I V 2 , 为了给燃煤电厂运输燃料而修建的铁路专线; 输煤 管道的投资; 燃油电厂输 油管道的投资; 在修建 水电厂时, 为施 工和运 进设备所 建铁路的 部 分或全部投资。 ( 3) 煤矿投资或煤矿投资分摊, 记为 I V 3 。为供给燃煤电厂燃料而建设的煤矿的投资应 在电厂投资中加以考虑。 ( 4) 机电设备投资, 记为 IV 4 。该项投资包括发电机组、变压器和电厂其它电气设备的设 资。 ( 5) 输电线路投资, 记为 I V 5 。输电投资是指系统中由于扩展电源而必须扩展网络所需 要线路投资。对于具有长距离输电线的水电站或矿口电站, 这部分投资占其总投资的比例是 可观的。 在以上 5 种类 型投资中, 有几种类型如 1, 2, 3 项投资, 对每个 确定的 备选电站, 基本 上 不随其装机容 量而变化, 我们称这类投资 为备选电 站的固定 投资, 或一次 性投资; 而另一 部 分如 4, 5 项投资, 将随着备选电站的装机容量增加而增加, 这类投资称之为可变投资。 类似地, 电厂的运行费用也可分为固定运行费用和可变运行费用。固定运行费用是与电 厂所发出的电 量无关的运行费 用, 它包括 各种设备 的维护费 用、工 作人员 的工资、电厂的 行 政开资等等, 在模型中, 固定运行费用以 OP 表示。可变运行费用是与 发电量成正比的 运行 费用, 如燃料费用和水费, 磨损的部件的更新费用等等。这部分费用由 VC 表示。 根据 上面 的 分析, 显 然不 难 计算 出 电 厂对 应 于固 定 投资 部 分和 可 变 投资 部 分的 固 定 成本。 L (j) 4

N ( j) 4

F C′ ( j , t) =

ｉ( 1 + ｉ) N (j) ( 1 + ｉ) 4 - 1

∑ ｉv ( j , t) I P 4

F C″ ( j , t) =

( j , l) ¡¤( 1 + R) L 4( j ) -

ｉ( 1 + ｉ) N (j) ( 1 + ｉ) 2 -

+ op 4 ( j , t)

L (j) 5

∑ ｉv ( j , t) I P 5

5

( j , l ) ¡¤( 1 + R )

L (j)- l 5

+ op 5 ( j , t)

l= 1

L ( j) 1

ｉ( 1 + ｉ) I V 1 ( j , t) I P 1 ( j , l) ¡¤( 1 + R ) L 1 ( j ) N (j) ∑ 1 ( 1 + ｉ) - 1 ｉ= 1

1

+ OP 1 ( j , t)

L (j) 2

N (j) 2

+

1

l= 1

ｉ( 1 + ｉ) N 5 ( j ) + N (j) ( 1 + ｉ) 5 - 1 N ( j) 1

4

1

ｉ( 1 + ｉ) N 3 ( j ) + ( 1 + ｉ) N 3 ( j ) - 1

∑ I V ( j , t) I P 2

L (j)- 1 2

2

( j , l) + ( 1 + R )

3

( j , l) ¡¤( 1 + R ) L 3 ( j ) -

+ OP 2 ( j , t)

l= 1 L (j) 3

∑ I V ( j , t) I P 3

l

+ OP 3 ( j , t)

l= 1

式中　 I V 1 ( j , t ) , I V 2 ( j , t ) , I V 3 ( j , t ) —— 分别 表示 j 电厂若在第 t 年开始动 工建设, 其 土建 工程投资、运输或铁路投资分摊等, 以及煤矿投资分摊等; ｉv 4 ( j , t) ｉv 5 ( j , t ) —— 分 别表示 j 电厂若在 第 t 年开始建 设, 其机 电设备 和输 电 ・ 2 42 ・

线路的单位千瓦投资; L 1 ( j ) , …, L 5 ( j ) , N 1 ( j ) , …, N 5 ( j ) —— 第 j 类 电厂 对 应于 投 资 I V 1 , …, ｉv 4 , ｉv 5 的施工年限和工程寿命年限; I P 1 ( j , l ) , …, I P 5 ( j , l) —— 第 j 类电 厂对应 于投 资 IV 1 , …, ｉv 4 , ｉv 5 的工 程在 投 产前 l 年的投资占该项总投资的比例; OP 1 ( j , t ) , …, op 4 ( j , t ) , op 5 ( j , t ) —— 第 j 类 电厂 第 t 年 时对 应于 投 资 IV 1 , …, ｉv4 , ｉv 5 的工程项目的总的或单位千瓦的固定运行费用。 在动态规划和 线性规划等形式 的电源规划 模型中, 通常需 要近似 地将一次 性投资分 摊 到每单位千瓦的可变投资当中, 这样就可以得到较为简单的目标函数。 T

J

∑ D ( t) ∑

min Z =

t= 1

j= 1

t

F C( j , t) ∑ X ( j , τ) + vc( j , t) Y( j , t)

( 7. 11)

q= 0

F C( j , t) = F C′ ( j , t) +

F C″ ( j , t) X ma x ( j )

式中　 X m a x ( j ) —— j 类电厂一次性投资所对应的最大的装机容量。 投资决策的主要的约束条件包括: ( 1) 系统装机总容量约束 J

t

∑ ∑ αj ( 1 -

μj ) ( 1 -

ξj ) X ( j , τ ) ≥ ( 1 + SR ) L M ( t)

( 7. 12)

j = 1 τ= 0

式中　 αj —— j 电厂的容量可用系数; 　 μj —— j 电厂的厂用电率; 　 ξj —— j 电厂将其功率送入电网时的平均线损率; 　 S R —— 系统要求的备用容量系数; 　 L M ( t ) —— 外生变量, 系统在第 t 年的最大负荷。 该约束表示, 为了保证系 统在第 t 年 能够可靠供电, 系统在第 t 年所应有的 全部可用 装 机容量至少要等于系统在第 t 年的最大负荷和相应的备用容量之和。 ( 2) 系统电量需求约束 J

t

∑ H ( j , t) ∑ αj ( 1 -

μj ) ( 1 - ξj ) X ( j , τ )

τ = 0

j= 1

t

-

∑ H P ( j , t) ∑ αj ( 1 +

j ∈J P

μj ) ( 1 + ξj ) X ( j , τ) ≥ ( 1 + L OSS ) E Q( t)

( 7. 13)

τ = 0

式中　 J P —— 抽水蓄能电站总数; 　 L OSS —— 系统平均网损率; 　 E Q( t) —— 外生变量, 表示第 t 年系统电量需求; 　 H ( j , t ) , H P ( j , t ) —— 外生变量, 分别为第 j 电 厂第 t 年的发 电利用小时和第 j 抽水 蓄 能电 厂第 t 年的 抽水 利用 小时 数, 初 始 H ( j , t ) , H P ( j , t ) 值为 预先 给 定 值, 然后由生产模拟 子问题进行修正。其 最大值不得超过 扣除检修、强迫 停 役等因素的影响后机组的最大可能利用小时数。 这一约束条件表明, 除了满足系统负荷所要求的装机容量外, 还必须保证系统装机所发 出的电量满足系统负荷要求的电量。因为, 在某些地区, 特别是在水电站较多、水电装机容量 ・ 24 3・

较大的地区, 尽管系统总 装机容量很多, 可是 由于季节 不同, 水量相 差较大, 在枯水 季中, 系 统会出现严重电量短缺现象。为了避免出现这种情况, 电量约束条件是十分重要的。 ( 3) 系统调峰能力约束 J

t

∑ ∑ βj ( 1 -

μj ) ( 1 -

ξ j )X( j, τ )

τ = 0

j= 1

t

-

∑ ∑( 1 +

μj ) ( 1 + ξ j )X (j, τ ) ≤ [ LM ( t) - D L ( t) ]

( 7. 14)

j∈ J P τ = 0

式中　 βj —— j 电厂机组的最小技术出力系数; 　 D L ( t) —— 第 t 年系统出现的日最大峰谷差。 为了保证未来系统的安全经济运行, 系统必须具有足够的调峰能力。因此在电源优化规 划时, 就要充分考虑到这一问题。上式便可对系统的调峰容量加以约束。 ( 4) 电厂装机进度约束 X ( j , t) ≤ X S( j , t)

( 7. 15)

式中 　 X S ( j , t ) —— 外生变 量, j 类机 组由 于设备 制造、施 工、安 装等 技术 条件限 制, 在 t 年 最大可能的新增容量。 ( 5) 最终规模约束 T

∑ X ( j , t)

≤ XM( j )

( 7. 16)

t= 0

式中　 X M ( j ) —— 外生变 量, 表 示 j 类机 组在 系统 资源、国民 经济 发展 总目 标 等条 件限 制 下, 到规划期末可能达到的最大规模。 ( 6) 年投资能力约束 L ( j) 1

T

L (j) 2

∑ ∑ ｉv ( j , t) I P 1

j= 1

1

( j , l) X ( j , t + l) +

l= 0

2

2

( j, l)X(j , t + l)

l= 0

L ( j) 3

+

∑ ｉv ( j , t) I P L (j) 4

∑ ｉv ( j , t) I P 3

3

( j , l) X ( j , t + l) +

l= 0

∑ ｉv ( j , t) I P 4

4

(j , l)X(j , t + l)

l= 0

L ( j) 5

+

∑ ｉv ( j , t) I P 5

5

( j , l) X ( j , t + l) ≤ I VE ( t)

( 7. 17)

l= 0

式中　 I VE ( t) —— 外生变量, 表示第 t 年可用于电源建设的总投资。 该约束表示系统在第 t 年的全部电力建设的总 投资不能超过在该 年财政条件限制 的可 用于电源建设的投资总额。 ( 7) 其它约束 除了上述主要约束条件外, 每个系统根据其具体情况, 在进行电源规划时还需要附加若 干其它的约束条件。这些约束条件在描述每个系统的具体状况时, 表现形式不一, 在此不一 一列出。

7. 2. 4　 发电可 靠性及随 机生产模拟 生产模拟是用以计算未来系统可变运行费用的主要方式。 可靠性是电力系统的重要指标。随机生产模拟方法可以在计算系统可变成本的同时给 出系统的可靠 性指标, 这 种方法自 60 年代末期 提出以来, 被大 量地应 用于电源 扩展优化 软 ・ 2 44 ・

件中。随机生产模拟的求解有许多种方法, 在此我们仅讨论它的基本原理及基本模型。 发电系统由许多台发电机组组成, 发电机组则由不同的部分( 部件) 组成。机组部件的故 障可能导致机组运行状况的改变以致引起系统供电能力的改变。在发电系统可靠性计算中, 一般以发电 机组为基本单位, 并假定发 电机只有两种 状态, 即正常 运行状态 ( 包 括计划停 役 状态) 和强迫停役状态。机组的强迫停役率通常以 q 表示: q=

强迫停役时间 强迫停役时间 + 正常运行时间

一般发电机组的强迫停役率由统计平均值给出。各个发电机组的状态将确定系统的状态。假 定系统中发电 机组的状态都是 独立的, 系 统的状态概 率将等于 该状态 下各机组 状态概率 的 乘积。 电力系统能否充分供电不仅取决于系统状况, 即系统中每台发电机组的状态, 也取决于 系统供电负荷的大小。在随机生产模拟中, 持续负荷曲线需要转换成负荷的概率分布曲线, 如图 7. 5 所示。

图 7. 5　 负荷的概率分布

　 　 图 7. 5( a ) 表示在某一时间 区段 T ( 周、季、年) 的持 续负荷曲 线, 图 7. 5( b) 表示将 ( a ) 的 坐标转换后所得到的曲线, 将( b) 的纵坐标除以所考虑的时间段长度 T , 便可得到图 7. 5( c) 。 图 7. 5( c) 所表示的意义为在所考虑的时间区间 T 内, 系统负荷的概率分布。 电力系统中的发电机组由于强迫停役等原因退出运行, 系统就会出现容量缺额。如果系 统的停运容量大于系统的备用容量, 就必然造成部分负荷停电。由发电系统电力不足所造成 负荷停电时间的概率, 是发电系统可靠性的重要指标, 以 L OL P 表示。当系统停运容量超过 系统的备用容量所造成的电量供给不足, 一般用 E E N S 表示。下面给出可靠性指标 L OL P , L OL E 和 E E N S 的基本的计算方法和随机生产模拟的计算原理。 假定在时间区间 T 内系统中有 ｎ 台可运行发电机组, 每台机组的容量分别为 CP ｉ。我们 可以按照每台机组单位可变发电成本由小到大依次确定出机组带负荷的先后顺序。如果第 一台机组完全可靠, 当第一台机组投入运行后。我们可以根据系统负荷的概率分布和机组的 强迫停役率得到第一台机组在时间区间 T 内的发电容量和发电量的期望值, 如图 7. 6。图中 CP 1 表示第 一台机 组所能够 带的系 统负荷 的大小, 面 积 A 表 示第一 台机 组投 入运行 后, 如 果完全 可靠, 其带负荷 容量对 概率的积 分量, 面积 A× T 则代 表在 所考虑 的时 间区间 T 内 如果第一台 机组完全可靠时 其发电量的期望 值。实际上, 第一 台机组 的工作不 是完全可 靠 的, 它的强迫停役率为 q1 , 其带负荷能力和发电量都会小于其完全可靠时的数值。从系统的 ・ 24 5・

角度 来看, 第一 台机 组强迫 停役 而引起 的带 负 荷减 少可以 等值 为假定 第一 台机 组完全 可靠, 只是在第一台机组投入后系统负荷产生了一个 虚拟 的增加 量, 负荷 增量数 值恰 等于第 一台 机 组强迫停役所引起的带负荷的减少量。这样第 一台机组投入后系统负荷的等效曲线可以表示 为 P L 1( x ) : P L 1 ( x - CP 1 ) = p 1 P L 0 + q 1 P L 0 ( x - CP 1 )

图 7. 6　 第一台机组投运后的系

p 1 = 1 - q1

统负荷等效概率曲线

　 　 当 x - CP 1 < 0 时, P L 0 ( x - CP 1 ) = 0 P L 1 ( x ) 表示第一台机组投入后系统等值负荷的概率密度曲 线。L 1 ( y ) —L 0 ( y ) 表示 由于 第一 台机组 强 迫停 役所 引起 的出 力 的减 少期 望值, 面 积 B 表 示由 于第 一台 机 组不 完全 可 靠, 其 强迫停役造成的带 负荷减少的概率 积分, 面 积 B× T 则表示 在考虑的时间区间 T 内, 第一台机组由于强迫停役而致使机组减少的发电量的期望值。 根据上述关系, 我们 就可以得到第一台 机组在时间区间 T 内的期 望发电量和可变 运行 成本:

∫

E1 = T

∞

[ P L0( x ) -

0

∫

　

CP

= Tp1

1

P L1 ( x -

CP 1 ) ] dx

P L 0 ( x ) dx

0

VC 1 = vc1 E 1 　 　 当 x < 0 时, P L 0 ( x ) = 0 式中　 E 1 —— 第 1 台机在时间区间 T 内的期望发电量; VC 1 —— 第 1 台机在时间区间 T 内的可变运行成本之和。 依次每次投入一台机组, 进行一次上面的卷积运算, 当第 ｉ 台机组投入后有: ｉ

ｉ- 1

∑ CP

P L ｉ( x -

j

) = p ｉP L ｉ- 1 ( x -

j= 1

∫

∑ CP

j

) + qｉ P L ｉ- 1 ( x -

j= 1

Eｉ = T

P L ｉ-

1

x -

0

∑ CP

ǚ Tpｉ

j

ｉ

ｉ j

∑ CP

- P Lｉ x -

j= 1

CP

∑ CP ) j= 1

ｉ- 1

∞

∫

ｉ

j

dx

j= 1

P L ｉ- 1 dx

0

VC ｉ = vcｉE ｉ 　 　 当 x < 0 时, P L ｉ( x ) = 0 式中　 P L ｉ( x ) —— 第 ｉ 台机投入后, 系统的等值负荷的概率密度函数; 　 E ｉ —— 第 ｉ 台机在时间区间 T 内的期望发电量; 　 VC ｉ —— 第 ｉ 台机在时间区间 T 内的可变运行成本之和。 当系统中全部 ｎ 台可用机组 全部投入后, 便可求出系统 在时间区间 T 的发电可靠 性指 标和系统总的可变成本, 如图 7. 7 所示。 ｎ

LOL P = P L ｎ

∑ CP ｉ= 1

・ 2 46 ・

ｉ

图 7. 7　 第 ｎ 台机组投运后系统负荷等效概率曲线

L OL E = T ¡¤LOL P

∫

EE N S = T

ｎ

∞ 0

ｉ

dx

ｉ= 1

ｎ

T VC =

∑ CP

P Lｎ x ｎ

∑ VC

ｉ

=

ｉ= 1

∑ vc E ｉ

ｉ

ｉ= 1

式中　 L OL P —— 系统在时间区段 T 内的失负荷概率; 　 L OL E —— 系统在时间区段 T 内的缺电时间期望值; 　 E E N S —— 系统在时间区间 T 内的电量不足期望值; 　 T VC—— 系统在时间区间 T 内的可变总成本。 在进行电源规划的生产模拟时, 通常需要把一年分成若干个时间区间, 对每个时间区段 进行上面 的运算, 并 以 Y( j , t) 表示机 组 j 在第 t 年的 发电量就 可以得 到电源规 划中生产 模 拟子问题随机模型: T

J

∑ D ( t) ∑ vc( j , t) y ( j , t)

min f 2 ( y) =

t= 1

S

y ( j , t) =

s) ∑ T S ( t,∫ s= 1

( 7. 18)

j= 1 ∞ 0

P L j - 1 [ x ( t, s) ] - P L j [ x ( t, s) ] dx

( 7. 19)

S

∑ T S( t, s) P

Lｎ

s= 1 S

s) ∑ T S( t,∫ s= 1

x ( t, s) -

∑

∞ 0

CP j ≤ T L OL E ( t)

( 7. 20)

j ∈ ｎ ( t, s )

P L ｎ x ( t, s) -

∑

CP j dx ≤ T E E N S( t)

( 7. 21)

j ∈ ｎ( t , s)

式中　 S —— 一年所划分的时间区间( 季) 数; T S ( t , s ) —— 第 t 年 s 时间区间的历时长度, h ; ｎ ( t , s) —— 第 t 年 s 时间区间系统可用机组的数量; P L j ( x ( t, s) ) —— 第 t 年 s 时间区间 j 台机组投入后系统等效负荷的概率密度函数, x ( t , s ) 表示自变量 x 取决于年数 t 和时间区间数 S ; T L OL E ( t) —— 外生变量, 表示系统在第 t 年最大允许的缺电时间; T E E N S ( t ) —— 外生变量, 表示系统在第 t 年最大允许的缺电电量。 ・ 24 7・

式 7. 18—7. 21 给出随机生产模拟的基本模型, 如果考虑到机组发电成本随带负率而改 变, 以 及水电站的出力取 决于不同时让的 可用水量 等因素, 还需要 附加一 些其它的 约束, 模 型将变得更加复杂, 在此不一一介绍。 把上述生产模拟子问题式 7. 18—7. 21 和 前面的投资问题 式( 7－11) —( 7－17) 结合起来, 就可以构成完整的随机生产模拟的电源扩展规划的基本模型。 由于随机生产 模拟的电源扩展 模型投资决 策部分和 生产模拟 部分的 数学描述 不同, 加 之实际电力系 统规模比较大, 关系比较复 杂, 因 此问题的 求解过程 常常是 很麻烦的, 为解 决 这一问题, 已经进行了大量的研究并取得了许多进展, 这方面的研究工作至今仍在继续。

7. 2. 5　 确定性 生产模拟 与随机生产模拟相对应的是确定性生产模拟。确定性生产模拟的方法也有很多种, 如动 态规划模型、线性规划模型等等, 在此介绍一种线性规划生产模拟方法。线性规划生产模拟 不仅可以和前面所介绍的投资子模型统一求解, 并易于和能源系统规划模型耦合, 也是应用 比较广泛的生产模拟方法。 在线性规划生产模拟中, 通常需要采用阶梯形负荷曲线。首先把一年分为不同的季, 每 季选择一个典型日, 用典型日的负荷曲线代表该季每天的负荷曲线。然后还需将每个典型日 分为若干小的时间段, 每段负荷近似取为一常数。从而将日负荷曲线近似为阶梯形状, 如图 7. 8( a ) 、( b) 。在此基础上, 对每台机组在每个小的时段的出力( 带负荷容量) 和发电量及生产 费用进行计算, 从而得到系统的生产成本。

图 7. 8　 线性规划生产模拟的阶梯负荷曲线

线性规划生产模拟的费用函数部分可以写成: T

min f 2 ( y) =

∑ ∑ vc( j , t) Y( j , t) t= 1

S

y ( j , t) =

J

K

∑ D S( t, s) ∑ L ( t, s, k) s= 1

k= 1

式中　 S —— 一年所分的季数; 　 K —— 典型日所分的时段数; 　 vc( j , t) —— j 电厂在 t 年每发 1 度电的可变成本; 　 D S ( t , s) —— 外生变量, t 年 s 季的天数; ・ 2 48 ・

( 7. 22)

j= 1

¡¤U ( j , t, s, k)

( 7. 23)

　 L ( t, s, k) —— 外生变量, t 年 s 季第 k 时段的小时数; 　 U ( j , t , s , k ) —— 内生变量, j 电厂在 t 年 s 季 k 时段的发电容量。 其约束条件包括: ( 1) 系统发电出力约束 J

∑ αj ( 1 -

∑(1 +

μj ) ( 1 - ξj ) U( j , t, s, k) -

μj ) ( 1 + ξj ) P ( j , t, s, k)

j∈ J P

j= 1

≥ L d ( t, s, k) 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

( 7. 24)

式中　 L d ( t , s, k) —— 外生变量, 系统在 t 年 s 季 k 时段的负荷大小; 　 P ( j , t, s, k) —— 内生变量, j 抽水蓄能电厂在 t 年 s 季 k 时段的抽水出力。 该约束要求系统在任一时刻发电出力扣除厂用电和网损后的总和必须大于系统供电负 荷。 ( 2) 机组发电出力约束 ① 火、核电机组 t

U( j , t, s, k) ≤

∑ αj X ( j , τ)

( 7. 25)

τ = 0 t

U ( j , t, s, k) ≥ ∑ βj X ( j , τ )

( 7. 26)

τ= 0

　 　 此约束条件要求火、核电机组在任何时刻的发电出力都不可以大于该机组的可用容量, 并且也不能小于机组的最小出力。 ② 水电机组 U( j , t, s, k) ≤ XE ( j , t, s, k)

( 7. 27)

U( j , t, s, k) ≥ XF ( j , t, s, k)

( 7. 28)

式中　 X E ( j , t , s, k) —— 外生变量, 水电厂 j 在 t 年 s 季 k 时段的预想出力, 由水库水量等因 素决定; 　 X F ( j , t , s , k ) —— 外 生变量, 水电厂 j 在 t 年 s 年 k 时段的强迫出力, 由河流 的航运、 供水等因素决定。 此约束表示水电机组的出力不能大于它的预想出力, 也不能小于它的强迫出力。 ③ 抽水蓄能机组 t

U( j , t, s, k) ≤

∑ αj X ( j , τ)

( 7. 29)

τ = 0 t

P ( j , t, s, k) ≤

∑ αj X ( j , τ)

( 7. 30)

τ = 0

　 　 此约束表示抽水蓄能机组的发电出力和抽水出力均要小于它的可用容量。 ( 3) 机组发电量约束 ① 火电机组 S

K

∑ DS ( t, s) ∑ L ( t, s, k) U( j , t, s, k) s= 1

k= 1

t

≤ H M ( j ) ∑X ( j , τ )

( 7. 31)

τ = 0

式中　 H M ( j ) —— j 机组 1 年 中可能的 最大利 用小时数, 由机 组平均 检修时间 和强迫停 役 率等因素决定。 ② 水电厂 ・ 24 9・

K

∑ L ( t, s, k) U( j , t, s, k)

≤ E H ( j , t, s)

( 7. 32)

k= 1

式中　 E H ( j , t, s) —— 表示 j 水电厂在 t 年 s 季的日来水量的多年平均值。 ③ 抽水蓄能电厂 K

K

∑ L ( t, s, k) U( j , t, s, k) k= 1

≤ E F F j ∑ L ( t, s, k) P ( j , t, s, k)

( 7. 33)

k= 1

式中　 E F Fj —— j 抽水蓄能电厂的循环效率。 上面给出的是线性规划生产模拟的基本约束条件。在线性规划生产模拟中, 还可以根据 实际系统的不同特点, 很方便地建立起相应的约束条件而并不增加很多的计算工作量, 这也 是线性规划生产模拟的一大优点。 将线性规划生产模拟( 7. 22) —( 7. 33) 与投资子问题( 7. 11) —( 7. 17) 结合在一起便可以 构成线性规划 生产模拟的电源 规划模型, 如果投资子 模型也描 述为线 性或混合 整数规划 模 型, 就可以对整个电源规划模型统一求解。

小结 本节介绍了几 个不同的单区域 电源规划模 型, 主 要目的是 为了向 读者展示 构造电源 规 划模型的思路和方法, 以便于读者在研究自己的实际问题时, 建立起与所研究内容相适合的 自己的数学模型。对于几个地区电网互联的互联电力系统, 在电源规划模型中还要考虑地区 间的错峰效益, 事故时相互支援, 不同水系的补偿调节作用, 联络线的容量及投资等等, 这常 常使得电源规划模型规模非常大, 关系非常复杂, 计算也更加困难。目前应用最多的依然是 单区域电源规划模型, 在研究互联电网的电源规划时, 经常进行一定的简化而将它分解成若 干个单区域分别加以研究。

7. 3　 石油炼制工艺优化模型 7. 3. 1　 石油炼 制概述 　 　 由于在开采、运输和使用等方面都较其他能源更为简单和方便, 所以石油已是当今世界 上使用最广泛的能源, 是现阶段人类活动所依赖的一种重要物资。石油炼制是一个国家整个 能源系统的重要一环。炼油厂以原油作原料, 生产各种产品。原油是数千种碳氢化合物的混 合物, 世界上没有两个油田所产的原油是完全相同的。由原油获得的产品也是千差万别的, 有直接作为能源使用的各种燃料油, 有各种润滑油, 有各种石油化工产品, 还有石蜡、沥青和 焦炭等。因此, 介于原油与产品之间的炼制工艺也是多种多样的, 中间产物更是种类繁多。整 个炼制工艺是各种基本工艺的复杂组合。显然合理组织整个炼制工艺是非常重大的经济问 题, 我们当然会想到应当用系统工程方法来解决这个难题。 根据炼 油厂的主 要产品, 可将 其分为三 种类型: 燃料 型, 主 要生产燃 料油; 燃料－润滑 油 型, 除燃料油外还生产润滑油; 燃料－化工型, 主要生产燃料油和化工产品。在炼油厂里, 从原 油到产品, 物料要经过一系列的炼制工艺, 经历一系列复杂的物理和化学变化。在一个燃料 型炼油厂里, 按物料变化的性质, 可将主要炼制工艺分为 6 大类; 蒸馏、裂化、重整、烷基化和 叠合、精制、调合( 调配混合) 。在蒸馏工艺中, 混合物的各种组分按沸点不同( 基本上也是分 ・ 2 50 ・

子大小不同) 而分开。在大气压力下进行的蒸馏称为常压蒸馏, 为降低沸点而在低于大气压 力下进行的蒸馏称为减压蒸馏。在裂化工艺中, 主要是大分子分解为小分子的裂化反应。在 重整工艺中, 主要是分子结构变化, 分子大小基本不变的各种反应。在烷基化工艺和叠合工 艺中, 分别包含小分子结合成稍大分子的烷基化反应和叠合反应。在精制工艺中, 使用多种 物理和化学反应, 去除物料中的杂质和有害成分。在调合工艺中, 来自各工艺的中间产物简 单混合, 再加入适当的添加剂, 配制出所需物性的最终产品。蒸馏是初始工艺, 它将原油的各 种组分分离开。裂化、重整、烷基化、叠合和精制是中间工艺, 它们使各种组分向人们需要的 方向转化。调合是终了工艺, 它把各种组分按需要再混合起来。在现代的炼油工业中, 按反

图 7. 9　 石油炼制工艺的简单组合

应条件、催化剂、加氢与否、设备特点、原料和产物等, 每一大类工艺又细分为许多类。 ・ 25 1・

　 　 在燃料型炼油厂里, 上述工艺过程的组合有很大的灵活性, 基本组合如下。原油经常压 蒸馏, 分离出汽油、煤油、柴油等轻质的常压馏分, 剩下常压残油。常压残油经减压蒸馏, 分离 出重质的减压馏分, 剩下减压残油。减压馏分经热裂化、催化裂化或加氢催化裂化, 转变成汽 油、柴油等轻质油。减压残油经减粘裂化, 一部分降低粘度成为锅炉油, 另一部分转化为轻质 油。减压残油还可经焦化( 焦化是一种强烈的热裂化反应, 一部分物料发生裂化反应, 分子由 大变小; 另一部分物料发生相反的反应, 分子通过多种聚缩反应, 越变越大, 失氢变成焦炭) , 除了得到轻质油外, 还得到石油焦。汽油经催化重整, 提高了质量。各工艺的气态中间产物, 经烷基化和叠合, 合成为高质量汽油。 图 7. 9 给出了一个假想燃料型炼油厂的工艺组合。为简单起见, 它只包含常压蒸馏、减 压蒸馏、催化重整、催化裂化、减粘裂化和调合 6 种工艺。为简单起见, 我们假定, 各工艺过程 的气态产物为自用燃料, 剩余的放空烧掉。以图 7. 9 为例, 本节介绍构造静态炼制工艺优化 模型( 线性规划类模型) 的方法。所谓静态模型, 是指仅仅考察将来某一目标年的情况, 而不 考虑发展过程, 这就大大简化了模型。为了构造模型, 我们应将原油、中间产物和最终产品按 各自的标准适当分类。为简单起见, 图 7. 9 上分类很简单。图上所示的工艺组合及物料分类 不见得很合理, 我们只是为了从中学习构模方法。 下面具体讨论模型。为书写模型方便, 我们引入了很多中间变量。所谓中间变量, 是指 可以从模型中消去的内生变量。一种工艺过程的生产能力, 来自 4 类工程项目, 即已建成项 目、建设中项目、已规划好项目和规划中项目。在编写静态模型时, 我们把目标年的生产能力 分为两部分, 原有设备容量和新建设备容量。前者为外生变量, 指前 3 类项目设备容量到目 标年时的存留量; 后者为内生变量, 指规划中项目设备容量到目标年时的存留量。还有, 在下 面的模型中, 以进料量计量各工艺的设备容量。

7. 3. 2　 与常压 蒸馏有关 的约束方程 常压蒸馏是原油必经的第一道炼制工艺, 按图 7. 9 原油分为 4 种, 因此有生产能力约束 方程 4

∑ CR

ｉ

≤ CP E 1 + CP N 1

ｉ= 1

式中　 CR ｉ —— ｉ= 1—4, 内生变量, 被炼制的第 ｉ 种原油量; 　 CP E 1 —— 外生变量, 原有的常压蒸馏设备容量; 　 CP N 1 —— 内生变量, 新建的常压蒸馏设备容量。 方程的左端为运行中的常压蒸馏设备容量, 记作 CP 1 , 这是一个中间变量。 按图 7. 9, 由常压蒸 馏得到 初馏汽油、直馏 汽油、直馏 煤油、直馏 轻柴 油、直馏重 柴油 和 常压残油 6 种中间产物, 因此有物料平衡方程 4

Aｉ =

∑ α ¡¤CR 　 ｉj

j

( ｉ = 1—6)

j= 1

式中　 α ｉj —— ｉ= 1—6, j = 1—4, 技术系数, 由第 j 种原油得到第 ｉ 种常压蒸馏产物的产率; 　 A ｉ —— ｉ= 1—6, 中间变量, 第 ｉ 种常压蒸馏产物的产量。 按图 7. 9, 直馏汽油 的一部 分为催化 重整原料, 另 一部分 用于汽 油调 合, 因此有 物料 平 衡方程 ・ 2 52 ・

A 2 = R A + GA 式中　 R A —— 内生变量, 用作催化重整原料的直馏汽油量; 　 GA —— 中间变量, 用于汽油调合的直馏汽油量。 按图 7. 9, 常压残油 的一部 分为减压 蒸馏原料, 另 一部分 用于锅 炉油 调合, 因此 有物 料 平衡方程 A 6 = VA 6 + F A 6 式中　 VA 6 和 F A 6 —— 内生变量, 分别为用作 减压蒸 馏原料和 用于锅 炉油调合 的常压残 油 量。

7. 3. 3　 与减压 蒸馏有关 的约束方程 按图 7. 9, 减压蒸馏的原料仅为常压残油, 因此有生产能力约束方程 VA 6 ≤ CP E 2 + CP N 2 式中　 CP E 2 —— 外生变量, 原有的减压蒸馏设备容量; 　 CP N 2 —— —内生变量, 新建的减压蒸馏设备容量。 方程的左端为运行中的减压蒸馏设备容量, 又记作 CP 2 , 这是一个中间变量。 按图 7. 9, 由减压蒸 馏得到 减压一线 油、减 压二线 油和减 压残油 3 种 中间 产物, 因此 有 物料平衡方程 V ｉ = βｉ ¡¤VA 6 　 　 ( ｉ = 1—3) 式中　 βｉ —— ｉ= 1- 3, 技术系数, 第 ｉ 种减压蒸馏产物的产率, 　 V ｉ —— ｉ= 1—3, 中间变量, 第 ｉ 种减压蒸馏产物的产量。

7. 3. 4　 与减粘 裂化有关 的约束方程 按图 7. 9, 减粘裂化的原料仅为减压残留, 因此有生产能力约束方程 V 3 ≤ CP E 3 + CP N 3 式中　 CP E 3 —— 外生变量, 原有的减粘裂化设备容量; 　 CP N 3 —— 内生变量, 新建的减粘裂化设备容量。 方程的左端为运行中的减粘裂化设备容量, 又记作 CP 3 , 这是一个中间变量。 按图 7. 9, 由减粘裂 化得到减粘汽油、减粘柴 油、减粘重 油和减粘残油 4 种中间产物, 因 此有物料平衡方程 D ｉ = γｉV 3 　 　 ( ｉ = 1—4) 式中　 γｉ —— ｉ= 1—4, 技术系数, 第 ｉ 种减粘裂化产物的产率; 　 D ｉ —— ｉ= 1—4, 中间变量, 第 ｉ 种减粘裂化产物的产量。

7. 3. 5　 与催化 裂化有关 的约束方程 按图 7. 9, 催化裂化 V 1 + V 2 + D 3 ≤ CP E 4 + CP N 4 式中　 CP E 4 —— 外生变量, 原有的催化裂化设备容量; 　 CP N 4 —— 内生变量, 新建的催化裂化设备容量。 方程的左端为运行中的催化裂化设备容量, 记作 CP 4 , 这是一个中间变量。 ・ 25 3・

按图 7. 9, 由催化裂化得到裂化汽油和裂化柴油两种中间产物, 因此有物料平衡方程 C 1 = δ11 V 1 + δ12 V2 + δ1 3 D 3 C 2 = δ21 V 1 + δ22 V2 + δ2 3 D 3 式中　 δｉj —— ｉ= 1, 2, j = 1—3, 技术系数, 由第 j 种原料得到第 ｉ 种催化裂化产物的产率; 　 C 1 和 C2 —— 中间变量, 分别为裂化汽油和裂化柴油的产量。 按图 7. 9, 裂化汽油 的一部 分为催化 重整原料, 另 一部分 用于汽 油调 合, 因此有 物料 平 衡方程 C 1 = R C + GC 式中　 R C —— 内生变量, 用作催化重整原料的裂化汽油量; 　 GC —— 中间变量, 用于汽油调合的裂化汽油量。

7. 3. 6　 与催化 重整有关 的约束方程 按图 7. 9, 催化重整的原料为裂化汽油和直馏汽油两种, 因此有生产能力约束方程 R C + RA ≤ CP E 5 + CP N 5 式中　 CP E 5 —— 外生变量, 原有的催化重整设备容量; 　 CP N 5 —— 内生变量, 新建的催化重整设备容量。 方程的左端为运行中的催化重整设备容量, 记作 CP 5 , 这是一个中间变量。 按图 7. 9, 催化重整的产物仅为重整汽油, 因此有物料平衡方程 R= ε 1 ¡¤R C + ε 2 ¡¤RA 式中　 ε 1 和 ε 2 —— 技术系数, 分别为由裂化汽油和直馏汽油得到重整汽油的产率; 　 R —— 中间变量, 重整汽油的产量。

7. 3. 7　 与调合 有关的约 束方程 调合工艺非常简单, 不需要重大设备。为简单起见; 我们假定对它不存在生产能力约束, 它对系统的不变成本也没有贡献。 按图 7. 9, 初馏汽油、直馏 汽油、重整汽 油、裂 化汽油 和减 粘汽油 5 种 进料, 调合 成高 级 汽油和普通汽油两种产品, 因此有物料平衡方程 A 1 = P A 1 + RA 1 GA = P A 2 + R A 2 R = P R + RR GC = P C 1 + R C 1 D 1 = P D 1 + RD 1 P 1 = P A 1 + P A 2 + P R + P C1 + P D 1 P 2 = R A 1 + R A 2 + R R + RC 1 + RD 1 式中　 P 1 和 P 2 —— 中间变量, 分别为优质汽油和普通汽油的产量; P A 1 , P A 2 , P R , P C 1 和 P D 1 —— 内生变量, 调合成优质汽油的 5 种进料量; R A 1 , R A 2 , RR , R C 1 和 RD 1 —— 内生变量, 调合成普通汽油的 5 种进料量。 按图 7. 9, 直馏煤油全部作为煤油产品, 因此有 ・ 2 54 ・

P 3 = A3 式中　 P 3 —— 中间变量, 煤油产量。 按图 7. 9, 直馏轻柴 油、直馏 重柴油、裂 化柴油和减粘柴 油 4 种进料, 调合成轻柴油 和重 柴油两种产品, 因此有物料平衡方程 A4 = L A4 + H A4 A5 = L A5 + H A5 C2 = L C2 + H C2 D 2 = LD 2 + H D 2 P 4 = L A 4 + LA 5 + L C 2 + L D 2 P 5 = H A 4 + H A 5 + H C2 + H D 2 式中　 P 4 和 P 5 —— 中间变量, 分别为轻柴油和重柴油的产量; 　 L A 4 , L A 5 , L C 2 和 L D 2 —— 内生变量, 调合成轻柴油的 4 种进料量; 　 H A 4 , H A 5 , H C 2 和 H D 2 —— 内生变量, 调合成重柴油的 4 种进料量。 按图 7. 9, 常压残油和减粘残油调合成锅炉油, 因此有物料平衡方程 P 6 = F A6 + D 4 式中　 P 6 —— 中间变量, 锅炉油的产量。 从国家标准中, 我们可查得各种燃料油的一系列物性指标。炼油厂使产品达到这些指标 的手段是: 合理组织工艺流程, 严格控制各工艺的生产条件, 调合。前两种手段表现在前面的 约束方程及其技术系数上, 调合是最后的手段。在调合工艺中, 物性指标不同的物料混合, 再 加入能改善物性的各种添加剂, 以此达到产品的物性指标。在此我们应写出物性约束方程。 而物性约束方程多是复杂的非线性方程, 使用时需将其线性化。下面我们举几个简单的物性 约束方程为例。调合工艺还起一个作用, 用低质量的物料替代质量较高的物料, 以降低生产 成本。 辛烷值是汽油的最重要物性, 它表示汽油的抗爆性。在汽油机的汽缸中, 受压缩的汽油 蒸汽和空气的混合物, 会产生爆炸, 这就是爆震现象。这对汽油机的工作极端不利, 多消耗了 燃料, 降低了功率, 加快了损坏。设计汽油机时, 爆震现象限制了压缩比的提高, 也就限制了 汽油机热效率的提高。各种汽油成分的抗爆性不一样, 一种异辛烷( 2, 2, 4－三甲基戊烷) 的抗 爆性很高, 定其辛烷值为 100, 正庚烷的抗爆性很差, 定其辛烷值为 0。如果一种汽油的辛烷 值是 80, 就是说它的抗爆性, 同 80% 异辛烷和 20% 正庚烷混合物的抗爆性一样。如上所述, 辛烷值相当于一个成分百分比。所以我们可以假定, 在调合汽油时, 产品的辛烷值为各进料 辛烷值按混合量的算术平均值。因此, 不加抗爆剂时的辛烷值约束方程为 ω1 ¡¤P A 1 + ω2 ¡¤P A 2 + ω3 ¡¤P R + ω4 ¡¤P C1 + ω5 P D 1 ≥ Ω1 ¡¤P 1 ω1 ¡¤RA 1 + ω2 ¡¤R A 2 + ω3 ¡¤RR + ω4 ¡¤R C1 + ω5 ¡¤R D 1 ≥ Ω2 ¡¤P 2 式中　 Ω1 和 Ω2 —— 技术系数, 分别为优质汽油和普通汽油辛烷值的下限; 　 ωｉ —— ｉ= 1—5, 技术系数, 参加汽油调合的 5 种进料的辛烷值。 饱和蒸汽压也是汽油的重要物性。按道尔顿定律和拉乌尔定律, 我们认为调合产品汽油 的饱和蒸汽压为各进料饱和蒸汽压按分子数的算术平均值, 因此, 饱和蒸汽压约束方程为 λ 1 ¡¤

P A1 PA2 PR P C1 PD + λ 2 ¡¤ + λ 3 ¡¤ + λ 4 ¡¤ + λ 5 ¡¤ m1 m2 m3 m4 m ・ 25 5・

≤ Λ1 λ¡¤

PA1 P A2 PR P C1 PD1 + + + + m1 m2 m3 m4 m5

RA 1 R A2 RC 1 RD 1 RR + λ2 ¡¤ + λ 3 ¡¤ + λ 4 ¡¤ + λ5 ¡¤ m1 m2 m3 m4 m5 ≤ Λ2

R A1 R A2 R C1 R D1 RR + + + + m1 m2 m3 m4 m5

式中　 Λ1 和 Λ2 —— 技术系数, 分别为优质汽油和普通汽油饱和蒸汽压的上限; 　 λ ｉ —— ｉ= 1—5, 技术系数, 参加汽油调合的 5 种进料的饱和蒸汽压; 　 m ｉ —— ｉ= 1—5, 技术系数, 参加汽油调合的 5 种进料的平均分子量。 上面只是上限约束, 当然还可列出下限约束。 十六烷值是轻柴油的重要物性, 它表示柴油的抗爆性。在柴油机中也会发生爆震现象, 但其机理和汽油机不同。在柴油机汽缸中, 空气受压缩产生高温, 喷入的柴油经过一迟缓期 就自燃。如果迟缓期过长, 着火以前积存的柴油过多, 着火时就会引起压力突然增加, 产生爆 震。各种柴油成分的抗爆 性不一样, 正十六烷的抗爆 性很高, 定其十六烷值为 100, α- 甲基 萘的抗爆性很差, 定其十六烷值为 0。如果一种轻柴油的十六烷值为 45, 就是说它的抗爆性 同 45% 正十六烷和 55% α－甲基萘混合物的抗爆性一样。因此, 依照汽油的辛烷值约束方程, 我们可写出不加抗爆剂时的轻柴油十六烷值约束方程, θ 1 ¡¤L A 4 + θ 2 ¡¤L A 5 + θ 3 ¡¤LC 2 + θ 4 ¡¤L D 2 ≥ Θ¡¤P 4 式中　 Θ—— 技术系数, 轻柴油十六烷值的下限; 　 θ ｉ —— ｉ= 1—4, 技术系数, 参加轻柴油调合的 4 种进料的十六烷值。 调合工艺应对系统的可变成本有贡献, 起码要计入各种添加剂的费用。但是我们没有列 出与添加剂使用量有关的约束方程, 因此暂且假定调合工艺对系统的可变成本没有贡献。

7. 3. 8　 其他约 束方程及 目标函数 我们分两种情况来讨论这个问题。 ( 1) 炼油厂的经营者应如何经营 前面几段列 出的约束方程应 看作是对炼 油厂工艺 过程的 描写。除此 以外, 根据具体 情 况, 还应增加一些非工艺过程的约束方程, 仅以下面几种为例。 经营者筹措到的基建资金有限, 这个限制表达为 5

∑ π ¡¤CP N ｉ

ｉ

≤M

ｉ= 1

式中　 πｉ —— ｉ= 1—5, 技术经济系数, 第 ｉ 种设备容量的比投资; 　 M —— 外生变量, 经营者筹措到的基建资金总额。 在能源形势紧 张的情况下, 炼油厂分配 到的原 油量有限, 这个 限制可 取多种形 式, 它 们 是: 每种原油量各有一个上限; 总原油量有一个上限; 高质量原油量有一个上限; 高质量原油 与总原油量之比有一个上限; 或者是上述条件的不相互矛盾的组合。这些约束方程的一般化 形式为, CR ｉ( ｉ= 1—4) 的线性组合小于或等于某一已知量。 国家计划部门向这个炼油厂下达了产量指标, 这个限制可取多种形式, 最简单的形式为 P ｉ ≥ Qｉ 　 ( ｉ = 1—5) ・ 2 56 ・

式中　 Q ｉ —— ｉ= 1—5, 外生变量, 第 ｉ 种燃料油的产量指标。 在这里我们没有对锅炉油的产量提出要求, 即我们希望尽量多生产其他燃料油, 最好不要生 产锅炉油。 经营者追求的目标是年经营利润最大, 所以目标函数为 6

max Z =

4

∑ μ ¡¤P ｉ

ｉ= 1

ｉ

-

5

∑ γ ¡¤CR 1

ｉ

5

∑ σ¡¤CP

-

ｉ

ｉ= 1

ｉ

∑ π ¡¤CR F

-

ｉ

ｉ= 1

ｉ

¡¤CP N ｉ

ｉ= 1

式中　 μｉ —— ｉ= 1—6, 经济系数, 第 ｉ 种燃料油的出厂价格; 　 γｉ —— ｉ= 1—4, 经济系数, 第 ｉ 种原油的进厂价格; 　 σｉ —— ｉ= 1—5, 技术经济系数, 第 ｉ 种设备单位容量的运行维修费用; 　 CRF ｉ —— ｉ= 1—5, 技术经济系数, 第 ｉ 种设备的年资金回收因子, 有 ｎ

CR F ｉ = r( 1 + r) ｉ/ [ ( 1 + r)

ｎ

ｉ

-

1]

　 　 其中 ｎ ｉ 为第 ｉ 种设备的经济寿命, r 为贴现率。 目标函数的第 1 项为销售收入; 第 2 项为 原料费; 第 3 项 为运行维 修费用, 其中 假定了闲 置 设备 的费用 为零; 第 4 项为 资金 年还本 付息 费用, 因为 原有 设备 能力对 此项 的贡献 为已 知 量, 所以只计新建设备能力的贡献。 ( 2) 国家的能源规划工作者应如何规划整个国家的炼制工艺 这时前面几段列出的约束方程, 应看作是对这个国家炼油工艺的综合描写。当然我们所 用的例子过于简单, 但按同样的方法, 描写更为复杂的工艺过程是不困难的。除了描写炼油 工艺过程的约 束方程以外, 根据具体情况, 还应 增加一些 其他的约 束方程, 仅以 下面几种 为 例。 燃料油可以出 口, 也可以 进口, 国 内对燃料 油的需求 应当得到 满足, 因此燃 料油供求 平 衡方程为 P ｉ - E P ｉ + I P ｉ ≥ D M ｉ 　 　 ( ｉ = 1—6) 式中　 E P ｉ 和 IP ｉ —— ｉ= 1—6, 内生变量, 分别为第 ｉ 种燃料油的出口量和进口量; 　 D M ｉ —— ｉ= 1—6, 外生变量, 国内对第 ｉ 种燃料油的需求量。 原油可以出口, 也可以进口, 因此原油供求平衡方程为 CR ｉ ≤ S ｉ -

E CR ｉ + I CR ｉ　 　 ( ｉ = 1—4)

式中　 E CR ｉ 和 I CR ｉ —— ｉ= 1—4, 内生变量, 分别为第 ｉ 种原油的出口量和进口量; 　 S ｉ —— ｉ= 1—4, 外生变量, 第 ｉ 种原油的国内产量。 出口原油和燃料油可得到外汇, 进口原油和燃料油要花费外汇, 我们可以对石油贸易的 顺差或逆差加以限制, 约束方程为 4

6

∑ φ( E CR ｉ

ｉ

-

I CR ｉ ) +

ｉ= 1

∑ τ( E P ｉ

ｉ

-

I P ｉ) ≥ B

ｉ= 1

式中　 φ ｉ —— ｉ= 1—4, 经济系数, 第 ｉ 种原油的国际市场价格; 　 τ ｉ —— ｉ= 1—6, 经济系数, 第 ｉ 种燃料油的国际市场价格; 　 B —— 外生变量, B > 0 时 B 为顺差下限, B < 0 时©¦B ©¦为逆差上限。 新建设备能力需要资金, 可动用的资金有一定限额, 因此资金约束方程为 5

∑ π ¡¤CP N ｉ

ｉ

≤M

ｉ= 1

・ 25 7・

式中　 M —— 外生变量, 可用于新建设备能力的资金总额。 现在的这个系 统应看成是整个 能源系统的 一环, 能源规划 工作者 追求的目 标应当是 系 统的年总成本最小, 即目标函数为 5

minZ =

5

∑ σ ¡¤CP ｉ

ｉ

∑ π¡¤CR F

+

ｉ

ｉ= 1

4

+

ｉ

¡¤CP N ｉ

ｉ= 1

5

∑ φ( I CR ｉ

ｉ= 1

ｉ

- E CR ｉ ) +

∑ τ( I P ｉ

ｉ

-

E P ｉ)

ｉ= 1

目标函数 的第 1 项为非闲 置设备的运行维 修费用( 闲 置设备 的费用为 零) ; 第 2 项为新建 设 备能力的还本付息费用( 原有设备的费用为已知量) ; 第 3 和 4 项之和为石油贸易逆差( 当和 为负值时就是顺差) , 它们是对系统总成本的修正。后两项的单位要与前两项的取齐, 都以国 内货币作单位。系统的原料费是由外生变量 S ｉ ( ｉ= 1—4) 线性组合成的已知 量, 所以不 在目 标函数中出现。

7. 3. 9　 小结 模型中出现的所有内生变量与外生变量, 除 M 以外, 都是按 1 年定义的, 这一点在 前面 的叙述中并没有明确说明。 将目标函数和约束方程汇总起来, 经过适当整理, 再添上所有内生变量都要满足的非负 约束, 就构成了完整的模型。本节我们得到了两个模型。 当然, 上述的数学模型过于简单, 特别是第 2 个模型更是如此。那么是不是我们对整个 国家的炼油工 艺过程进行非常 细致的描写以后, 就可 用第 2 个 模型规 划国家的 石油炼制 工 艺呢? 回答是否定的。问题在于我们的模型没有考虑地域差别。油田、炼油厂和消费中心三 者相距一般很远, 在一个幅员辽阔的大国内更是如此。要解决这样一个国家的石油炼制工艺 最优组合问题, 就要构造 一个国家级的 石油开 采、运 输、炼 制、储 存、销售模型, 把各 个油田、 炼油厂、油库、消 费中心以及它们 之间的运输手 段统统纳 入一个模 型内, 综合研 究它们之 间 的关系。 我们的模型之所以非常简单, 除了因为图 7. 9 非常简单外, 还由于我们未经说明地做了 几个假定。这些假定是: ①所有工艺的中间产物不带有原油来源不同的痕迹, 因而除了常压 蒸馏工艺外, 其他工艺的 产率系数与原油 种类无关; ②各 工艺的生 产条件 是固定的, 因而 产 率系数是固定的; ③一种工艺的所有设备容量全部运行在相同的生产条件下; ④工艺流程的 组合是固定死的。而实际情况与我们的假定正相反, 为了简化模型, 我们才做了这些假定。这 些假定不是本质性的, 去掉这些假定, 只是使模型的规模极大增加而已。

7. 4　 煤炭开发模型 7. 4. 1　 煤炭系 统的结构 　 　 我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。我国的初级能源消费结构长期以来一直以 煤炭之主, 将来相当长的一段时期内也还会如此。过去一段时期内我国经受着煤炭供不应求 的折磨, 将来相当长的一段时期内也还会如此。这些都是大家公认的事实。这也就是说, 我 ・ 2 58 ・

国虽有足够的煤炭资源可用, 但开采不出来, 或者能开采出来, 但运不到消费者手中。至于为 什么会出现这种局面, 存在着各种各样的复杂原因, 最本质的客观原因有以下两点。一是煤 炭采掘工业的基建周期很长, 资金密集度极高, 并且随着资源的贫乏化两者有增无减。二是 在地域分布上, 我国的煤 炭产区和消费区 很不一致, 它们 之间所借 助的运 输系统, 主要是 铁 路系统, 也是一个基建周期长和资金密集度高的部门。这就是说, 煤炭开采能力和煤炭运输 能力的开发都是很困难的事情, 需要进行长期的大规模的投资。虽然长期以来, 开发煤炭开 采能力和运输 能力的投资在国 民经济总投资中 已占很大 的比重, 但现 在煤炭供 求的严峻 形 势说明, 这部分投资还嫌不足。在今后相当长的一段时期内, 这种大规模投资活动势必将继 续下去, 并且只能有增无减。在这种复杂的投资活动中, 利用系统工程方法来帮助我们作出 投资决策是很有必要的。这一节我们就来讨论煤炭系统的开发模型。我们这里说的煤炭系 统包括煤炭的开采、洗选和运输。 前面两节介绍的是静态模型, 本节介绍的是动态模型。所谓动态模型, 是指考察系统状 态在今后一段时间内的发展过程, 而不是像静态模型那样, 仅仅考察系统在某一目标年的状 态。设备能力的扩大是一个长时间的过程, 与之相比, 生产工艺的完成是一个暂短的过程。所 以在动态模型 里, 被动态 化的只是设备能 力的扩大 过程, 而不是生 产工艺 的完成过 程, 后 者 总是假定瞬时完成的。 一般在构造模型的过程中, 人们尽量将各表达式都写成数学上称之为线性的形式, 即内 生变量只以一次方的形式出现, 这样得到的模型是线性模型。过去我们就是这样做的。线性 模型的数学处理是容易的。但是在本动态模型中, 为了减小模型的规模, 对设备能力扩大过 程的描写采用的是特殊的非线性方法。所以从本质上讲, 本模型属于非线性规划问题。 为了使问题简化, 我们作几个假定: 第一, 假定煤的库存量保持不变。煤的库存量与煤的 年产量相比是一个小数, 在煤炭的开采、运输与消费之间, 库存煤只起短时间的调节作用, 而 我们研究的是长期供求平衡问题, 所以这一假定不会引入显著误差。第二, 不考虑煤种和用 途的差别。煤按品质分为多种品种, 按用途分为动力煤和冶金煤等, 不同品种适合不同用途。 我国煤炭资源 品种齐全, 在总量满足需求 的条件下, 品种 的调节有 足够的 余地, 所以这一 假 定也不会引入显著误差。第三, 焦炭当作非煤货物, 不在本模型中出现。因为焦炭的长途调 运量与煤炭的运输量相比是一个小数, 所以这样处理是合理的。第四, 把洗煤厂的产品只简 单地分为洗精煤和尾煤两种。下面我们把原煤和尾煤合起来称为普通煤。洗精煤除了满足 特定用途外, 多余的可代替普通煤, 反向代替不行。尾煤就近消费, 不考虑其运输问题。第五, 我国的煤炭管理体制很复杂, 本模型不打算涉及管理体制方面的问题。第六, 不考虑煤炭的 进出口问题。我国煤炭对外贸易量与煤炭产量相比是一个小数, 所以为简单起见, 不考虑煤 炭的进出口是可取的。如果上面某些假定不合理, 那么作出新的假定, 修改下面的模型。 将全国的煤矿 和洗煤厂按地理 位置和原煤 热值分为 若干产煤 区, 在同一区 内不再考 虑 地理位置和热值的差别。将全国煤炭的消费者也按地理位置分为若干消费区, 在同一区内也 不再考虑地理位置的差别。产煤区和消费区的划分是完全独立的, 同一个地理位置, 既可以 是产煤区, 又可以是消费区。几个产煤区可占据同一个地理位置, 它们的原煤热值不同。产 煤区和消费区分别统一编号, 各自的总数记为 N I 和 N J , 这些是模型的结构常数。以后在变 ・ 25 9・

量的下标中, 分别以 I 和 J 表示两种区的序号。 模型中不直接处理产煤区内部和消费区内部的煤炭运输问题。为了直接处理产煤区和 消费区之间的煤炭运输问题, 我们用一张网络图来描写这个煤炭运输系统。网络图由一个点 集合和一个弧集合组成。产煤区和消费区在图上表示为点, 除此之外, 点集合还包括一些运 输枢纽站和转运点。点之间以弧线相联, 一条弧线代表两点之间的某一种运煤手段, 称为一 段线路段。一段线路段可以是一段铁路线、一段内河航运线、一段海运线或一条流态化的管 道输煤线等。如果同一地理位置既是产煤区又是消费区, 那么我们将它们画成两个点, 中间 以虚线相联。虚线代表虚设的线路段。所有的线路段构成了弧集合。显然, 我们画的这张图 不是全国运输网络图的全部, 而只是其中与煤炭运输有关的或可能有关的部分。 我们本来可以根据网络图直接建立模型, 但是煤炭运输有着自己的特点, 利用这些特点 可将模型简化。一个产煤区的煤炭通常用直达列车, 中间不解列重编, 沿几条合理的线路, 而 不是所有可能的线路, 直接运到一个或几个消费区, 而不是所有的消费区。根据上述煤炭运 输的特点, 我们采用下面的方法来简化煤炭运输网络图。我们定义, 以一个产煤区为起点, 以 一个消费区为终点的一串首尾相接的线路段为一条线路。任一对产煤区和消费区之间可能 没有线路相联, 也可能有一条或几条线路相联。将选定的线路统一编号。总数记为 N L , 这是 模型的结构常数。以后在变量的下标中, 以 L 表示线路的序号。在引入了线路概念以后, 我 们只需以每一 条线路的煤流量 作为变量, 而不需以网 络图的每 一段线 路段的煤 流量作为 变 量, 即只需在产煤区和消费区这些点上列写煤流量的平衡方程, 而不需在网络图的所有点上 列写平衡方程。 为了表示清楚网络图上线路与点的关系, 我们可以列出每一条线路的起点和终点, 形成 所谓的结构向量。而在本模型中, 我们换用与之等价的结构矩阵方法。我们用两个结构矩阵 L I 和 L J 分别表示线路与产煤区和线路与消费区的关系。若第 L 条线路的起点是第 I 个产 煤区, 则矩阵元素 L I ( L , I ) 的值取 1, 否则取 0。同样可定义矩阵元素 L J ( L , J ) 的值。这两个 矩阵的每一行只有一个元素取 1, 每一列可能有不止一个元素取 1。 线路段是煤炭运输系统的基本元素。整个运煤系统包含的线路段数目相当大, 我们没有 必要对每一线路段都进行研究, 而只需研究那些运煤能力呈现出不足, 在规划期内需要将其 运煤能力加以扩大的线路段, 或者那些在规划期内新建的线路段。将这样选定的线路段统一 编号, 总数记为 N M , 这是模型的结构常数。以后在变量的下标中, 用 M 表示线路段的序号。 一条线路是由 一段或几段线路 段组成的, 我们用结构矩 阵 L M 表 示线路与 线路段的 关 系。若第 M 段线路段是第 L 条线路的组成部分, 则矩阵元素 L M ( L , M ) 的值取 1, 否则取 0。 前面假定了尾煤就近消费, 我们用结构矩阵 I J 表示产煤区与消费区之间的尾煤供应与 消费的关系。若第 I 个产煤区的尾煤供应第 J 个消费区, 则矩阵元素 I J ( I , J ) 的值取 1, 否则 取 0。矩阵 I J 的每一行只能有一个元素为 1, 每一列可能一个或多个 1, 或没有。 下面用一个例子来结束我们对煤炭运输系统网络图的讨论。图 7. 10 上画出了一个简单 的网络图, 图旁给出了选定的线路和线路段。根据图 7. 10 所示, 我们得到下面的结构常数和 结构矩阵。为醒目起见, 取 0 值的矩阵元素代之以空白。 ・ 2 60 ・

N I = 3　 N J = 4　 N L = 8　 N M = 3 LI

　 LJ

LM

1

1

1

1

1

1

1 　

1

　

　

1

1

　

1

　

1

　

1

　

　

1

1

　

　

　

　

1

　

　

1

　

　

　

1

1 　

1

　

　

1

　

　

1

1

　

　 　 　 IJ 　

　

　 1

　

　

　

1

　

　

　

1

　 　 产煤区 或线 路段的 生产 能力, 是 在各 基 建工程上进行投资活动的结果。我们将一组 连续施工的工程叫作一个项目。每个产煤区 包含 许多个 项目, 一 个项目 可以 是一 个矿 区 的水 源工程 或运 输支线 工程, 一 座矿 井或 露 天矿 的某一 期工 程, 或一座 洗煤 厂的 某一 期 工程等。这些项目完成后, 有的能直接扩大采 煤能力, 有的能直接扩大洗煤能力, 有的则只 是辅助性工程。每一段线路段也包含许多个 项目, 一个 项目 可以 是一段 铁路 线的 单线 工 程、内燃机 化工 程、复线工 程或 电 气化 工程, 一段 水运段 的航 道工程, 一 座码 头的 建设 工

图 7. 10　 运输煤炭系统网络图 　 　 图注 : □ 产煤 区, 　 　 —— 实 线路段 , ○ 消费 区, 　 　 - - 虚 线路段

程, 一套煤炭装卸设备的安装工程, 或一条输

选定 的线路

煤管道的建设工程等。至于运载工具如机车、

1 ( 1 , a , b, ① ) ; 　 　 　 　 2 ( 1 , a , c, d, ①)

车箱或船只等的添置, 有的可列为项目, 而在 模型 中直接 处理 这部分 投资, 有 的可 不列 为 项目, 而将 这部 分投 资折合 到线 路运 煤的 运 行维修费用中。 在绝 对时间 坐标 上, 一个 产 煤区 或一 段 线路 段的生 产能 力、所需资 金和 残值 等的 时

3( 1 a, e, f , ②) ;

4 ( 2 , g , f , ②)

5 ( 3 , g , f , ②) ;

6 ( 1 , g, ③);

7 ( 2 , ｉ, ④) ;

8 ( 3 , j , ④)

选定 的线路 段 1 ( a); 　 　 2 ( d); 　 　 3 ( f )。

间序列, 是其所属各个项目的相应时间序列的综合。所有项目可分为已建成项目、建设中项 目、已规划好项目和规划中项目 4 类。对于前 3 类项目来说, 绝对时间坐标上的各种数据资 料的时间序 列都应当是已知 的。对于规划中项 目来说, 经过初 步可行 性研究或 技术经济 论 证, 得到的只是以动工时刻为时间坐标原点的各种数据资料的时间序列, 要想将它们转换成 绝对时间坐标上的序列, 必须知道项目的动工时刻。规划中项目的动工时刻正是本模型要求 解的未知数。以后如无特殊说明, 则项目一词仅指规划中项目。将模型涉及的所有项目统一 编号, 项目总数记为 N K , 这是模型的 结构常数。以后在 变量的下标中, 用 K 表示项目 的序 号。 我们用结构矩阵 I K 和 M K 分别表示项目与产煤区和线路段的归属关系。若第 K 个项 ・ 26 1・

目属于第 I 个 产 煤 区, 则 矩 阵 元 素 IK ( I , K ) 的 值 取 1, 否 则 取 0。 同 样 可 定 义 矩 阵 元 素 M K ( M , K ) 的值。两个矩阵的每一行中 1 的个数为这行对应的产煤区或线路段所属项 目的 个数。每个项目只能属于一个产煤区或一个线路段, 所以两个矩阵的同一序号的两列中, 只 能有一个元素取 1。 模型涉及的所有项目组成一个项目集合。为方便起见, 我们在项目集合中另外虚设一个 第 0 号项目, 以它代表 所有前 3 类项目 现时刻的状 态。规定第 0 号项 目的动工 时刻为现 时 刻, 即前 3 类项目继续进行建设。第 0 号项目是各产煤区和线路段的公共项目。第 0 号项目 的动工时刻是固定的, 其他项目的动工时刻是可变的, 其中有的是不自由的, 有的是自由的。 若一个项 目的动工时刻是 不自由的, 即只有当另一个 项目( 可以是 第 0 号项 目) 进行到一 定 程度后, 它才可能具备动工的条件, 则我们说这个项目的动工以另一个项目的动工为先决条 件, 二者动工时刻之差有一个下限值。若一个项目的动工时刻是自由的, 则我们说这个项目 的动工以第 0 号项目的动工为先决条件, 只是这时二者动工时刻差的下限值取为零。我们把 项目动工时 刻自由与不自由 两种情况规格化 成同样的 表达形 式, 是 为了以后 处理方 便。显 然, 只有同属一个产煤区或线路段的项目之间, 才会存在动工时刻的约束关系。 我们用一张有向图, 形象地表示出项目动工时间之间的约束关系。一个项目在图上用同 样序号的点表示。图上有 N K 个实点。还有一个序号为 0 的虚点。两个项目动工时刻之间 的约束关系, 在图上用一 条有向弧线表示, 终点 项目的动 工以始点 项目的 动工为先 决条件。 第 0 点只能是弧线的起点。将图上的有向弧线也统一编号, 总数记为 N N , 这是模型的 结构 常数。以后在变量的下标中, 以 N 表示有向弧线的序号。我们用两个结构向量 P B 和 P E , 描 写图中点和弧线的关系, P B ( N ) 为第 N 条弧线的起点, P E ( N ) 为第 N 条弧线的终点。一条 弧线的终点项 目与始点项目动 工时间差的下限 是这条弧 线的一个 时间参 数, 关 于它以后 再 讨论。 最后以图 7. 11 作为例子来结束关于项目的讨论。

图 7. 11　 项目动工时刻的约束关系图

　 　 我们这个 模型要解决的问 题是, 在对 项目做过初 步可行性 研究或 技术经济 论证的基 础 上, 考 虑到煤炭的开采、洗选、运输和消费之 间的关 系, 考 虑到项目 动工时 刻之间的 关系, 来 排定项目的动工时刻, 制定出今后一段时期的投资规划。我们将这一段时期称为规划期。前 面已经讲过, 煤炭系统的项目都是基建期相当长的项目, 所以规划期末动工的项目满足的不 是规划期内, 而是规划期外对煤炭的需求。因此, 本动态模型所研究的时期应适当地长于规 划期。我们将这一段时期称为研究期。将整个研究期等分为 N T 个时段, 每段长度为 U , 每 段称为一个周期, N T 和 U 是模型的结构常数。采取等分方法为的是简单, 当然也可以不等 ・ 2 62 ・

分分段。以后用 T 表示周期或分点的序号。周期序号与分点序号的关系如图 7. 12 所示。分 点 0 为绝对时间坐标的原点, 其对应的绝对时间为现时刻。

图 7. 12　 研究期分段

　 　 整个模型 具有内外两层嵌 套的结构形式, 外层是 非线性规 划类的 生产能力 最优开发 模 型, 内层是线性规划类的系统最优运行模型。下面具体讨论模型的数学形式。

7. 4. 2　 外层模 型的内生 变量 对于一个模型来说, 选择内生变量是一件很重要的事情。在本模型里, 从设想的解法考 虑, 我们希望在外层模型中, 加在内生变量上的除了非负约束以外, 不再有任何显式约束。 项 目 动 工 时 刻 关 系 图 的 每 一 条 弧 线 上 有 一 个 时 间 参 数, 我 们 用 向 量 DL 表 示 它, D L ( N ) 为第 N 条弧线的终 点项目与始点项 目动工时刻差的 下限。它是由技术 条件决定 的 已知量。 项目 动工时刻 关系图 的每一点 上有一个 时间变 量, 我们用 向量 P T 表 示它, P T ( K ) 为 第 K 个项目的动工时刻。除了 P T ( 0) = 0 以外, P T 是模型的未知量。本模型的目的是排定 各 项目的动工时刻, 所以用 P T ( K ) 　 ( K = 1—N K ) 作内 生变量 是一种最 直接的 选择。P T 除了要满足非负约束以外, 还要满足下列约束方程: P T ( P E ( N ) ) - P T ( P B ( N ) ) ≥ DL ( N ) N = 1—N N 显然 P T 不满足我们关于内生变量的要求, 我们只得另外选择。 在项目动工时刻关系图的每一条弧线上我们找到一个新的时间变量, 用向量 DT 表示, 它的表达式是 DT(N ) = P T(P E(N )) -

P T ( P B( N ) ) - D L( N )

N = 1—N N 将上两式比较可看出, 这个变量是一条弧线的终点项目与始点项目动工时刻差的松弛量。显 然 DT 满足我们关于内生变量的要求。我们选择 DT 作为内生变量, 而 P T 成为中间变量。 由 P T 求 DT 可直接使用上式, 反过来由 D T 求 P T 要费一番周折。这是因为在项目动工时 刻关系图上, 一个点可能 是不止一条弧线 的终点, 如图 7. 11 的第 3 点, 在 这些弧线 上, 上 式 可能不同时成立。我们把 DL ( N ) + DT ( N ) 叫做第 N 条弧线的长度。我们把以第 0 点为始 点, 以另一点为终点的一串首尾相接的有向弧线叫做一条路。路的长度为其组成弧线的长度 之和。第 0 点项目的动工时刻已规定为零, 其他点项目的动工时刻, 显然应为到达这点的所 有路的长度的最大值。下面给出一种由 DT 求 P T 的算法。这个算法比较简单, 但不是最有 效的。 第一步　 N 从 1 到 N N 做 D ( N ) = DT ( N ) + DL ( N ) 。 K 从 0 到 N K 做 P T ( K ) = 0・0。 第二步

F L AG= 0。 ・ 26 3・

N 从 1 到 NN 做 K 1= P B ( N ) , 　 K 2= P E ( N ) 。 X = P T ( K 1) + D ( N ) 。 若 P T ( K 2) < X 则 P T ( K 2) = X 且 F L AG= 1。 第三步　 若 F L AG = 1, 则转第二步, 否则结束。

7. 4. 3　 生产能 力的表达 式 生产能力由两部分组成, 一部分是已知的前 3 类项目的贡献, 另一部分是未知的规划中 项目的贡献。后者完全取决于规划中项目的动工时刻 P T 。将原煤开采能力、洗煤能力和运 煤能力分别表达如下: 其中 T = 1— N T , 　 　 CP R ( I , T ) = CP RK ( I , T ) + NK

+

∫

∑I K ( I , K ) K= 1

TU ( T- 1)U

D CP R( t -

P T ( K ) , K ) dt　 ( I = 1—N I )

D CP W( t -

P T ( K ) , K ) dt　 ( I = 1—N I )

　 　 CP W ( I , T ) = CP WK ( I , T ) + NK

+

) ∑ I K ( I , K∫ K= 1

TU ( T- 1)U

　 　 CP T ( M , T ) = CP T K ( M , T ) + NK

+

) ∑ MK ( M , K∫ K= 1

TU ( T - 1) U

DCP T ( t - P T ( K ) , K ) dt　 ( M = 1—N M)

式中　 CP R ( I , T ) 和 CP W ( I , T ) —— 中间变量, 分别为第 I 个产煤区在第 T 周期内的 原煤 开采能力和洗煤能力; 　 CP T ( M , T ) —— 中间变量, 第 M 段线路段在第 T 周期内的运煤能力; 　 CP RK ( I , T ) 和 CP WK ( I , T ) —— 外生变量, 分别 为第 I 个产 煤区的 前 3 类 项目 对 第 T 周期内的原煤开采能力和洗煤能力的贡献; 　 CP T K ( M , T ) —— 外生变量, 第 M 段线路 段的前 3 类项目 对第 T 周期内 的运煤 能 力的贡献; 　 D CP R ( Δ, K ) 和 DCP W ( Δ, K ) —— 技 术函数, 以 动工 时刻为 时间 坐标 原点, 分别 为 第 K 号项目在 Δ时刻附近单位时间内的原煤开采能力和洗煤能力, 非煤矿项 目的 DCP R 为零, 非洗煤厂项目的 DCP W 为零; 　 DCP T ( Δ, K ) —— 技术 函数, 以 动工时 刻为时间 坐标原 点, 第 K 号项目 在 Δ时刻 附 近单位时间内的运煤能力, 非线路段项目的 DCP T 为零。 必须指出, 在本模型中洗煤能力是以入洗的原煤量计量的。

7. 4. 4　 修正描 写系统运 行的技术经 济系数 系统运行指的 是将煤炭从自然 资源状态, 经开 采、洗 选和运输 等工艺 环节, 转变成消 费 者手中的可用燃料这样一个全过程。系统生产能力的开发, 即老生产能力的改造或退役和新 生产能力的投产, 要使描写系统运行特性的某些技术经济系数发生变化。在本模型中, 我们 把生产能力的开发过程分配在 4 类项目身上。前 3 类项目的进程是已知的, 规划中项目的进 程是未知的, 后者完全取决于规划中项目的动工时刻 P T 。所以在由内生变量 D T 得到中间 ・ 2 64 ・

变量 P T 后, 外层模型除了要计算系统的生产能力外, 还要重新估计描写系统运行特性 的某 些参数。和系统的生产能力变量一样, 这些参数也是外层模型的中间变量。在某个周期我们 来考 察系统 的某 个工艺 环节, 可 能同时 存在 着几 种生产 技术, 也 可能新 技术 已代替 了老 技 术。整个工艺的参数应为共存技术的参数的平均值, 应以生产能力为权进行平均。 下面我们从外层模型进入内层模型。

7. 4. 5　 内层模 型 系统 的生产 能力 和运行 参数, 对 外层模 型来 说是 中间变 量, 而对 内层模 型 来说 是外 生 量。内层模型的任务是根据外生的煤炭需求量、外层模型修正过的技术经济参数及算出的生 产能力, 进行系统的最优运行。煤炭在产煤区、运煤线路上和消费区都有一定的库存量。由 于假定了煤炭的库存量不变, 所以各周期的系统运行问题相互无关。这点表现为整个内层模 型分解为 N T 个相互独立 的小模型。下面给出内 层模型的约束方 程和目 标函数, 它们都 是 按一个周期列出的, 其中 T = 1—N T 。 ( 1) 产煤区处的约束方程 对于一个产煤区来说, 原煤的运出量与入洗的原煤量之和应不大于原煤的开采能力, 洗 精煤的运出量应不大于洗精煤的产出能力, 因此对于 I = 1—N I 有 N L

∑L I ( L , I )

SR ( L , T ) +

L= 1

1 ¡¤S W( L , T ) ≤ CP R ( I , T ) E RW ( I )

N L

∑L I ( L , I )

¡¤SW ( L , T ) ≤ E R W( I ) ¡¤CP W( I , T )

L= 1

式中　 S R ( L , T ) 和 SW ( L , T ) —— 内生 变量, 分 别为第 T 周期内从起点进 入第 L 条线 路的 原煤量和洗精煤量; 　 E R W( I ) —— 技术系数, 第 I 个产煤区原煤入洗后的洗精煤获得率。 ( 2) 线路段上的约束方程 对一段线路段来说, 通过它的原煤量与洗精煤量之和应不大于它的运煤能力, 因此对于 M = 1—N M 有 NL

∑ L M ( L , M) [ SR ( L , T )

+ SW( L , T ) ] ≤ CP T ( M, T )

L= 1

　 　 ( 3) 消费区处的约束方程 供应消费区的煤炭分为普通煤和洗精煤, 前者为原煤和尾煤的合称。与之相对应, 消费 区对煤炭的需求量也分为对普通煤的需求量和对洗精煤的需求量。对于一个消费区来说, 煤 炭供应量本应与煤炭需求量平衡, 但是在能源形势紧张的情况下, 供应量可能满足不了需求 量, 供求之间有缺口。缺口越大, 单位缺口造成的经济损失越大。我们把普通煤和洗精煤的 供求缺口各分为两级, 小于或等于需求量的某一比例的供求缺口称为一般缺口, 超过这一比 例的供求缺口称为严重缺口。现在对于一个消费区来说, 供求平衡关系应采取供应量与供求 缺口之和不小于需求量的形式, 也就是说把缺口看成是虚设的供应量。对于消费者来说, 洗 精煤可顶替普通煤, 反之普通煤不能顶替洗精煤。为了表达这种替代关系, 供求平衡关系一 要按普通煤与洗精煤之和列出, 二要单独按洗精煤列出, 并且约束方程的各项均以标煤单位 计量。综上所述, 对于 J = 1— N J 有 ・ 26 5・

NI

N LL = 1

∑ ∑ LI ( L, I )

¡¤L J ( L , J ) ¡¤E T ( L ) [ QR ( I ) ¡¤SR ( L , T ) + QW ( I ) ¡¤SW( L , T ) ]

I= 1

NI

NL

∑ ∑ LI ( L , I )

　 　 　 +

¡¤I J ( I , J ) ¡¤QT ( I ) ¡¤

I= 1 L= 1

E RT ( I ) ¡¤SW( L , T ) E R W( I )

　 　 　 + DSG1( J , T ) + DSG2( J , T ) + DS W1( J , T ) + D SW 2( J , T ) 　 　 　 ≥ DG( J , T ) + D W( J , T ) NI

NL

∑ ∑L I ( L , I )

¡¤L J ( L , J ) ¡¤E T ( L ) ¡¤QW ( I ) ¡¤SW ( L , T )

I = 1 L= 1

　 　 　 + DSW 1( J , T ) + DS W2( J , T ) ≥ D W( J , T ) D SG1( J , T ) ≤ R G( J ) ¡¤DG( J , T ) D SW1( J , T ) ≤ R W ( J ) ¡¤D W( J , T ) 式中　 E T ( L ) —— 技术系数, 第 L 条线路的运输效率, 即 1 减损失率; 　 E R T ( I ) —— 技术系数, 第 I 个产煤区原煤入洗后的尾煤获得率; 　 QR ( I ) , QW ( I ) 和 QT ( I ) —— 技术系 数, 分别为 第 I 个 产煤区的原煤、洗精煤和尾 煤 的热值与标准煤的热值之比; 　 RG ( J ) 和 R W ( J ) —— 技术经济系数, 分别为第 J 个消费区的普通煤和洗精煤一般供 求缺口占各自需求量的比例的上限; 　 DS G1( J , T ) 和 DSG 2( J , T ) —— 内生变量, 分别为以 标煤单位计量的 第 T 周期 内第 J 个消费区的普通煤一般供求缺口和严重供求缺口; 　 D SW1( J , T ) 和 DSW 2( J , T ) —— 内生 变量, 分别 为以 标煤 单位计 量的 第 T 周期 内 第 J 个消费区的洗精煤一般供求缺口和严重供求缺口; 　 D G( J , T ) 和 DW ( J , T ) —— 外生变量, 分别为以标煤单位计 量的第 T 周期内第 J 个 消费区的普通煤和洗精煤需求量。 ( 4) 内层模型的目标函数 内层模型是各个周期的系统最优运行模型。站在国家计划工作者的立场上看问题, 取系 统运行的费用与供求缺口造成的经济损失之和最小作为目标函数是合理的。内层模型是在 整个系统各环 节的生产能力为 外生变量的情况 下来讨论 系统运行 问题的, 所以 这里所说 的 系统运行的费 用仅指各环节的 可变成本, 即煤炭从自 然资源状 态变成 消费者手 中的可用 燃 料, 经过开采、洗选和运输等各环节的运行维修费用, 因此目标函数取如下的形式, NL

min VC( T ) =

∑ [ VR ( L , T )

¡¤SR ( L , T ) + VW ( L , T ) ¡¤SW ( L , T ) ]

L= 1

NJ

+

∑

E L G1( J , T ) ¡¤D SG1( J , T ) + E L G2( J , T ) ¡¤DSG2( J , T )

J= 1

+ E L W1( J , T ) ¡¤DS W1( J , T ) + E L W2( J , T ) ¡¤DS W2( J , T ) ] 式中　 VR ( L , T ) 和 VW ( L , T ) —— 技术经济系数, 分别为第 T 周期时通过第 L 条线路 供应 1 个单 位( 在 线路 起点 处计 量) 的 原煤 和 洗精 煤的 系 统各 环 节 运行 维 修费 用 之 和; 　 E L G1( J , T ) 和 E L G2( J , T ) —— 经济系数, 分别为第 T 周期时第 J 个消费区的 1 个 单位普通煤一般供求缺口和严重供求缺口所造成的经济损失; ・ 2 66 ・

　 E LW 1( J , T ) 和 E L W2( J , T ) —— 经济系 数, 分别 为第 T 周 期时 第 J 个消 费区 的 1 个单位洗精煤一般供求缺口和严重供求缺口所造成的经济损失; 　 VC( T ) —— 内层模型的目标函数, 第 T 周期内系统总可变成本与总经济损失之和。 关于目标函数的系数我们再做两点说明。第一, 洗精煤的运行费用中应包括尾煤的运行 费用。第二, 在我国的经济体制下, 我们很难给经济损失下个确切的定义, 所以单位供求缺口 引起的经济损失是很难确定的量。而在市场经济的情况下, 从理论上讲, 经济损失应当用需 求曲线( 以价格为纵坐标, 以需求量为横坐标的曲线) 下面积的减小来衡量, 所以单位供求缺 口引起的经济损失是由需求曲线查得的价格。在模型中引入供求缺口变量, 相当于考虑了需 求量对价格的弹性。缺口分级相当于将需求曲线阶梯化, 使需求弹性这种非线性因素得以在 线性形式下处理。 ( 5) 内层模型小结 将同一周期的目标函数与约束方程汇总起来, 经过适当整理, 再添上所有内生变量都要 满足的非负约束, 就得到线性规划类的系统最优运行模型。整个内层模型被分解, 一共得到 N T 个独立的小模型。求解小模型比求解大模型容易得多。 从数学意义上看, 供求缺口变量是一种人工变量, 目标函数中缺口变量前的系统是一种 罚系数, 只不过在本模型中我们赋予它们以经济学意义。缺口变量的值应尽量取得小, 这一 点由取最小的目标函数中它们之前的系数为正值来保证。 由于在消费区 的供求平衡方程 中引入了缺 口变量, 可知模 型在任 何情况下 可行解总 是 存在的。又由于所有的内生变量都在目标函数中出现, 并且取最小的目标函数中它们之前的 系数都为正值, 可知任何无界可行解一定不是最优解。上面两点告诉我们, 内层模型在任何 情况下都具有最优解, 这是本模型的重要性质。 当一 个模型 的内 生变量 取某 一基 本可行 解, 特别 是最优 解时, 若 某一约 束 方程 成为 等 式, 则我们说这个约束方程这时为紧的, 否则为松的。我们来观察一下内层模型约束方程的 松紧情况。第一, 在任何情况下, 前述( 3) 的前两个约束方程总是紧的, 这是因为超需求的供 应只会使系统的运行费用增加, 而无任何好处。第二, 当能源形势不紧张时, 所有缺口变量都 应为零, ( 3) 的后两个约束方 程当然是松的; 当能源 形势稍显 紧张时, 严重 缺口仍为 零, 一 般 缺口变得不为零, 这两个方程仍会是松的; 当能源形势很紧张时, 所有缺口变量都不为零, 这 两个方程也 变成紧的。可见当能 源形势紧张时, 在各 消费区之 间分配 的不仅是 原煤和洗 精 煤, 还有供求 缺口。第三, 当能源形势不紧 张时, 前述 ( 1) 和 ( 2) 的 3 个 约束方程 可能都是 松 的; 当能源形势变得紧张时, 这些方程的一部分会变成紧的。原煤开采能力不足时, ( 1) 的第 一个方程会是紧的; 洗煤能力不足时, ( 1) 的第二个方程会是紧的; 运煤能力不足时, ( 2) 的方 程会是紧的。 内层模型从外 层模型输入该系 统的生产能 力和运行 参数等信 息, 反过来内 层模型向 外 层模 型输 出自 己的目 标函 数值。后 者取决 于前 者, 既然前 者是 DT 的函 数, 那 么后 者也 是 D T 的函数, 其中 DT 是 外层模型的内生 变量。所以可以这 样说, 内层 模型的目标函数 是外 层模型的中间变量。 下面我们从内层模型返回外层模型。

・ 26 7・

7. 4. 6　 开发投 资的表达 式 开发整个煤炭系统需要的总投资由两部分组成, 一部分是已知的前 3 类项目所需要的, 另一部分是未知的规划中项目所需要的, 后者完全取决于规划中项目的动工时刻 P T 。我们 将系统开发投资表达如下, 对于 T = 1—N T 有 I V( T ) = I VK ( T ) + I VN ( T ) NK

I VN ( T ) =

∑ ∫ K= 1

TU

DI V( t -

P T ( K ) , P T ( K ) , K ) dt

( T - 1) U

式中　 I V( T ) —— 中间变量, 第 T 周期内全系统所需的总投资; 　 I VK ( T ) —— 外生变量, 第 T 周期内前 3 类项目所需的总投资; 　 I VN ( T ) —— 中间变量, 第 T 周期内规划中项目所需的总投资; 　 D I V( Δ, τ , K ) —— 技术经济函数, 在绝对时间 τ时刻动工的第 K 号项目, 在以动工时 刻为原点的坐 标轴上, Δ时刻附近单 位时间内所需的 投资; 自 变量 τ指出, 随着 经济形势的发展, 同一项目在不同时刻动工, 所需投资的时间序列不同。

7. 4. 7　 残值的 表达式 我们选择的研 究期只是整个系 统发展长进 程的一段, 研究 期结束 以前动工 开发的生 产 能力, 并不是在研究期结束时都结束了其寿命, 也就是说, 研究期结束以前进行的投资, 并不 是在研究期结束时全部失掉其价值。研究期结束以前的投资在研究期结束时的残余价值简 称残值。整个系统的残值由两部分组成, 一部分是已知的前 3 类项目的残值, 另一部分是未 知的规划中项目的残值, 后者完全取决于规划中项目的动工时刻 P T 。我们将系统残值表达 如下, R V = R VK + R VN NK

R VN =

∑ DR V( P T ( K ) , K ) , K= 1

式中　 R V —— 中间变量, 系统的总残值; 　 R VK —— 外生变量, 前 3 类项目的总残值; 　 R VN —— 中间变量, 规划中项目的总残值; 　 D RV( τ , K ) —— 技术经济函数, 绝对时间 τ时刻动工的第 K 号项目的残值。

7. 4. 8　 外层模 型的目标 函数 这里外层模型应理解为整个模型。站在国家计划工作者的立场上看问题, 整个模型以研 究期内对系统的总投入最小为目标函数是合理的。研究期是一个长时间过程, 需要考虑到所 谓的“货币的时间价值”问题, 所以目标函数应取投入时间序列的净现值的形式。内层模型的 目标函数 VC( T ) 应看成是第 T 周期内在可变成本意义下对系统的投入( 其中供求缺口引起 的经济损失可理解为赔偿费或虚进口费用, 所以也是一种可变成本) 。开发投资 I V ( T ) 应看 成是第 T 周期内在不变成本意义下对系统的投入。残值 R V 应看成是研究期末在不变成本 意义下对系统的负投入。综上所述, 外层模型的目标函数取如下的形式,

・ 2 68 ・

NT

minI P 1 =

∑ (1+ T= 1

1 R)

T

¡¤[ VC( T ) + I V( T ) ] -

1 N T ¡¤R V ( 1 + R)

式中　 I P 1 —— 外层模型的目标函数, 研究期内系统投入时间序列的净现值; 　 R —— 经济系数, 一个周期的贴现率。 由于 I V 和 R V 中的已知部分 I VK 和 R VK 只给 I P 1 贡献了一个与模型内生变量无关 的常 数, 它们对模型的解没有影响, 所以我们将外层模型的目标函数简化如下, NT

min I P 2 =

∑ (1+ T= 1

1 R)

T

¡¤[ VC( T ) + I VN ( T ) ] -

1 ( 1 + R) N T

¡¤RVN

式中　 I P 2 —— 外层模型目标函数中只与模型内生变量有关的部分。

7. 4. 9　 外层模 型小结 上述讨论外层模型的思路可用图 7. 13 表示清楚。我们关于外层模型的全部讨论, 实际 上只是通过几层复合函数关系, 将外层模型的目标函数表示为其内生变量的函数。这个函数 关系是复杂的非线性的, 形式上我们将它记作 I P 1( D T ) 。

图 7. 13　 外层模型的变量因果关系

　 　 下面总结一下外层模型的约束条件。我们把它们分为 4 组。第一组, 模型内生变量本身 的数学性质, 属于这一组的是项目动工时刻差的松弛量要满足的非负约束。第 1 段对它进行 了讨论。第二组, 系统本身的运行规律, 属于这一组的有生产能力约束、物料平衡约束和供求 平衡约束等。它们已全部被概括为内层模型, 所以不再在外层模型中出现。第三组, 自然界 加给系统的约束, 属于这一组的有主要自然资源获取量约束和辅助自然资源获取量约束等。 外层模型处理 的对象是选定的 规划中项目, 一个项目 要通过初 步可行 性分析或 技术经济 论 证才能成为选定项目, 验证上述约束是选定过程的内容之一。所以我们认为这些约束已隐含 成立, 用不着再在外层模型中显式列出。第四组, 其他经济和社会系统加给本系统的约束, 属 这一组的有开 发资金约束、基建物资的制 造能力约 束、基 建施工能 力约束、系统 运行的劳 动 ・ 26 9・

力约束和系统运行的技术力量约束等。到目前为止我们还没讨论过这些约束。 一个模型的约束可人为地分为两类, 第一类约束必须不折不扣地满足。有人称这种约束 为硬约束。第二类约束不一定需要不折不扣地满足, 人们的经济和社会活动可在一定范围内 改变这种约束的松紧程度, 当松紧程度适当就可认为这种约束被满足( 软满足) 。有人称这种 约束为软约束。硬约束必须全部包括在模型之中, 而软约束则可灵活处理。我们可先去掉软 约束求解模型, 以减小模型的规模, 改善模型的可算性, 然后用获得的模型解检验软约束。若 软约 束全部 被软 满足, 则认 为获 得了模 型的 最终 解, 否 则将 过紧 的软约 束适 当放松 添入 模 型, 再一次求解模型, 再一次检 验余下的软约 束。如此做 下去, 直至软 约束全部 被软满足 为 止。 按约束的软硬分类, 本模型的前 3 组约束是硬约束, 第四组约束是软约束。按我们对前 3 组约束的说明, 只第一 组约束在外层模 型中显式出现。按 我们设计的处理 软约束的方法, 先不考虑第四组约束。这样, 外层模型成为一个只有非负约束的非线性规划问题, 形式上可 写为 min 　 　 I P 1( D T ) s . t 　 　 ¡¤DT ≥ 0

7. 5　 农村能源系统模型 我国农村地域广大, 人口众多, 能源消耗量大而供应短缺, 且其资源构成主要是薪柴、作 物秸杆一类的生物质能源, 背景复杂, 涉及到农业生产、生态环境等多方面因素。和其它能源 系统相比, 农村能源系统有它的特殊性。

7. 5. 1　 农村能 源系统概 述 在农村地区, 占总 能耗近 70% 左右的初级能 源是可再生的生物 质能源。这些生物 质能 源不仅可作为获取能源的燃料用, 而且还有着更重要的非能源用途。它们可以作为有机肥还 田, 牲畜饲料以及工、副业原料。它们作为能源或非能源目的的使用分配, 将直接影响农、林、 牧、副、渔的发展和农民生活, 同时也直接影响生物质能源的再生量。正是由于生物质能源的 可再生性及其多种用途间的相互影响, 使得这样的能源系统在一定程度上更为复杂。 在一般能源系 统最优化模型中, 通常都是 外生给 定初级能 源的可 获取量和 最终用能 形 式的需求量, 求使系统供 能成本最低的能 流结构, 而在农 村能源系 统中, 作为初 级能源的 生 物质能源的可 获取量和其各种 使用目的的最终 需求量均 不能外生 给定, 要在模 型中优化 选 择确定。如: 农作物秸杆是农业的直接产出物, 其产出量又作为能源模型中的一次能源的资 源量, 它作为燃料、肥料、饲料、原料等“四 料”用 途的最终 分配, 既是能 源系统的 最终用途 的 需求量, 后三者又是农、牧、副业生产的再次投入而影响农业生产的活动水平, 进而又影响了 秸杆的收获量, 因此, 秸杆的产量 和最终用 途分配, 既取决 于农、林、牧、副 的结构, 又反过 来 影响农、林、牧、副的发展, 所以在模 型中不仅要 考虑供能 系统对能 量转换 和分配的 优化, 还 必须考虑广义 的包括农、林、牧、副、渔在内的大 农业生产 结构的优 化, 以期使资 源得到合 理 的利用, 农业经济得到尽快发展, 农民生活得到逐步改善。图 7. 14 的示意图即反映了农村能 源与农业生产之间的相互关联关系。 ・ 2 70 ・

图 7. 14　 农村能源与农业经济的关系示意图

农村能源短缺对农业经济的发展及生态环境有着严重的影响。农业生产本身就是一个 能量的转换、加工和循环的过程。农村能源的问题, 是和农业生产中能量循环和物质循环的 过程密切相关并相互影响的。不仅农业现代化需要更多的商品能源投入, 而且农村生活用能 解决的好坏, 也直接影响着农业经济的发展和生态环境的平衡。目前我国许多地区, 能源资 源缺乏, 农民基本的生活燃料得不到保障, 导致对森林树木过度樵采, 植被破坏。其结果使水 土流失、土壤沙化、气候变坏、风沙干旱等自然灾害频繁发生。据有关资料介绍, 全国水土流 失面积, 从解放初 116× 10 6 k m 2 已 增加到 150× 106 km 2 , 每年流失 表土 5× 109 t , 水土流失 的 后果剥蚀了土壤中的有机质和氮、磷、钾, 而且也造成了水库和河流的淤积。全国沙漠面积也 由 16 亿亩增至 19 亿亩。在树木稀少的平原地区, 作物秸杆基本全部被烧掉, 造成“四料”俱 缺, 影响了农业经济的全面发展。由于缺乏有机肥, 土壤的养分和有机质得不到补充, 土壤肥 力逐年下降。我国长江和黄淮海流域不少地区, 土壤中有机质含量已降到百分之一以下, 全 氮含量不到千分之一。即使在原来很肥沃的东北北大荒黑土地带, 有机质含量也已从原来的 百分之五到八降到百分之一到二。农民施大量的化肥补偿土壤中的氮, 但无法补偿土壤中有 机质的损耗。长期依靠化肥只能使土壤的物理结构和化学成分进一步变坏, 化肥施用的效果 也越来越差, 其结果是作物产量降低, 秸杆收获量减少, 从而使燃料更加缺乏。生活用能的短 缺影响了农、林、牧、副的全面发展。农民资金短缺, 无力投资发展像小水电、沼气池、太阳灶 一类的替代能源技术, 必然已导致对林木植被更严重的破坏, 形成一个恶性循环。 由于我国农村人口有八亿之多, 为美国的 4 倍, 而人均占有的矿物质能源只有美国的六 分之一。因此农村能源短缺问题目前尚不能完全依赖国家的商品能源供应来解决, 只能主要 依靠对农村能源资源的合理开发利用, 开源节流来解决。我国大多数农村的主要能源资源是 ・ 27 1・

可再生的生物质能源, 若要下决心扭转农业生态环境的恶性循环, 就必须解决好农村能源问 题, 现实可 行的 途径 是: 全 面规 划, 综合发 展农、林、牧、副、渔多 种经 济; 确定 合 理的 耕作 制 度; 大力植 树造 林; 改良土 壤, 科学 种田, 以确 保秸 杆、薪柴产 量稳 定地逐 年提 高; 推 广省 柴 灶, 发 展沼气, 合 理使用生物质能 源, 提高 能源的 利用率; 加强对 煤、油、电 的管理, 挖掘节 能 潜力; 发展太阳能灶、太阳能热水器等替代能源技术; 因地制宜, 建立“多能互补”的农村能源 结构。农村的生活用能如果能很好地解决, 就会逐渐变生态环境的恶性循环为良性循环。 综上所述, 农村能源系统模型研究的任务就是, 将农村能源建设与农村经济和生态环境 综合起来一起考虑, 协调分析, 在改善农村生态环境, 促进农业发展的前提下, 研究解决农村 能源问题的途 径, 因此, 在模型中 不仅要考虑供 能系统对 能量转换 和分配 的优化, 还要考 虑 包括农、林、牧、副、渔在内的大农业生产结构的优化, 以期使资源得到合理利用, 农村经济得 到发展, 农民生活逐步改善。在模型中需要研究的内容有: ( 1) 农、林、牧、副、渔大农业结构的优化。在满 足农民自身需要和 完成国家征购任 务的 前提下, 如何使各业协调发展, 使农村经济的收益最优。 ( 2) 农作物布局的优化。优化过程将考虑各能作物合理的比例, 及其籽实和秸秆产量对 系统的影响。 ( 3) 生物 质能源作 为燃料 和非能源 目的使 用的合理 分配, 既要考 虑满足当 前对燃料 的 需求, 又要顾及到作为农业生产的投入以期获取更多的生物质能源的再生量。 ( 4) 能源转换和分配途径的优化, 以便在满足各种最终 用能需求的前提 下, 尽量降 低系 统的供能成本。 ( 5) 在为农业生产提供的动力中, 劳、畜、机提供动力的合理比例的优化。农业现代化要 求使用更多的农业机械、化肥、农药, 需要更多的灌溉, 这必然需要投入更多的商品能源。由 于我国目前农 业生产水平较低, 生产方式 还比较分 散落后, 在很多 地区, 人力和 畜力还担 负 着农田作业量的相当大的份额, 农业机械化的发展还受到投资能力以及油料供应的限制, 因 此, 在近期内, 人畜力在农业生产中仍发挥着重要作用。 ( 6) 农村能源建设项目的选择和评价。模型 将对诸如小水电、沼气池、省柴灶等能 源建 设项目的发展规模及取舍进行统一的优化。 ( 7) 农业生产和农村能源建设投资的合理 分配。建造新能源设 施, 进行 农田基本建设, 购买农业机械, 开办农副 产品加工厂, 役畜的繁 殖和购买 等均需要 资金, 在当前 资金有限 的 情况下, 应通过模型来决定优先投资的方向和资金的合理分配, 以取得最大的经济效益。

7. 5. 2　 模型的 数学描述 该模型亦为一 静态线性规划模 型, 系统 优化的 目标为: ①农村 经济活 动的净收 益最大; ②能源系统 的供能成本最低; ③农村生 态环境的指 标尽量 实现。它是 一个多目 标线性规 划 模型。 1. 约束条件 ( 1) 土地资源约束 把土地 依其适宜性( 如宜粮、宜林等) 分类加以考虑。对宜 粮地又分 成 J 个等级, 如高、 中、低产田等。用 X L Gｉj 表示在第 j 等级的土地上, 种植第 ｉ 类作物的面积, 有: ・ 2 72 ・

∑X L G

ｉj

+ ΔX L Gj , j ′-

ΔX LG j ″, j ≤ SL Gj 　 ( j = 1, 2, …, J )

ｉ

式中　 S LG j —— 基期第 J 等级土地的面积; 　 ΔX L Gj , j ′—— 在规划期内由第 j 等级土地上升为第 j ′ 等级土地的面积; 　 ΔX L Gj ″, j —— 规划期内由第 j ″ 等级土地上升为第 j 等级土地的面积。 此外, 对于作物间的轮作、复种等关系, 均可通过比例关系描述, 有:

∑X L G

ｉj

ｉ∈ I

≤ kj ∑ X L Gｉj

1

ｉ∈ I

2

式中　 k j —— 比例系数; 　 I 1 , I 2 —— 分别为两类存在比例关系的作物种类脚标集合。 对于多年生植 物及水产面积等, 基期已 有面积 到规划年 份仍会 存在, 以林地为 例, 可 表 示为: ΔX L W ｉ = SL WO ｉ

X L Wｉ -

∑X L W

ｉ

≤ SL W

ｉ

式中　 X L W ｉ —— 规划年份第 ｉ 树种( 如用材林、薪炭林、防护林等) 的占地面积; 　 ΔX L W ｉ —— 规划期内新增第 ｉ 种树木的占地面积; 　 S LW Oｉ —— 基期已有第 ｉ 种树木占地面积; 　 S LW —— 宜林地总面积。 对于牧地面积( X L A ｉ) 和水产面积( X L F ｉ ) , 均有类似约束。 ( 2) 商品能源供应量约束 国家为一个地区每年提供的商品能源供应量, 都应有一个限额, 要考虑这个限制条件。 用 X E ｉj 表示第 ｉ 种商品能源到第 j 种最终用途的能流量。其量纲使用统一的能量 单位 ( 如万吨标准煤) 来表示。用 eｉj 表示相应的能源分配和传输效率, 则: 1

∑e

ｉj

j

X E ｉj ≤ SE ｉ 　 ( ｉ = 1, 2, …)

式中　 S E ｉ 为第 ｉ 种商品能源的最大可获取量。 至于生物质能 源的资源量, 正如前面所 述, 它与农业 生产的布 局及生 产水平有 关, 不 能 外生确定, 只能由模型优化给出。 ( 3) 农村生活用能的需求约束 农村对能源 的需求可分为生 产和生活两 个部分。生 产用能中 包括农 业生产的 耕作、排 灌、运输等作业的用能, 饲料加工用能, 副业生产用能等。这些生产用能要取决于农村大农业 的结构和农业机械化的水平, 它们都是模型要研究的内容, 所以这部分用能需求不能外生确 定, 而要由模型算出。对生活用能部分, 我们可以根据当地自然、社会条件等预测其规划年份 的需求量。如前所述, 为便于考虑各种能源载体的替换, 我们把生活用能的需求按最终用能 部门来划分, 这种最终用能部门包括炊事、供暖、照明等。农村生活用能需求约束可记为:

∑ e′ ¡¤X E ｉj

ｉj

≥ D j 　 ( j = 1, 2, …)

ｉ

式中　 D j —— 第 j 种最终用能部门的有用能或最终能源的需求量; 　 e′ ｉj —— 由第 ｉ 种能源品种提供给第 j 种最终用能部门的能源使用效率。 ( 4) 生物质能源供需平衡约束 ・ 27 3・

如前所述, 秸秆等生 物质能源的再生 量( 即供 应量) 与其作 为能源 和非能源 用途的分 配 之间有极其密切的关系, 这些关系可由一系列平衡方程来表示。 如: 1) 秸秆平衡

∑ ω∑ α ¡¤X L G ｉ

ｉj

ｉ

-

ｉj

j

∑d

d′ ｉb ¡¤X S P ｉb, kc -

-

j

¡¤X P j - X CF - X CA

j

1 g

∑e

1

ｉc, j

j

X E ｉc , j = 0

式中　 ωｉ —— 第 ｉ 种作物的草谷比; 　 α ｉj —— 在第 j 等级土地上种植第 ｉ 种作物的单产; 　 d j —— 第 j 种副业加工对秸秆的需求系数; 　 X P j —— 第 j 种副业加工生产水平; 　 X CF —— 作为有机肥的秸秆量; 　 X CA —— 作为禽畜饲料的秸秆量; 　 X S P ｉb, kc —— 沼气池的设施容量; 　 d′ ｉb —— 沼气池对秸秆的需求系数; 　 g —— 秸秆的热值; 　 ｉc —— 秸秆类生物质能源。 2) 有机肥平衡

∑ ∑ δ ¡¤X L G ｉj

ｉ

ｉj

+

∑ δ′¡¤X L W ｉ

-

∑ ∑ σ′ ¡¤X L G ｉj

ｉ∈ I

f

ｉ

+

ｉ

j

ｉj

∑ δ″¡¤X L A

σ″ kb X SP kb -

-

ｉ

ｉ

X CF -

ｉ

-

∑ σ ¡¤X A ｉ

ｉ

ｉ

ΔX CF = σP OP

j

式中　 δｉj , δ′ ｉ, δ ″ ｉ —— 分别代表各类土地对有机肥的需求系数; 　 X A ｉ —— 第 ｉ 种禽畜的数量; 　 σｉ —— 单位第 ｉ 种禽畜年所提供的有机肥量; 　 I f —— 种植绿肥种类的脚标集; 　 σ′ ｉj —— 单位绿肥种植面积年产有机肥量; 　 σ″ kb —— 单个沼气池年产沼肥量; 　 σ —— 人均年提供粪肥量; 　 P OP —— 该地区人口总数量; 　 ΔX CF —— 有机肥的缺口量。 有机肥不足不仅会影响农作物产量, 而且会使土壤生态恶化。在目标函数中, 将其作为生态 指标来考虑, 使之最小化。 3) 粗饲料平衡

∑v

ｉ

¡¤X A ｉ -

ｉ

∑∑ f ｉ∈ I

g

ｉj

¡¤X L Gｉj - X CA = 0

j

式中　 v ｉ —— 第 ｉ 种禽畜对粗饲料的需求系数; 　 I g —— 种植饲草种类的脚标集; 　 f ｉj —— 第 j 等级土地种值第 ｉ 类饲草的单产。 ( 5) 替代能源技术方面的约束 ・ 2 74 ・

解决农村能源 短缺问题的一个 重要途径, 就是 要发展像 沼气、太阳能、风能 等替代能 源 技术, 模型要研究能源供应系统的合理结构。选择替代能源技术的发展方向和发展速度, 应 该把各种替代能源技术内在的物理过程描述清楚。例如: 1) 输入输出的能流量平衡

∑ e″ ¡¤X E ｉk

ｉk

∑XE

-

ｉ

kj

= 0　 ( ｉ = 1, 2, …, r)

j

式中　 e″ ｉk —— 由第 ｉ 种初级能源转换为第 k 种中间能源产品的替代能源设施的转换效率。 2) 设施容量限制约束 X E ｉk -

η ｉk ¡¤X SP ｉk ≤ 0　 ( ｉ = 1, 2, …, m; 　 k = 1, 2, …, r)

式中　 η ｉk —— 单位替代能源设施容量所加工的第 ｉ 种初级能源量; 　 X S P ｉk —— 由第 ｉ 种初级能源转换成第 k 种中间能源产品的设备容量。 3) 替代能源设施容量平衡 X SP ｉk -

ΔX SP ｉk = S P O ｉk 　 ( ｉ = 1, 2, …, m; 　 k = 1, 2, …, r)

式中　 ΔX SP ｉk —— 规划期间新建替代能源设施的容量; 　 S P O ｉk —— 基期已有替代能源设施的容量。 ( 6) 农副业生产耗能供需平衡 如前所述, 在为农业生产 提供的各项 动力中, 应研 究人、畜、机 所提供 动力的合 理比例。 鉴于农村地区 农业劳动力比较 充足, 而商 品能源又 比较紧缺, 人、畜相 对于机械 而言还有 相 当的竞争力。当然, 就农业生产所需要的动力而言, 劳、畜、机三者之间有一部分是不可替换 的, 但也有相当一部分是可以替换的。对不可替换的一部分, 应给出各自必须完成的最小工 作量的约束条件, 而在可替换的一部分中, 应研究适合当地条件的畜力发展速度及机械化程 度。以农田作业为例, 为便于考虑农忙时工作量需求的峰值, 应把几个农忙季节按一定天数 分成几段, 分别考虑。可记为:

∑∑d ｉ

t r ｉj

t

t

¡¤X L Gｉj - X M P r - X AP r -

t

XP Pr = 0

j

∑ e′ ¡¤X E ｉr

ｉr

-

ｉ

kt

¡¤X M P tr = 0

t

∑r

X M P tr -

∑k

t

¡¤θ j r ¡¤Δ XMj ≤

j

t

X AP r -

∑r

t

∑r

t

¡¤θj r ¡¤S M j

j

¡¤θ′ j r ¡¤Δ XA j ≤ ∑ r t ¡¤θ′ j r ¡¤SA j

j

j

X P P tr ≤ r t ¡¤θ″ r ¡¤LA B　 ( t = 1, 2, …) 式中　 d tr ｉj —— 各类农田单位面积在 t 时段内对第 r 类作业工作量的需求量; t

　 X A P r —— t 时段内畜力提供的第 r 项工作量; t

　 X M P r —— t 时段内机械提供的第 r 项工作量; 　 X P P rt —— t 时段内人力提供的第 r 项工作量; 　 k rt —— t 时段内单位第 r 项工作量所需能量; j r —— 单位第 j 种机械每天所能提供的第 r 项作业工作量; 　 θ

　 r t —— 第 t 时段的天数; 　 ΔX M j —— 规划期内新增加的第 j 种机械数量; ・ 27 5・

　 S M j —— 基期所拥有的第 j 种机械数量; 　 θ ′ j r —— 单位第 j 种役畜每天所能提供的第 r 项作业工作量; 　 ΔX A j —— 规划其内新增加的第 j 种役畜数量; 　 S A j —— 基期所拥有的第 j 种役畜数量; 　 θ ″ j —— 单位劳动力每天所能提供的第 r 项工作量; 　 L AB —— 规划年份农业劳动力的数量。 ( 7) 森林覆盖率的目标约束 森林覆盖率的 目标约束和前面 有机肥平衡 目标约束 类似, 均是作 为生态方 面的目标 来 考虑的。为扭转当地生态环境的恶性发展, 当地应该有一定的森林覆盖面积, 包括防护林以 及各种用材林和薪炭林。一方面起到防风固沙, 改善生态环境的作用; 另一方面在其成林后, 能使其采伐量与生产量相平衡, 并为农村生活用能提供一定的薪柴。这方面约束可表示为:

∑X L W

-

ｉ

+

+ X D - X D = ρ¡¤T L O

ｉ

∑h

ｉ

¡¤X L W ｉ -

ｉ

1 X E ｉw , j = 0 gw ∑ j

式中　 T L O—— 该地区总面积; 　 ρ—— 该地区希望达到的森林覆盖率的期望目标值; -

　 X D —— 规划年实际所达 到的森林覆盖面 积与期望目标值 的差额, 即 负向偏离变 量 在目标函数中, 将使其最小化; +

　 X D —— 规 划 年实 际所 达到 的森 林 覆盖 面 积 超过 期 望目 标 的数 量, 即 正 向偏 离 变 量; 　 h ｉ —— 第 ｉ 种林木树种的产柴率; 　 g w —— 薪柴的热值; 　 ｉω—— 表示薪柴的脚标。 ( 8) 对各种农副产品的需求约束 各种农副产品 的产量应满足本 地区人民的 需求和国 家的征购 指标, 以粮食 作物的需 求 为例, 约束条件可写为:

∑ α ¡¤X LG ｉj

ｉj

-

∑ ξ ¡¤X A

j

jｉ

j

j

-

∑ ξ′ ¡¤X P jｉ

j

≥ DC ｉ + DC′ ｉ　 ( ｉ = 1, 2, …)

j

式中　 ξ j ｉ —— 第 j 种禽畜对第 ｉ 种作物产品的需求系数; 　 ξ′ j ｉ —— 第 j 种副业加工对第 ｉ 种作物产品的需求系数; 　 D Cｉ —— 当地对第 ｉ 种农产品的需求量; 　 D C′ ｉ —— 国家对该地区下达的第 ｉ 种农产品的征购指标。 对林、牧、副、渔业生产产品的需求, 亦有相类似的表示形式。 ( 9) 投资约束 进行农田基本建设, 购买农业机械, 发展畜力及林、牧、副、渔业生产, 发展沼气池等替代 能源技术等均需要投资, 但要受到在规划期内该地区所能提供总投资的数量的限制。投资额 限制约束可记为:

∑b

1j

j

・ 2 76 ・

¡¤ΔX L Gj , j ′+

∑b

2j

j

¡¤ΔX L W j +

∑b

3j

j

¡¤ΔX LA j +

∑b

4j

j

¡¤ΔX L F j +

∑b

5j

∑b

¡¤ΔX A j +

¡¤ΔX M j +

6j

j

∑ ∑b

7ｉk

ｉ

j

¡¤ΔX SP ｉk +

k

∑b

8j

¡¤ΔX CP j ≤ I N V

j

式中　 b1j , b2 j , …, b8 j —— 分别为各自的投资系数; 　 ΔX CP j —— 在规划期内新增加的第 j 种副业的加工生产能力; 　 I N V —— 规划期内可提供的总投资额。 ( 10) 其它类型的约束 如副业加工量受原材料的资源限制约束、副业加工量受加工设备能力约束、产品销路约 束、薪柴量与薪炭林面积关系等等, 要全部用数学式子表达是非常繁琐的。前边已列出几类 主要约束的表达式, 其余在此就省略了。 2. 目标函数的选择 如前所述, 本模型所考虑的目标函数有 3 个。其中能源系统供能成本最低与农业生产活 动的净产值最 大两个目标函数, 具有相同 的量纲, 可以将 其合并在 一起表 示, 并 注意避免 重 复计算。对考虑生态效果的指标, 其一是有机肥的施用量与需求量之间的缺口; 其二是规划 年所达到的森林覆盖面积与期望的覆盖面积之间的差额。我们希望这两个量都最小化, 采用 加权系数的办法, 也将其与另两个目标函数表示在一起, 有:

∑ ∑C

max Z = +

∑C

j

・X A j +

∑ CRF

-

5j

j

ｉ

3j

j

∑ CRF j

-

6j

・X L Gｉｉ +

∑C j

6j

・ b6j ・ ΔX M j j

7ｉj

∑C j

2j

・X L W j +

∑ CRF

・X P j -

・ b3 j ・ ΔX L A j -

∑ ∑C ｉ

1ｉj

1j

j

∑ CR F j

∑ ∑ CRF ｉ

k

4j

∑C j

3j

・X L A 1 +

・b1・ j ΔX L Gｉ, j ′-

・ b4j ・ ΔX L F j -

7ｉk

・ b7ｉk ・ ΔX SP ｉk -

∑C j

∑ CR F

2j

j

∑ CR F

5j

j

∑ CR F j

4j

・X L F j

・b2j ・ΔX L W j

・ b5 j ・ ΔX A j 8j

・b8j ・ ΔX CP j

・ X E ｉj - W 1 ・ ΔX CF - W 2 X D - 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

式中　 C 1ｉj , …, C 6j —— 分别为各自的净收益系数; 　 CRF 1j , …, CRF 8j —— 分别为各项投资的资本回收因子; 　 C 7ｉj —— 各项能流的成本系数; 　 W 1 , W 2 —— 分别为其权重因子。

7. 5. 3　 模型的 参数选择 合理地、准确地确定模型所需要的各项参数, 是对模型求解的基础。一个具有上百个约 束和变量规模 的模型, 所 需的参数大约要 有上千个, 对这 些数据的 收集和 确定, 需要做大 量 细致的工作和必要的数学处理。如果在选取参数时工作做得非常粗糙, 那么无论模型构造得 多么完美, 所计算的结果也是不可靠的。 模型所需要的参数大致可以分为 3 种: 其一属技术性参数, 它反映农村能源系统内部各 环节的相互关 系以及农业生产 活动中的投入产 出关系和 生产要素 或能量 之间的组 合关系。 这些参数构成 了约束条件的系 数矩阵, 对 这类参数的 确定主要 依靠周 密的调查 研究工作 以 及必要的实地测定。 其二是一系列的外生变量, 它们构成了约束条件的右端项。这些参数有些反映了当地的 自然条件及自然资源限制等因素, 有些反映了当地社会经济的发展目标或决策者的意图。这 ・ 27 7・

部分参数 有些可通过对当 地情况的调查研 究确定( 如 资源状 况) , 有些 则是由系 统外的环 境 因素所决定的, 需要由其它模型计算得到。以用最终用能形式表示的农村生活用能的需求量 为例, 它需要根据农村人口发展预测, 农民生活水平提高的设想以及对历史情况及发展趋势 的分析等信息来确定。我们可用如下模型来进行处理: XDE = A ¡¤YE 其中, YE 为能源需求基础向量, 它是表示农 民生活最终用能 形式的特征量, 不同的最终 用能 形式可以有不 同的基础量, 如照明需求的 基础量可 以以户 为单位来 表示, 其相应 的 YE 分 量 即为该地区 的农户数。XDE 为农村生活用 能各种最终用能 形式的需求向 量, 均 用统一能 量 单位表示, 如千焦或万吨标煤。 A 为转移矩阵, 它的一般形式为: P 1S1 A=

　

P 2S2

　

　

　

ｗ

0

　

　

0 P ｎS ｎ

其中, P ｉ 为第 ｉ 种最终用能形式单位基础量的需求系数。S ｉ 为饱和度。它表示第 ｉ 种最终用 途实际所满足的份额与完全满足时的数量之比。例如在规划年份只有一半的农户在冬天可 以取暖, 那么相对于农户取暖这项最终用途的饱和度为 0. 5。 由此计算出农村生活用能各种最终用能形式的需求量后, 即可将其输入模型, 以作为农 村生活用能需求约束的外生变量。 其三是反映整个系统成本和效益的一系列参数, 它们主要表现为目标函数的系数。这部 分参数是模型赖以进行最优化计算的依据, 因此它们的准确性尤为重要。对它们的确定更需 做细致的工作, 仅举以下几例说明。 1. 能源资源的供能成本 在模型中, 通常都假设在某种资源最大可获取量的范围内, 供能成本为常数。也就是说, 它的 供给曲 线是 一条以 其最 大可 获取量 S ｉ 为 限制 的完 全 弹性 供应 曲线, 在 这 个限 度范 围 内, 供应成本均为 C ｉ, 超过这个限度, 不管付出多大成本均不能得到( 如图 7. 15) 。令 X ｉ 为该 种资源的供应量, 那么它的资源供应约束即为: X ｉ ≤ Sｉ 在目标函数中, X ｉ 相对应的成本系数即为 Cｉ 。

图 7. 15　 能源资源的供给曲线

・ 2 78 ・

图 7. 16　 能源资源的供给曲线

但是, 实际情 况并 非如 此, 一 般说 来, 供能成 本是 随 着供应 量的增加 而提高 的, 这 包括要 开采 那些比 较贫 瘠 或质量较差的能源资源, 或者需要较远的运输。它的供应 曲线是一 条向上倾斜的曲 线( 如图 7. 16) , 所 以供能成 本 不是常数, 而是随着供应量的变化而改变的。为便于在模 型中表示这个关系, 在此我们可以采用分段线性化技术, 用阶梯形函数来代替原来的供应函数。同时分段后把原 来的资源视为具有不同供能成本的几种资源。如图 7. 17 所示, 我们 可以 认为 第一种 资源 的成本 为 C ｉ1 , 最 大可 获

图 7. 17　 分段线性化后的供给曲线

取量为 S ｉ1 ; 第二种 资源的供能成本 为 C ｉ2 , 最 大可获取 量 为 S ｉ2 - S ｉ1 ; 第三种资源的供应成本是 Cｉ3 , 最大可获取量为 S ｉ3 - S ｉ2 。然后我们用 3 个变量分 别代表 3 种资源的供应量, 即 X ｉ1 , X ｉ2 , X ｉ3 。这样原来的一种资源在这里已视为 3 种资源, 变 量 X ｉ 也由 1 个变为 3 个, 相应的资源供应约束也变为 3 个, 即: X ｉ1 ≤ S ｉ1 X ｉ2 ≤ S ｉ2 - S ｉ1 X ｉ3 ≤ S ｉ3 - S ｉ2 在目标函数中, 对应于 X ｉ1 、X ｉ2 和 X ｉ3 的成本系数即为 C ｉ1 , Cｉ2 和 Cｉ3 。 2. 投资的资本回收 进行农田基本建设, 购买农业机械, 建造沼气池等替代能源设施以及发展工副业等都需 要进行投资, 这项资金在其设施的寿期内应该收回。在模型的目标函数内, 应该把各项投资 按年度化, 考虑投资的资本成本。如果我们考虑在工程开始时投入一笔资金 B 0 , 在其寿命期 ｎ 年内, 每年等额收回一笔资金 B , 在年利率为 ｉ 的情况下, 正好补偿初始投资。那么, 有如下 公式: ｎ

1 ( 1 + ｉ) j

B0 = B∑ j= 1

ｎ

B = B0

1

∑(1 + j= 1

ｉ)

j

ｉ( 1 + ｉ) ｎ = B 0 ¡¤ ( 1 + ｉ) ｎ - 1 ｉ( 1+ ｉ) ｎ 令 CRF ( ｉ, ｎ) = , 称为资本回收因子。在 目标函数中, 对代表新增设 施的变量( 如 ( 1+ ｉ) ｎ - 1 ΔX CP j , ΔX SP ｉk 等) , 其成 本系数 应为它的 投资的 资本成本, 这系 数即应 为它 的投资 系数 乘 以资本回收因子。 3. 多年生作物效益的计算 有些多年生作物, 例如树木, 种植后几年才会受益。在目标函数中, 应将这部分收益在种 植期内按年度化。如果假定是在种植后 ｎ 年得到一笔收益 B ｎ , 在年利息率为 ｉ 的情况下, 将 其按年度化计算每年的收益 B 有: ・ 27 9・

ｎ- 1

B ｎ = B ∑ ( 1 + ｉ) j j= 0

ｎ- 1

B = Bｎ

∑(1 +

ｉ)

j

j= 0

= B ｎ ¡¤

ｉ ｎ ( 1 + ｉ) -

1

并依此来考虑该多年生作物在规划年份的 收益系数。如果为 获得 ｎ 年后的 收益 B ｎ , 每 年均 需付出一定成本, 不管各年的成本是否相同, 均可以在考虑利息的前提下, 将其按年度化。从 而根据年度化后收益和成本的数据, 确定目标函数中该种作物的净收益系数。

7. 5. 4　 模型的 输出及分 析 在对模型进行求解并得到最优解后, 正确理解和分析所得到的结果, 并且用来对系统做 进一步的分析是十分重要的。这种分析不仅会涉及到系统的本身, 还会对与系统有关的环境 因素提供分析依据, 从而为进行决策提供颇为有价值的参考。 模型第一组主要的输出量是模型所有内生变量的取值, 即模型的最优解。其中包括农村 能源系统网络图中的各能流量, 农林牧副渔各业的生产活动水平, 各种作物的种植比例以及 各种设施、机具的新增容量等。这些数据即给出了在农村能源系统供能成本最低并且使农村 地区净产值最大的情况下, 农村能源系统的结构, 农、林、牧、副、渔大农业的结构以及农作物 种植布局等。 模型第二组主要的输出量是其线性规划的最优对偶解。根据线性规划的对偶理论, 我们 知道线性规划原始问题的每个约束条件, 都有一个对偶变量与之相对应。在一般涉及经济问 题的模型 中, 这个对 偶变量都具有价 格的量纲, 国外称之 为“影子价格 ”, 它的经 济意义可 解 释为: 某个对偶变量的值 相当于其相应的 约束条件发 生微小松 驰时所 引起的总 目标函数 值 的变化率。对本模型而言, 我们感兴趣的影子价格主要有以下几组, 它们分别与一组约束条 件相对应, 利用这些影子价格可进行一系列分析工作。 ( 1) 对应于资源供应约束的影子价格, 表示当某种资源 的可利用量有微 小增量时, 单位 增量所引起系统产出的增加( 或成本的降低) 。它反映了各种资源相对短缺的程度。例如相 对于商品能源供应量限制约束的影子价格, 反映了该种商品能源对系统的边际效益, 这可为 国家或地方政府研究农村商品能源供应政策提供参考。又如对应于土地可利用量约束的影 子价格, 它反映了各种类型土地的边际效益, 这可为我们合理利用土地资源提供指导。 ( 2) 对应于需求约束的影子价格, 代表了某种最终需求 量发生微小变化 时, 增加单 位需 求量所引起系统净产值的降低或供能成本的增加。据此我们可指导对消费部门的政策。譬 如对于生活用 能方面最终用能 形式的需求约束, 我们 可将其相 应的影 子价格与 最终用能 设 施的节能措施联系起来进行评价。如果某项目节能措施的成本虽然大于节能的直接财务收 益, 但是如果从影子价格的角度衡量合算的话, 那么该项措施的经济效益就是显著的。 ( 3) 对应 于各项设 施、设备生产 容量约束 的影子 价格, 反映了该 项设施、设备 现有容 量 的边际效益, 即再增加单位该种设施或设备的容量给系统带来的收益。它可作为对这些设施 或设备进行技术经济分析时的依据。 ( 4) 与投资限制额约束相联系的影子价格, 代表了再增 加单位投资给系 统带来的收益。 ・ 2 80 ・

如果该项影子价格比较高。即说明投资比较短缺。它可为决定投资数量提供参考。 对应于其它类型约束的影子价格, 均可做出类似的经济解释。但对于一些平衡方程, 它 们主要是反映内生变量相互间的平衡关系。其右端常数项为零。相对于这些约束的影子价 格并无重要的经济意义, 我们不对它进行解释和分析。 模型第三组主要的输出量是对模型中各种参数进行敏感性分析的结果。在对模型进行 优化计算后, 进一步对有关参数进行敏感性分析是必要的。它可以检查模型计算结果的稳定 性和参数变化后对最优解的影响。对目标函数中某些成本系数进行敏感性分析, 有助于评价 外界价格及成本变化时对系统的影响程度; 对约束右端项进行敏感性分析的结果, 有助于进 一步评价资源 限制及需求约束 发生变化对系统 的影响程 度; 对 约束系 数矩阵中 某些元素 进 行敏感性分析, 由于这些系数大都反映了系统内部各部门的技术工艺特性, 所以它有助于评 价技术工艺改革的影响。同时对敏感性分析中反应非常敏感的参数, 在进一步计算时应十分 谨慎地选择它的数值。 所有以上信息均可根据要求在计算过程中一次输出。对于模型的分析者而言, 应充分利 用这些信息, 正确分析和 理解模型计算的 结果, 从而得到 有益的启 示和正 确的判断, 这是 一 件相当重要的事情。

7. 6　 能源系统减排 CO 2 技术选择模型 大气中温室气 体浓度迅速增加 导致全球气 候变化, 是当前 国际社 会普遍关 注的重大 全 球环境问题之一。能源消 费的 CO 2 排放是 人类社会活动中 最主要的温室气 体排放源, 而能 源又是 社会经济 赖以发 展的基础, 因 此, 研究未 来能 源消 费的 CO 2 排放 趋势 以及减 缓 CO 2 排放对国民经济的影响, 对未来减 缓 CO 2 排放的 成本及效果进行评 价, 对于 我国制定能源、 环境、经济相协调的发展战略是十分重要的。

7. 6. 1　 我国能 源消费的 CO2 排 放 化石燃料消费的 CO 2 排放系数, 取决于每种 化石燃料的含碳量 和燃烧份额。根据 国外 资料 和国 内 有关 单位 测算, 取 煤炭 燃 烧的 CO 2 排 放 系数 为 0. 725 kg 碳/ kg 标 煤, 石 油 为 0. 583 k g 碳/ kg 标煤, 天然气为 0. 409 kg 碳/ kg 标煤。煤炭的 CO 2 排放率最高, 为石油的 1. 24 倍, 天 然气的 1. 77 倍。我 国 1990 年煤炭消 费量为 753. 4 M t 标煤, 石油为 168. 0 M t 标 煤, 天然气为 20. 3 M t 标煤。扣 除运输、分 配过程中的损失 和部分作为原 料的消费 量后, 可 计算当年以 碳计算的 CO 2 排 放量为 617. 2 M t 碳, 而 1989 年为 607. 4 M t 碳。全世 界 1989 年能源消费的 CO 2 排放量为 5762. 5 M t 碳, 我国占该 年全世界 CO 2 排放量的 10. 6% , 而同 期商品能源消费占世界商品能源消费量的 8. 5% , 低于 CO 2 排放量的比例, 见表 7. 1 表 7. 1　 商品能源消费与 CO2 排放比较( 1989 年) 一次能源消费/ ( M t 标煤)

　 煤炭 中国 738. 5 O ECD 国家 1261. 0 世界 3187. 6

石油

天然气

水电

165. 9 2470. 7 4425. 4

20. 0 1160. 6 2439. 1

47. 2 375. 3 751. 7

核能 521. 1 643. 7

合计

CO2 排放量 / Mt 碳

971. 6 607. 4 5788. 7 2753. 7 11447. 6 5762. 5

CO 2 排 人均 CO 2 放强度 排放量 / kg 碳/ kg 标煤 / kg 碳/ 人 0. 63 0. 54 0. 48 3. 32 0. 50 1. 11

　 　 资 源来 源: 1. B P , S t at ｉst ｉca l R evｉew of W orl d E ｎer gy 1990 2. 中国 统计年 鉴, 中国 统计出 版社 : 1991

・ 28 1・

　 　 与世界及发达国家比较, 我国商品能源消费及相应 CO 2 排放有如下特点: ( 1) 商品能源消费的 CO 2 排放强度高 1989 年 我国 商 品能 源 消费 的 CO 2 排放 强 度 为 0. 63 kg 碳/ kg 标煤, 世界 平 均水 平 为 0. 50 k g 碳/ kg 标煤, OE CD 国家为 0. 48 kg 碳/ kg 标煤, 我国比世界平均水平高 20% 。其原 因在于我国商品能源消费以煤炭 为主, 占一 次能源总消费量 的 76% 。 而世界大多数国 家则 以油、气为主, 石油和天然气的比重占一次能源总消费量的 60% , 煤炭仅占 28% 。我国非化 石燃料的比例也低于世界平均水 平, 水电在 一次能源构成中 占 4. 9% , 且尚无核电。而 世界 水电和核能在一次能源构成中的 比例则达 12% 。我国特有 的以煤炭为主的 一次能源构成, 使得我国商品能源消费的 CO 2 排放强度高于世界平均水平, 这也是造 成我国 CO 2 排放 量占 全球的比例高于能源消费比例的原因。 ( 2) 人均 CO 2 排放量低 1989 年我国 人口有 11. 19 亿, 人均商 品能源消 费量为 866 kg 标煤, 全世 界人 口为 52. 01 亿, 人均商品能源消费为 2200 kg 标煤, OECD 国家人均商 品能源消费量则 约为 7000 k g 标煤。中国仅为世界平均水平的 40% , O ECD 国家的 1/ 8。相应人均 CO 2 排放量, 中国也尚 不及世界平均水平的一半, 仅为 OE CD 国家的 1/ 6。 ( 3) 单位 GDP 的商品能源消费强度高 中国是世界上 能源消费强度最 高的国 家之一, 大约是 西方工 业发达国 家的 3—4 倍, 比 相同人均 GDP 水平的低收入国家也高出一倍左右。例如, 以当年价格和当年汇率计算, 1985 年我国单位 GDP 能源消费强度为 2. 33 kg 标煤/ 美元, 而 OE CD 国家平均为 0. 62 kg 标煤/ 美元, 印度为 1. 06 kg 标煤/ 美元, 全世界 平均则为 0. 90 kg 标煤/ 美 元, 中国 是世界 平均 水 平的 2 倍多。其中原因比较复杂, 除去汇率比价、国民经济产业结构、地理环境等多种不可比 因素外, 我国能源转换和利用效率比较低也是一个重要因素。主要耗能工业产品以实物量计 算的能源单耗, 我国都 比西方发达国家高 出 30% 到 1 倍左右。这一方 面说明我国尚有 较大 节能潜力, 但另一方面, 我国在能源利用技术方 面与西方发达国 家的差距, 远不及单位 GDP 能源消费强度反映的那样大。中国能源消费强度比印度高出一倍以上, 但在能源利用技术方 面两 国则无 本质 差别, 主要 耗能 工业产 品以 实物 量计算 的能 源单耗, 中 国大 部分尚 低于 印 度。

7. 6. 2　 模型建 立的基本 思路 在保证社会经 济发展和人民生 活水平不断 提高的前 提下, 未来减 缓能源消 费所引起 的 CO 2 排放的技术对策主要有 3 条: ①提高能源的开发和转换效率, 减少能源生产和转换 过程 中的损失; ②促进能源替代, 大力发展水电、核能等不含碳的非化石燃料以及天然气、石油等 含碳率低的燃料, 以替代 CO 2 排 放率高的煤炭; ③促进终端 用能部门的节能, 提高能源 的利 用效率, 在满足相同的有用能需求前提下, 减少能源的消费量。前两个措施针对能源系统, 而 第三条措施则针对终端用能需求部门。 对于能源系统 中各种能源开采、转换及 分配环 节, 不 仅考虑了 现有的 各种工艺 技术, 而 且考虑了未来可能发展或引进的各种新型能源开发和转换技术, 如图 7. 18 所示。图中对于 生活用能部门 的最终需求, 外生给定的是 城乡居民 炊事、取暖等有 用能需 求量, 其最终用 能 设施的技术及燃料消费构成也在图中列出, 并在模型中进行优化选择。对于国民经济各部门 ・ 2 82 ・

图 7. 18　 能源系统工艺网络图

终端能源需求, 外生给定 了各种燃料的最 终需求量, 也就 是说, 国民经 济各部门 的最终用 能 技术和燃料构成已外生确定, 模型中不再进行优化选择。由于终端用能部门的用能方式和用 能技术十分 繁杂, 在模 型中全面研究终 端用能技术 选择问 题是很困 难的。为了 解决这个 问 题, 选 择了 5 个高耗能工 业部门, 将其终端用能 技术的选 择引入模 型, 以便将能 源系统的 工 艺技术选择与 终端用能部门的 节能技术选择一 起进行综 合评价和 比较, 模型中 对这 5 个 部 门只外生给定 该部门产品的产 量需求, 而 生产工艺及 相应的能 源消费 构成则在 模型中优 化 选择, 如图 7. 19 所示。其它国民经济部门的终端能源需求则仍然外生确定。将图 7. 18 和图 7. 19 连结起来, 即构成了模型的网络框架。 　 　 在 模型中, 将研究 有关缓 减 CO 2 排 放政策、能源系 统发 展以 及终端 部门 能源消 费等 方 面的如下问题: ( 1) 未来能源系统中能源开发和转换工艺技术的合理选择; ・ 28 3・

( 2) 未来我国一次能源生产和消费的合理构成; ( 3) 高耗能终端用能部门的技术选择; ( 4) 减排 CO 2 的附加成本及经济评价; ( 5) 能源 系统提高转换效率、促进能 源替代、以 及终 端用能部门节能的综合经济比较及投资方向的选择; ( 6) 在不 同政策想 定方案 下, 能源消 费的 CO 2 排 放 变化趋势及减排效果评价。

7. 6. 3　 模型的 数学描述 1. 变量和脚标含义 　 　 ｉ: 初级能源种类。 k : 二次能源种类。 j : 终端需求种类, 其中: jf : 最终用能需求;

图 7. 19　 几个高耗能部门的工艺选择

j u : 有用能需求。 M : 初级能源开采环节。 L : 能源转换环节。 N : 最终用能环节。 L

X ｉk ( t) : 　 t 时段初期第 ｉ 种初级能源投入第 L 转换环节的 年能流量, 经转换将生产第 k 种二次能源。 N

X kj ( t) : 　 t 时段 初期第 k 种二次能 源投入第 N 种最终用能设 施的年 能流量, 将满足 第 j 种有用能需求。 X kj ( t ) : 　 t 时段 初期满足 第 j 种 最终用 能需 求的 第 k 种 二次能 源年 能流 量, 上 述能 流 量变量均以 M t 标煤为单位。 X M ｉ( t) : 　 为 t 时段初期第 ｉ 种初级能源开采的生产容量( 规模、能力) 。 ΔDM ｉ ( t) : 　 为 t 时段内退役的第 ｉ 种初级能源的开采能力( 生产容量) 。 ΔUM ｉ( t) : 　 为 t 时段内新投产的第 ｉ 种初级能源开采能力。 L

X P ｉk ( t ) : 　 为 t 时段初期第 L 种能源转换设施的生产能力。 L ΔDP ｉk ( t ) : 　 为 t 时段内退役的第 L 种能源转换设施的生产能力。 L

ΔUP ｉk ( t) : 　 为 t 时段内新投产的第 L 种能源转换设施的生产能力。 eｉ : 　 第 ｉ 种初级能源的开采效率。 N ekj ( t ) : 　 由第 k 种二次能源满足第 j 种最终有用能需求的 第 N 种最 终用能设施在 t 时

段的效率。 L

eｉk ( t) : 　 由第 ｉ 种初级能源生产 第 k 种二次能 源的第 L 种转 换设施 在 t 时 段的转换 效 率。 t : 　 规划周期, 每期 5 年。规划时刻为时段开始的第 一年, 例, t 0 = 1990; t 1 = 1995, t 2 = 2000, …, t 9 = 2050, t 10 = 2040。模型规划到 2030 年, 为去除模型尾端效应, 多增加两个时间 周期。 ・ 2 84 ・

X V( t) : 　 能源工业 t 周期内的投资额。 X C ( t ) : 　 化石燃料消费引起 CO 2 在 t 时段的年排放量。 X I ( t ) : 　 第 t 时段初期, 第 ｉ 种能源的年进口量。 X E ｉ( t) : 　 第 t 时段初期, 第 ｉ 种能源的年出口量。 2. 约束条件 ( 1) 资源限制约束 1 L X ｉk ( t) ≤ S ｉ ( t) 　 ( ｉ = 1, 2, …, 7) ; 　 ( t = 1, 2, …, 10 此约束不一定对所有 t) ∑ ∑ eｉ L K 　 　 ( 2) 需求约束 ① 对以最终用能表示的需求

∑X

kj

( t) ≥ D f j ( t) 　 ( j = 1, 2, …, 7; 　 t = 1, 2, …, 10)

K

式中　 Df j ( t ) —— 第 j 种最终用途的能源在 t 时段的需求量。 ② 对以有用能表示的终端能源需求

∑ ∑e

N kj

K

( t) X Nkj ( t) ≥ D uj ( t) 　 ( j = 1, 2, 3; 　 t = 1, 2, …, 10)

N

式中　 D u j ( t) —— t 时段第 j 种终端有用能需求量。 ③ 对 5 个高耗能工业部门以最终产品需求表示的终端能源需求约束

∑ ∑h K

N kj

X Nkj ( t) ≥ D g ( t) 　 ( j = 1, 2, …, 6)

N

式中　 h —— 单位第 j 终端部门的产品以第 N 种工艺生产时对第 k 种二次能源的消费量。 N kj

( 3) 中间能流量的平衡

∑ ∑e

L ｉk

ｉ

∑X

( t) X Lｉk ( t) -

l

kj

( t) -

j

∑ ∑X N

N kj

( t) = 0　 ( k = 1, 2, …, 11; t = 1, 2, …, 10)

j

　 　 ( 4) 生产设备容量约束 ① 开采环节容量约束

∑ ∑X L

L ｉk

( t) - X I ｉ ( t) + X E ｉ ( t) ≤ X M ｉ ( t) 　 ( ｉ = 1, 2, …, 4; 　 t = 1, 2, …, 10)

K

　 　 ② 转换环节容量约束 X Lｉk ( t) - X P Lｉk ( t) ≤ 0　 ( L = 1, 2, …, 14; 　 t = 1, 2, …, 10) 　 　 ③ 最终用能设施容量约束 N

N

X kj ( t) ≤ cons t ( t) 　 ( 外生给定) 　 ( N = 1, 2, …, 11; 　 t = 1, 2, …, 10) 　 　 ( 5) 生产容量的转移、更替 X M ｉ( t + 1) = X M ｉ( t) - ΔDM ｉ( t) + ΔUM ｉ( t) X P Lｉk ( t + 1) = X P Lｉk ( t) - ΔDP Lｉk ( t) + ΔUP Lｉk ( t) ( ｉ = 1, 2, 3, 4; ｉ = 1, 2, 3, 4k; L = 1, 2, …, 14; 　 t = 1, 2, …, 10) 　 　 ( 6) 生产容量发展限制约束 ① 基期生产容量 X M ｉ ( t 0 ) = const ( t 0 ) 　 ( 外生给出) L

L

X P ｉk ( t 0 ) = cons t ( t0 ) 　 ( 外生给出) ・ 28 5・

( ｉ = 1, 2, 3, 4; 　 L = 1, 2, …, 14) 　 　 ② 退役容量约束 ΔD M ｉ ( t) = const ｉ( t) 　 ( 外生) L

L

ΔD P ｉk ( t) = const ( t) 　 ( 外生) 　

ｉ = 1, 2, 3, 4; 　 L = 1, 2, …, 14;

t = 1, 2, 3, 4, 前几个周期 ΔD M ｉ ( t) = ΔUM ｉ ( t L

ｉ) 　 　 　 τ

L

ΔD P ｉk ( t) = ΔUP ｉk ( t -

τ L)

ｉ = 1, 2, 3, 4; 　 L = 1, 2, …, 14; 　 t = 4, 5, …, 10 ｉ —— 第 ｉ 种初级能源开采环节的服役周期; 式中　 τ

　 τ L —— 第 L 种能源转换环节的服役周期。 ③ 新增设施容量的发展速度约束 ΔU M ｉ ( t) ≤ F ｉ( t) ΔU P Lｉk ( t) ≤ F L ( t) 　

ｉ = 1, 2, 3, 4; L = 1, 2, 3, …, 14; t = 1, 2, …, 10

式中　 F ｉ( t ) , F L ( t ) —— 外生函数。对于新技术, 在商业化引入之前, 该函数值为 0, 商业化引 入后, 其发展及推广速度遵循罗蒂思缔函数规律。 ( 7) 能源工业发展投资计算及约束

∑p

X V( t) =

ｉ

∑ p ′¡¤ΔUM ( t +

¡¤ΔUM ｉ( t) +

ｉ

ｉ

+

∑p

L

1)

j

ｉ

∑ p ′¡¤ΔUP

¡¤ΔUP Lｉk ( t) +

L

L

L ｉk

( t + 1) 　 ( t = 1, 2, …, 10)

L

X V( t) ≤ I N V( t) 　 ( 外生限制量) 　 ( t = 1, 2, …, 10) 式中　 p ｉ —— 投产的第 ｉ 种初级能源开采环节单位容量在投产前 3 年的投资系数。 　 p′ ｉ —— 基建开始到投产前 4 年的投资系数。 ( 如某新建项目, 其投资分配为 7 年, 则 4 年 在( t - 1) 时段 时, 3 年 在 t 时 段内, 如 投资 期为 5 年, 则 2 年在 ( t - 1) 时 段 内, 3 年在 t 时段内, 其在 t 时段末投产; 如投 资期为 10 年, 则有 2 年在( t- 2) 时段内。) 　 p L —— 新投产的第 L 种能源转换设施单位生产容量在投产前 3 年的投资系数。 　 p′ L —— 基建期开始到投产前 4 年的投资系数。 　 I N V ( t ) —— t 时段内能源工业能得到的最大投资额。 ( 8) CO 2 排放量计算及限制约束 X C( t) =

∑ ∑ ∑ λX L ｉk

ｉ

L

L ｉk

( t) +

∑ ∑ λX

K

kj

k

kj

( t) +

∑ ∑ ∑ λX

j

N kj

k

N

N kj

( t)

j

( t = 1, 2, …, 10) L N 式中　 λ ｉk , λ kj , λ kj 分别为相应单位能源量的 CO 2 排放系数。

X C( t) ≤ F c( t) 　 ( t = 1, 2, …, 10) 式中　 F c( t ) —— 外生函数, 表示政府控 制 CO 2 排放的政 策的定量描述。 在模型运 算中, 将 给出多种方案, 进行 CO 2 排放控制政策的模拟运算, 从而分析减缓 CO 2 排 放政策的能源系统成本。 ( 9) 能源进出口约束 X I j ( t) ≤ F I ｉ( t) ・ 2 86 ・

XE ｉ( t) ≥ F E ｉ ( t) 　 ( ｉ = 1, 2, 3, 4; 　 t = 1, 2, …, 10) 式中　 F I ｉ( t) , F E ｉ ( t) —— 外生函数, 表示第 ｉ 种初级能源的进出口量约束限制。 3. 目标函数 目标函数为能 源系统贴现的总 供能成本最 低, 包 括各种能 源开发 和转换环 节技术的 运 行成本和投资的资本回收成本。对于能源转换环节, 其运行成本仅包括对能源物料流加工所 投入的成本, 而不计算物料流本身所投入的成本, 从而避免就整个能源系统而言造成成本的 重复计算。例如常规燃煤电站发电所投入煤炭的成本, 在煤炭开采环节已经计算过一次, 就 整个能源系统而言, 它表现为系统内各环节间的内部转移, 对发电环节所表现的成本投入被 开采环节所表 现的产出收益所 抵消, 只有 系统外对各 能源工艺 技术环 节的投入 才表现为 系 统的成本。在选择目标函数时必须特别注意, 切勿造成成本的重复计算并导致系统结构优化 的错误导向。 在规划期内投资新建的项目, 到规划期结束时不可能全部到达经济寿命而退役, 因此其 建造投资不能全部计算为规划期内的成本, 相应于其剩余经济寿命的价值, 应在模型目标函 数中予以回收, 以补偿初始总投资成本中多计算的部分, 否则模型的优化选择在临近规划期 终结时会倾向于选择那些投资少, 使用年限短, 而总体经济效果并不一定是最好的项目。在 目标函数中使用项目残值回收处理手段, 可以保证模型在整个规划期内进行优化选择。设规 划期为 T , 项目经济寿命为 ｎ, 贴现率为 r , 那么目标函数的表达式可描述为:

∑ (1+

min Z =

1 r)

t

+

t ¡¤d

∑ ∑ ∑ d ¡¤C X ｉ

i

k

∑ ∑ ∑ d ¡¤C

¡¤X E ｉ( t) +

L ｉk

( t) +

L

ｉ

∑ ∑ d ¡¤C k

N kj

k

N

j

∑ ∑ (1+

1 ( 1 + r ) dp ′ l] Δ UP Lｉk ( t) T + τcrf( r, ｎl ) ¡¤[ p l + r)

τ= 1

l

L

X ｉk ( t)

X kj ( t)

ｉ

τ = 1

L ｉk

L

1 ( 1 + r ) dp ′ ｉ] Δ UM ｉ( t) T + τcrf( r , ｎ ｉ) ¡¤[ p ｉ + r)

∑ ∑ (1 + ｎ - T + t. d l

-

ｉ

ｉ

ｎ - T + t ¡¤d ｉ

-

∑ d ¡¤q

X V( t) +

式中　 d —— 每周期年数, 在此 d = 5; 　 T —— 模型计算的规划期年数, 在该模型中, 规划期从 1990 年到 2040 年, T = 50; 　 q ｉ —— 进口第 ｉ 种能源的价格系数; 　 C ｉ —— 第 ｉ 种初级能源开采的运行维修成本系数; L

　 C ｉk —— 第 L 种能源转换设施的运行维修成本系数; N

　 C kj —— 消费第 k 种能源和第 N 种设施的运行成本系数; 　 ｎ ｉ —— 第 ｉ 种初级能源开采设施的经济寿命; 　 ｎ l —— 第 l 种能源转换设施的经济寿命; 　 r —— 年贴现率。 ｎ

r ( 1+ r) 上式中第 二和第三部分即 表示未到经济寿 命项目的残值回收, 其中 crf ( r , ｎ ) = , ｎ ( 1+ r ) - 1 为资本回收因子, 其中 r 为年贴现率, ｎ 为新建设施的经济寿命期。 由于能源项目的建设期都比较长, 通常都跨越两个或更多的时间周期, 这样在规划期最 后两个时间周期内开始投资新建的项目, 到规划期结束时尚不能投产, 在整个规划期内都不 ・ 28 7・

能见效, 所以模型优化计 算的结果, 在规划期最 后两个时 间周期内 势必停 止投资新 建项目。 这与能源 系统发展的实际 情况不符, 为剔除这种“尾端效 应”, 在模 型计算 时, 将 延长两个 时 间周期, 共取 10 个周期, 到 2040 年, 对运算结果则只取 8 个周期, 实际规划期只到 2030 年。 模型计有 1400 多个约束, 1700 多个决策变 量, 利用 GAM S 数学规划软 件, 在微机 上实 现了求解。

7. 6. 4　 模型的 外生想定 条件 1. 　 终端能源需求 　 　 模 型需外生 给定各 时间周期 内城乡居 民生活 用能部门 的有用 能需求量, 5 个高 耗能 工 业部门的产品需求量, 以及其它国民经济部门对各种能源品种的最终需求量。 影响未来能源需求的因素很多, 主要有人口增长、经济发展目标、国民经济产业结构、科 技进 步、能源 价格及 需求 管理 政策等。采 用了 部门 分析能 源需 求预测 方法, 部 门划 分如 图 7. 20所示。

图 7. 20　 最终能源需求部门结构框图

　 　 每个部门的终端能源需求可概括地由其活动水平和能源消费强度两个基本影响要素表 示, 设 E F ｉj ( t ) 为第 ｉ 部门对第 j 种能源产品在 t 时刻的终端能源需求量, X ｉ( t ) 为第 ｉ 部门的 活动水平量, a ｉj ( t ) 为第 ｉ 部门活动水平相应地对第 j 种能源的消费强度, 那么对第 j 种 能源 的最终总需求量 E F j ( t ) 则可表示为: E F j ( t) =

∑E F ｉ

ｉj

( t) =

∑a

ｉj

( t) X ｉ ( t)

ｉ

　 　 每个部门又可分为若干子部门, 如图 7. 20 所示, 其终端能源需求的计算与上式类同。各 项活动水平量一般由若干主要参数决定, 其数值大小与相应能源消费强度的高低, 均在现有 统计数据基础 上, 参照我 国政府部门的发 展规划及世 界大多数 国家发 展历程中 所呈现的 共 同规律, 采用不同的数学方法预测或通过政策想定方案而得。 ・ 2 88 ・

2. 政策想定模拟 为进行政策分析, 模型进行了下列想定条件下的计算比较, 有: ( 1) 能 源系 统未 来发展 的工 艺效 率不 变, 一次 能源 结 构不 变, 高耗 能工 业 部门 技术 确 定。 ( 2) 能源系统未来发展的工艺效率将逐渐提 高, 新型能 源技术逐步引入 发展, 但一 次能 源结构不变, 高耗能工业部门用能技术确定。 ( 3) 能源 系统工艺 技术改 进, 并 且一次能 源结构 将向提高 非化石 燃料或少 含碳燃料 比 例的构成转变, 同时高耗能工业部门的技术确定。 ( 4) 能源 系统工艺 技术和 一次能源 结构均 发生改变, 并且 同时对 高耗能工 业部门的 工 艺技术进行优化选择。 ( 5) 相对于方案( 4) 情况, 政策迫使未来 CO 2 排放量减少 10% 。

7. 6. 5　 模型主 要计算结 果分析 以上述第( 4) 方案作为基本方案, 对其主要结果简述如下: 1. 经济增长与一次能源消费 我国制 定了国 民经 济发展 到下 世纪 中叶人 均 GNP 达到 中等发 达国 家的 战略目 标, 未 来的国民经济仍需以较高的速度增长。到 2030 年, 预计人口将达 14. 5 亿左右, 以 1990 年不 变价格 计算, GN P 将 由 1990 年的 17000 亿 元增加 到 10 万亿元, 下世 纪经济 年增长 率将 超 过 4% 。由于产业结构的调整和终端节能, 未来能源消费的弹性系数可维持在 0. 6—0. 7, 年 节能 率保 持在 1% 以 上, 但电 力消 费 的弹 性系 数将 保持 1. 0 左 右, 一次 能源 用 于发 电的 比 重, 将 由 1990 年 的 25% 上升到 2030 年的 40% , 一 次能源的 总需求 量将达 28. 5 亿 吨标煤, 是 1990 年 9. 8 亿吨标煤的 3 倍。但届时人均能源消费量 仍然很低, 刚到 2000 k g 标煤/ 人, 和目前世界人均能源消费水平相当。 2. 一次能源构成 我国是目前世界上一次能源构 成中少有的以煤 炭为主的国家, 1990 年煤炭在一次 能源 构成 中的比 例高 达 75. 6% , 石 油则为 17. 0% , 天然 气 2. 1% , 水 电 占 5. 3% , 尚 无核 电站 运 行。而世界能源结构则以油气为主, 石油和天然气比重达 60% , 而煤炭则不足 30% 。到 2030 年, 由 于我国特有的能源 资源条件, 虽然以煤炭 为主的一 次能源结 构不可 能发生根 本变化, 但其比重也 会大幅度降 低, 达 60% 左 右。水电、核能等 非化石燃 料的比 重可上升 到 15% 左 右, 核电装机容量将达 40000MW 。天然气比重也可上升到 6% 以上, 石油消费将维持目前的 比例, 但其消费的绝对数 量将成倍增长, 我国将 从目前石 油净出口 国转变 为净进口 国, 以 满 足对液态燃料的需求。 3. 能源消费的 CO 2 排放强度 由于未 来一次能 源构成 的变化, 能源 消费的 CO 2 排 放强 度将有 较大 幅度 的降低, 将 由 1990 年的 0. 63 k g 碳/ kg 标煤下降到 0. 55 kg 碳/ kg 标煤, 降低 12% 左右。而且由于能源转 ・ 28 9・

换环节和终端能源利用环节的节能, 使单位 GN P 的能源消费强度下降。综合上述两方面因 素, 单位 GNP 的 CO 2 排 放强度下 降的幅度 则更大, 以 1990 年不变 价格 计算, 将由 1990 年 的 0. 37kg 碳/ 元下降到 2030 年的 0. 18kg 碳/ 元, 降低一半左右。 4. 能源系统与终端高耗能工业部门的技术选择 未来能源系统 的发展将选择新 型能源技 术, 像 加压流化 床、联 合循环、燃料 电池等新 型 发电技术以及核电站、风力发电站等新技术均将逐步引入, 其发展规模与发展速度主要取决 于其技术成熟性和商业化推广速度。同时从长远角度看, 在满足相同终端用能需求前提下, 先进能源技术 因其效率提高所 节约的能源与其 增加的投 资比较, 比将 投资用于 增加能源 开 发能力更为合算。也就是 说, 通过提 高能源转换效率 而减少 CO 2 排放 并不需要付出额 外成 本, 在此情况 下, 减排 CO 2 的环境效益与 节能的经济效益 是相一致的。与此 类似, 高耗 能工 业部门的工艺 技术改造和更新 也具有相同效果, 所以 模型计算 结果中 的投资方 向也均选 择 了高耗能部门先进工艺技术, 而不是增加能源资源的开发容量。但是应该指出, 一种新技术 的开发应用到 商业化推广, 不仅需要长达 几十年的 时间, 而且需要 巨额的 开发资金 投入, 由 于我国资金短缺, 这往往成为限制新技术发展的重要因素。 以水电和核电替代煤电时, 由于水电站和核电站建造的比投资高于煤电, 所以促进能源 替代需要增加额外资。虽然未来能源消费的增长速度将低于 GNP 的增长速度, 使能源系统 投资占 GNP 中 的比重呈下降趋 势, 但是能 源替代使能源系 统投资上升的 趋势, 以及随着 化 石能源 资源的逐 渐枯褐 而使能 源开 发比 投资增 加的 倾向, 又将 使能 源系统 投资 占 GNP 中 比例呈上升趋势。在能源系 统开发比投资每 年上升 2% —3% 的情况上, 上述两种趋向 相平 衡抵消后, 能源系统投资 占 GN P 中比例仍 呈上升趋势, 这很可能会 超出国民经 济的承受 能 力, 也可能会影响未来经济的增长速度, 这是一个值得十分重视的问题。 5. 长远解决能源与环境问题的根本出路 社会经济持续 稳定的发展势必 导致对能源 需求的不 断增长, 而可 利用的化 石能源资 源 却日趋枯竭, 未来商品能源的供求矛盾将十分尖锐。同时, 化石燃料的消费又是造成全球气 候变暖、大气污染和酸雨的一个主要根源。因此, 社会发展和环境保护的要求都将促使世界 能源体系发生根本性的改变, 其根本出路在于发展“与环境相适宜的清洁能源体系”。 “与环境相适宜的清洁能源体系”的发展战略包含两方面的内容。第一是有效和合理地 利用能源, 包括提高各种用能设施的能源利用效率和各种能源转换设施的能量转换效率。这 可以大规模节 约能源, 减 少污染, 它不仅会带来 巨大的环 境效益, 而且 会带来显 著的经济 效 益。第二, 新型能源体系的 长远发展目标, 是以 含碳少的 燃料代替 煤炭, 最终以 不含碳的 水 力、太阳能、聚变能等干净的可再生能源来代替化石能源。这将实现人类历史上又一次能源 体系的转变, 最终人类社会的发展将不以地球资源的耗尽为代价, 而是与地球环境建立起良 性生态循环的关系。 世界能源体系在历史上已经历过两次重大的转变。第一次发生在 19 世纪中叶, 以煤炭 取代柴草等传统能源, 蒸汽机取代人畜动力成为主要的动力机械, 推动了西方工业革命的发 展。第二次发生在 20 世纪中期, 廉价而使用方便的石油和天然气的消费量超过了煤炭, 成为 主要能源, 从而对第二次世界大战后世界经济的发展和繁荣起了重要作用。当前所面临的第 ・ 2 90 ・

三次能源体系 的转变起始于 70 年代初的 石油危机, 而 80 年代 全球环 境问题的 挑战又进 一 步起了很大的促进作用。 建立“与环境相适宜 的能源体系”是一个长 远的发展 战略, 其发展 将依赖于 科学技术 的 革命。未来新型能源结构将以可再生能源为支柱, 它的发展与应用取决于材料科学、工程技 术、电子技术等多个科学领域在未来取得突破性的进展, 需要综合应用各相关领域高技术研 究成果, 最终形成技术与资金密集型的高技术产业, 这需要经历一个相当长的历史阶段。但 是, 人类只要依靠科学进步, 必能最终解决未来社会经济发展所面临的能源与环境问题。 缓减 CO 2 排放, 阻止温室效应的增强, 是全人类的共同利益。但是必须明确定自产业革 命以来发达国 家在诱发气候变 化方面的主要责 任, 它 们有责任 和义务 对发展中 国家提供 技 术和资金, 实现在全球范围内尽快减缓温室气体排放的目标。另一方面, 为减缓 CO 2 排放所 采取的终端节 能、提高能 源转换效率、促进能源 替代等技 术对策, 与我 国目前解 决能源供 应 短缺、保护生态环境和长远实现向“与环境相适宜的能源体系”过渡的战略是一致的。在目前 国际社会对全球气候变化普遍关注的形势下, 我国应不失时机地利用国际上各种有利条件, 寻求技术和经济上的支援, 推动我国能源工业体系的改造和更新, 为向环境无害的清洁能源 体系转变创造条件, 从而保障我国国民经济得以长期、稳定、持续的增长, 为实现到下世纪中 叶人均 GN P 达到中等发达国家的战略目标奠定基础。

7. 7　 能源系统线性规划模型对偶解的经济学意义 我们先简单介 绍一下线性规划 模型对偶解 的数学性 质, 再 构造一 个非常简 单的能源 系 统线性规划模 型, 然后以 这个模型为例, 分 4 种 典型情况 讨论对偶 解的经 济学意义, 最后 加 以讨论。

7. 7. 1　 线性规 划模型对 偶解的数学 性质 根据客观背景, 我们构造的线性规划模型可取下列两种形式之一, 模型 1: min C ・X 　 　 　 　 　 模型 2: max C・ X s . t . A・X≥B

s . t. A・X≤B

　

　

X ≥0

X ≥0

我们称它们为原始模型, X 为原始变量。这两种形式可很容易地相互转换。根据线性规划的 对偶理论, 上面两个模型的对偶模型分别为 模型 3: max Y・B　 　 　 　 　 模型 4: 　 min Y・B s . t . Y・ A≤ C

s . t . Y・ A≥ C

　

　

Y≥0

Y≥0

其中的 Y 称为对偶变量。实际上模型 1 与 3 互为对偶, 模型 2 与 4 互为对偶。在一对模型中, 我们可任意 指定一个为原始 模型, 另一 个就是对偶 模型。上面 我们称 模型 1 和 2 为原始 模 型, 模型 3 和 4 为对偶模型, 只是出于习惯。在模型的表达式中, A 为约束矩阵, B 为列向量, C 为行向量, X 为列向量, Y 为行向量, 它们分别代表

・ 29 1・

A=

a11,

a1 2 ,

…,

a 1ｎ

a21,

a2 2 ,

…,

a 2ｎ

┆

┆

　

┆

a m1 ,

am 2 ,

…,

a mｎ

B = ( b1 , b2 , …, bm )

T

C = ( c1 , c2 , …, cｎ ) T

X = ( x 1 , x 2 , …, x ｎ ) Y = ( y 1 , y 2 , …, y m )

其中 T 代表转置运算。我 们可以用如表 7. 2 的线性规划模 型结构表, 将原始模型与对 偶的 模型的关系表示清楚。从结构表中可清楚地看到, 每一行包含着一个原始约束方程和一个对 偶变量, 每一列包含着一个对偶约束方程和一个原始变量。 表 7. 2　 线性规划模型结构表

x1

…

x2

　

xｎ

　

　

max ( min )

y1

a 11

a 12

…

a 1ｎ

　

b1

y2

a 21

a 22

…

a 2ｎ

≥

b2

┆

┆

┆

　

┆

( ≤)

┆

ym

a m1

a m1

…

a mｎ

　 　 　 　 　 ≤　 ( c1

min

≥)

…

c2

bm

cn

( max ) 　 　 下面我们以模型 1 和 3 为对象来叙述对偶解的性质。满足约束方程的解称为可行解, 记 作 X 和 Y, 其中使目标函数成为最优的解称为最优解, 记作 X ＊ 和 Y＊ 。 线性规划的对偶理论告诉我们, 在这一对模型中, 一个有最优解, 则另一个也有。用单纯 形法, 求解一个, 则另一个的解同时得到。 弱对偶定理告诉我们, 对于可行解 X 和 Y, 有: Y ¡¤B ≤ C ¡¤X ＊

＊

　 　 对偶定理告诉我们, X 和 Y 为最优解的充分必要条件是可行且 ＊

Y ¡¤B = C ¡¤X ＊

＊

＊

　 　 松紧定理告诉我们, X 和 Y 为最优解的充分必要条件是 ｎ

若 ∑ a ｉj x j > bｉ, 　 则 y ｉ = 0 ＊

＊

j= 1

　 ｉ = 1—m

ｎ

若 y ｉ > 0, 　 则 ∑ a ｉj x j = bｉ ＊

＊

j= 1

・ 2 92 ・

m

若 ∑ y ＊ｉ a ｉj < cj , 　 则 x ＊j = 0 ｉ= 1

　 j = 1—ｎ

m

若 x j > 0, 　 则 ∑ y ｉ a ｉj = cj ＊

＊

ｉ= 1

一原始约束和 一对偶变量非负 约束构成一约束 对, 一 对偶约束 和一原 始变量非 负约束也 构 成一约束对。上面的充分必要条件可用文字叙述为: 在每一约束对中, 若一个为松的, 则另一 个为紧的, 即二者不可同时为松的。 线性规划模 型的几何意义可 解释如下。在 内生变量 空间中, 每一 个约束方 程代表一 个 “平面”, 平面上的和平面一侧的点满足约束方程, 另一侧的点不满足约束方程。所有的约束 方程在空间中分割出一个凸多面体, 其表面的和内部的点为模型的可行解, 其外部的点为不 可行解。目标函数代表一族相互平行的平面, 其法线方向为目标函数的系数向量。每一个目 标函数平面为目标函数的等值面。当目标函数平面与可行解凸多面体相切时, 得到目标函数 的最优值, 切点为最优解。在一般情况下, 切点只是凸多面体的一个顶点。当目标函数平面 的法线方向做 微小变动时, 我们可想象到, 相切 的顶点不 变, 只 是目标 函数平面 以这切点 为 转动中心做微小转动。这也就是说, 当目标函数的系数有微小变化时, 最优解不变, 只是最优 目标函数值有微小变化。上面的几何解释可用于原始模型, 也可用于对偶模型。按我们的符 号有: C

X ＊ = 0, 　

B

Y＊ = 0

＊

以 Z 记目标函数的最优值, 有: C

Z＊ =

B

Z＊ =

C

( C ¡¤X ＊ ) = X ＊ + C ¡¤

B

( Y＊ ¡¤B) =

B

X＊ = X＊ C

Y＊ ¡¤B + Y＊ = Y＊

可见在最优解之下, 目标函数值对目标函数系数的灵敏度为原始变量, 对约束方程右端变量 的灵敏度为对偶变量。 我们经常将一个等式约束放松为非严格不等式约束, 不能这样处理时, 我们就将其等价 为两个方向相反的非严格不等式约束。当按后一方式处理时, 在最优解之下, 两个约束的两 个对偶变量之中, 必定有一个为零。 线性规划模型 对偶解的数学性 质我们就简 单介绍到 此, 更 多的内 容请大家 参看专门 的 书籍。下面我们就以对偶解的数学性质为工具, 来探讨对偶解的经济学意义。

7. 7. 2　 一个非 常简单的 能源系统线 性规划模 型 图 7. 21 是一个全新的能源系统的网络图, 按图我们构造一个以年为基本周期的静态线 性规划模型。为了讨论简单起见, 我们把网络图画得非常简单, 又假定系统是全新的, 且规定 模型是静态的, 所以得到的模型也非常简单, 但我们分析问题的方法完全可推广到复杂的问 题中去。 图中点 A 和点 B 为不可再生能量资源点, 点 C 为内部点, 点 D 为需求点, 4 个单向框代 表 4 个转换工艺过程, 8 条有向弧线将点和框联结起来。 在每一个点上, 我们可列出一个能流间的约束方程, 它们是 ・ 29 3・

E 1F 1 + E2F 2 ≤ SA E 3F 3 ≤ SB F 2 + F 3 = E 4F 4 F 1 + F 4 = SD 式中　 F ｉ —— ｉ= 1—4, 内生变量, 第 ｉ 转换工艺 的年输出能流; 　 E ｉ —— ｉ= 1—4, 技 术 系 数, 第 ｉ 转 换 工 艺的投入系数; 　 S A 和 S B —— 外 生 变 量, 能 量 资源 A 和

图 7. 21　 示例用的简单能源系统网络图

B 的年可开采量; 　 S D —— 外生变量, 消费者对能源产品 D 的年需求量。 在每一个框上, 我们可列出一个生产能力约束方程, 它们是 F 1 ≤ CP 1 F 2 ≤ CP 2 F 3 ≤ CP 3 F 4 ≤ CP 4 式中　 CP ｉ —— ｉ= 1—4, 内生变量, 第 ｉ 转换工艺的年生产能力。 　 　 在列写这 4 个约束方程时, 我们假定了 4 个转换工艺都以输出能流量计量负荷量。 　 　 能源系统运行要排放出多种污染物, 如二氧化硫等。我们将污染物分为两类, 第一类的 排放量不加以限制, 第二类的排放量需加以限制。在框集合上, 应列出对第二类污染物排放 量的限制。第二类污染物可能有许多种, 我们只以一种 W 为例列出约束方程, 它的一般化形 式是 W 1F 1 + W 2F 2 + W 3F 3 + W 4F 4 ≤ S W 式中　 S W —— 外生变量, 污染物 W 的年允许排放量; 　 W ｉ —— ｉ= 1—4, 技 术系 数, 第 ｉ 转换 工艺 每输 出单 位 能流 排放 出 的污 染 物 W 的 数 量。 能源系统运行 需要以其他经济 和社会系 统的产出 作为投入, 如 人力、非能源原 料、维 修 备件等, 甚至可以是辅助自然资源, 我们称它们为运行货物。我们将运行货物分为两类, 能源 系统获得第一类的量不受限制, 获得第二类的量受限制。在框集合上, 应列出第二类运行货 物对系统运行的约束。第二类运行货物可能有许多种, 我们只以一种 U 为例列出约束方程, 它的一般化形式是 U 1 F 1 + U 2F 2 + U 3 F 3 + U 4 F 4 ≤ S U 式中　 S U —— 外生变量, 运行货物 U 的年可获得量; 　 U ｉ —— ｉ= 1—4, 技术系数, 第 ｉ 转换工艺每输出单位能流所需的运行货物 U 的数量。 能源系统开发需要以其它经济和社会系统的产出作为投入, 如建材、设备、施工力量等, 甚至可以是土地, 我们称它们为投资货物。我们将投资货物分为两类, 能源系统获得第一类 的量不受限制, 获得第二类的量受限制。在框集合上, 应列出第二类投资货物对系统开发的 约束。第二类投资货物可能有许多种, 我们只以一种 V 为例列出约束方程, 它的一般化形式 ・ 2 94 ・

是 V 1 ¡¤CP 1 + V 2 ¡¤CP 2 + V 3 ¡¤CP 3 + V4 ¡¤CP 4 ≤ S V 式中　 S V —— 外生变量, 开发过程中投资货物 V 的可获得量; 　 Vｉ —— ｉ= 1—4, 技 术系数, 第 ｉ 转换工 艺新建 单位生 产能力 所需 的投资 货物 V 的 数 量。 最后还有所有内生变量都要满足的非负约束, 它们是 F 1 ≥ 0, 　 F 2 ≥ 0, 　 F 3 ≥ 0, 　 F 4 ≥ 0 CP 1 ≥ 0, 　 CP 2 ≥ 0, 　 CP 3 ≥ 0, 　 CP 4 ≥ 0 　 　 上面我们给出的模型是不完整的, 还缺少目标函数。列写目标函数要根据这个能源系统 及其环境的经济特性, 或者说整个经济和社会系统的特性。经济和社会系统分为两种, 一种 是计划经济, 另一种是市场经济。下面是计划经济的一般特征。自然资源不是商品, 属全民 所有, 其价格参数应理解为自然资源税税率。污染物也不是商品, 其价格参数应理解为污染 物排放税税率。产品 D 、产品 C、运行货物和投资货物是商品, 其价格参数就是物价。资金不 是商品, 其价格参数( 贴现率) 是由国家规定的资金年利率。生产能力不是商品, 其价格参数 应理解为单位生产能力的年还本付息费用。S k ( k= A, B, D, W, U 和 V) 由国家各职能部门规 定, S A 和 S B 也可能由自然界条件决定。下面是市场经济的一般特征。资源 A , 资源 B , 产品 C, 产品 D , 运行货物和投资货物都是商品, 其价格参数就是商品市场上的物价。污染物不是 商品, 其价格参数应理解为污染物排放税税率。资本是商品, 其价格参数( 贴现率) 是资本市 场上的资本价格。生产能力也是商品, 其价格参数应理解为资本市场上单位生产能力的还本 付息费用。S k ( k = A , B , D , U 和 V ) 由供求合同规定, S A 和 S B 也可能由自然界条件决定。S W 由国家环保 部门规定。下面我们 讨论 4 种具有 代表性的 情况, 分别给 出目标函 数以完善 模 型。还有, 为简单起见, 不管是计划经济还是市场经济, 我们都假定没有商品税和所得税。 下面我们将 S k ( k= A, B , D , W, U 和 V) 统称为 S 量。

7. 7. 3　 S 量与价格 参数无关的 完全自由 竞争市场 现在我们将这个能源系统看成是一个完全自由竞争的能源市场的缩影。完全自由竞争 市场是市场经济的一个理想情况。在完全自由竞争市场中, 所有的价格参数都应当是由完全 自由竞争形成的市场均衡价格。我们所研究的这个能源系统, 只是整个经济和社会系统的一 部分, 第一类污染物、第一类运行货物、第一类投资货物和资本的价格参数, 应当由更大系统 内的完全自由竞争决定, 所以在现在的系统中, 它们是已知的经济参数。我们现在研究, 通过 完全自 由竞 争, 如何形 成本 系统 内的资 源 A, 资源 B , 产品 C, 产 品 D, 污 染物 W , 运 行货 物 U , 投资货物 V 和生产能力的价格参数。参加这个系统竞争的有: 资源 A 和 B 的供应者; 产 品 D 的需求者; 污染物 W 排 放税征收者 —— 政府; 运行货物 U 和 投资货物 V 的 供应者; 每 个转换工艺的运行管理者和每个转换工艺的开发投资者。S 量本应与价格参数有关, 为简单 起见, 我们先讨论 S 量与价格参数无关这一特殊情况。 污染物 W 不是商 品, 但为 讨论方便, 我们 把污染 物允许排 放量指 标看作是 一种特殊 的 商品, 其需求量为实际排放量, 其供应量为 S W , 其价格为排放税税率。

・ 29 5・

表 7. 3　 商品价格、需求量和供应量 商　 　 品

价　 　 格

资源 A

需　 求　 量

供应量

＊ A

E 1 ・F ＊1 + E 2 ・F ＊2

SA

＊ B

E 3 ・F ＊3

SB

＊ C

E 4 ・ F ＊4

F ＊2 + F ＊3

＊ D

SD

F ＊1 + F ＊4

＊ W

＊ ＊ ＊ ＊ W 1 ・ F 1 + W 2・ F 2 + W 3・ F 3 + W 4・ F 4

SW

U1 ・F ＊1 + U 2 ・F ＊2 + U 3 ・F ＊3 + U4 ・F ＊4

SU

＊ V

V1 ・CP ＊1 + V2 ・CP ＊2 + V3 ・CP ＊3 + V4 ・CP ＊4

SV

＊ 1

F ＊1

CP ＊1

＊ 2

F ＊2

CP ＊2

＊ 3

F ＊3

CP ＊3

＊ 4

F4

^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

资源 B 产品 C 产品 D W 排放指标 运行货物 U

＊ U

投资货物 V 工艺 1 生产能力 工艺 2 生产能力 工艺 3 生产能力 工艺 4 生产能力

＊

＊

CP 4

　 　 表 7. 3 列出了市场均衡之下商品的价格、需求量和供应量的表达式。完全自由竞争市场 的表面特征之一是“物以稀为贵”, 即在市场均衡之下, 商品供过于求时, 价格应为零; 供小于 求时, 价格应取某一不为零的值, 以使供求平衡。这一表面特征可用文字公式表示为 若 　 　 　 　 　 需求量 < 供应量, 则 　 价格 = 0; 若 　 　 　 　 　 价格 > 0, 则 　 需求量 = 供应量。

对于每种商品

我们会看到, 如果认为价 格变量是对偶变 量, 需 求量≤供 应量是原 始约束, 那么 对表 7. 3 中 的每一种商品使用上述命题, 得到的正好是松紧定理所要求的, 原始约束与对偶变量非负约 束对的松紧关系。 表 7. 4 列出了市场均衡之下商品的产量、价格和成本的表达式, 其中 σ1ｉ —— ｉ= 1—4, 技术经济系数, 第 ｉ 转换工艺每输出单 位能流, 排 放第一类污染物 和使 用第一类运行货物所付出的总费用; π1ｉ —— ｉ= 1—4, 技术经济系数, 新建第 ｉ 转换工艺单位生产能力, 需投入的第一类 投资 货物的价值; CRF 1 和 CRF 2—— 技 术经 济系 数, 分别 为第 一 类和 第二 类 投资 货 物 的年 资 金回 收 因 子。 完全自由 竞争市场的另一 表面特征是“赔不干, 干不 赚”, 即在 市场均 衡之下, 一种商 品 的价格小于成本时, 无人生产这种商品; 有人生产时, 价格至多等于成本, 而不可能大于成本 ( 资本只能获得正常利润, 不能获得超额利润) 。这一表面特征可用文字公式表示为 若 　 价格 < 成本, 则产量 = 0; 若 　 产量 > 0, 则价格 = 成本。

对于每项产量

我们会看到, 如果认为价 格≤成本是对偶 约束, 产量是原 始变量, 那么 对表 7. 4 中的每一 行 使用 上述命 题, 得到 的正好 是松 紧定理 所要 求的, 对偶 约束 与原 始变量 非负 约束对 的松 紧 ・ 2 96 ・

关系。 表 7. 4　 商品产量、价格和成本 成　 　 本

价　 格

产　 量

商　 品

σ11 + ^ P1＊ + ^ PU＊ ・U 1 + ^ PW＊ ・W 1 + ^ PA＊ ・E 1

^PD＊

F ＊1

工艺 1 产品 D

σ12 + ^ P2＊ + ^ PU＊ ・ U 2 + ^ PW＊ ・ W 2 + ^ PA＊ ・ E 2

^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

F ＊2

工艺 2 产品 C

F ＊3

工艺 3 产品 C

＊ C

σ13 + ^ P3＊ + ^ PU＊ ・U 3 + ^ PW＊ ・W 3 + ^ PB＊ ・E 3

＊ C

σ14 + ^ P4＊ + ^ PU＊ ・ U 4 + ^ PW＊ ・ W 4 + ^ PC＊ ・ E 4

F

＊ D

CRF 1・π1 1 + ^ PV＊ ・CRF 2・V1 CRF 1・ π1 2 + ^ PV＊ ・ CRF 2・ V2 CRF 1・π1 3 + ^ PV＊ ・CRF 2・V3 CRF 1・ π1 4 + ^ PV＊ ・ CRF 2・ V4

＊ 4

工艺 4 产品 D

＊ 1

CP

＊ 1

工艺 1 生产能力

＊ 2

CP ＊2

工艺 2 生产能力

＊ 3

CP 3

＊

工艺 3 生产能力

＊ 4

CP ＊4

工艺 4 生产能力

　 　 从表 7. 3 和表 7. 4 得到的 结果, 正好 是一对相互 对偶的线 性规划 模型取最 优解的充 分 必要条件。我们将表 7. 3 和表 7. 4 整 理成表 7. 5, 这是一张 线性规划模型结 构表, 原始 模型 是我们已建立的能源系统模型, 对偶模型是完全自由竞争之下的价格模型。对偶变量是价格 参数, 这就是完全自由竞争市场中线性规划模型对偶解的经济学意义。 表 7. 5　 能源系统线性规划模型结构表 F1

F2

F3

F4

CP 1

CP 2

CP 3

CP 4

　

^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

A B C D

　 　

m ax - SA

　

- SB

- E1

- E2

　

　

- E3

　

1

1

- E4

　

θC

1

　

　

1

≥

SD

W

- W1 - W 2 - W 3 - W 4

　

- SW

U

- U1

- U2

　

- SU

　

　

　

　

- 1

　

　

　

1

2

　

- 1

　

　

　

1

3

　

　

- 1

　

　

　

1

4

　

　

　

- 1

　

　

　

1

CR F 1・π13

CR F 1・π1 4

V 1

- U3

- U4 - CR F 2・ V 1 - CR F 2・ V 2 - C RF 2・ V 3 - CR F 2・ V 4

- CR F 2・ S V - θ1 - θ2 - θ3 - θ4

竳 m in

σ1 1

σ1 2

σ13

σ14

CR F 1・π1 1

C R F 1・ π1 2

　

　 　 对于表 7. 5, 我们要做几点说明。第一, 为了以后讨论方便, 用正无穷小量 θk ( k= C, 1, 2, 3 和 4) 代替了原始约束右端变量中的零。第二, 由于 F 2 + F 3 > E 4F 4 和 F 1 + F 4 > SD 使目标函数变坏, 所以现在的约束 F 2 + F 3 ≥ E 4F 4 和 F 1 + F 4 ≥ SD 与原来的等式约束等价。第三, 由于 CR F 2 为一正值因子, 所以现在的约束 CR F 2 ¡¤( V 1 ¡¤CP 1 + V 2 ¡¤CP 2 + V 3 ¡¤CP 3 + V4 ¡¤CP 4 ) ≤ CR F 2 ¡¤S V 等价为原来的约束 ・ 29 7・

V 1 ¡¤CP 1 + V 2 ¡¤CP 2 + V 3 ¡¤CP 3 + V 4 CP 4 ≤ S V 　 　 一年内各换转工艺运行管理者和开发投资者的总收支帐目为 总收入 = P^D ¡¤S D 4

总支出 =

∑ P^

k

¡¤S k + ^ P V ¡¤CR F 2 ¡¤S V +

4

∑ σ1

ｉ

∑ CRF 1 ¡¤π1

¡¤F ｉ +

ｉ= 1

k= A , B , W , U

ｉ

¡¤CP ｉ

ｉ= 1

根据弱对偶定理和对偶定理, 取非最优解和最优解时分别有 总收入 > 总支出 总收入

＊

＊

= 总支出

上面两式表明, 在完全自由竞争之下, 系统整体的行为也遵守“赔不干, 干不赚”的原则。局部 与整体的一致性, 是完全自由竞争市场的特点。 我们用 AC ＊ｉ ( ｉ= 1—4) 表示表 7. 4 列出的第 ｉ 转换工艺产品的成本, 前 4 个对偶约 束可 写成 ＊

＊

＊

＊

^ D ≤ AC 1 , P^ D ≤ AC 4 P ^P

＊ C

≤ AC ＊2 , ^ P ＊C

≤ AC ＊3

据此得 P^ ＊D ≤ min( A C＊1 , AC ＊4 ) P^ C ＊

＊

＊

≤ min( A C2 , AC 2 )

转换工艺 1 和 4, 2 和 3 是相互竞争的, 上面两式说明产品价格由最低成本决定, 这正是完全 自由竞争市场的特点。 从这一段关于 完全自由竞争市 场的讨论中, 我们 不仅得到 了对偶 模型和对 偶解的经 济 学意义, 也得到了松紧定理、弱对偶定理和对偶定理的经济学意义。

7. 7. 4　 S 量与价格 参数有关的 完全自由 竞争市场 在上一模型中, 关于资源 A, 资源 B , 污染 物 W , 运 行货物 U 和投资 货物 V 的原始约 束 可能是松的, 同时对应的价格参数为零。在完全自由竞争市场中, 不可能出现这种情况。之 所以会这样, 是由于 我们不合理地假定 了 S 量与价格参数无 关。现在我们研究 S 量与 价格 参数有关的 完全自由竞争市 场, 这是一 个较为真实的市 场。现在 S 量的各个元 素就不是 简 单的外生变量了, 而应当是外生函数, 函数的自变量为价格参数。现在模型的结构和过去一 样, 只是 B 要改写成 B ( Y) , 原始模型和对偶模型分别为 min 　 　 CX 　 　 　 　 　 　 　 　 max 　 　 YB ( Y) s. t .

AX ≥ B( Y) 　 和

s. t .

YA ≤ C

　

X ≥0

　

Y≥0

上述模型不是线性模型, 而是非线性模型。至于如何求解, 则完全是数学问题, 我们就不讨论 了。 对于每一种 商品, 我们 都可以找出它 的供应者 和需求 者。供应量 与价格参 数的函数 关 系, 我们称为供应弹性关系; 需求量与价格参数的函数关系, 我们称为需求弹性关系。某种商 品的供应量或需求量与自身价格参数的函数关系, 我们称为自弹性; 与他种商品价格参数的 ・ 2 98 ・

函数关系, 我们称为互弹性。我们 说, 现在的 这个 模型可 以考 虑到 所有的 弹性 关系, 其中 S 量的弹性关系是外生给定的, 其他的弹性关系是由模型得到的。与现在的模型相比, 我们说, 上一个模型不考虑 S 量的弹性, 或者说 S 量是完全非弹性的。 我们可以想到, 现在的模型一般总会有解, 而上一个模型可能无解。两者的差别只在于 是否考虑了 S 量 对价格参数的弹性, 也就是 价格对供应和需 求的调节作用。这 一结论对 任 何市场都是对的。要考虑这种调节作用, 除了物平衡模型外, 还要有价格模型。在完全自由 竞争市场中, 价格模型是物平衡模型的对偶模型, 而在一般的真实市场中不是这样。我们过 去建立的任何物平衡模型都会遇到无解的情况。在 7. 4 节煤炭系统开发模型中, 我们曾用引 入“缺口变量”的方法来避免无解。现在我们可说, 这只是权宜之计。完善地研究一个经济系 统, 除了要有物平衡模型以外, 还要有真实市场的价格模型, 也只有这样, 才能得到经济系统 的正确特性。

7. 7. 5　 典型计 划经济中 国家计划工 作者的理 想 现在我们将这个能源系统看成是一个典型计划经济国家的某一( 全国的、一地区的或一 能源部门的) 能源系统的缩影。在典型的计划经济之下, S 量和价格参 数都由国家各职 能部 门给定。我们用不着考虑它们之间的关系。为了以后讨论方便, 我们把能源系统的投入和产 出统统称为资源。其中能量资源 A 和 B 是自然资源, 运行货物、投资货物和能源产品等是人 类生产的非自然资源, 污染物排放指标可看成是一种特殊的自然资源。S 量是已划归这个能 源系统掌握的资源量, 下面称它们为第二类资源。第一类污染物、第一类运行货物和第一类 投资货物是这个能源系统可按需取用的资源, 下面称它们为第一类资源。显然, 站在国家计 划工 作者的 立场 上看问 题, 在第 二类资 源给 定的 情况下, 本 系统 取用的 第一 类资源 越少 越 好, 因此目标函数应为 4

4

∑ σ1

min

ｉ

¡¤F ｉ +

ｉ= 1

∑ CR F 1 ¡¤π1

ｉ

¡¤CP ｉ

ｉ= 1

将这个目标函数配上最初建立的约束方程, 模型就完整了。整理这个模型可以发现, 它的结 构表就是表 7. 5。这说明在两种经济背景下, 两个模型的数学形式完全一样。模型对偶解的 经济学意义, 现在不是完 全自由竞争市场 中的价格 参数, 按目标函 数的意 义, 应 称为最优 计 划价格, 或资源最优配置价格。根据对偶定理有 4

4

∑ σ1

ｉ

¡¤F

ｉ= 1

= -

+

∑ CRF 1 ¡¤π1

ｉ

¡¤CP ＊ｉ

ｉ= 1

^P ＊A ¡¤S A - P^ ＊B ¡¤S B + P^ ＊C ¡¤θC + P^ ＊D

¡¤S D -

＊ ｉ

^P

＊ 1

＊

＊

^ W ¡¤S W - P^ U ¡¤S U P ¡¤θ1 - P^ ＊2 ¡¤θ 2 -

^P

＊ 3

＊

P^ V ¡¤CR F 2 ¡¤S V

¡¤θ3 - P^ ＊4 ¡¤θ 4

这个方程表达了第一类资源和第二类资源之间的平衡关系。下面我们根据上式分别讨论各 个对偶变量的含义。 　 　 1. ^ P A和 ^ P B 的含义 ＊

＊

＊

^A , 好 　 　 资源 A 的可开采 量 S A 增 加一个单 位时, 全系统 可节约的 第一类 资源的价 值为 P ・ 29 9・

像前者可替代后者。显然, 当资源 A 有余时, 它没有这种替代价值, 这就是松紧定理所说的, 若 E 1 F ＊1 + E 2 F ＊2 < S A , 　 则 P^ ＊A = 0 这时 S A 减小到实际开采量( 不等式左边) , 也不会对系统的活动产生任何影响。反之, 当资源 A 有替代价值时, 它一定没有剩余, 这就是松紧定理所说的, ＊

＊

＊

若 P^ A > 0, 　 则 E 1 F 1 + E 2 F 2 = S A 这时S A 的任何改变, 都会对系统的活动产生影响。P^ ＊A 可以看成是以第一类资源的价值衡量 ＊

的资源A 的价格。P^ A 可以作为制定资源税税率的参考。当资源有余时, 不应征收资源税, 反 之当资源短缺时, 只有征收资源税才使它的供求得以平衡。为了扩大S A 需要进行地质勘探。 ＊

P^ A 与勘探成本相比, 当前者大于后者时, 应进行勘探, 反之勘探是不合算的。为了节约资源 ＊

A , 转换工艺1和2需进行技术改造。^ P A 与这技术改造的成本相比, 当前者大于后者时, 应当 进行这种技术改造, 反之技术改造是不合算的。对P^ B 的解释与P^ A 相同。 ＊

＊

^ D 和 P^ C 的含义 2. 　 P ＊

＊

多消费( 节约) 一个单位的能源产品 D 时, 全系统 多消耗( 节约) 的 第一类资源的价 值为 ＊

P^ D 。根据直观判断, 显然在任何情况下总是有 ＊

＊

＊

^ D > 0 和 F 1 + F 4 = SD P 这符合松紧定理的结论。P^ ＊D 是以第一类资源的价值衡量的能源产品D 的价格。P^ ＊D 与能源产 品D 的国际市场价格相比, 当前者大于后者时, 进口是合算的, 反之出口是合算的。P^ ＊D 可作 ＊

为制定能源产品D 价格的参 考。P^ D 与 市场价格 相比, 当前 者大于后 者时, 说明 市场价格 偏 ＊

低, 反之偏高。^P D 与节能成本相比, 当前者大于后者时, 说明节能是合算的( 这时如果节能成 本高于市 场价格 , 则 国家应对 节能 采取鼓 励措 施) , 反之 不合 算。对P^ C 的解 释与P^ D 相 同, ＊

＊

在 分 析 P^ ＊C 时, θC 所 起的 作用 相 当于 S D 。 ＊

^ W 的含义 3. P 污染物 W 的允许 排放量指标 S W 增加 一个单位时, 全系统可节 约的第一类 资源的价 值 为 ^P＊ W 。显然, 当指标 S W 大于实际排放量时, 它没有这种节约作用, 这就是松紧定理所说的, 4

^W = 0 若 ∑ W ｉF ｉ < S W , 　 则 P ＊

＊

ｉ= 1

这时 S W 减小到实际排放 量( 不等式 左边) , 也不会对系 统的活动产生任 何影响。反之, 当指 标 S W 有节约作用时, 实际排放量一定受到了它的控制, 这就是松紧定理所说的, 4

若 P^

＊ W

> 0, 　 则 ∑ W ｉF ｉ = S W 。 ＊

ｉ= 1

＊

这时S W 的任何改变, 都会对系统的活动产生影响。^P W 可以看作是以第一类资源的价值衡量 的污染物W 的负价格。P^ ＊W 可作为制定污染物排放税税率的参考。当实际排放量没有超过排 ・ 3 00 ・

放指标时, 不应征收污染税, 反之, 只有征收污染税, 才得以使指标不被超过。为了降低污染 物排放量, 转换工艺需进行技术改造。P^ W 与技改成本相比, 当前者大于后者时, 应进行这种技 ＊

术改造, 反之改造是不合算的。

^ U 和 P^ V 的含义 4. P ＊

＊

运行货物 U 的供应量 S U 增加一个单位时, 全系统节约的第一 类资源的价值为 ^P ＊U 。显 然, 当货源充足时, 它没有这种节约作用, 这就是松紧定理所说的, 4

^ ＊U = 0 若 ∑ U ｉF ＊ｉ < S U , 　 则 P ｉ= 1

这时 S U 减到实际需求量( 不等式左边) , 也不会对系统的活动产生影响。反之, 当运行货物有 这种节约作用时, 它的供求必定平衡, 这就是松紧定理所说的, 4

若 P^

> 0, 　 则 ∑ U ｉF ｉ = S U

＊ U

＊

ｉ= 1

＊

这时S U 的任何变化, 都会对系统的活动产生影响。P^ U 是以第一类资源的价值衡量的运行货 ＊

^ U 与市场价格相 比, 当前 者大于后者时, 说明市 场价格偏低, 反之偏高 。为 了 物U 的价格。P 节 约运行货物, 转换工艺需 进行技术改造 。P^ ＊U 与技改 成本相比 , 当 前者大 于后者时 , 说 明 技 改是合算的, 反之不合算。V为投资货物, 具有相当长的寿期。开发期内总供 应量S V 增加 ＊ 一个单位 时, 全 系统每年可节约的 第一类资源的价 值为 ^ P V ・ CR F 2, V 的整个 寿期内可 节 ＊

＊

^ V 。松紧 定理对投 资货物 V 的 意义类 似于运行 货物 U 的意义。P^ V 是以第一 类资 源 约的 为 P ＊

＊

^ V ・CRF 2是单位投资货物的年还本付息费用。P^ V 与市场 的价值衡量的投资货物V的价格, P 价格相比, 当前者大于 后者时, 说明市场价格偏 低, 反之偏 高。P ＊V 与国际 市场价格 相比, 当 前者大于后者时, 进口是合算的, 反之出口合算。 ＊

5. ^P i ( i = 1—4) 的含义 θ ｉ 相当于第 ｉ 转换工艺原有 的生产能力。如果第 ｉ 转换工 艺有一 个单位的 原有生产 能 力, 全系统一年可节约的第一类资 源的价值为 ^P ＊ｉ 。^P ＊ｉ 又是第 ｉ转换工 艺单位生产能力 可得 到的年还本付息费用, 这费用是以第一类资源的价值来衡量的。从对偶约束可看得更清楚, ＊

＊

若 CP ｉ > 0, 　 则 P^ ｉ

＊

= CR F 1 ¡¤π1ｉ + CRF 2 ¡¤P^ V ¡¤V ｉ

　 　 为了达到 理想的情况, 请注意 S A , S B , S W , S U 和 S V 的增大, S D 的 减小, 都可 能改善目 标 函数。所以, 第一步我们要按 S 量的极限值求解模型。在最优解之下, 原始约束不一定都是 紧的。某一约束是松的, 说明对应的第二类资源没有得到充分利用, 多余的资源可移作它用。 所以, 第二步我们要将松约束的 S 量减小到等于约束方程的左端。

7. 7. 6　 企业经 营者的行 为 现在我们将本能源系统看成是一个能源企业的缩影。我们假定市场价格参数是固定的, ・ 30 1・

S 量与市场价格参数无关。这是计划经济中全民所有制企业面临的一般情况, 也是市场经济 中小型企业面临的一般情况。企业经营者的行为应当是追求最大的经营利润, 据此我们可很 容易地写出模型目标函数的表达式。不过为了更清楚地显示出对偶解的经济学意义, 我们走 另一条途径来完善本模型。 表 7. 6　 商品价格参数 商　 　 品

市　 场　 价　 格

内　 部　 价　 格

资源 A

PA

资源 B

PB

P A+ ^ PA＊ P B+ ^ PB＊

产品 C

0

产品 D

PD

W 排放指标

PW

P W+ ^ PW＊

运行货物 U

PU

P U+ ^ PU＊

投资货物 V 工艺 1 生产能力

PV

P V+ ^ PV＊

0

工艺 2 生产能力

0

工艺 3 生产能力

0

工艺 4 生产能力

0

^P ^P ^P ^P

^P + ^ P

＊ C

PD

＊ D

＊ 1 ＊ 2 ＊ 3 ＊ 4

内部竞争附加价格

^P ^ P ^P

＊ A ＊ B ＊ C

- P ＊D

^PD＊ - P ＊D ^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

＊ W ＊ U ＊ V ＊ 1 ＊ 2 ＊ 3 ＊ 4

　 　 受前面研 究过的完全自由 竞争市场性质的 启发, 我们把这 个企业 的内部看 成是一个 小 的完全自由竞争市场。参加这个内部市场竞争的人员有: 各转换工艺的运行管理者、各转换 工艺的开发者和企业的总经营者。总经营者是内部市场与外部市场之间的中间人, 运行者和 开发者不与外部市场发生交易。内部市场的一切交易使用内部价格, 总经营者与外部市场的 一切交易使用市场价格。由于第一类资源的供应量不受限制, 所以它们不是竞争性商品, 其 内部价格等于市场价格, 价格隐含在技术经济参数 σ1ｉ 和 π1ｉ ( ｉ= 1—4) 中。产品 C 和各工艺 生产能力是竞 争性商品, 由于它们是内部 商品, 所以它们 的市场价 格为零, 内部 价格完全 由 内部竞争决定。其他商品也是竞争性商品, 但由于它们不是内部商品, 所以它们的内部价格 只部分地由内部竞争决定。总经营者以市场价格从外部市场购入 S A , S B , S W , S U 和 S V , 以内 部价格 转售给运 行者和 开发者; 以内部 价格从 运行者手 中购入 S D , 以市 场价格转 售给外 部 市场。表 7. 6 列出了为表示价格参数所使用的符号, 其中市场价格为已知的经济参数, 内部 竞争附 加价格 为内生变 量。产品 D 的内部竞 争附加 价格有二, 当运 行者 亏本 不愿生 产时, 总 经营者提价 ^P ＊D 收购产品 D ; 当运行者净盈而 超需求地生产时 , 总 经营者压 价 P D＊ 收购 产 ～

品 D 。显 然 , ^P＊ D 与 P＊D 必 有 一 个 为 零 。 仿照表 7. 3 和表 7. 4, 我们列出表 7. 7 和表 7. 8。对表 7. 7 的每一个内部竞争附加价格 使用“物以稀为 贵”的原 则, 对表 7. 8 的每一项产量 使用“赔不干, 干不 赚”的原则, 得到的 正 好是一对相互对偶模型取最优解的充分必要条件, 表 7. 9 为模型的结构表。原始模型是我们 要建立的能源系统模型, 其目标函数正是全企业年经营亏损最小, 即年经营利润最大。对偶 模型是这个小完全自由竞争市场的价格模型, 对偶解的经济学意义是内部竞争附加价格。 在产品 D 的供求中, 如何应用“物以稀为贵”这个原则, 需要仔细说明。当运行者由于盈 ・ 3 02 ・

＊

利 而倾向于超需求 生产时, 总经营者的加 价 ^P D 应为零, 他应利用压价P

＊ D

使供求平 衡, 即

表 7. 7　 内部竞争附加价格、需求量和供应量 商　 品

内部竞争附加价格

资源 A

^P ^P ^P

＊ A

资源 B

＊ B

产品 C 产品 D W 排放指标 运行货物 U 投资货物 V 工艺 1 生产能力 工艺 2 生产能力 工艺 3 生产能力 工艺 4 生产能力

＊ D

供应量

E 1 F ＊1 + E 2 F ＊2

SA

E 3 F ＊3

SB

E 4F 4

＊

＊ ＊ F2 + F3

SD

F ＊1 + F ＊4

＊ W

W 1 F ＊1 + W 2 F ＊2 + W 3 F ＊ 3 + W 4 F ＊4

SW

＊ U

U 1 F ＊1 + U2 F ＊2 + U 3 F ＊3 + U4 F ＊4

SU

V1 ・CP ＊1 + V2 ・CP ＊2 + V3 ・CP ＊3 + V4 ・CP ＊4

SV

＊ C

^P

需　 求　 量

或 P ＊D

^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

＊ V

＊

＊

＊ 1

F1

CP 1

＊ 2

F ＊2

CP ＊2

＊ 3

F ＊3

CP ＊3

＊ 4

F ＊4

CP ＊4

表 7. 8　 产量、内部价格和内部成本 内　 部　 成　 本

内部价格

产　 量

商　 　 品

σ11 + ^ P1＊ + ( P U + ^ PU＊ ) U1 + ( P W + ^ PW＊ ) W 1 + ( P A + ^ PA＊ ) E 1

P D+ ^ PD＊ - P ＊D

F ＊1

工艺 1 产品 D

σ12 + ^ P2＊ + ( P U + ^ PU＊ ) U2 + ( P W + ^ PW＊ ) W 2 + ( P A + ^ PA＊ ) E 2

^PC＊

F ＊2

工艺 3 产品 C

σ13 + ^ P3＊ + ( P U + ^ PU＊ ) U3 + ( P W + ^ PW＊ ) W 3 + ( P B + ^ PB＊ ) E 3

^P ^ P ^P ^P ^P ^P

F ＊3

工艺 3 产品 C

F ＊4

工艺 4 产品 D

＊ 1

CP ＊1

工艺 1 生产能力

＊ 2

CP 2

＊

工艺 2 生产能力

CP ＊3

工艺 3 生产能力

CP ＊4

工艺 4 生产能力

σ14 + ^ P4＊ + ( P U + ^ PU＊ ) U4 + ( P W + ^ PW＊ ) W 4 + ^ PC＊ E 4

＊ C

P D+

CRF 1・ π1 1 + ( P V + ^ PV＊ ) ・ CRF 2・V1 CRF 1・π1 2 + ( P V + ^ PV＊ ) ・CRF 2・V2 CRF 1・π1 3 + ( P V + ^ PV＊ ) ・CRF 2・V3

- P ＊D

＊ 3

CRF 1・π1 4 + ( P V + ^ PV＊ ) ・CRF 2・V4

＊

＊ D

＊ 4

＊

＊

若 F 1 + F 4 > S D , 　 则 ^P D = 0 ＊

＊

＊

若 P D > 0, 　 则 F 1 + F 4 = S D 当运行者由于 亏本而倾向于不 生产时, 总经营 者的压价 P D 应 为零, 他应利 用加价 P^D 使 供 ＊

＊

求平衡, 即 ＊

＊

＊

若 F 1 + F 4 < SD , 　 则 P D = 0

^ ＊D < 0, 　 则 F ＊1 + F ＊4 = S D 若P 这样在 表 7. 9 中, 原来 能源产 品 D 的等 式约束, 就分 解为两个 方向相 反的非 严格不 等式 约 束。在市场价格固定的情况下, 生产能源产品 D 可能有利可图, 也可能亏本。目标函数是追 ・ 30 3・

求全企业的最大经营利润, 在给出所有技术经济系数的数值以前, 我们无法判断是多生产合 算, 还是不生产合算。S D 是必须完成的产量, 所以等式约束只能等价为两个方向相反的非严 ＊

＊

格不等式约束。我们可把( ^P D - P D ) 看作是原等式约束的对偶变量, 其值可正, 可负, 还可为 零。 表 7. 9　 能源系统线性规划模型结构表 F1

F2

F3

F4

CP 1

CP 2

CP 3

CP 4

　

　 　

m ax - SA

　

- SB

- E1

- E2

　

　

- E3

　

1

1

- E4

　

θC

1

　

　

1

　

SD

- 1

　

　

- 1

≥

- SD

W

- W1

- W2

- W3

- W4

　

- SW

U

- U1

- U2

- U3

- U4

　

　

　

　

　

- 1

　

　

　

1

2

　

- 1

　

　

　

1

3

　

　

- 1

　

　

　

1

　

　

　

- 1

　

　

　

^P ^P ^P ^P

A B C D

PD

^P ^P ^P ^P ^P ^P ^P

V

1

4

- CR F 2

- CR F 2

- CR F 2

- CRF 2

- SU - CR F 2

・V 1

・V 2

・ V3

・ V4

・S V - θ1 - θ2 - θ3 - θ4

1

竳 - P D + σ14 C RF 1・ π1 1 C RF 1・ π1 2 CR F 1・ π1 3 CR F 1・ π1 4 　

　

- P D + σ1 1

σ1 2

σ13

m in

+ P U・ U1

+ P U ・U 2

+ P U ・U 3

+ P U ・U 3

W ・W 1

+ P W ・W 2

+ P W ・W 3

+ P W ・W 3 ・P V ・V 1 ・P V ・V 2 ・P V ・V 3 ・P V ・V 4

+ P A ・E 2

+ P B ・E 3

+ P

+ P A・ E 1

+ CR F 2

+ CR F 2

+ CR F 2

+ CRF 2

　 　 原始模型的目标函数是全企业年经营亏损最小, 反着说就是年经营利润最大。年经营利 润为正值, 表示企业是盈利的, 反之是亏损的。根据对偶定理有 年经营利润

＊

＊

= (P D -

＊

＊

＊

^ D ) ¡¤S D + P^ A ¡¤S A + P^ B ¡¤S B P

+ ^ P W ¡¤S W + P^ U ¡¤S U + P^ V ¡¤CR F 2 ¡¤S V , ＊

＊

＊

上式给出企业经营利润和 S 量的关系。从总经营者的角度看, 对偶解给出重要的经济信息, ＊

(P D -

^P

＊ D

＊

＊

＊

＊

＊

) , ^P A, ^P B, ^P W, ^P U和 ^P ・ V CRF 2分别为S D , S A , S B , S W , S U 和S V 的最后一个单位

可给企业带来的年经营利润。从上式可知, 为了增加经营利润, 或者说 减小经营亏损, S D 可 能要增大, 也可能要减小, 而其他 S 量的增大总不会有坏处。虽然 S 量代表着外界强加给这 个企业的约束, 但总经营者总可以通过他与外界的联系, 使 S 量向着有利的方向变化。如何 才能找到各 S 量的最佳值呢? 第一步, 估计出 S A , S B , S W , S U 和 S V 的上限值, 然后暂时 去掉 ＊

＊

产品 D 的供求平衡约束, 求解模型。第二步, 以 S D 与上一步得到的( F 1 + F 4 ) 越接近越好作 为标准, 估计 出 S D 的上限 值或下限 值, 然后 利用所 有 S 量 的极 限值, 再次 求解 模型。第 三 步, 将松的原始约束中的 S 量减至等于约束的左端, 这样就得到了所有 S 量的最佳组合值。 ・ 3 04 ・

7. 7. 7　 几点讨 论 ( 1) 前面我们已经讲过, 线性规划模型的最优解, 在内生变量空间 中的凸多面体顶 点上 取得。在一个 l 维空间中, 如果凸多面体的一个顶点, 是 l 个以上平面的交点, 则我们称这个 顶点是退化的。原始模型及其对偶模型的最优解, 在各自的空间中, 既可能在一个顶点上取 得, 也可能在多个顶点取 得( 这 些顶 点的 凸组 合 也是 最优 解) ; 既可 能在 非退 化 的顶 点上 取 得, 也可能在退化的顶点上取得。在上面的简短讨论中, 我们避开了这些细致的数学问题。 ( 2) 我们看到不同模型的对偶解, 有着不同的经济学意义。影子价格本来是个西方经济 学中的名词, 有人借用它来称呼任一个优化模型的对偶解。人们见到影子价格一词, 容易脱 离开具体的模型去设想它的原意, 所以在上面的讨论中, 我们没有做这种名词上的替代。 ( 3) 我们是在能源系统模型的名义下, 讨论线性规划模 型对偶解的经济 学意义, 但 是我 们所用的方法, 完全可推广到其他经济和社会系统的线性规划模型中去。 ( 4) 我们 只是借助 于一个 小系统, 来讨论 完全自 由竞争的 市场价 格和最优 计划价格 的 含义。实际上, 小系统内部的价格参数, 是在与外部价格参数的比较中得到的。所以, 要想用 模型方法得到 整个经济和社会 系统的价格参数, 必须 以整个经 济和社 会系统为 背景构造 模 型。 ( 5) 完 全自 由竞 争市场 只是 个西 方经 济学 的一 种 研究 工具, 是 一种 理想 的、极 端的 市 场, 实际上也是一种从来没有真正存在过的市场。前面我们讨论的这个能源系统只有少数人 员参加, 按严格的定义说构不成完全自由竞争市场, 实际上我们把“物以稀为贵”和“赔不干, 干不赚”当作了完全自由竞争市场的定义。 ( 6) 完全 自由竞争 的市场 价格与最 优计划 价格, 虽然经济 含义不 同, 但 是数值却 相同, 都可叫作资源最优配置价格。出现这种现象并非偶然,“ 一切向钱看”是二者的共同基础, 在 “一切向钱看”的意义上, 二者使经济和 社会的活动 达到资源 的最优 配置, 仅此而已, 对最 优 二字不能做其他的理解。一个经济和社会系统的目标, 不仅仅是资源的配置以“钱”来衡量要 合理, 还有许多其他的目标, 如分配要实际上公平, 资源的配置要真正合理等等。这些目标在 “一切向钱看”的基础上是达不到的。 ( 7) 在对 一项投资 活动进 行可行性 论证和 技术经济 分析时, 经营 者关心的 是这个项 目 的商业获利性, 他必然以现行市场价格作为经济参数进行论证和分析, 而国家计划工作者关 心的是这个项 目的社会获益性, 他以资源 最优配置价 格作为经 济参数 进行论证 和分析是 恰 当的。 ( 8) 得到 一个国家 的资源 最优配置 价格体 系是很困 难的事情, 通 过求解模 型得到它 是 不现实的, 这只是理论上讨论而已。在世界上现存的所有市场中, 国际市场是最接近完全自 由竞争市场的。据此有人建议, 将国际市场上非垄断性的价格取作资源最优配置价格。必须 注意, 现代的国际市场是 由发达国家控制 着的, 所以这样 做对发达 国家来 说是合适 的, 而 对 发展中国家来说就不见得合适, 因此要根据具体情况做具体分析。

・ 30 5・

7. 8　 系统动力学模型及其在能源系统分析中的应用 7. 8. 1　 系统动 力学基本 原理 　 　 系统动力学( SD , Sys tem Dynamics ) 是一门年轻的 应用学科。它是在 1956 年由美 国麻 省理工学院史隆管理学院的 Jay . W . F orrest er 教 授创立起来的。它的 早期研究对象主 要是 一些大企业。研究企业经营管理行为, 比如企业如何处理生产、库存与雇员数量的波动问题; 市场股票与 市场增长的不稳 定性问题等等。随 着系统科 学基本原 理和概 念的不断 发展、完 善, 系统动力学方法的应用范围由最初的工业企业扩展到了许多民用事业和军事方面; 从研 究、设计工作的管理扩展到城市摆脱停滞和衰退的决策; 从世界面临人口膨胀的威胁与资源 枯竭危机的全球性问题, 到糖尿病检验的病理假设, 涉及到经济、社会的许多方面。目前, 系 统动力学在理论与应用研究两方面都取得了很大进展, 正向着成熟的水平发展。 1. 系统动力学的基本思想 系统动力学主 要汲取其它系统 理论的概念 和思想, 形成了 自己的 理论体系 和独特的 研 究方法, 主要包括以下几方面的内容: ( 1) 反馈控制理论是系统动力学的主要理论 基础。系统动力学在 对系统的认识方 面特 别强调系统的反馈结构, 它有 5 个基本观点: 第一, 系统动力学认为, 一切系统的外部动态行为的性质, 取决于系统的内部结构; 第二, 系统的内部结构的含义包括两个方面: 一方面是指其组成部分的子结构及其相互 间关系的性质, 另一更重要方面是系统内部的反馈回路的结构及其相互作用的关系, 只要是 现实存在的系统, 必然包含反馈结构; 第三, 在系统内部的诸反 馈回路中, 存在一 些主要回 路, 主 要回路 及其相互 间的作用 决 定了系统的动态行为; 第四, 在系统运动的全过 程中, 主 回路并非 固定不变, 它们 可能因 为系统内 部的作用 而 更迭; 第五, 系统内部的参数和结构, 一般是随时间变化的。 这 5 个基本观点决定了系统动力学研究问题的出发点是动态性质和反馈结构。 ( 2) 仿真方法是系统动力学的基本方法。系统动力学与系统分析的其它方法不同, 它不 要求对系统进 行假设, 而 是直接去刻划系 统关系, 对系统 描述具有 直观性, 它所 形成的一 套 思路具有很强的描述性。 ( 3) 电子计算机是系统动力学的技术基础。系 统动力学对系统行 为的模拟是通过 仿真 模型在电子计算机上实现的, 因此, 离开了计算机就得不到任何结果。系统动力学建立了一 种专用的 计算机仿真语言 DYNA M O ( DYN Amic M Odel ) , 这种语 言非常 简练, 更接近于 人 的自然语言, 使用起来很方便。 ( 4) 系统 动力学的 主要目 的是为实 际问题 改进或设 计策略, 并可 以在计算 机上借助 仿 真技术来进行社会经济的政策模拟实验, 因此有“社会实验室”的美称。 ・ 3 06 ・

2. 系统动力学的主要特点 系统动力学是 结合人的思维能 力和电子计 算机高速 处理数据 的能力 而发展起 来的, 它 具有如下特点: ( 1) 它更适用于研究复杂多变的社会经济系统。长期以来, 人们一直把科学分为自然科 学和社会科学, 在社会科学的研究领域内, 定性描述占主导地位。而大系统的研究很难做这 样的划分, 例如能源需求预测, 它既有用能设备改进、生产工艺革新等技术问题, 又有人口增 长、社会消费结构变化等社会问题。系统动力学对系统直接刻划的思想方法, 开拓了一条社 会系统定量研究的道路。 ( 2) 它对于政策研究十分有利。现代世界中 的社会、经 济、科技和 政治早已形成了 一个 多元冲击的有机整体, 社会经济系统的未来变化趋向, 常常出现一些反直观的特征。人们开 始感到, 无论在宏观、中观还是在 微观领域内作 出的决策, 系统 的反响 往往与人 们的预期 相 悖。因此, 一项政策将对系统产生什么样的影响? 其方向和程度如何? 这是决策者非常关心 的问题。系统动力学模型可以用来模拟政策影响后果和系统响应行为。 ( 3) 重点在于研究系统的发展趋势。系统动力学着重于描述系统的结构, 是一个结构仿 真模型, 它强调系统发展过程中的动态行为和发展趋势, 因此它更适用于中长期系统发展研 究。 ( 4) 系统动力学具有很强的认识功能。它非常重视对模拟结果的分析, 由此加深对系统 的认识, 这种很强的认识功能是其它常用的预测方法所不具备的, 对系统的深刻认识和理解 是建立结构仿真模型的基础。 ( 5) 模型具有高阶数、多回路和非线性的特点。社会系统内部各要素之间的关系呈现出 阶次 高、有 多重 反馈 和非线 性的 特点, 使得 其他 计量方 法遇 到了 算法问 题从 而失去 实用 价 值, 而 系统动力学可以将 复杂的组合关系 表达出来, 逼真 地再现系 统的结 构、作 用方式和 行 为, 只要结构合理, 变量多少仅受计算机内存的限制。 ( 6) 系统动力学方法一般只给出几种可供选择的解, 不提供最优解。 3. 系统动力学研究问题的一般步骤 ( 1) 问题的确定。根据研究目标, 划定系统边界, 并把与系统密切相关, 对系统行为产生 影响的外界定义为环境。 ( 2) 系统结构分析。包括两部分内容: 第一, 反馈结构分析, 将系统依据研究问题的性质 进行适当分解, 使之每一个要素或子系统都对研究的问题产生作用。寻找这些要素之间的因 果信息反馈环, 这个环能把决策与行动联系起来, 产生信息变换, 并对新的决策产生影响。这 种分析最后凝聚成一张因果关系图( Cau sal L oop Digrams) 。第二, 对要素进行分类, 明确表 达要素之间的关系, 形成一张流图( F low Digrams ) 。 ( 3) 模型的定量描述。依据一定规则把流图转换成 DYN AM O 语言程序, 并对系统参数 进行定量研究。 ( 4) 模型试算及改进。把 DYN AM O 语言程序输入计算机, 模拟出系统随时间变化的全 ・ 30 7・

部行为, 把模拟结果与实际系统的行为进行对比, 修正模型直到可以代表实际系统。 ( 5) 政策分析。当确认模型可以代表实际系 统后, 就可 以进行一系列政 策实验, 考 查系 统在政策作用下的反应和系统发展趋势, 为决策者提供决策支持。例如可以通过模型寻找对 政策敏感的因素, 提出改善系统行为的建议。 4. 系统动力学中的一些概念 ( 1) 因果与相互关系图( 简称因果关系图) 如图 7. 22 所示, 将系统要素用带箭头的线段连结起来, 并标明其影响作用的性质, 是正 还是负。正号表明, 箭头指向的变量将随箭头源发的变量的增加而增加, 减少而减少; 负号则 表示变量间关系与此相反。

图 7. 22　 因果与相互关系图

　 　 确定回路 极性的一般原则 为: 反馈回 路包含偶 数个负的 因果链, 则其 极性为正, 否则 为 负。 因果关系图普遍用于构思模型的初始阶段, 熟练者可以直接画流图。 ( 2) 流图 在因果关系图的基础上对不同性质的变量加以区别, 主要有 3 种变量。图 7. 23 是一个 典型的简化流图。 　 　 矩形符号表示系统的状态变量( L evel 或 Stat e) , 它具有积累的性质, 像生产能力、资产、 人口等都具有这样的性质。状态变量的变化量称之为率变量( R ate ) , 用

符号表示。系统中

的其它变量统称为辅助变量, 用圆圈表示。系统中物质的流动用实线表示, 信息链用虚线表 示。 ( 3) DYNA M O 语言中的一些规定 一个系统包括 Y1 , Y2 , …, Ym 因素, 外界输入为 X 1 , X 2 , …, X ｎ , 那么 Yｉ( t) = f ( X 1 , …, X ｎ , Y1 , …, Ym ) t 　 　 离散化后得到 ΔYｉ = Δtf ( X 1 , …, X ｎ , Y1 , …, Ym ) Yｉ ( t + Δt) = Yｉ ( t) + ΔYｉ = Yｉ ( t) + Δtf ( X 1 , …, X ｎ , Y1 , …, Ym ) 　 　 这就是系统状态变量的变化方程式, 它是微分方程近似解。系统动力学有独特的时间步 ・ 3 08 ・

进结构, 它把时间分成两段, 如图 7. 24。变量的时间标注为 J, K, J K 和 K L 4 种。变量的书写 必须带有时间标注, 中间以圆点隔开。

图 7. 23　 流图及其表示符号

图 7. 24　 DY N AM O 中的时间下标

　 　 DYN AM O 语言的符号规定、语句类型及常用函数如表 7. 10 至表 7. 12。 表 7. 10　 DYNAM O 语句类型 方程名称 水平方程 速率方程 辅助方程 常量方程 初始方程 说明方程

表示符 L R A C或 T N N OT E

书　 写　 形　 式 L E V. K = LE V. J + DT ＊ Ra te. J K Ra te. K L = …　 　 无固定形式 A . K = …　 　 无固定形式 无时间下标 无时间下标 文字说明

表 7. 11　 DYNAM O 符号规定 　 变　 量 运算符 空　 格

书　 写　 规　 定 变量名字符不超过 6 个, 第 1 个必须是字母, 其后可为字母或数字 + , - , ＊ , / , 与一般代数运算法则相同 方程中空格以后的字符视为注释, 不做计算

表 7. 12　 DYNAM O 主要函数 函数名称

表示符

书　 写　 形　 式　 或　 含　 义

表函数 延迟函数 平滑函数 开方函数 正弦函数 余弦函数 指数函数 对数函数 最大函数 　 最小函数 　 选择函数

T A BLE DE LA Y SM O OT H SQ RT ( X ) SIN ( X ) CO S( X ) EXP ( X ) LO GN ( X ) MAX 　 MIN 　 CLIP 或

T ABL E( 表名, 输入变量 X , 最小的 X 值, 最大的 X 值, X 的增量) DE LA Y ( 延迟输入, 延迟时间) SMO OT H ( 待平滑变量, 平滑时间)

　

F IF GE

开关函数

SWIT CH 或 F IF ZE

　

X sinX cos X eX loge X max ( A, B ) = B 　 若 A< B 　 　 　 　 A 　 若 A≥B min( A , B) = A 　 若 A≤B 　 　 　 　 B　 若 A > B CLIP ( A , B , X , Y) = B 　 若 X ≥Y 　 　 　 　 　 　 　 A　 若 X < Y SWIT CH ( A , B , X ) = A　 若 X = 0 　 　 　 　 　 　 B 　 若 X ≠0

・ 30 9・

　 　 不同版本的 DYN AM O 软件还有一些特殊的规定, 使用时可参考软件操作说明书。

7. 8. 2　 系统动 力学在能 源系统分析 中的应用 系统动力学在 能源系统分析中 的主要应用 方面为能 源需求预 测和能 源供需综 合平衡, 在能源系统模型研究方面, 也在不断进行尝试。系统动力学方法的特点决定了它的着眼点在 宏观、中长期, 因此在实际使用中常常与其他模型方法配合使用, 此外, 系统动力学模型的参 数估计、结构辨识等方面也要用到一些数学和计量经济学方法。 能源需求预测 的方法很多, 在中长期预 测中, 一般采 用想定方 案的办 法, 即 假定若干 个 经济发展和社会发展方案, 预测不同发展方案的能源需求量。经济和社会发展想定方案的确 定, 可以用到系统动力学模型。使用系统动力学模型确定经济和社会发展想定方案来进行能 源需求预测有如下优点: 第一, 有利于能源需求预测人员对经济和社会发展有一个深刻的认 识和理解; 第二, 经济和社会发展方案的确定也要有能源意识; 第三, 经济和社会发展模型与 能源需求预测模型之间可以形成耦合和信息反馈, 以协调两者之间的关系。 系统动力学模 型也可以综合其 它模型研究 结果, 将能源供 需与经 济社会发 展在同一 模 型中综合考虑。下面对几个研究实例进行剖析, 以帮助体会系统动力学模型在能源系统分析 中的作用。 1. 某城市经济－能源－环境总体发展与综合评价 在该项研究中, 系统动力学模型重点研究城市经济社会发展规划, 对积累率、投资倾斜、 科技进步等问题进行政策实验, 并与其它模型配合, 研究经济、能源、环境的协调发展。整个 研究的模型结构如图 7. 25 所示。

图 7. 25　 模型总体框图

　 　 SD 模型中经济发展的典型结构如图 7. 26。 ・ 3 10 ・

图 7. 26　 行业发展简要流图

　 　 模型以资金为主线, 将生产及分配的各个环节连接起来, 模拟了整个城市经济体系的运 行机制。 2. 县级能源、人口、经济和生态系统动力学模型 我国是一个农业大国, 农业的发展是基础, 农村能源是农村经济发展和农民生活提高的 重要物质支柱, 并且与人类赖以生存的生态环境密切相关。模型以某县的经济、社会生态发 展为背景, 建立了农村能源、人口、经济和生态系统动力学模型。我国农村能源的资源种类繁 多, 主要有作物秸杆、人畜粪便、薪柴、小水电和小煤窑, 其中生物质能占较大比重, 合理利用 农村 能源资 源, 不但 对农村 经济 发展起 到促 进和 推动作 用, 也为 农村生 态环 境保护 做出 贡 献。　 　 模型的因果相互关系简图如图 7. 27。图中最终用能指有效能。 存在以下几个主要反馈回路: ( 1) 用 能缺口→ 最终用 能→人口、经济、生 态发展→ 社会总产 值→用 能缺口( 正反馈 回 路) 。 ( 2) 用能缺口→节能措施→用能效率→实际耗能→用能缺口( 负反馈回路) 。 ( 3) 用能缺口→最终用能→实际耗能→用能缺口( 负反馈回路) ( 4) 用能缺口→最终用能→农村人口、经济、生 态发展→社会总产 值→节能措施→ 用能 效率→实际耗能→用能缺口( 正反馈回路) 如果在系 统中( 1) 起 主导作用, 那么既可能 导致系统 产生良性 循环的 行为模式, 也可 能 导致系统产生恶性循环的行为模式。具体分析如下: 良性循环: 用能缺口缩小, 导致最 终用能 增加, 农村用能 得到满 足, 使 社会和经 济发展、 ・ 31 1・

图 7. 27　 模型因果关系简图

生态环境得到改善。社会总产值将增加, 农村的传统能源也增加并有资金去开发新能源, 则 供能增加, 用能缺口将进一步缩小。 恶性循环: 其结果恰恰与前面相反, 即用能缺口扩大, 导致最终用能减少, 生态平衡由于 过多砍伐树木而遭破坏, 社会经济得不到发展, 甚至倒退, 社会总产值下降, 农村传统能源量 下降且没有资金开发新能源, 用能缺口将进一步扩大。 模型的作用之一就是寻找适当的农村能源综合建设模式, 使系统避免进入恶性循环。模 型共有 8 个子 块, 即能源 与人口, 能源与种植 业, 薪 炭林与防 扩林子 系统, 能源与渔 业, 能 源 与县属工业, 能源与乡镇企业, 能源与交通运输、建筑、商业和新能源系统。 以薪炭防扩林子系统为例。林业在该县占有举足轻重的地位, 解放后大面积造林, 有效 地阻止了风沙的侵蚀, 对农业生产的发展及人民生活都起到极大的保障作用。建设薪炭林的 主要 目的是 提供 薪柴, 而防 风林 既可减 缓台 风袭 击带来 的损 失, 又可保 护农 业用地 的表 土 层, 使各种经济作物的种植成为现实。图 7. 28 为薪炭防护林子系统流图。 图中各量含义为: 　 　 F U FO : 薪炭林亩数

L FF S: 现有宜林地

F FSR : 薪炭林年减损面积

F L : 林地总面积

F FD : 薪炭林减损率常数

L A ND : 土地总面积

F FIR : 薪炭林年增加面积

W BF FC : 防护林产柴系数

F U FP : 薪炭林造林计划

O VCU : 林地过伐量

F U FIN : 薪炭林年实际造林亩数

O VCU C : 过伐系数

W BF : 防护林亩数

F LCP : 林地覆盖率

W FIR : 防护林年增加面积

F FF : 薪炭林产柴量

W BF P: 防护林造林计划

F FFC: 薪炭林产柴系数

W BF IN : 防护林年实际造林亩数

W BF F : 防护林产柴量

L FF : 宜林地面积

T F W: 薪柴总量

・ 3 12 ・

DFF IR : 薪炭林增加延迟

DWF IR : 防护林造林延迟

F DT 1: 薪炭林增加延迟时间

F DT 2: 防护林造林延迟时间

P LA NT : 林地覆盖率期望

W FSR : 防护林年减损面积

E SH : 林地过伐量政策因子

W FD : 防护林减损率常数

L T E : 防护林技术因子

P CT OV : 防护林与薪炭林造林比例

图 7. 28　 林业子系统流图

主要方程如下: 　 L 　 FU FO. K = FU F O. J + DT ＊ ( DFFIR . JK - FFSR . JK ) N 　 FU F O = 13000 R 　 FF SR . K L = F U FO . K ＊ FF D R 　 DFFIR . KL = SM OOT H ( F FIR . KL , FDT 1) R 　 FF IR . K L = F U FINK ＊ 0. 98 L 　 W BF . K= W BF. J+ DT ＊ ( DW FIR . JK - W FSR . JK ) R 　 DWFIR . KL = SMO OT H ( W FIR . KL , F DT 2) ・ 31 3・

R 　 W FIR . KL = WBF IN . K ＊ 0. 97 A 　 WBFIN . K = M IN ( L FF S. K ＊ 0. 65, W BFP . K ) R 　 W FSR . K L = WBF . K ＊ W FD + OVCU . K 　 　 通过计算机模拟, 得到了能源综合建设的仿真结果( 表 7. 13) 。 表 7. 13　 仿真结果 林地面积

薪炭林

防护林

沼气池总容积

节柴灶

1985

/ 103 亩 128. 5

/ 10 3 亩 13. 67

/ 103 亩 113. 4

/ 103 m 3 4. 0

/ 10 3 个 40. 00

59. 53%

/ kW 21. 0

1990

141. 8

23. 98

116. 3

36. 0

58. 74

82. 59%

2893. 5

1995

158. 8

33. 34

123. 3

52. 53

62. 30

82. 34%

6515. 3

2000

175. 2

43. 11

130. 1

65. 33

66. 79

82. 42%

10. 23× 10 3

年

新能源装机 新能源装机

　 　 从表 7. 13 中可看到, 该县实 施的农村能源 综合建设 模式是切 实可行 的, 它 可使林地 面 积由 12 万亩 增加到 17 万 亩, 增 加了近 35% , 这对农 业生产 的顺 利发展 及生 态环境 将起 到 4

3

3

重大保障作用。沼气池总容积也在规划年中达到 6. 5× 10 m , 若按每口池容 8m 计算, 将有 8000 口沼气池供 10% 的渔民和农户使用, 大大提高了生活燃料质量。由于开发薪炭林、沼气 和 新能 源( 风能等 ) , 能源 自给 状况有 所改 善, 自给率 1990 年以 后有所 上升, 虽 然还 未达 到 1985 年水平, 但能源供需矛盾并没有继续恶化。 模型还可以就人口发展、新能源开发等问题进行多种政策实验。

参　 考　 文　 献 1. 清华大学核能技术研究所能源系统研究室, 能源规划与管理北京训练中心. 能源规划与系统模型. 北京: 清华大学出版社, 1986 2. IA E A . E xpansion P lanning for E lect rical G enerating Syst ems . T echmical Report s Series N o. 241, IE EA , Vienna , 1984 3. 郭元, 孙元章. 以水电为主体的电力规划模型及应用. 中国电机工程学会/ IE EE , 北京分会 学术分会论文 集, 1987 4. 张奔, 何大愚主编. 电源规划与数学模型. 北京: 能源出版社, 1989 5. 吴宗鑫等. 中印两国能源消费比较. 见清华大学核能所、能源训练中心. 能源规划与管理. 北京: 清华大学 出版社, 1991, 35—39 6. 何建坤等. 我国远期能源需求形势预测. 预测, 1991, 10( 2) : 10—17 7. 吴宗鑫. 开发和应用各种新能源技术,

望周刊, 1991, 第 25 期: 40—41

8. 国家统计局. 中国统计年鉴( 1991) , 北京: 中国统计出版社, 1991 9. 世界银行. 1986 年世界发展报告. 北京: 中国财政经济出版社, 1987 U nit ed N at ions . Stat is tical Y earbook 1983－84. N ew York : U N 1986 OE CD. E nergy St atist icas 1979/ 1985. P aris: O ECD 1987. 10. T he Brit is h P et roleum Company . BP Stat ist ical Review of World Energy. London : 1990 11. 何建坤等. 实用线性规划及计算机程序. 北京: 清华大学出版社, 1985

・ 3 14 ・

12. 彼德・迈尔著, 邱大雄等译. 能源规划概论. 北京: 能源出版社, 1984 13. 何建坤 等. 农村能源模型及算例分 析. 见: 能源 系统工程专业委员会. 全国 第一次能源系统工程学 术会 论文集. 1982 14. Jyot ic ・P arikh . Energy Syst em and Development . Dehli : Oxford U niv . P res s , 1980

・ 31 5・

8　 能 源 的 环 境 问 题 环境问题和能 源的生产、运输、转 换以及终 端利用存 在着极密 切的关 系, 能 源的发展 引 起了环境问题, 而环境问题又制约了能源的发展。我们国家的环境问题, 绝大部分( 约 70% 以上) 是与能源直接和间接联系的。 所谓环境问题主要是指世界人口激增, 人类对粮食和能源及其它自然资源的大量耗用, 生产活动的扩大以及新化学物质的大量使用造成了大气、水体、土壤的污染和生态系统的破 坏。

8．1　 环境的基本知识 8. 1. 1　 生态系 统与生态 平衡 1. 定义 　 　 在生态学 中一个生物物种 在一定范围内所 有个体的 总和称之 为种群, 在一 定的自然 区 域中许多不同种的生物的总和称之群落。任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体 就是生态系统。生态系统也就是生命系统和环境系统在特定空间的组合, 在生态系统中各种 生物彼此间的 以及生物与非生 物的环境因素之 间互相作 用, 不 断地进 行着物质 和能量的 流 动。 生态系统如图 8. 1 包括了必要和非必要两个部分。所谓必要部分, 是由非生物和生物成 分构成, 前者是指阳光和营养分, 它是供生产者合成有机物之用。后者包括了生产者( 绿色植 物) 、分解者( 细菌和真菌) 和转变者( 细菌) 。非必要部分主要是各级消费者, 它是靠生产者的 有机物质为生。

图 8．1　 生态系统的组成和主要作用

・ 3 14 ・

人们根据生态系统的环境性质和形态特征, 可分为以下几种类型: ( 1) 陆地生态系统 —— 包括陆地上的自然生态系统和人工生态系统; ( 2) 淡水生态系统 —— 湖泊、河流、水库; ( 3) 海洋生态系统 —— 海岸、河口、浅海、大洋、海底。 生物圈中的各 种生物基于生产 者和各级消 费者间的 营养关系, 构 成生态系 统中的食 物 链。所谓食物链 就是一种生物以 另一种生物为 食, 彼 此形成一 个以食 物联接起 来的链锁 关 系。在一个生态系统中食物关系往往很复杂, 各种食物链互相交错, 形成食物网。生态系统 中能量的流动、物质的迁移和转化, 就是通过食物链和食物网进行的。 2. 能量流动 生物圈中所有各种形式的有机体, 其生存所需的能量都是由太阳供应的。植物通过光合 作用吸收太阳 能后转变成化学 能, 而固定 在植物体 内; 动 物吃植物 后, 能量也随 之流入动 物 体内。就这样, 通过生态系统的各级食物链, 组成了生态系统的能量流动。它们完全服从于 热力学定律, 而且是通过 如下两个途径实 现的: ①光合作 用和有机 成分的 输入; ②呼吸的 热 消耗和有机物的输出。因此, 生态系统中的能量流动与食物链各营养级的数量紧密相关。在 生态系统中的能量流动具有的特点 是: 绿色植 物对太阳能的利 用率很低只有 1. 2% ; 能 量只 朝单一方向流动; 流动中能量每经过一个营养级都 要以热的形式散失 掉其总产量的一 半以 上, 各级净产量只有总产量的很小一部分。对于各消费级中, 能量也只能利用其很小一部分。 因此, 能量的生态效率, 均小于 1; 当生态系统中生产的能量与消耗的能量相平衡时, 生态系 统的结构和功能才能保持平衡。 3. 物质循环 尽管维持生物生命所必需的 化学元素为数众 多, 但生物 体全部原生质中 的有 97% 以上 是由碳、氢、氧、氮、磷 5 种元素组成。图8. 2表示了生物圈中水、氧和二氧化碳的循环, 图8. 3 表示了碳循环; 图 8. 4 表示了氮循环, 图 8. 5 表示了磷循环。

图 8. 2　 水、氧和二氧化碳循环

・ 31 5・

图 8. 3　 碳循环

图 8. 4　 氮循环

图 8. 5　 磷循环

4. 生态平衡 任何一个正常 的生态系统中能 量流动和物 质循环总 是不断进 行着, 但在一 定时期内 生 ・ 3 16 ・

产者、消费者和还原者之间却保持着一种动态平衡 —— 生态平衡。在自然生态系统中, 平衡 态表现为生物种类和数量的相对稳定。生态系统的平衡是依靠系统内部具有的自动调节能 力。这种自动调节能力, 取决于生态系统的组成成分, 能量流动和物质循环的途径。往往其 成分越多样, 途径越复杂, 调节能 力就越强, 不过对于 一个生态 系统其 调节能力 是有一定 的 限度, 超出了这个限度就不能调节, 生态系统就会遭到破坏。因此, 当人类活动使自然环境剧 烈变化, 或进入自然生态系统中的有害物质数量过大, 超过了生态系统的调节功能或生物与 人类可以忍受的程度, 那就会破坏生态平衡使人类和生物受到损坏。 自然界发生的异常变化或自然界存在的对人类和生物有害的因素( 如各种自然灾害) 都 是生态平衡破 坏的自然原因; 除此之外, 人类对 资源的不 合理利用、工 农业发展 带来的环 境 污染等是生态平衡破坏的人为因素。人为因素引起的生态平衡的破坏, 主要有 3 种情况: ① 物种改变引起平衡的破坏。人类有意或无意地使生态系统中某种生物消失或往其中引入某 一种生物都可能对整个生态系统造成影响; ②环境因素改变引起平衡破坏。工农业迅速发展 有意 或无意 地使 大量污 染物 质进 入环境, 从 而改 变生态 系统 的环境 因素, 影 响整个 生态 系 统, 甚至破坏生态平衡; ③信息系统的破坏。生物在生存过程中都要释放出某种信息素; 以驱 赶天敌, 排斥异种或取得 直接或间接的联 系以繁衍 后代, 但是, 如果人 们排放到 环境中的 某 些污染物质与某种动物排放的性信息素作用, 使其丧失引诱异性个体能力时, 就会破坏动物 的繁殖, 以至改变生物种群的结构使生态平衡受到影响。

8. 1. 2　 水体污 染 水体一般是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称, 在环境学领域中则把水体当 作包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水生物等完整的生态系统或综合自然体。 反映水体被 污染的程度, 要用污水的 水质指标 来表示。常 用的污 水水质指 标有如下 几 项: ( 1) 悬浮物。它是污水中呈固体的不溶解物质。 ( 2) 废 水中有机 物浓度。由 于水体中 有机物 组成比较 复杂, 难以分 别测定其 组分的 浓 度, 常用生物化学需氧量, 简称生化需氧量( BOD ) 和化学需氧量( COD ) 表示。BOD 指水中的 有机 物污染物 经微生 物分解所 需的 氧量( 单 位体积 的污 水所 消耗的 氧量, mg/ l) , 生 化需 氧 量越高, 表示水中需氧有机物质越多。 COD 表示用 化学氧化剂氧化水 中有机污染物所 需的 氧量, 同样, COD 越高, 表示有机物质越多。 ( 3) pH 值。因为水的 pH 值对水处理, 污水的综合利用, 对水中的生物生长繁殖和排水 管道有很大影响, 因此它也是检验水质重要指标之一。 ( 4) 污水的细菌污染指标。用两种指标表示水体被细菌污染的程度, 即每毫升水中的细 菌总数和大肠菌的数量。 ( 5) 污水中有毒物质指标。它包括重金属、放射性物质 和有毒化合物等 在水中的浓度, 这都是反映水体污染的重要指标。 水体的污染源 大致有两种形式: 一种是 点源, 指工业 污染源和 生活污 染源, 它们由特 殊 的管网汇集后, 集中排入水体。工业污染源的污水量大, 含污染物多, 成分复杂, 悬浮物含量 高, 需氧量 高, pH 值 变化 幅度 大、温 度高、易 燃, 含有多 种多 样有害 成分, 在 水中 不易 净化, 处理也比较困难。而生活污水含氮、磷、硫的浓度高, 并混有大量洗涤剂和多种微生物。另一 ・ 31 7・

种是面源, 是指污水不经有组织的管网排入水体的水体污染源, 主要面源是农村污水和灌溉 水与雨水迳流, 通常载带了地面的污染物或残留在农田中的农药与化肥, 它们常常是造成水 体中的农药污染或高营养化的主要原因。 水体中有较大影响的污染物共有十几种污染物、它们是需氧污 染物、植 物营养物、重金 属、农 药, 石油、酚类化合物、氰化物、酸碱及 一般无 机盐类、放射性 物质、病原微 生物和致 癌 物。 所谓需氧污染物是指在生活污水中和某些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪 和木质素, 在微生物作用下将最终分解为简单的无机物质。在分解过程中需要消耗大量的氧 气, 故称此类有机物为需氧污染物。它的存在影响水体的溶解氧和生化需氧量。植物营养物 是指氮、磷、钾、硫及其化合 物, 植物 营养物过多 地进入水 体导致水 体中藻 类过分繁 殖, 水 体 严重缺氧, 危害渔业发展和人体健康。 表 8．1 为我国地面水环境质量标准。表中依据地面水水域使用目的和保护目标将其划 分为 5 类: Ⅰ类, 主要适用于源头水、国家自然保护区。 Ⅱ类, 主要适用于集中式 生活饮用水水 源地一 级保护区、珍贵 鱼类保 护区、鱼虾产卵 场 等。 Ⅲ类, 主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区。 Ⅳ类, 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。 Ⅴ类, 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。 表 8. 1　 我国地面水环境质量标准 ( 引自 G B3838-88) 序号

参

分

数

类

Ⅰ类

Ⅱ类

Ⅲ类

单位: mg/ l Ⅳ类

Ⅴ类

所有水体不应有非自然原因所导致的下述物质: a . 凡能沉淀而形成令人厌恶的沉积物; b. 漂浮 物, 诸 如碎 片、浮渣、油类 或其 他的 一些 引起 感官 不快 的物 基本要求

质; c. 产生令人厌恶的色、臭、味或浑浊度的物质; d. 对人类、动物或植物有损害、毒性或不良生理反应的物质; e. 易滋生令人厌恶的水生生物的物质。 人为造成的环境水温变化应限制在:

水温/ ℃

1

　 夏季周平均最大温升≤1 　 冬季周平均最大温降≤2

2

pH

3

硫酸盐＊ ( 以 SO 2-4 计)

≤

250 以下

250

250

250

250

4

氯化物＊ ( 以 Cl - 计)

≤

250 以下

250

250

250

250

5

溶解性铁＊

≤

0．3 以下

0．3

0．5

0．5

1．0

6

总锰 ＊

≤

0．1 以下

0．1

0．1

0．5

1．0

7

总铜 ＊

≤

0．01 以下

1．0( 渔 0．01)

1．0( 渔 0．01)

1．0

1．0

・ 3 18 ・

6. 5- 8. 5

6- 9

续表　 　 序号

参

分

数

类

Ⅰ类

Ⅱ类

Ⅲ类

Ⅳ类

Ⅴ类

2．0

2．0

8

总锌 ＊

≤

0．05

1．0( 渔 0．1)

1．0( 渔 0．1)

9

硝酸盐( 以 N 计)

≤

10 以下

10

20

10

亚硝酸盐

≤

0．06

0．01

0．15

1．0

1．0

11

非离子氨

≤

0．02

0．02

0．02

0．2

0．2

12

凯氏氮

≤

0．5

0．5

1

2

2

13

总磷( 以 P 计)

≤

0．02

0．1( 湖、库

0．1( 湖、库

0．025)

0．05)

0．2

0．2

14

高锰酸盐指数

≤

2

4

6

8

10

15

溶解氧

≥

饱和率 90%

6

5

3

2

16

化学需氧量( CODCr )

≤

15 以下

15 以下

15

20

25

17

生化需氧量( BO D5 )

≤

3 以下

3

4

6

10

18

氟化物( 以 F - 计)

≤

1．0 以下

1．0

1．0

1．5

1．5

19

硒( 4 价)

≤

0．01 以下

0．01

0．01

0．02

0．02

20

总砷

≤

0．05

0．05

0．05

0．1

0．1

21

总汞 ＊ ＊

≤

0．00005

0．00005

0．0001

0．001

0．001

22

总镉 ＊ ＊

≤

0．001

0．005

0．005

0．005

0．01

23

铬( 六价)

≤

0．01

0．05

0．05

0．05

0．1

24

总铅 ＊ ＊

≤

0．01

0．05

0．05

0．05

0．1

25

总氰化物

≤

0．005

0．05

0．2

( 渔 0．005)

( 渔 0．005)

0．2

0．2

26

挥发酚＊

＊

≤

0．002

0．002

0．005

0．01

0．1

27

石油类＊

＊

( 石油醚萃取) ≤

0．05

0．05

0．05

0．5

1．0

28

阴离子表面活性剂

≤

0．2 以下

0．2

0．2

0．3

0．3

29

总大肠菌群＊

＊ ＊

≤

30

苯并( a) 芘 ＊ ＊

＊

＊

( 个/ L )

( ng/ L)

≤

20

25

10000 0．0025

0．0025

0．0025

　 　 ＊ 　 　 允许根 据地 方水域 背景值 特征 做适当 调整 的项目 。 ＊＊

规定分 析检 测方法 的最低 检出 限, 达不 到基准 要求。

＊＊＊

试行标 准。

同一水域兼有多类功能的, 依最高功能划分类别。有季节性功能的, 可分季划分类别。 表 8．2 给出 1990 年城市河流污染情况汇总。表 8．2 表明, 我国城市河流由于城市规模 迅速膨胀, 人口增加和城 市基础设施落后, 污染 日趋严重, 很多 河流已 逐步成为 城市的污 水 河。

・ 31 9・

表 8. 2　 城市河流污染情况汇总表( 1990 年) 统　 计 污染物项目

出现超标

超标率为

平均值超标

城市数

断面数

样品断面数

100% 的

的断面数

/个

/个

/个

断面数/ 个

/个

氨氮

77

228

161

49

CODM n

77

230

150

BO D5

74

219

挥发酚

76

亚硝酸盐氨

年均值最高的河流 名　 称

超标倍数

120

银川市四二干沟

152．9

47

108

徐州市奎河

22．4

116

16

68

徐州市奎河

44．7

224

104

15

69

长春市伊通河

79．7

77

229

107

8

61

包头市昆都仑河

20．0

石油类

63

190

107

23

64

11．9

溶解氧

太原市汾河 包头昆都仑河

77

229

110

17

50

汞

73

218

24

0

6

昆明市螳螂川

0．3

铅

72

212

23

1

5

昆明市螳螂川

4．5

砷

76

225

10

1

5

锦州市大凌河

0．4

氰化物

77

228

14

0

4

长春市伊通河

0．9

pH

77

230

77

2

4

青岛市大沽河

济南市小清河

数值为零

8．1．3　 大气污 染 人的生存每时每刻都离不开空气。一旦断绝了空气的供应, 就会导致人的死亡, 如果空 气中混进有害、有毒的物质, 它们会随着空气不断地被吸入肺部, 通过血液遍及全身, 直接危 害人的健康。大气污染不同于水污染与土壤污染, 不仅时间长而且范围广。 15

存在于地球周围大气层的厚度约有 100km , 大气的总质量约为 6× 10 t , 其中人类赖于 生存的空气主要是地面以上至 10—12km 范围内的那一部分。空气是多种气体的混合物, 其 组成可以分为恒定的, 可变的和不定的 3 种组分。空气恒定组分是氮、氧、氩和微量的惰性气 体。它们占空气总体积的 99. 97% 。它们在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。可 变组分系指空 气中的二氧化碳 和水蒸汽, 它们在空气 中的含量 是随季 节和气象 的变化以 及 人们生产和生活活动的影响而发生变化的。恒定组分和可变组成构成的空气被认为是纯洁 的空气。大气中不定组分的来源有二: ①火山爆发、森林火灾、地震等自然灾难引起的污染物 ( 尘埃、硫化 氢、硫氧化 物、氮氧 化物、盐类 及恶臭气体 ) 这 些不定组 分进入 大气中, 可造成 局 部和暂时性的污染。②人类活动向大气释放的煤烟、尘埃、二氧化硫和氮氧化物。它是空气 污染的主要根源。所谓大气污染是指自然界中局部的质能变化和人类的生产和生活活动改 变了大气圈中 某些原有成分和 向大气中排放 有毒、有害物质, 以致 使大气 质量恶化, 破坏 原 来的生态体系的平衡, 严重威胁人体健康和正常工业生产, 以及对建筑物和设备财产的损坏 等。大气污染源按存在形式可分为固定式和移动式两种; 按排放方式可分为高架源、面源、线 源或建筑物源 4 种; 按污染物排放的时间可分为连续源、间断源、瞬时源; 按污染物产生的类 型可分为工业污染源、家庭炉灶排气、汽车排气。例如燃煤电厂的烟囱, 它是属固定式、高架、 连续排放的工业污染源; 居民区许多民用家庭火炉灶的集合是属于固定的、大面积和间断释 放民用源。 空气 中重要的污染物 常指碳氢化合物、碳氧 化物、氮氧化 物( N O x ) 、硫氧化 物( SO x ) 、微 ・ 3 20 ・

粒物质。这些污染物排放到大气中以后与正常空气成分相混合, 在一定条件下会发生各种物 理和化学变化, 并可能生成一些新的污染物质。人们也因此常把空气中的污染物分别称作为 一次污染物和二次污染物。所谓一次污染物是指各类污染源排出的物质。如果一次污染物 化学性质不稳 定, 在大气 中能与其它物质 发生化学 反应, 或促进其 它污染 物产生化 学反应, 则称其为反应性一次污染物; 如果一次污染物性质比较稳定则称其为非反应性一次污染物。 一次污染物在 大气中可能在相 互之间发生化学 反应或吸 附作用, 也可 能在气溶 胶中发生 溶 解作用或在太阳光之下发生光化学反应。所谓的二次污染物是由一次污染物在发生化学反 应之后生成的二次污染物。典型的二次污染物有臭氧、硫酸烟雾等。硫酸烟雾是由一次污染 物 SO 2 的光化学氧化反应, 生成硫酸根所致。 不同的大气中 污染物除通常对 人和环境都 产生一定 影响之外, 还 引起一些 区域性和 全 球性的环境问题。例如与能源利用相关的二氧化碳和二氧化硫的污染会引起温室效应, 导致 全球的气候变暖和区域性的酸雨问题。 1． 温室效应 太阳光在穿过大气层时, 大气层中二氧化碳等气体阻挡了长波太阳光辐射, 而只有短波 辐射穿过大气 层射到地面, 短波辐射的一 大部分热能 被地面吸 收之后 所剩的热 能以红外 长 波辐射返回大气层。由于二氧化碳等气体的阻挡, 这部分红外长波辐射不能穿出大气层把余 下的热能带离大气层, 致使地球的气温增高。近 200 年来, 由于大气层中的二氧化碳以及其 它温室气体的浓度增高, 使地球的平均气温有明显的增加。这种现象就是所谓的温室效应。 表 8. 3 给出了 各种温室气体的 相对的温室 效应、相对的贡 献和 1985 年在 大气层中 的浓度。 可以看出 CO 2 的相对贡 献最大。为了减缓 或抑制全球气候 的变暖, 必 须减少二氧化碳 的排 放。 表 8. 3　 温室效应中各种温室气体的贡献 气体名称 CO2

1985 年温室气体 的浓度/ cm / m 3

346

3

年增长率

在大气中的寿命

相对的温室效应

相对的贡献

/a 0．4%

40

1

50%

CH 4

1．7

1．0%

10

32

19%

笑气

0．3

0．3%

150

150

4%

臭氧

0．02

0．5%

2000

8%

CF Cs

0．001

0．5%

15000

17%

0．1 100

2． 臭氧层空洞 平流层( 地球大气的上层) 中臭氧是地球对太阳的有害紫外线辐射的保护罩。它可以吸 收 90% 以上的太阳紫外线 辐射, 对 地球上的生物( 包括人类 ) 有重要 保护作用。平流层 中臭 氧层的破坏会严重影响地球生态系统。目前认为用作致冷剂、气溶胶喷雾剂、溶剂和清洗剂 等的氟氯羟类化合物氟里昂 11( CFC －11) 氟里昂 12( CF C －12) 以及其它卤化物进入大气平流 层时, 在太阳辐射和光氧化作用下会分解出自由氯和溴, 它们会与臭氧作用, 消耗臭氧层, 出 ・ 32 1・

现臭氧层空洞( 局部地区平流层中臭氧层变薄) 。臭氧空洞的扩大直接后果是使人类皮肤癌 患者增加。为了防止臭氧层空洞的扩大, 1990 年 6 月国际上通过“关于禁止破坏臭氧层物质 的生产 和使用 的蒙特利 尔议定书 ”规定 到 2000 年完 全禁 止使用 CFCs , CCl4 等, 到 2005 年 完全禁止使用甲基氯仿。中国已签字参加了此项协定。在 1993 年 3 月 8- 10 日, 蒙特利尔 召开的议定书多边基金执委会第 9 次会议上批准了中国控制 CFC 行动方案。 3． 酸雨 当降水 中 pH < 5. 6 时, 则称 为酸雨。我 国的 酸雨集 中发 生在西 南和 东南 沿海地 区, 包 括珠江和长江三角洲。以上区的酸雨酸度较大( 甚至 pH < 4. 6) , 酸雨以硫酸根离子为主, 而 且地区分布和 季节变化与当地 的二氧化硫排放 和地面浓 度呈明显 的相关 性, 这 说明酸雨 在 我国是和以煤为主的能源构成与煤中含硫较高有关的。酸雨多发生在我国的南方, 和我国南 方燃煤中硫含量较高以及空气中飘尘的碱性较弱有关, 相反北方地区空气中飘尘碱性较强, 酸雨的发生频率很小, 而且酸度也不大。酸雨不仅对农作物、森林的生长有很大影响, 对建筑 材料和工业设施的腐蚀影响也很大, 往往造成很大损失。 大气污染物在大气中受气象因素影响造成不同的污染状况。它主要取决于大气层中最 低一层厚度为 21km 左右的对流层的空气中的 一些气象因素有关, 如, 风和大气稳定 度。风 对空气污染的 影响包括风向和 风速两个方面, 风向决 定了污染 物的扩 散方向而 风速大小 决 定了污染物的扩散和稀释状况; 除了风之外的另一种重要因素是大气稳定性。大气温度随高 度变化 的速率是 气象变 化的一个 重要因素, 它 直接影响 空气的垂 直混合, 影响 着大气污 染 物在空气中的扩散稀释。人们常取大气温度沿垂直方向随高度变化的速率温度梯度作为大 气稳定 度的衡 量, 温度 梯度 γ< - 1℃ / 100m 属不 稳定 天气; γ= - 1℃/ 100m 属中性 天气; γ> - 1℃/ 100m 属稳定天气; 其间- 1℃ / 100m 称为大气的绝热递减率。它是指一个气团在 上升过程中和它周围的空气之间没有能量交换的温度梯度。 大气的稳定度 和污染物在大气 中的扩散 紧密相关, 大气 越不稳 定, 湍 流发展越 充分, 排 放的污染物就越容易在大气中扩散, 如图 8. 6 所示。大气污染物在大气中的扩散可以用半经 验模式或物理数学模型进行计算, 也可以用风洞等进行模拟测量。

图 8. 6　 大气稳定性和排烟类型

・ 3 22 ・

表 8. 4 给出了 我国大 气环境质 量标准 ( GB3095－82) , 表 8. 5 给出了 亚洲 一些国 家的 大 气质量标准。比较而言, 我国的大气质量偏松。图 8. 7 给出我国城市的大气质量。 表 8. 4　 中国大气环境质量标准 浓度限制/ mg / m 3

污染物 名　 称 总悬浮微粒

飘

取值时间

一级标准

二级标准

三级标准

日平均 ＊

0．15

0．30

0．50

0．30

1．00

1．50

日平均

0．05

0．15

0．25

任何一次

0．15

0．50

0．70

0．02

0．06

0．10

日平均

0．05

0．15

0．25

任何一次

0．15

0．50

0．70

日平均

0．05

0．10

0．15

任何一次

0．10

0．15

0．30

日平均

4．00

4．00

6．00

任何一次

10．00

10．00

20．00

1h 平均

0．12

0．16

0．20

任何一次＊

＊

尘 年日平均 ＊ ＊

二 氧 化 硫

氮 氧 化 物

＊

一 氧 化 碳 光化学氧化剂( O 3 )

　 　 ＊ 　 　 “日 平均”为 任何一 日的平 均浓 度不许 超过 的限值 。 ＊＊

“任 何一次 ”为任何 一次采 样测 定不许 超过 的浓度 限值 。不同 污染物“任何一 次”采样 时间见 有关 规定。

＊＊＊

“年 日平均 ”为任何 一年的 日平 均浓度 的均 值不许 超过 的限值 。

表 8．4 中的三级标准, 分别针对以下三类地区: 一类区: 为国家规定的自然保护区、风景游览区、名胜古迹和疗养地等, 执行一级标准。 二类区: 为城 市规划中 确定的 居民区、商业交 通居民 混合区、文化区、名 胜古迹 和广 大 农村等, 执行二级标准。 三类区: 为大气污染程度比较重的城镇和工 业区以及城市交通 枢纽、干 线等, 执行 三级 标准。 表 8. 5　 亚洲国家大气标准 国家

T SP ＊ / mg / m 3

SO x / mg / m

日本

日平均 0．10

日平均 0．114

日平均 0．082—0．123

日平均 12．5

韩国

年平均 0．15

年平均 0．143

年平均 1．103

日平均 10

印尼

年平均 0．26

1h 平均 0．285

日平均 0．103

8h 平均 25

8h 平均 500/ 200μg / m 3

8h 平均 120/ 80μg/ m 3

8h 平均 120/ 80μg / m 3

8h 平均 5000/ 2000μg/ m 3

( 工业区/ 住宅区)

( 工业区/ 住宅区)

( 工业区/ 住宅区)

( 工业区/ 住宅区)

印度

3

N O x / mg / m

3

CO / mg / m 3

　 　 T S P : 总县 浮颗 粒物。

・ 32 3・

图 8. 7　 我国城市大气质量( T SP , 尘降, SO2 和 NO x 含量) - ・- 北 方城市 　 - ＊ - 南 方城 市　 - + - 全国平 均

8. 1. 4　 固体废 物 在工农业生产活动过程中以及人民日常生活中, 除排放出废气和废水之外, 还排出大量 固体废弃物。固体废物可分为农业废物、矿业废渣、工业废物( 废渣、粉尘、污泥、废屑) , 城市 垃圾和粪便 4 类。 尽管从数量上 农业和矿业废渣 最大, 其危 害却远 不如工业 废物和 生活垃圾 在人口稠 密 的城市那样严重。工业废物中化工废渣和冶金废渣往往含有毒、有害物, 对环境和居民的健 康影响很大。在能源生产中, 电厂的粉煤灰和炉渣数量很大, 对环境影响也是很大的。城市 居民的生活垃 圾和粪便, 随着城市人口的 迅速膨胀, 基础 设施跟不 上, 对环境影 响越来越 严 重, 垃 圾遍地, 蝇 鼠孳生, 恶 臭散发, 严重影响居 民的身体 健康, 出现了 垃圾包围 城市等难 于 解决的环境问题。 我国 的 固 体废 物 量很 大, 仅 冶 金、煤炭、电力 工 业已 积 存 的废 石、尾 矿、废 渣量 已 超 过 8

8

8

120× 10 t , 其中工业固体废物累计堆存量 1992 年为 59. 2× 10 t , 每年继续排放 6× 10 t。每 年 230 多个城市排出城市垃圾、粪便 6500× 10 4 t 。这些废弃物如果不能很好利用就得花大量 人力物力进 行处置。但是我国到 1991 年工业 固体废 物综合利 用量仅 占工业废 渣产生量 的 ・ 3 24 ・

37% 左右, 还处于一个比较低的水平。对城市生活垃圾的利用处置也处于较低的水平。

8. 1. 5　 放射性 与放射性 对人体的危 害 在人们生存的 环境中存在天然 放射性和人 工放射性 核素, 人们除 了接受这 些放射性 核 素释放的射线照射之外, 还会接受来自宇宙的高能粒子辐射的照射。人们接受的来自天然放 射线和宇宙 线的照射, 本底辐射大约为 2. 4 mSv ( Sv , 希, 是衡量放射性射线 对生物体产生 影 响的剂量单位) 。随着地区不同和高度不同, 本底辐射水平有相当的差异, 在高海拔地区由于 宇宙射线较强, 使当地的本底辐射水平远高于正常本底区域。在某些地区由于土壤和岩石中 天然放射性核素含量较高如广东的阳江地区, 本底水平几乎是一般地区的 2 倍左右。 所谓天然放射 性核素是指那些 存在于自然 界中半衰 期较长的 铀、钍以及它 们的衰变 子 体。由于它存在于岩石、土壤和水中, 因此, 毫无疑问存在于所有的一次能源之中。煤中就有 大约 1μg/ g 的铀和 2μg/ g 的钍。煤在燃烧过程中, 煤中的放射性核素浓集聚于煤灰中, 因此 随着煤灰的排放, 放射性核素造成附近居民的附加照射。 所谓人工放射 性核素主要来自 于核能利用 过程中, 核电站 中的核 燃料在发 生裂变反 应 过程中产生大量人工放射性核素。如果这些放射性核素一旦泄漏出来, 会造成居民的附加照 射。 表 8. 6 给出了 联合国原子辐射 效应科学 委员会 1993 年报 告书中 关于世界 电离辐射 源 引起的照射。 表 8. 6　 世界电离辐射源引起的照射值 辐射源 自然本底

年受照剂量/ μSv 2400

天然矿物材料

20

核电站

0. 1

核武器试验落下的灰尘

0. 02

医用照射

300

　 　 放射性照射会使人出现驱体效应和遗传效应。驱体效应有早期效应和缓发效应两种。当 放射性照射剂 量大到一定的程 度, 人机体 中的细胞 严重损害, 甚至 被消灭, 表现 出许多临 床 症状甚至死亡, 这类早期 效应有时也称为 非随机效 应, 它 存在一定 阈值, 即在此 辐照剂量 阈 值之下不出现任何症状, 只有在超过阈值的情况下才出现临床症状, 并且其严重程度和照射 剂量成正比。辐 射的缓发效应的 发生概率和照 射剂量有 关, 其 效应严 重程度与 照射剂量 无 关, 并且不存在阈值, 常称为随机效应。它主要表现为各种致死的癌症。遗传效应是指发生 在受照个体的后代的效应, 它是由辐照引起两性生殖细胞的改变, 出现生育能力减退和死胎 可能性增加, 新生儿畸形, 儿童患病率增高。 根据核电站多 年的运行经验, 核电站在正 常运行 条件下释 放出的 放射性低 于同样功 率 的燃煤电厂排 出的放射性, 而且它不排出 燃煤电厂 排入环境 的二氧 化碳、二氧化硫、重金 属 和烟灰。但是一旦核电站发生超过它的设计基准事故的严重事故, 将会释放出大量放射性, 如苏联的切尔诺贝利核事故, 造成 31 人死亡, 估计在若干年, 会由于大剂量照射引起的缓发 效应, 事故死亡人数会有所增加。不考虑苏联核电站本身设计上的缺陷, 核电造成对人类的 ・ 32 5・

风险比常规能源如煤等对人的风险要小。实际上核电站发生此类超设计基准事故的概率通 常小于 10- 6 , 这种概率与人类遭天灾引起死亡的概率相当。

8．2　 能源生产和使用对环境的影响 8. 2. 1　 化石燃 料的生产 与使用 1． 开采 　 　 化石燃料包括煤炭、石油与天然气。煤炭的开采分露天开采和地下开采两种。地下开采 可 能会 引起 地面 的塌 陷, 矿 井水 排 出造 成 地面 水 的污 染。 据统 计 每开 采 1M t 煤造 成 2× 5

2

10 m 地表塌陷, 每开采 1t 煤排出矿井水 4. 36t。露天开采要占用大量土地和破坏生态。煤 炭开采过程中有大量的煤矸石排出, 不仅占用大量的土地, 而且煤矸石山的自燃将导致严重 的大气污染。全国已有煤矸石 980Mt , 每年排出矸石约为 75M t , 现有矸石山 750 座, 其中发 生自燃的有 193 座。石油和天然气开采分陆上和海上开采两种, 陆上开采占用大量土地和破 坏自然景观, 发生事故时可能引起石油泄漏使油田的环境污染。海上开采会导致近海或沿岸 的严重油污染。 2． 加工 煤炭加工主要是洗选加工。煤的洗选主要方法是用水将煤中灰分和含硫物去除, 提高煤 的品位。选煤过程产生大量的洗煤废水, 其中含有大量的悬浮物, 其 pH 值较低, 如果直接排 放对水源和土地有严重影响。近年来采用洗煤水贮存沉淀处理后复用, 使洗煤过程少排或不 排洗煤水, 提高煤粉回收率, 减少对环境的污染。 石油的炼制过 程除占地、用水之外, 它还排 出大量废 气、废 液和存 在火灾与 爆炸的危 险 性。 表 8. 7 给出一个供 1000M W 燃油电厂燃料油的炼油厂的废物排放量。 表 8. 7　 一个炼油厂( 可供 1000M W 发电厂的燃油需求量) 的废物排放量 大气排放物

排放量/ t

液态排放物( 1. 4× 108 t 废水中含有物)

排放量/ t

SOx

21 000

氯化物

24 000

有机化合物

23 000

油脂

600

NO x

18 000

硝氨

600

CO

4 300

磷酸盐

3

氨

2, 230

悬浮固体

2 000

溶解固体

100 000

微量金属( Cr, Pb, Zn, Cu)

22

3． 运输 由于煤炭和石油资源分布的特点, 我国的煤炭运输量占整个国家运力的很大部分。煤炭 运 输 量 1989 年 大 约 为 951. 2M t , 其 中 铁 路 运 输 占 66. 4% 、水 路 运 输 占 15. 3% 、公 路 占 18. 3% 。 大 量的 煤炭 运输 消 耗掉 相当 数量 的煤 炭, ( 约 70. 7M t 标 煤) , 仅 铁 路就 消耗 煤 炭 ・ 3 26 ・

20. 8M t , 另外煤炭运输还造成煤尘飞扬。估计铁路运输的损失率达 1. 0% - 1. 5% , 水路的损 失率为 2% - 3% 。 表 8. 8 给出 1989 年运输过程中污染物排放量。 表 8. 8　 1989 年煤炭运输中污染物排放量

单位: ( Mt )

铁　 　 路 污 染 物

公　 　 路 蒸汽机车

内燃机车

CO

0. 53

0. 029

0. 344

N Ox

0. 019

0. 080

0. 917

HC

0. 53

0. 0209

0. 891

SO 2

0. 224

0. 013

- -

T SP

2. 2

0. 062

- -

　 　 石油与天然气主要的运输方式是管道输送。它的环境影响相对较小。 4． 燃烧 化石燃料的燃烧是引起环境影响的主要环节。表 8. 9 给出了各种化石燃料电厂的排放 量比较。 表 8. 9　 1000M W 电站废气排放量 燃煤

燃油

燃气

核电站

2. 3× 10 4 t

460× 106 桶

1. 926× 10 10 m 3

27500t 矿石

　 氧化硫

1388

526．2

0. 03

0．1361

0

　 氧化氮

208．6

217．7

27

122．5

0

　 一氧化碳

5．22

0．0907

0

　 碳氢化合物

2．086

6．668

0

　 乙醛

0．544

1．179

0．07

0．3175

44．91

7．258

1．0

4．536

0

燃料的年消耗量 污染物释放量/ 10 7 kg

烟灰( 97. 5% 被去除)

0

10

放射性核素的年释放量/ 3．7× 10 Bq 　

226

R a( T 1/ 2 = 1620a)

0. 0172

0. 00015

　

228

R a ( T 1/ 2 = 5. 7a )

0. 0108

0. 00035

　

95

0

0

0

600( 压水堆)

　

131

0

0

0

0. 85

　 悬浮固体

497

497

　 H 2 SO4

82. 5

82. 5

　 氯化物

26. 3

26. 3

　 磷酸盐

41. 7

41. 7

　 　 硼

331

331

/

2

Kr +

133

Xe

I

0 0

其它废物( t / a ) :

　 铬酸盐 有机化合物 固体废物

66. 2

66. 2

3. 6× 10

5

9. 19× 103

・ 32 7・

　 　 化 石燃料发 电效率 仅为 30% - 40% , 大量废 热需要 通过 冷却水 排入 水或 大气中, 造 成 水源或大气的温度增加。一般情况下设计得当不会造成明显的热污染问题。

8. 2. 2　 核能生 产与利用 核能的生产和 利用包括整个核 燃料循 环: 铀 矿石开采, 加工, 浓 缩, 元 件制造, 反应堆 发 电, 后处理, 废物处理与处置等。这些环节中, 除类似于一般矿石开采、冶炼、化学分离等常规 工业对环境和生态的影响之外, 因为核燃料具有放射性, 使整个核燃料循环有不同于其它燃 料的特殊环境影响问题。但是因为核燃料能产生远大于煤炭的能 量, 一个 1000M W 的 发电 厂一年所需的核燃料仅约 1t , 而燃煤电站却要消耗 2. 3M t 煤。显然从整个核燃料循环考虑, 产生单位电能所排出的常规三废要远小于化石燃料电厂。 表 8. 10 给出一个 1000M W 核电站的整个核燃料循环所排放射性三废的量。表 8. 11 给 出一个 1000M W 核电站放射性排放量。 表 8. 10　 1000 MW 核电站整个燃料循环排放的三废量 污染物

核电站

单位: t 　

核燃料生产

气体扩散

元件制造

燃料后处理

废物处理

SO 2

43

9. 9

32

0. 03

N Ox

15

7. 9

9

0. 03

H C 化合物

1. 0

0. 08

0. 09

0. 02

CO

0. 4

0. 16

0. 21

0. 007

氟化物

0. 16

氯化物

26. 0

H 2 SO 4

6. 7

硝酸盐

0. 7

7. 4

氯化物

0. 4

5. 7

钠

5. 2

氨

2. 4

铁

0. 06

固体

60. 0

1400

37

0. 42

表 8. 11　 1000M W 核电站放射性排放量 堆型

惰性气体

氘

气溶胶

压水堆

7300

40

8. 5× 10-

沸水堆

2600

140

・ 3 28 ・

19

131

2

2. 5× 1062

C

不包括氙的废液

氚

6000

12

50

14000

11

200

14

I 2

单位: mCi/ a　

8. 2. 3　 可再生 能源的开 发利用 1. 水力开发利用 　 　 水力资源的开发主要用于常规水电厂和抽水蓄能电厂。这两种电厂都要建筑水坝以及 在水库中储存大量的水, 因此, 对库区和河流的流域生态环境有很大影响。主要影响是: 诱发 地震, 地质 滑坡, 泥 沙淤积, 破 坏水 生生物 生活 习性, 改变 自然 景观, 影响 局部 气 候, 淹没 土 地, 改变河流水文条件等一系列问题。 由于水库建设淹没河岸两侧耕地和村镇的移民问题。稍有不当会引起当地的社会问题。 我国的三峡工 程由于规模巨大, 对库区和 流域的生态 环境影响 远比国 内其它水 力开发项 目 更引人注目, 因此, 要采取更有效的措施充分重视, 认真对待。表 8. 12 给出了水力发电可能 造成的环境和生态影响。 表 8. 12　 水力发电的可能环境影响 物理子系统

生物子系统

人类子系统

1． 水文系统

1． 水生生态系统

1． 生产系统

　 ( 1) 水量

　

( 1) 水底生物

　

( 1) 农业

　 　 　 水位

　

( 2) 浮游动物

　

( 2) 渔业与狩猎

　 　 　 排放

　

( 3) 浮游植物

　

( 3) 野生动物

　 　 　 流速

　

( 4) 鱼类及脊椎动物

　

( 4) 休养地

　 　 　 地下水

　

( 5) 植物

　

( 5) 能源

　 　 　 损耗

2． 陆上生态系统

　

( 6) 运输业

　 ( 2) 水质

　

( 1) 淹没土地及植被

　

( 7) 制造业

　 　 　 沉淀物

　

( 2) 回水区

2． 社会文化系统

　 　 　 养分

　

( 3) 高水位以上地带

　

( 1) 居民迁移

　 　 　 混浊度

　

( 4) 事故影响

　

( 2) 社会成本

　 　 　 含盐量及碱性

　

( 5) 动物栖息地的破坏

　

( 3) 政治影响

　 　 　 温度分层

　

( 6) 食物链反应

　

( 4) 人类学影响

2． 大气系统

3． 疾病因子

　 ( 1) 蒸发 　 ( 2) 小气候 3． 地壳系统 　 ( 1) 地质( 土壤、矿物、地层构造) 　 ( 2) 地震

　 　 表 8. 13 给出我国已建水电站和三峡工程淹没和移民情况。由表可知, 三峡工程移民和 淹没土地面积是很大的, 但单位装机淹没和移民比平均值低。 ・ 32 9・

表 8．13　 我国已建水电站和三峡工程淹没和移民情况( 1991 年) 总装机

年发电量

容量 / MW

/ 10 kW・h

已建水电站 37900 三峡工程

8

17680

总淹没 面积 / 10 2 km 2

单位装机

单位发电量

移民 4

/ 10 人

淹没 4

2

移民

/ 10 m / M W

/ 人/ M W

淹没

移民

104 m 2 / 106

( 人/ 106

kW ・h

kW ・ h )

1250

46. 25

465

12. 2

122. 7

3. 7

37. 2

840

2. 38

113

1. 34

63. 9

0. 28

13. 45

2. 地热能开发利用 地热能 利用的环 境影响 主要是因 为地热的 利用 效率低, 约 为 15% , 以致 冷却水 需要 量 大, 热污染比较严重。利用冷却塔可避免接纳水体的热污染, 但冷却塔排出的废蒸汽和废水 中可能含有 H 2 S 等有毒气体。此外, 过剩的含有硼和氨等污染物而不能复用的冷却水 注入 地下可能会诱发地震。过度的开采地下热水, 还会引起地面的沉降。 3. 太阳能利用 利用太 阳能对环 境影响 较小, 可以减少 化石燃 料消费及 其相应的 污染问 题, 它 不产 生 气态、液态或固体废物。利用太阳能发电需要占用大量的土地。制造太阳能设备过程中所排 出的污染物和在安装过程中对工作人员造成的风险是不可忽视的问题。 4. 风能利用 风力的应用对 生态环境影响不 大, 主要是 风力机 械的布置 对自然 景观的影 响和对鸟 类 栖息的影响。 5. 生物质能 生物质能的利用通常或是直接燃烧, 或经过一定的工艺过程制成醇类( 甲醇与乙醇) 、沼 气。不论哪一种开发利用方式都对环境产生一定的影响。主要是森林植被的破坏, 水土流失 等生态环境影响。当然, 沼气的利用对农村地区的环境有利。 6. 海洋能 海洋能的利用对环境影响是很小的。

8．3　 我国的环境政策 8. 3. 1　 环境法 规体系 　 　 环境保护实质上是对社会公共资源的管理。这种管理是依靠国家制定的法律、主管当局 的法规、命令以及各种技术标准构成的环境保护法律体系来实现的。了解相关的环境保护法 规体系是在能源规划中考虑环境因素和进行环境影响评价的必要条件。 中国的环境保护法律体系由宪法、环境保护法、环境保护的行政法规、环保部门的规章、 ・ 3 30 ・

地方法规与规章、环境标准以及国际环境保护条约构成。 宪法是国家的根本大法, 它是所有环境保护法律的基础和核心。环境保护法是由全国人 民代表大会及其常务委员会制定的, 现已有水污染防治法、大气污染防治法、水法等。环境保 护的 行政法 规是 由国务 院制 定或 批准的, 像 征收 排污费 暂行 办法、水产 资源 繁殖保 护条 件 等。国务院有关部门也制定一些将国家法律、法规加以具体化, 以适应本部门环境管理工作 的需要、不与国家的法 律和法规矛盾或 抵触的规章, 如电力 部颁布 的《火电建设 项目环境 保 护管理办法》。 与国家的法律、法规相应, 各省市人民代表大会和政府主管部门也制定一些与环境保护 有关的规范性文件, 称为地方环境保护法规。 环境标 准是确定 合法与 违法的界 线, 是 环境法 规体系的 有机组成 部分, 它有国 家标 准 与地方标准两级。标准从内容上可分环境质量标准、污染物排放标准、环保仪器、设备标准以 及测量方法等。

8. 3. 2　 环境政 策 环境政策包括国内环境政策和国际环境政策。国内环境政策是有关国内环境保护工作 的路线、方针和原则。国际 环境政策是有关 国际环 境事务, 全球环 境问题 的立场、对策和 态 度。 1983 年国务院宣布 了环境保护是我 国的一项基本国 策。同时制定了经 济建设、城 乡建 设与环境建设同步发展的战略方针。形成了我国环境保护的 3 大政策, 即预防为主, 谁污染 谁治理, 强化管理的 政策体系, 并且充分肯定 了建设项目 环境影响 评价的“三同 步”, 排污 收 费三项管理制度。1989 年我国推出了强化环境管理等 5 项制度, 即环境保护目标责任制, 城 市环境综合整治定量考核制; 排放污染物许可证制, 污染集中控制和污染源限期治理。 1. “三同步、三统一” 所谓“三同步、三统一”是经济建设、城乡建设和环境建设要同步规划, 同步实施, 同步发 展, 实现经济效益、社会效益、环境效益的统一。它是在总结了国内外经济社会发展和环境保 护经验教训得出来的, 也是我国环境保护工作的总指导思想和战略方针。只有按照此指导思 想实施环境保护工作才能保证经济社会的持续、稳定、协调的发展。保护环境与生态的关键 是要正确处理 发展与环境之间 的对立统一关系, 采取 符合生态 规律和 经济规律 的正确发 展 方式。同步发展兼顾了眼前和长远利益、局部利益和整体利益, 也使社会经济持续发展过程 中环境得到保护, 使经济效益、社会效益、环境效益统一。 2. 预防为主 “预 防为主 ”是指在 社会 经济发 展的 同时 采取积 极主 动的防 治措 施, 避免“先污 染后 治 理”这种消极被动的情况发生。它是环境政策体系的主要组成部分。环境破坏后进行治理往 往是十分困难的, 有的甚至是不可能完全恢复, 治理花费的代价十分大。在世界上一些工业 发达国家都经历过这样的先污染后治理的过程。我国在建国初期也出现这样先污染后处理 的状况。总结了国内外环境保护方面的经验教训, 制定的“预防为主”和其相应的“全面规划 合 理布局”,“预 防为主、防治结合、综合整治”基本环保政 策, 实 质上也 是“同 步发展”总指 导 ・ 33 1・

思想的具体化。 “预防 为主”基 本政策 的具 体实 施规 定有: 将 环境 保 护纳 入国 民经 济和 社 会发 展的 计 划, 纳 入国土规划和城市 发展规划及各项 生产建设 规划; 加强对新 污染源 的管理, 实行建 设 项目环境影响报告书审批制度; 对环境有不良影响 的建设项目执行污 染治理设施与主 体工 程同时 设计、同时施工、同 时投产或 使用的三 同时制 度; 对 污染集中、严 重的城市 实行环 境 综合整治等等。 3. 谁污染谁治理 “谁污染谁治理”即由污染或破坏环境的单位和个人承担治理和补偿的责任和义务。它 既明确了污染的责任, 也解决了污染治理的资金筹集。 “谁污染谁治理”的政策强调了污染者 必须担负起污染环境的社会责任和经济责任。国家实行征收排污费的制度是将征集的排污 费用于重点污染源的治理和区域性集中控制。除了征收排污费之外, 还要求企业加速技术改 造, 进 行产业、产 品调整, 降 低能耗和资源消 耗, 进行资源 和能源的 综合利 用, 对 污染严重 者 进行限期处理。 与“谁污染谁治理”政策并行, 对开发建设者实行“谁开发谁保护”的政策。这是要求在开 发利用的同时, 保护增殖资源和保护与恢复生态环境, 这也是环境保护基本政策之一。 4. “强化环境管理” “强化环境管理”是环境保护的基本政策之一。我国的许多环境问题是由于管理不善造 成的。通过加强管理, 利用法制的、行政的、经济的各种强化措施来实施, 使环境保护问题的 解决花钱少、效果好。 1989 年国家 又推出了 环境保 护目标责 任制, 城市环 境综 合整治 定量 考核 制, 排 放污 染 物许可证制, 污染集中控制和污染源限期治理等具体化强化管理制度。 ( 1) 环境保护责任制 它有两 种类型: 一是确 定政府 任期的环 境目标 和任务, 逐级签 订责任 书, 层层分 解, 指 标逐 级下 达; 二 是政 府与 环境 保护 局 直接 与企 业 签订 责 任书 或 实行 环 境 保护 指 标及 任 务 承包。 ( 2) 城市环境综合整治定量考核 国家对重点城市进行环境综合整治的定量考核, 范围包括大气、水、噪声控制、固体废弃 物综合利用和处理以及城市绿化 5 个方面。也要求各省、自治区、直辖市进行类似的考核。 ( 3) 排放污染物许可证制度 它是借鉴了发达国家的经验和推动总量控制实施的一种环境管理制度。它包括下述四 个内容: ① 排 污申报登 记; ②确定污 染物总量 控制目 标和分配 总量, 削减指 标; ③ 审批发 放 排污许可证; ④监督检查执行情况。 ( 4) 污染集中控制 污染集中控制指集中供热、污水集中处理、固体废物集中处理与处置等工程技术措施和 配套的管理体制, 集中控制三废污染。它在改善环境质量, 提高污染防治的经济效益方面有 显著的优势。 ( 5) 污染源限期治理 ・ 3 32 ・

它是计划管理和环境保护法制相结合的产物。国家或地方当局指令性的下达一批限期 治理项目, 集中了必要的技术力量和资金, 治理了一大批污染严重, 危害大的污染源, 收到了 良好的效果。

8．4　 环境影响评价 8. 4. 1　 环境影 响评价分 类 　 　 环境影响评价分为单项建设项目环境影响评价和区域环境评价两大类。单项建设项目 环境影响评价工作具有比较明确的目的, 它根据建设项目的设计资料进行环境影响评价; 预 测建设项目可能对环境造成的近期或远期影响; 对三废处理设施和其它环境措施进行评价; 论证其厂址的适宜性, 技术的可行性及经济的合理性, 以及对环境有害影响最小等。 区域环境影响评价主要用于制定地区或城市社会经济发展规划。考虑相应的社会发展 规划中可能出现的环境问题, 提出功能分区、工业布局与防治环境污染的相应对策。为此要 调查地区或城市的环境现状和研究该地区的大气扩散规律和水流的自净能力。为政府有关 部门在制定持续协调的经济发展规划和合理布局提供科学依据。

8. 4. 2　 环境影 响评价的 原则和内容 1. 原则 　 　 环境影响评价工作应该是科学的、综合的、实用的和多方案的。它必须客观地、实事求是 地进行。不论是单个建设项目还是区域性的规划都是和集团或个人的各种利益有关。在进 行评价过程中 必须以国家的、人类的、长远的总 体利益为 前提, 排除受 集团或个 人的局部 利 益的影响和干扰。以客观的地质、气象、水文、生物、经济、社会资料为基础, 利用已有的经验 和方法, 对整个环境和有关环境要素过程进行分析评价。 在分析中还要注意环境影响的特征, 避免孤立的、片面的、僵化地分析环境影响, 只有如 此的环境影响评价结果才是可信和有实际意义的, 可用于决策参考和依据。 2. 环境影响评价的内容 图 8. 8 给出了环境影响评价技术工程程序。由图可知, 评价工作首先是识别, 即分析工 程项目对该地区带来的各种污染源的情况以及调查该地区的环境现状; 其次是预测, 即预计 工程各项污染源造成所在地区环境污染的情况; 最后进行评价, 即将预计的污染情况与国家 有关允许标准进行比较提出评价和对策建议。 ( 1) 环境影响的识别 首先是对项目的工程分析, 内容主要有: ① 生产操作过程 利用生产流程图分析各工况下, 各种废弃物排放方式、次数、时间和排放量。根据物料平 衡图测算出各种废弃物的组分与浓度。例如, 对于火电厂分析在锅炉内燃绕过程中的烟气排 放和灰渣, 冷却水以及随之排放的废热进入环境的情况等; ② 燃料或原料处理过程 ・ 33 3・

图 8. 8　 环境影响评价技术工作程序

・ 3 34 ・

分析它 们的装卸、运输、预 处理、储存过程 中, 各 种废弃 物的排放 形式、数 量和组 分, 例 如, 对火电厂煤的运输过程中粉尘的产生量, 贮运场地在雨水浸泡后微量或有害元素的浸出 量等; ③ 产品的运输过程 应分析在此过程中可能产生的污染物及其数量。例如, 火电厂需 分析输变电系统 对景 观与占地等情况。 ④ 废弃物的处理与控制 分析工程在采 取废弃物处理的 控制措施 后, 最 终排入环 境的数 量和组成, 例如, 对于 火 电厂应着重分 析灰场冲灰水的 净化复用和冲 灰水的排 放, 以 及烟气 除尘、脱硫、粉煤灰综 合 利用后最终排入水体、大气中的污染物种类和数量。 ⑤ 事故预测 根据类似项目的运行经济, 分析判断可能发 生事故的工艺过程、设备, 确定有潜在 危险 的物品的位置 和数量, 并 分析其导致事故 的原因、发生几 率及可能 采取的 防范措施, 预测 事 故后果。 对于 区域规 划的 综合分 析应 着重 在区域 内污 染源及 污染 物排 放种类、数 量、分 布的 现 状, 预测土地利用、人口现状与发展趋势, 基础设施的现状与今后发展状况。 识别环境影响的第二步是环境质量现状的描述。受影响范围( 评价区域) 内环境质量现 状和评估是评价项目或区域评价的基准。需描述的内容包括: 地理环境, 大气环境, 水环境, 噪声, 固体废弃物, 环境辐射本底, 土壤和地质条件, 土壤中有毒, 有害物质水平, 土地利用情 况, 能源与自然资源的开发利用状况等。 识别环境影响的第三步是识别发生改变的环境因子。周到地考虑各项行为或活动对环 境因子的影响是识别环境影响关键的一步。它包括由污染效应引起大气、水体、土壤、植被、 野生生物、水生生物等因 子的改变, 对能源和 自然资源、自然 景观、土地利 用、社 会经济等 环 境因子的改变。 ( 2) 环境影响预测 环境影响预测的任务是事先估计由拟议中的行动或活动产生的环境因子改变的量和空 间范围以及环境因子变化在不同时间阶段发生的可能性。对于大气和水体影响的预测, 由于 模型较成熟可以得到定量的结果, 而土壤和生态影响难以定量, 至于文化、景观和社会、经济 的预测, 目前主要依靠专家的经验和历史趋势外推。 ( 3) 环境影响评价 评价工作是在 环境影响识别、预测的基础 上根据 国家规范 与标准 进行评价 和作出合 理 的解释。在实际实施评价时, 先对单一环境因子的预测结果与现状和国家标准比较判断, 同 时确定发生显著影响的时间、时间范围和区分其是否可逆, 其次再综合各单一环境因子的影 响并全面评价, 这时要考虑到各种环境因子对环境的作用大小而加以权重。最后, 提出消除 或减轻影响的措施、或提出替代方案, 在条件允许的情况下, 通过环境经济分析以社会、经济 和环境总体效 益最优为判据对 不同工程方案、不同消 除或减轻 环绕影 响的治理 措施进行 选 择决策。 ( 4) 环境影响的监测和评价验证 根据评价结论 建立相应的环境 影响监测计 划, 以 便对受影 响的环 境因子加 以监视和 调 ・ 33 5・

查。一方面验证评价, 另一方面可不断改善评价 水平, 也还 可以及时发现问 题, 采取措 施避 免产生不良后果。

8. 4. 3　 环境影 响评价方 法 1. 评价方法简介 　 　 环境是一个包罗万象的大系统, 这个系统是一个多变量、多目标、多层次的复杂体系。对 这样的一个系 统必须用全面的、互相联系 和发展的观 点进行定 量化的 研究才能 有正确的 决 策, 才能找到最优方案。近年来人们根据对环境中污染物在环境介质中传播、输运、扩散的研 究建立了形形色色的定量模型, 可以用它们来研究某些环境因子的变化。例如常用的大气传 输模式、水体水质模式等。这些模式都是在对复杂系统做了很多简化假设的基础上获得的, 模式所需的参 数往往很多, 有时难以获取, 相当 多的假设, 使所 得的结 果存在相 当大的不 确 定性。尽管如此, 这些定量模式还是能够给出对某环境因子影响的大小范围, 并能揭示影响 大小的变化规律, 因此仍然得到广泛的应用。 定量模型按原理的不同可以分为 3 种类型: ( 1) 数学模型 数学模型是用一系列数学关系式表达环境中各因子之间的关系和相互作用。 ( 2) 物理模型 当系统 或研究对 象过于 复杂, 建立数学 模型存 在一定的 困难时, 可以 把它的实 际环 境 条件按比例缩小和简化成一个实物模型进行研究。例如, 在水库泥沙问题研究中, 常按比例 缩小, 在实验室中做模拟实验, 研究其泥沙运动规律; 在大气污染研究中, 通过风洞实验研究 复杂地形和厂房布置对污染物在大气中的传输进行研究。 ( 3) 相似模型 应用电 学或机械 学原理 对一个系 统进行相 似性模 拟, 这 样的模拟 是具有 一定的 限制, 必须要在其限制条件下使用。 在上述 3 类定量模型中最为经济方便的是数学模型。在环境影响评价问题中所用的一 种数学模型, 是根据输入－输出关系建立起来的反映有关因素间的笼 统的、直 观的因果关系。 它建立在有关 因素存在因果关 系的前提下, 通过对大 量实测资 料统计 处理后在 各种活动 和 环境后果之间建立起来的统计关系。如果确认建立的统计关系所用的历史数据可以反映未 来的趋势, 则可以利用此统计关系来预测环境的变化。如果不满足上述条件, 利用此关系来 预测环境就有相当的误差, 可信度较差。这一类模型不涉及环境变化的过程, 只依靠一定实 测数据。有人称其为黑箱模型。 在环境影响评价中, 另一种数学模型是基于对所研究的环境要素或过程有一定的了解, 它既反映 活动与环境后果 之间直接的因果 关系, 而且 也在一定 程度上 ( 即受 一定的 限制) 表 示过程的状态。人们称这类模型是灰箱模型, 它是介乎于黑箱和白箱模型间的一种模型( 白 箱模型是一种既能反映输入、输出间关系, 也能反映过程状态的模型) 。常见的研究空气污染 的高斯烟流模型和研究水体污染的水质模型都是属于此列。灰箱模型在使用过程中有 3 个 步骤, 一是结构识别, 选择适合于 具体研究对 象的模型; 二是 参数识 别, 确 定模型各 参数; 三 是预测计算。下面介绍常用的大气传输高斯模式。 ・ 3 36 ・

公式( 8. 1) 给出单一 污染点源连续排 放某污染物在 ｉ 方向上离源 X 处的该 污染物地 面 浓度: 6

C ｉ( X ) =

QN 2/ π 2πX ∑ j= 1

- H2 exp 2 2σz j ( X ) σz j ( X )

M

∑ m= 1

P ｉj m ujm

( 8. 1)

式中　 C ｉ ( X ) —— 在 ｉ 方向上离源点 X 距离处的污染物地面浓度; Q —— 污染物释放源强; N —— 所分的方位数, N = 16; H —— 污染源的有效源高; σz j ( X ) —— 在 j 类大气稳定度条件下, 烟云在 X 距离时的垂直扩散参数; u j m —— 在 j 类大气稳定条件下, 第 m 风速等级的平均风速; P ｉj m —— 在 ｉ 风向上出现 j 类天气条件, 第 m 风速级的天气的频率。 知道了污染源的释放源强和天气参数就可以按上式计算出周围的污染物地面浓度。在 实际应用中还要根据污染源的分布、种类、地形与气象条件对( 8－1) 式进行许多订正与修改。 在实际环境评 价工作中, 不论何种数学 模型都 需经过模 型的推 导, 标 定验证, 模型应 用 和灵敏度、误差分析等过程。这些过程是必要的, 不能随意省略。模型推导实际上是指评价 人员根据评价 任务、对象、具体条 件等在已有通 用模型中 选择或自 行推导 适宜的模 型; 模 型 的标定验证是 利用实际观察值 对模型做必要的 参数调整, 使计 算值与 观察值保 持较好的 一 致性。在模型标定后要用另外的观察数据进行验证, 只要二者符合得较好, 模型才能应用于 实际。模型要在完成标定、验证之后才应用于实际环境影响评价; 灵敏度分析和误差分析是 估计模型基本参数和输入参数的相对重要性以及分析结果的误差范围。通过这种分析找出 敏感 参数、结果 的误 差来源, 可 改进 数据获 得和 使评价 人员 能够 预计影 响的 准确性 和可 信 度。 显然定量方法的评价结果可用于对策分析和经济效益分析, 便于决策人员判断, 以及采 取相应防治处理。这是其它评价方法所不及的。但是一种定量模型, 如大气扩散模型、水质 模型等只能研 究某一个特定环 境因子的变化影 响, 若 所研究评 价的行 动涉及许 多方面的 环 境要求、因子的影响, 可以采用矩阵法和层次分析法结合专家咨询法加以综合评价。 2. 大气传输高斯模型的应用实例 某城市能源消 费以煤为主, 应用于工 业、交通、民用、发电等部 门, 消费的地 点遍布全 市 各区, 因此, 煤 炭消费排出的污 染源遍布各区。 由于各部 门用能设 备不同, 污染 源的高度 不 同, 可归纳为 3 类: 高烟囱点源、建筑物源和面源。 为了计算该市 大气环境的现状 和对未来的 城市大气 环境进行 预测, 采用高 斯烟云弥 散 模型计算污染物在各区的平均地面浓度。为了计算多污染源情况下多接收点的浓度, 开发了 L E E CM 程序, 可计算上述三类污染源。 高烟囱点源和建筑物源的计算公式一样, 按下式 C l ( r , θ) =

Qｉ, k, l f ｉ, j , k , l 2K S ( θ) V ｉ, k, l exp ∑ 2 rΔθｉ, j , k U ｉ( H ｉ, k, l ) σz ｉ, k, l

ψr U ｉ ( H ｉ, k, l )

　 　 面源计算公式如下: ・ 33 7・

ｎ

2K Q ｉ, k, l f ｉ, j , k, l σ′ E ｉ, k ( 1 + r ) + h ln V ｉ, k, l ∑ E ｉ, k σ′ E ｉ, k + h 2 x 0 y 0 ｉ, j , k U ｉ ( H ｉ, k, l ) σ′

Cl ( r , θ) =

式中　 ｉ—— 风速分类等级; j —— 风向方位; k —— 稳定度类别; l —— 季节; r —— 从排放源到计算点的距离; θ—— 从正北方向按顺时针方向计的弥散方位角, 以弧度计; K —— 把计算浓度的单位转换成所需单位的换算系数; Q —— 污染物发射率; U ｉ( H ) —— 烟流稳定高度处的平均风速; σz —— 下风向垂直浓度分布的标准差; ψ—— 沉降冲洗系数; f —— 天气稳定度类出现的频率; σ′ E —— 垂直风向角或垂直湍流强度的标准差, 用弧度表示; h —— 面源的特征高度; S ( θ) —— 光滑函数; V —— 垂直项, 高烟囱点源、建筑物源和面源的垂直项的表达式是不同的。 该程序最多允许 14 000 个发射源, 最多可对 1 800 个接收点进行浓度计算。计算点是网 格的交叉点或一些给定的特殊点。 上述两公式是( 8．1) 式的修正。 4

哈尔滨市 1985 年共消费煤炭 475× 10 t , 消费的分布如表 8. 14 所示。由表可知, 供热小 炉灶和炊事及热水用煤约占总用煤量的 11. 5% 。 表 8. 14　 哈尔滨 1985 年煤炭消费分布 用 户 分

单位: 10 4 t

动力

香坊

太平

道里

道外

南岗

合计

22. 92

52. 15

69. 56

28. 67

36. 67

29. 70

239. 67

1. 09

1. 99

类

工业 供 区域锅炉 　 热 分散锅炉 小炉灶

0. 9 13. 7

13. 7

13. 7

22. 9

16. 0

22. 9

103

1

4. 6

7

8

7

7. 4

35

炊事与热水

2

2

2. 5

5

4

4. 5

20

交通运输＊ 3

2

2

2

1. 5

1

1. 5

10

　 化工自备电厂 　 哈热电厂

13

13

36

36

　 哈发电厂 　 哈三电厂 煤气厂 合计

・ 3 38 ・

16．8 78. 52

87. 45

94. 76

82. 87

16．8 64. 67

67. 1

475. 46

　 　 该市有 17 个环境监测点, 由监测点测知 1985 年该市各区的环境质量。采用上述计算公 式对 1985 年燃煤产生的各种污染物造成各区地面浓度进行了计算。计算结果与环境监测数 据相校核, 基本相符, 说明上述模式可信。表 8. 15 列出了各区的 SO 2 地面浓度。由表可知, 供暖小火炉和炊事热水用煤对地面浓度的贡献高达总量的 60% - 70% 。 表 8．15　 哈尔滨 1985 年冬季 SO 2 地面污染浓度分布及分担份额 单位: mg / m 3 用 户 分

道外

道里

南岗

动力

香坊

太平

0. 023

0. 011

0. 012

0. 016

0. 024

0. 027

6. 87%

9. 85%

10. 0%

20. 0%

32. 0%

18. 5%

0. 002

0. 002

0. 003

< 0. 001

0. 002

0. 003

0. 56%

1. 34%

2. 61%

1. 11%

2. 7%

1. 8%

0. 034

0. 010

0. 011

0. 011

0. 012

0. 017

9. 78%

8. 41%

9. 12%

13. 7%

16. 8%

11. 7%

0. 195

0. 019

0. 049

0. 034

0. 019

0. 077

57. 9%

17. 0%

40. 1%

43. 4%

26. 4%

58. 2%

0. 083

0. 071

0. 046

0. 016

0. 014

0. 020

24. 5%

62. 0%

37. 2%

20. 8%

19. 3%

14. 0%

< 0. 001

0. 001

0. 001

< 0. 001

0. 002

0. 002

1. 26%

0. 96%

1. 0%

2. 4%

1. 12%

< 0. 001

< 0. 001

类

工业 交通 分散锅炉 小火炉 炊事 能源工业

0. 18% 区域供热 合计

< 0. 001

< 0. 001

< 0. 001

0. 02%

0. 056%

0. 022%

0. 01%

0. 015%

0. 02%

0. 339

0. 114

0. 122

0. 076

0. 073

0. 146

100% 环境质量等级( 注)

< 0. 001

Ⅲ

100% Ⅲ

100% Ⅲ

100%

100%

Ⅱ

Ⅱ

100% Ⅲ

　 　 注 : 环 境质量 等级 是按国 家标准 规定 的 SO 2 年 均浓 度三类 推导得 到季 均浓度 等级 划分。

随着该市经济发展, 煤炭消费量增加, 预计到 2000 年将增加一倍多。鉴于 1985 年的计 算结果, 建议在民用部门加强优质燃料供应, 炊事煤气化, 供暖动力化, 大量减少小火炉和分 散锅炉的数量, 从而减少污染。图 8. 9 给出 1985 年与 2000 年( 4 个煤炭预测方案) SO 2 在各

图 8．9　 S O2 浓度空间分布( 1985 年与 2000 年 4 个方案比较)

・ 33 9・

区的浓度分布。图 8. 10 和图 8. 11 分别给出 1985 年和 2000 年各用 煤部门 对各区 SO 2 浓 度 的分担率。由图 8. 9 可知, 由于在民用部门采取了有效的措施, 到 2000 年虽然煤炭消费量增 加一倍多, 但 SO 2 的地面浓度增加不多, 有个别区还有所下降。污染浓度的分担率各部门有 很大的变化, 民用部门大幅度下降, 工业部门大幅度增加。预示 2000 年后应在工业部门采取 减排污染物的措施。

图 8．10　 1985 年哈尔滨各煤炭消费用户对 SO 2 浓度的分担率

图 8．11　 2000 年哈尔滨市各煤炭消费用户对 SO 2 浓度的分担率

8．5　 环境与健康风险评价与管理 8. 5. 1　 风险评 价与判断 　 　 环 境影响评 价有时 尚不足以 决策一个 项目是 否可以实 施, 例 如, 比较一个 核电站和 火 电站仅 进行一般 环境 影响评 价, 则可 比较各 种电 站污 染物的 排放, 由 表 8. 9, 表 8. 10 和 表 8. 11 可以看出核电站在正 常运行下对环境 污染低于煤电站, 但人们关 心的往往是核电 站事 故后、特别是严重事故后的环境后果, 认为它后果严重, 不安全, 从而反对建造核电站。事实 ・ 3 40 ・

上, 考虑后果 只是一个 方面, 另一方 面还应考 虑出现 这种事故 的概率 有多大, 因此, 需要 进 行风险评价。 环境和健康风 险是指项目发生 事故后的环 境与健康 后果与它 发生事 故的概率 乘积, 可 用式( 8．2) 表示: R = PC

( 8. 2)

式中　 R —— 风险值; P —— 事件发生的概率; C —— 事件发生后的后果。 风险值 的判断, 可分为 3 个等 级: R s 可 接受风 险, 如果项 目处 于此等 级认 为是 安全, 可接 受 的; R 0 不可接受风险, 如果项目 处于此等级, 则不安 全, 应 放弃; R s < R < R 0 待减少 的风险, 如果处于此等级, 则认为风险较大, 应采取措施降低风险值, 并对此进行代价利益分析, 以权 衡利弊, 才能作出决策。 究竟多大的风险值定为 R 0 或 R s , 通常是采用调查的方法来确定。社会的实际风险值是 来自自然因素 和人类已有的活 动引起的 风险值的 总和, 以它作 参数来确 定 R 0 和 R s 值的 具 体数值。一些国家已试图以 R s 值作为其安全目标。 图 8. 12 和图 8. 13 给出个人和群体健康风险情况。由图可知 - 8

- 8

个人风险: 可接受风险值 R s = P sC= 10 × 1= 10 - 6

不可接受风险值 R 0 = P 0 C= 10 × 1= 10

图 8．12　 个人风险

- 6

图 8．13　 群体风险 - 5

- 5

　 　 群体风险: 可接受风险值　 R s= 10 × 1= 10 - 9

- 7

R s= 10 × 100= 10 - 8

- 8

不可接受风险值 R s= 10 × 1= 10

- 9 R s= 10 × 1000= 10

6

这些数值表明 个人风险值要低 于群体风险 值, 而 群体风险 值中大 事故允许 频率低于 小 事故允许频率。 ・ 34 1・

表 8. 16 给出美国某些事件所致个体年平均死亡危险。由表可知汽车驾驶造成个体死亡 率是很高的。 表 8. 16　 美国不同原因所致个体年平均死亡危险 原　 　 因

年死亡危险

汽车驾驶　

2．5× 10-

偶然跌落　

1× 10-

火　 　 灾　

原　 　 因

年死亡危险

触　 　 电

6× 10 -

6

4

雷　 　 击

5× 10 -

7

4× 10-

5

龙 卷 风

4× 10 -

7

溺　 　 水　

3× 10-

5

天然照射( 全身受 1mSv/ a)

乘飞机旅行

1× 10-

5

受照射 5mSv / a

4

1．2× 106× 10 -

5

5

8. 5. 2　 风险的 鉴别与确 定 对具体的项目和活动估计其风险, 首先要确定所讨论的风险的边界条件, 即要明确讨论 风险指的是在 何种范围内的风 险, 是全社 会或是一 个区域; 还是一 个具体 项目, 例如核电 站 或煤电站, 还是整个燃料循环系统, 即核燃料循环系统, 包括铀矿开采、核燃料制备, 核电站, 核废料处理等, 或是煤燃 料系统, 包括煤矿 开采、煤炭洗选、运输、煤 电站、三废处理 等; 是 对 现场工作人员还是对周围公众等。总括起来有如下边界需给出: 系统的边界、人口边界、时空 边界、健康边界、生态边界等。 1. 风险的后果 通过边界的明确, 风险研究对象也随之被确定了, 从而可对确定的对象分析和鉴别其危 害环境和健康的种类、特点与性质和途径, 并确定其后果。 对于具体项目可分析其污染源项和影响途径, 通过调查统计或计算其后果。但定量确定 后果大小往往是很困难的, 例如有些有毒、有害化学物质对环境和健康的定量危害往往缺乏 数据, 存在着很大的不确定性, 需根据具体情况逐项分析。 2. 发生概率 对一个项目或一种行动, 它的正常运行过程对环境和人体健康不必考虑其发生概率。但 对其在运行过程中出现影响环境与健康的事件或事故, 特别是严重事故( 如表 8. 17 所示) 需 考虑其概率。概率的大小可以根据已有运行和使用经验的数据给出。也可以借助可靠性工 表 8．17　 不同能源潜在的严重事故种类 能　 源

事　 故　 说　 明

煤

地下煤矿发生爆炸或火灾, 地下或露天煤矿冒顶或倒塌, 尾矿坝倒塌, 运输车辆事故

石油/ 天然气

海上井 台事故, 泄漏和工艺装置故 障所引起的火灾或爆炸, 井 喷并引起泄漏, 运输事

　

故并引起火灾或爆炸, 储存场内所存燃料的流失并引起火灾或爆炸

核能

失去冷却水和堆熔化, 高放废物运输中的事故

水电

坝的断裂或淹没

地热能

井喷并引起毒气释放

太阳热能

有毒作业流体的释放

・ 3 42 ・

程原理的 事件树及故障树 分析方法, 对项目中系统或 工艺过程 中的基 本元件( 或设 备) 已 有 的失效或故障数据和元件间的逻辑关系, 推导出其发生概率。

8. 5. 3　 风险的 分析 风险值通常以造成的人口死亡数或者丧失劳动力小时数或损失的货币数作为度量。不 同系统和行动风险的比较需要在统一的度量下进行。 图 8. 14 给出两种不同能源系统造成的风险分析。图中曲线 A 和 B 的风险值相同( 以曲 线面积表示, 但曲线 A 出现大后果的事故概率比 B 大, 因此大多数人愿意选能源系统 B 。

图 8. 14　 两种不同能源系统造成的风险分布

表 8. 18 给出国外有 关不同能源系统 发电( 未 包括严重 事故引 起的风险 ) 引 起的职业 和 公众死亡风 险。表中即发风险指 事故当时引起 的死亡人 数, 迟 发风险 指延迟引 起的死亡 人 数。由表可知煤燃料循环系统风险值最高。 表 8. 18　 不同能源系统的死亡率总结 单位: 死亡人数/× 10 3 M W ・ a 　 能　 源

职　 　 业 即　 发

公　 　 众 即　 发 a

迟　 发

煤

0. 4- 3. 2b

0. 13- 1. 1c

　 石油

0. 16- 1. 7c 0. 20- 0. 85g

0. 02- 0. 15f

　 天然气

0. 22- 1. 35h 0. 10- 0. 5g

　 核能

0. 17- 1. 0h 0. 09- 0. 5b

( 轻水堆)

0. 07- 0. 4c

0. 1- 1. 0

迟　 发 2. 0- 6. 0d 　

0. 001- 0. 1

2. 0- 6. 0d

　 0. 2

　 0. 004- 0. 2d

0. 13- 0. 37

　 0. 001- 0. 01

　 0. 005- 0. 2

0. 07- 0. 33c

　

b

　

　 注 : 除 另有 规定 外, 常规 热 循环 包括 : 开 采、加工 、运输 、电 厂建 造和 运 行; 核能 循 环则 包 括: 提 取、矿 石加 工、U F 6 转 换、浓 缩、燃料元 件制 造、运输、核 电厂建 造和运 行、燃料 后处 理和废 物处置 。未 包括严 重事 故所引 起的 风险。 　 a. 适用 于运输 为主 要风险 因素 ; 　 　 　 　 　 e. 适用 于地 面采矿 ; 　 b. 适用 于地 下采矿 ; f . 适 用于地 面采 矿为主 要风 险因素 ; 　 c. 适用于 地下 采矿为 主要 风险因 素; g . 适 用于陆 上开 采; 　 d. 适用 于电厂 运行为 主要 风险因 素; h. 适 用于 近海开 采。

・ 34 3・

8. 5. 4　 风险管 理 通过上述的风 险分析介绍可看 出风险分析 对人们进 行决策选 择时有 很大的参 考价值, 但是由于风险分析从方法上和数据基础而言, 分析结果存在很大的不确定性。使风险分析的 应用受到了局限, 但是如果利用此种方法研究不同的降低风险措施的选择, 或利用于降低风 险的资源的最优分配, 可使风险方法具有更大的应用价值。风险管理的方法是通过减少风险 的成本效益分析实现的。 合理 的安全 政策 的目标 并不 是要 求把对 个人 与社会 的风 险都 降低或 增加 到同 样的 水 平。如果降低风险是容易做到的, 则进一步降低风险也是合理的, 如果进一步降低风险是很 困难的, 那么把它维持在原有的水平上也应该是合理的。 图 8. 15 表示减少风险的成本－效益分析。图上曲线表示开始只需花较小的成本 ΔC 1 , 即 可使 风险有 较大 的降低 ΔR 1 , 随后 效益逐 步递 减, 即需花 较大 的成 本才 能使 风 险进 一步 降 低。 由图 8. 15 可以看出降低风险的边际成本随着安全水平的提高而增加。从图 8. 16 可以 看出当单位减少风险的效益和单位减少风险的成本相等时, 减少风险的措施获利最大。

图 8. 15　 减少风险的成本－效益分析

图 8. 16　 考虑整个系统的减小风险的成本－效益关系

风险的成本－效益分析的关键是风险值如何合理的进行货币化。货币化要根据各种社会 的文明程度和生产力水平, 具体的数值决定是比较困难的。

参　 考　 文　 献 1. 国家统计局 ． 中国统计年鉴 ． 北京: 中国统计出版社, 1991 2. 国家环保局 ． 中国环境年鉴 ． 北京: 中国环境出版社, 1990, 1991, 1992 3. R ． 科多尼　 朴熙天　 K ．V ． 拉曼尼主编, 吕应中译 ． 综合能源规划手册 ． 北京: 能源出版社, 1989 4. 王庆一 ． 能源手册( 1991) ． 北京: 中国能源研究会, 1992 5. 能源部 ． 中国能源( 1992) ． 北京: 中国能源部, 1993 6. 王翊亭等 ． 环境学导论 ． 北京: 清华大学出版社, 1985 年 7. IA EA ．E lectricity and t he Environment ． IAE A －T ECDO C－624, V ienna : IA EA , 1991 8. Office of t he Environment , A DB. E nvironm ent al R isk As sess ment . ADB E nvironment al Report No. 7, Manila: ADB, 1990

・ 3 44 ・

9　 综 合 资 源 规 划 和 需 求 侧 管 理 9．1　 综合资源规划和需求侧管理的发展背景 　 　 在 80 年 代, 北 美的公 用电力公 司在电力 规划和 运行环境 方面经 历了一系 列重要的 变 化。到 90 年代, 电力公司面临下列一系列问题的挑战: ( 1) 变化无常的负荷 增长, 新 装机的成本抬高, 燃料价格 的不确定性, 环境以及选址 方 面的种种限制, 用户对电价上涨的抵制, 严格的环保法规方面的压力, 竞争激烈。其中竞争压 力主要来自: 最终用途市场竞争, 尤其是天然气工业为民用, 商业及工业部门带来高效的替代能源。 发电市场竞争, 热电联产, 小型自备电厂及独立电厂与公用电厂争夺发电市场。 用户为对付高电价而致力于改进能源效率, 从而导致电力公司售电量和收入的削减。 工业布局及规模扩大的竞争。 ( 2) 在过去几十年, 低成本的 水电开发, 发电及输电技术 的改进, 以 及规模经济使得 电 站规模不断 扩大, 而平 均发电成本不断 下降。但是 近 10 年来, 发电效 率改进的 潜力日渐 减 少, 而环境和选址方面的成本不断上升, 造成长期边际发电成本趋于上升。 为尽量减少成 本上升对电价和 用户的影响, 公共 电力公司 的规划 人员意识 到原有的 仅 依赖于供应侧方案的传统电力规划方法必须加以改革, 遂转而采用同 时考虑需求侧资 源的 最小费用原则或称综合资源规划。

9．2　 综合资源规划和需求侧管理的基本概念 9．2. 1　 基本概 念 　 　 综合资源 规划和需求侧管 理是近年来在北 美、欧 洲等发达 国家兴 起的新型 能源规划 方 法, 主要应用 于公用电 力公司, 以克 服由 于经 济体制 变化, 资 源短缺, 燃 料价 格上涨, 资 金 困难, 环境挑 战, 电 站选址 条件引起 的对电 力规 划造成 的种 种不确 定性 因素, 以便 以最 低 的成本实现供电可靠性。其根本目的在于发掘成本有效的资源潜力, 降低对电量和电力的需 求, 以尽可能延缓新电厂的建设。 能源需求侧管理( DSM ) 是电力公用事业作为供应侧, 采取行政和财政激励手段鼓励需 求侧 用户采 用各 种有效 的节 能技 术和措 施改 变其 需求 方 式, 在保 持能 源服 务 水平 的前 提 下, 有效降低能源消费量和负荷水平, 从而减少新建电厂投 资和一次能源消 费量, 取得 明显 的经济和环境效益。而传统能源规划则单纯地扩大供应能力以满足外生的需求目标, 这不仅 加重了资金和能源资源投入的压力, 也增大了环境污染和治理成本, 而对降低需求则缺乏内 在动力。DSM 的主要行政鼓 励手段有: 信息交流, 技术推广, 法规制度, 标准( 效率、排 放) , 咨询等; 主要的财政激励 手段有: 电价结构, 回扣, 奖 励, 补贴, 贴现率等; 主要技术 措施有: 节能, 负荷调节, 自备发电, 燃料替代等。 有些技术和经济措施, 如负荷调节, 分时电价, 早已有之并不新鲜, 但是 DSM 的创新之 处在于 汇集大量 的技术 选择和价 格方案去 改变用 户的负荷, 以便 使用户、电力 公司和社 会 ・ 34 5・

均受益, 因此本质上讲, DSM 的新概念中包含了一种用户和电力公司间的“合作伙伴”关系。 综合 资源规划 ( IR P ) 则是电力 部门把电 力供 应侧和 需求 侧的各 种形 式的 资源, 其中 把 DSM 也视作一种资源, 综合成为一个整 体进行电力规划, 通过高效、经济、合理地利用 供需 侧资源潜力, 在保持能源服务水平的前提下, 使整个规划系统的社会总成本最小。因此综合 资源规划又称最小费用电 力规划( L CU P) 。IR P 的资源选择通常有: 传统公 用电厂, 独 立发 电厂, 外购电力, 热电联产, 可再生能源资源, 输配电系统改进, 需求侧管理等。其中需求侧管 理在 IRP 中起着关键作用, 便于电力公司“干预” “ 电表的用户侧”, 改 变用户负荷的幅 度和 形状。经验表明, DSM 方案的费用远低于电力供应方案的成本。

9．2. 2　 传统电 力规划和 综合资源规 划方法的 区别 传统电力规划 和综合资源规划 两种方法 在资源选 择、资 源所有 权、规 划准则、规划参 与 者以及规划 效果方面有着重 大的区别, 如图 9. 1 所示。综合 资源规划的 分析框架 如图 9. 2 所示。 传统电力规划方法

资源所有权:

・仅着重于供应侧电力公司 的电力资源, 如中心电厂 ・电力公司所有

规划准则:

・电价及可靠性

参与者:

・系统与财务规划部门

资源选择:

规划效果:

・高成本/ 高风险 ・用户难以承受 ・环境恶化 ・非良性循环 图 9. 1

综合资源规划方法 ・同时考虑供应侧和需求侧 的资源多样化 ・所有权多样化: 用户、第三方、 其它电力公司 ・还兼顾用户电费、燃料多样化、 风险和不确定性 ・还包括用户服务与推销部门, 用户、环境与公共利益团体, 政府法规机构及其他专家 ・资源选择灵活性, 低风险 ・改善服务质量, 用户欢迎 ・降低污染 ・最小费用增长

规划和综合资源规划方法的区别 负荷预测

现有装机容量 供应侧资源 选择分析

可靠性要求 综合资源 规划模型

需求侧资源 选择分析

基建成本 生产成本 电价/ 财务 分析

・供应侧选型, 时间安排, 规模 ・需求侧选型, 时间安排, 规模 ・满足环境法规 图 9. 2

・ 3 46 ・

综合资源规划的分析框架

9．3　 DSM 基本要素 需求侧 管理计划 过程包 含了众 多的 DSM 选 择方案, 电 力公 司需要 系统 地识别 和选 择 最合适的方案。这种 DSM 过程必须考虑如下基本要素构成: 用户最终用途, 负荷调整目标, 技术措施选择, 市场实施策略( 行政和经济激励手段) 。

9．3. 1　 用户最 终用途 DSM 计划的实施对象主要是商业、民用、工业、交通部门的各种最终用途。其中商 业和 民用部门有采暖、致冷、照明、炊事、热水、冷藏、游泳池等。工业部门有电机驱动、电解、工艺 热、工艺制冷、压缩空气、取暖、通风及空调( HV A C) 照明等。

9．3. 2　 负荷调 整目标 负荷调整又称负荷管理。其目标是调整负荷曲线形状, 以便有效降低电力峰荷需求。负 荷调整有 6 种基本类型, 如图 9．3 所示。不同电力公司根据其备用容量, 负荷因子及规划期 长短之不同, 可侧重于不同的负荷调整目标。

图 9．3　 负荷调整的 6 种基本目标类型

1. 削峰( peak clipping) 削峰为负荷调整的常用手段, 其主要技术措施为: 直接负 荷控制, 即在电 力系统 负荷曲线 峰荷时 段, 由 系统调度 人员直 接和随时 拉闸 限 电, 降低峰荷。所涉及用户通常为城镇居民区用电或大耗电量空调负荷。 可中断负荷控 制, 即按事 先签定的合同 规定, 在负荷 曲线高峰 段时, 由系统 调度人员 通 过直接控制负荷或在直接请求用户后, 中断供电。所涉及用户通常为工业和商业用电大户。 削减峰 荷可减少 高成本 调峰机组 的启用, 延缓 新增调峰 机组的建 设, 从而节省 系统 总 运行费。当然, 削峰也减少供电量, 降低电力部门收入, 所以削峰手段 常为容量不足需 批量 外购电的电力系统所采用。削峰减少了峰荷时段的购电费, 电网总运行费也随之降低。 ・ 34 7・

2. 填谷( valley filling) 填谷泛指提高非尖峰负荷。此法尤适用于系统有空闲 低成本发电容量 时, 这时发 电长 期边际成本小于平均电价。通过季节性电价和低谷电价, 可刺激非高峰时段电力消费增长, 从而降低系统平均燃料费。从系统总成本看, 填谷 有助于将新增装机 的固定成本均摊 在大 基荷电量上, 必然降低系统运行费用。填谷的净效益在于电力销售和年收入的增加。 3. 移峰填谷( load shift ing) 顾名思义, 即将高峰负荷推移到非高峰时 段。通过分时电价, 峰谷电价, 高耗电设 备交 替运行和储热/ 蓄冷计划都可以实现负荷推移, 从而尽量保持高峰时的用户服务质量。移峰 填谷 的实施 可降 低系统 运行 费, 但是否 增加 销售 和收 入 则有 赖于 是否 造成 额 外的 电量 消 费。 4. 战略性节电( str ategic conser vation ) 将 节电视为 一战略 性目标。它鼓励 用户采 用各种终 端用途的 新技术 ( 详见 下述) , 提 高 用电效率和改变用户消费方式, 在不降低供电服务质量前提下, 减少电力电量的总需求。对 于无长期扩容规划的电力公司, 可采用此战略性节电目标的措施。 5. 战略性负荷增长( str ategic load gr owth ) 战略性负荷是指可能以电力作为其替代能源的其他用户负荷。通常这部分用户消耗其 他燃料。战略性负荷增长指除了在系统负荷曲线上填谷之 外还可增加的部 分负荷, 其 目的 在于鼓励推行新出现的电气技术替代其他能源, 如充电式电动汽车, 工业热处理以及电气化 等。具有近期余裕容量的电力公司可利用闲置容量提供电 力以提高电力设 备利用率, 而其 发电固定成本则可均摊在系统总发电量上, 其总效果是降低系统运行成本。 6. 塑性负荷( flexible load shaping) 塑性负荷的目标是减轻电力规划中对供电可靠性要求的苛刻限制。它为用户提供一种 较灵活可塑的 选择, 即或 需要以较昂贵的 电费获得较高的 供电质量和可靠 性, 或为节 省电 费开支或追求其他好处而放宽对可靠性的要求。塑性负荷的形成主要取决于可中断负荷的 可中断程度; 综合能源管理系统的优先目标和负 荷直接控制器的应 用。这种控制器可 有效 限制各种用户的用电负荷。

9．3. 3　 技术措 施选择 DSM 计划采用的技术措施 可分为两类, 即节电技术型 措施和负荷管理 型措施, 依 不同 实施部门而有不同的针对性。 对住宅和商业 部门, 如办 公大楼、超级市场、大饭店、零售商店, 节电技术型措 施有: 新 型高效 保温建筑( 如新型墙体材料、隔热窗 户玻璃和密封 等) , 室内 温度调节 ( 又 称房屋气 候 化) 装置、高效节电设备和 器具( 如节 电型冰箱、空调、热水 器、炉 灶、干 衣机等) , 高效照明 灯 具( 如紧凑式荧光灯, 高效电子/ 磁性镇流器、日光自动照明控制等) , 热泵及其他能源和需求 ・ 3 48 ・

控制措施。负荷管理型有: 储热和蓄冷计划, 如利用负荷低谷时间定时开启电热水保温箱, 在上班时间提供热水; 或夏季夜间低谷时间用电致冰或冷冻水, 在白天转换为冷却空气调温 代替空调。 对工业 部门, 由于众多 的工业 终端用户、规模 和技术 千差万别、情况 较复 杂, 节 电技 术 型主要考 虑通用设备, 如热电联产、热泵、高效电机 马达( 变频调 速马达) , 余热回收, 先进 电 气技术等等。负荷管理型主要是利用分时电价、可中断电价等。

9．3. 4　 市场实 施策略 一旦电力公司确定了最合适的负荷曲线调整目标、用户最终用途 以及打算采用的 技术 措施后, DSM 计划 的成功与否 将取决于 用户的 接受程度, 即用 户参与 或采纳电 力公司推 动 的 DSM 计划的意愿, 而这又受到市场实施手段的强烈影响。为了选择恰当的实施策略, 电 力公司必须对 用户的特性要有 充分了解, 比如: 用 户的电器设备的构 成、效率, 人口统计 或 企业情况调查, 用户用电特点, 燃料使用要求, 主要最终用途及其负荷形状, 用户对电力公司 DSM 计划的态度、信任度、感觉等等。 总之, 对用户接受准则的 透彻了解是电力 公司为说服用户 积极参 与 DSM 计划的一 系 列努力中的关键因素。这就要求电力公司改变以往对用户的传统看法。 数 10 年来, 电力公司视用户不过为一个电表而已, 无视用户的各种特性。在 70 年代, 电 力公司开始视用户为一个电器, 并日益注意电器的饱和度和电器特性。到 80 年代初, 电力公 司开始视 用户为“经 济人”, 他会按照经 济准则确定 电器设备 的选择、燃料 种类、效率及用 电 方式。现在, 电力公司承认用户是“综合人”, 他不仅根据经济准则, 而且根据自己的要求、态 度、感觉以及行为特性做出决策。 用户对 DSM 方案 的接受 程度受到 种种 经济 的和非 经济 的障碍 因素 的制 约, 典 型因 素 有: ( 1) 用户在对电力公司推行的新技术或设 备( 如 热泵) 进行投 资后, 有时没 有收到足 够 的回报; ( 2) 用户觉得一次性初始投资太高, 即使投资的回报是足够的如气候化措施; ( 3) 用户对电力公司推行的 DSM 计划及其技术、器件不甚了解, 如蓄冷技术; ( 4) 某些技术或计划的实施会导致用户的不便或不舒适, 如空调循环启停; ( 5) 某些新型产品或器件, 如高效电器, 由于生产和流通渠道不畅而供货不足; ( 6) 用户觉得采用某些新技术或新器件会伴有风险, 如热泵热水器; 针对上述种种制约因素, 市场实施策略手段一般地可分为如下 3 类: ( 1) 价格机制策略: 分时电价、可中断电价、议价、季节电价、蓄能电价; ( 2) 非价格策略 ( 推销) : 直 接联系和培训、能源审计、行业协会合 作、广告 和宣传鼓动、 财政激励; ( 3) DSM 资源获取: DSM 投标、效益承包、能源服务公司。 图 9．4 的流程框图说明电力公司如何采用上述市场实 施手段影响用户, 帮助其选 择节 电技术或电器, 确定使用效率并合理使用以期达到所希望的负荷形状响应的全过程。

・ 34 9・

图 9．4　 DSM 市场实施策略手段影响用户接受性及其响应[ 2]

9．4　 DSM 计划的规划, 实施步骤及工具 9．4. 1　 DSM 规划及 实施的流 程框架 见图 9．5 所示, 其中: 第一步, 确定电力公司 DSM 计划的目标, 其参考依据是: ( 1) 电力公司的外部运行环境; ( 2) 用户的要求和利益; ( 3) 电力公司自身的总体特性和供电服务任务。 第二步, 情景 分析: 即在数 据收集、文献调 查及专 家咨询的 基础上, 就电 力公司 拟制 定 的 DSM 计划所面临的形势进行情景分析, 主要涉及: 1) 影响成本效益的外部关键因素以及 DSM 方案的可能影响, 其中法规是重要因素, 关 系到 DSM 计划的费用是否计入成本、成本回收机制以及激励政策等; 2) 与设计 DSM 计划相关的内部因素; 3) 主要问题及机会( 机遇) ; 4) 影响计划成败的关键因素; 5) 优势与弱势; 6) 现状分析, 包括已规划及已实施的 DSM 计划的经验总结; 7) 其他电力公司实施的 DSM 计划的效果评估; 8) 初步确定 DSM 方案。 第三步, 方案评选: 根据情景分析, 电力公司 追求的 DSM 目 标和有关的准则, 将可选 的 ・ 3 50 ・

图 9．5　 DSM 规划及实施的流程框架[ 3]

DSM 方案排出优先序列, 以便筛选。 第四步, 对评选出的优先者, 给予详细的分析, 包括如下方面: 1) 确定该方案的基本概念; 2) 市场划分, 明确关键的市场目标; 3) 有关的最终用途及技术选择评估; 4) 估计市场潜力和市场渗透率; 5) 成本、效益及影响评估; 6) 制定市场实施策略。 这些分析过程所需要的资料则取自各种内部及外部 信息资源, 比如: 市 场调查、电 价设 计、负荷调查、竞争分析、盈利性分析、效益/ 成本分析等。详细分析的目的在于论证哪个方案 最具吸引力。 第五步, 实施及监督: 制定具体的实施计划, 现场实施, 跟踪监督和效果评估。 以上整 个需求侧 管理规 划与实 施流程 框架 既可 用于个 别的 DSM 方 案分 析, 也 适用 成 套 DSM 计划。

9．4. 2　 DSM 计划的 分析过程 图 9．6 描述了一个内容广泛的 DSM 计划的分析过程, 作为综合资源规 划( IRP ) 的 组成 部分。 其中负 荷形状取 决于用 户特性, 包括: 用户的 电器设 备的构成、效率, 人 口统计 或企 业 情况调 查, 用 户用电特 点, 燃料使用 要求, 主要最 终用途及 其负荷形 状。电力公司 特性取 决 于电力系统负荷曲线, 燃料构成, 边际容量, 按季 度和小时计的能源 成本, 负 荷增长, 备 用容 ・ 35 1・

图 9．6　 DSM 计划的分析过程

量等。市场条件与划分包括经济增长率, 相竞争的燃料价格, 利息成本, 通货膨胀率以及市场 划分目标等。

9．4. 3　 DSM 模型与 软件 为便于执行上 述 DSM 规划和 分析过程, 各种综合性 DSM 规划模型软件 应运而生, 例 如美国 SR C 公司开发的 COM PA SS 软件包。这是一个集 DSM 计划中的电力公司、用户及 社会三者效益和成本评价为一体的决策支持系统。该系统已在 8 个国家 65 个以上机构中得

图 9．7　 CO MP A SS DSM 规划软件包总体框图 [1]

・ 3 52 ・

到应用。COM PA SS 可提供如下综合分析: ・ 技术特性、最终使用负荷、小时负荷曲线形状、电力公司电价 结构、市 场划分特性、用 户接受 水平、市场渗透 率、DSM 计划 成本与 鼓励 手段、效益/ 成本 比、电价及 电费 影 响。 COM PA SS 既可详 细分析 个别的 DSM 方案, 也可 制定成套 的 DSM 计划, 并确 定其 实 施影响。再者, COM P ASS 可与其他功 能模块相连 接, 如 负荷曲线 形状分 析包, 最终用途 需 求预测模型以及资源规划模型等等, 从而构成一个具有真正 IR P 实施功能的软件包。 从软件 工程角度 看, COM PA SS 设计精心, 结构 一致, 界面友 好, 使 得电 力公司 规划 人 员从繁重的数据管理和转换负担中解脱出来, 从而专心于重要的 DSM 规划问题。该软件在 运行速度, 方便灵活及综合性方面的优点便于 DSM 规划人员从更大范 围考虑各种 DSM 构 想方案及其概念设计, 从而获得更富于成果的实施方案。 COM PASS 的总体框图见图 9．7。

9．5　 DSM 计划的成本-效益评价准则 9．5. 1　 避免成 本的计算 原则 　 　 DSM 的直接经济目的是使电力部门在保持供电服务水平的前提下, 能够得到比新 建电 厂更大的经济效益。换言之, 以尽可能推迟或放弃新电厂的建设, 因此要衡量 DSM 计划的 成本－效益, 首先要弄清楚避免新建电厂而省下的成本, 我们称之避免成本( AC ) 。 1. 避免成本的度量 避免成本本质上是边际供电成本 M C( M arginal Cost ) 的节约。所 谓边际供电成本 就是 每新增加单位供电量所需要的成本, 即: MC =

T Cｎ - T C ｎQｎ - Q ｎ- 1

1

=

ΔT C d = [ C( Q) + C 0 ( Q) ] ΔQ dQ

式中　 T C ｎ —— 供电量为 Q ｎ 时的费用; T C ｎ- 1 —— 供电量为 Q ｎ- 1 时的费用; ΔQ —— ΔQ = Q ｎ - Qｎ - 1 , 即新增供电量; C( Q) —— 可变成本, 即运行成本加燃料成本; C 0 ( Q ) —— 不变成本, 即固定资产成本。在正常短期生产中, 靠现有发电能力供电, 则 不变成本与发电量无关。 边际成本分为长期边际成本和短期边际成本。一般说长期边际成本不等于短期边际成 本。例如在一个小型需求侧管理项目中仅考虑现有发电能 力发电节约, 则避免成本等 于短 期边际 成本, 即仅为可 变成本 的节约。而一个 大型的 需求侧管 理计划 则可能会 将计划中 的 电站推迟或放弃, 这样对整个系统的固定成本产生很大的影响, 这时避免成本为长期边际成 本的节约, 即包括新增供电能力固定成本的节约, 所以在计算避免成本时要区别两种边际成 本。 2. 短期电量避免成本和容量避免成本 短期电量避免 成本就是由于外 购电力以及由于 实施短期 DSM 计 划而节约的短期 供电 ・ 35 3・

边际成本。 AC S E =

T C0 - T C1 ΔQ

式中　 A CS E —— 短期电量避免成本; T C 0 —— 原来发电供应费用; T C 1 —— 购电或实施 DSM 后的发电供应费用; ΔQ —— 节电量。 我们知道, 电力系统为了生产的安全稳定, 需要一定的备用容量。如果实施 DSM 使总 电力需求量减少, 备用容量也可相应减少, 那么将节省的备用容量的投资称为短期容量避免 成本。在计算时以常规的基荷容量的投资来计算。 3. 长期电量避免成本和容量避免成本 从长期来看, 电力需求的增长意味着对现有电厂的改造或新建电厂, 电力公司的生产能 力是变化的, 则长期电量避免成本就是长期供电边际成本。 长期容量避免成本的计算方法是将原来电力公司的容量发展方案中投资的现值和实施 DSM 项目以后的投资现值比较。这里仍然是以常规的基荷机组做为未来的新增容量。并假 设, 未来的新增电厂的运行费与可靠性和现在的一样。

9．5. 2　 DSM 计划的 成本- 效益评价 由于 需求侧管 理需要 电力公司、用户、项目 实施方 ( 如 节能服务 公司或 能源效率 中心) 及 社会共同 参与, 共同受 益, 但 在实施项 目时, 费用和 收益常具 有“不同一性”, 即一方投 入 资金, 可直接效益却发生在另一方, 所以成本和效益的评价准则和分摊是关系到用户可接受 性和 DSM 计划成功与否的 重要因素。在计算成 本－效益 时, 通 常将项 目的利益 相关行为 主 体分为 4 部分, 即参与者用户、项目实施方、电力公司和社会, 其中用户可以是家庭, 企业, 商 业或公用建筑物等。总的说来, DSM 计划的成本－效益评价 准则可归纳为两 条, 即边际 成本 有效和无受损者原则。 成本- 效益分析通常用两种指标表示, 即净现值和效益成本比率, 如果效益大于成本则 说明该项目是成本有效。 另外, 投资 成本 回收 期, 投 资平 均收 益率及 内部 利润率 也是 参与 者十分 关 心的 利益 指 标。需要说明的是成本和收益中只包括可定量化的分项, 一些难以定量的如环境效益( 或成 本) 以及舒适性等则不包括在内, 或者通过有关政策法规将其量化后再予考虑。 针对需求侧管 理的成本－效益评价问题, 需要将备 选的 DSM 方案与供应侧 的供电方 案 相比较。为此, 我们引入另外两个指标: ① 单位节电成本( CCE ) , 指 DSM 项目寿命期内节约 单位电能的成本。单位节电成本低于供应侧的边际供电成本算是成本有效。对于具有峰荷 调整目标的 DSM 项目, 可以节省电力系统峰荷装机容量。② 避免峰荷容量成本( CA PL C ) : 指在避免的调峰机组寿期内, 单位避免峰荷容量的 DSM 项目成本净现值。若 CAPL C 小于 供应侧调峰机组比投资, 则说明该 DSM 项目优于新建调峰机组。成本－效益评价既可 以对 供、需两侧的资源进行经济比较, 也可以对 DSM 各项技术方案进行优先排序。 ・ 3 54 ・

1. 参与者的成本效益计算 参与者用户参加 DSM 计划的动力是在达到同样 用电服务 ( 即 最终用途 ) 的 条件下可 以 减少电力消费, 从而减少经济支出。DSM 计划提供的节电资源指所采取的节电技术和措施, 有两种类型: 一是节约电量型, 如高效照明灯具、变频调速马达、高效空调、新型隔热建筑等; 二是电力负荷调整型, 如蓄冷式集中空调、可中断负荷等, 或两者兼而有之。由于更新用电设 备费用 一般较高, 除个 别项目 可以通过 节电在 短期内回 收设备投 资外, 大多数 还需要电 力 公司给予 奖金鼓励 , 以 便参与 者得到经 济上的 好处, 如紧凑式 荧光灯 及新型节 电冰箱的 折 扣销售。参与者的成本包括他在实施 DSM 规划 中的直接费用, 如净增加的 设备费用, 而收 益为收到的直接经济效益, 如由电力公司提供的补 贴资金或政府提供 的优惠信贷以及 由于 节电而减少的电费。 假设参 与者考虑 接受 M 种 DSM 的节电 资源, 每种购买 时间为 第 ｎ j 年, 寿命 为 L j , 电 力公司提供的价格补贴率为 bj 。整个 DSM 计划的实施年数为 N 年。为处理简单, 也可视所 有 ｎ j = 1, 即都在起始年购置。 参与者贴现的效益和成本分别定义如下: L

M

Bp =

∑B

pj

, Bpj =

j

ｉ= 1

j= 1

I ｉj + ( ΔE d ｉj ＊ P ｉj ) r p ) ｉ( 1 + r p ) ( ｎj -

∑ (1 +

M

Cp =

∑ Cp j , Cp j = j= 1

N

∑ ｉ= 1

1)

DC ｉj ｉ ( 1 + rp )

式中　 B p , C p —— 分别为参与者的总收益和总成本; B p j , Cp j —— 分别为参与者采用第 j 类节电资源的收益和成本; ΔE dｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的需求侧节电量, 例如: ΔE d ｉj = ( P b - P j ) h , 其中: P b —— 原用电设备的功率, P j —— 节电设备的功率, h —— 年运行小时数, P ｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的电价( 注) ; I ｉj —— 第 ｉ 年参与者获得的第 j 类节电资源补贴资金, 例如: I ｉj = S ｉj bｉj , 其中: S ｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的购置费, bｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的补贴率, 一般, 补贴在采购时一次实现, D Cｉj —— 第 ｉ 年参与者的直接费用, 例如: DC ｉj = S ｉj ( 1- bｉj ) - B ｉj , 其中: B ｉj —— 第 ｉ 年因购第 j 类节电资源而避免的普通资源的费用, r p —— 用户贴现率; L j —— 节电设备或措施的平均寿命; N —— 项目实施的年数; M —— 项目有关的节电资源种类数。 ・ 35 5・

　 　 ( 注) 对负荷型节电资 源, 强调 的是可避免 峰荷电力, 则 ΔE 应视为 该资源的用 电量, 而 P j 应视 为峰 谷电差价。对节电型节电资源, 电价与被节约电量的负荷类型亦有关, 如高峰电价。

在计算时, 要注意解决如下几个问题: ( 1) 如何将实施 DSM 计划而节约的电量和其它节能分离开来; ( 2) 如何预测电价和电价结构, 尤其是峰谷电价、分时电价等; ( 3) 如何确定设备寿命, 并考虑 DSM 计划实施期有些设备的重复购置系数; ( 4) 如何确定贴现率。 DSM 计划的行为主体为了自身的利益而各取自己的贴现率。 2. 电力公司的成本效益计算 电力公司在实施 DSM 计划时要保证公司从中得到利润, 至少要保证收支平衡。这时, 电力公司一方面因节电和/ 或调峰减少了高于平均成本的可避免边际成本支出, 使系统的平 均成本下降; 另一方面又因少售电量影响了收入。这时只有当支出的节省大于收入的减少才 是有效益的。并且还须使 DSM 项目的内部利润率高于发电的投资利润率。 电力公司的效益、成本的计算公式分别为: L

M

Bu =

∑B

uj

j

∑

, B uj =

ｉ= 1

j= 1

( ΔE sｉj ¡¤AC ｉj - ΔE d ｉj ¡¤P ｉj ) ( 1 + r u) ｉ

M

Cu =

N

∑C

uj

, Cu j =

∑ ｉ= 1

j= 1

P A ｉj + I ｉj ｉ ( 1 + ru )

式中　 B u , C u —— 分别为电力公司的总收益和总成本; B uj , C uj —— 分别为电力公司提供第 j 类节电资源的收益和成本; ΔE sｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的供应侧节电量, 例如: ΔE sｉj = ΔE d ｉj / ( 1- a ) , 其中: a —— 电量输配损失系数, 比如 13% , A Cｉj —— 第 ｉ 年第 j 类节电资源的避免成本( 边际发电成本) ( 注) ; P A ｉj —— 第 ｉ 年实 施第 j 类节电 资源 计划 的项目 管理 费用, 一般 取节 电设备 费用 的 一个百分比; I ｉj —— 第 ｉ 年对参与者获得的第 j 类节电资源补贴资金, 即 S ｉj bｉj ; r u —— 电力公司的贴现率; N —— 项目实施的年数; M —— 项目有关的节电资源种类数。 ( 注) 对负荷型节 电资源, ΔE 应 视为供应侧对 该资源的供 电量, 而 ACj 应 视为峰荷和 基荷避免成 本之 差。

由上可见, 为叙述方便, 暂忽略时间和种类脚标, 我们有 ΔE s ¡¤AC -

ΔE d ¡¤P = ΔE d ( AC/ ( 1 - a ) - P ) = ΔE d ( AC a - P )

　 　 其中 AC a 为避免边际供电成本, P 为平均电价。这说明只有当避免边际供电成本大于 平均电价时, DSM 计划才能给电力公司带来正的收益项。 单位节电成本: L

CCE j =

j

∑ ｉ= 1

・ 3 56 ・

( S ｉj + P A ｉj - B ｉj 1 ｉ ( 1 + ru ) L j ΔE sj

式中　 ΔE sj —— 第 j 类节电资源的供应侧年平均节电量, 计算时 注意设备 费用 S 和避 免费用 往往 是一次 性或 分期 性支付 或计 算, 不要重 复, 项 目管理费用 P A 也仅在 项目管理期有效。若 DSM 项目寿命 期内单位节电成本 低于供应 侧 的边际供电成本, 则该项目算是成本有效。 单位避免峰荷容量成本: L

p

∑

CAP L C j =

ｉ= 1

( S ｉj + P A ｉj - B ｉj ) Kj ｉ ( 1 + ru) ΔCA j

式中　 L p —— 避免的调峰机组寿期, 比如, 可取 20 a ; K j —— 节电 设备的年购置系 数, 取年运 行小时数/ 寿命小时 数之比, 特指 运行寿命 不 足 1 年的设备, 如灯泡; ΔCA j —— 可避免峰荷容量, 其简易计算公式为: ΔCA j = ( P b - P j ) / ( 1- r j ) qj ej , 其中: 　 r j —— 功率损失系数, 比如可取 13% , 　 qj —— 峰荷同时系数, 　 ej —— 备用容量系数( 1, 2) 。 若 CAP LC 小于供应侧调峰机组比投资, 则说明该 DSM 项目算是成本有效。 电力公 司在 DSM 技术措 施时, 当然要 在广 泛可供 选择 的技 术中逐 项选 择成本 最低 的 技术, 排出优先序列, 直至单位节电成本和边际供电成本 相当。但从用户角 度看, 则应 排序 至与平均电价相当。因为长期边际供电成本往往高于平均电价, 这就存在一个合理性问题, 下面再讨论。 3. 项目实施方的成本效益计算 项目实施方, 如节能服务 公司或能源效 率中心, 作为 独立经营 实体, 其收益 来源有两 个 途径: ①提取电价中的某 项附加费, 如燃料附加费, 用于推动 节能; ②从 节约电量收益中 提 成, 和用户分享。 对第①种有: L

M

BE =

∑ B E j , B Ej = j= 1 M

CE =

∑C

j

∑ ｉ= 1 N

Ej

, CE j =

∑ ｉ= 1

j= 1

( ΔE sｉj P E ｉj ) ｉ ( 1 + r p) P A ｉj + I ｉj ( 1 + rp ) ｉ

　 　 对第②种有: L

M

BE =

∑ BE j , BE j = j= 1 M

CE =

∑C j= 1

j

∑ ｉ= 1 N

Ej

, CE j =

∑ ｉ= 1

ΔE sｉj P ｉj ) w ｉj ｉ ( 1 + r p) P A ｉj + I ｉj ( 1 + rp ) ｉ

式中　 B E , CE —— 分别为项目实施方的总收益和总成本; B E j , C E j —— 分别为项目实施方提供第 j 类节电资源服务的收益和成本。 P E ｉj —— 项目实施方从电价中的某项附加费提取部分; w ｉj —— 项目实施方从节约电量收益中提成的比例。 ・ 35 7・

4. 社会的成本效益分析 社会的范围窄指电力公司、供电服务的社会区域, 宽指整个国家甚至全球。在分析社会 成本效益时, 不再区别参与者和非参与者, 不单独考虑电力 公司, 而是 对整个项目的费 用和 社会效益进行分析。 由于社会效益涉及电力公司的外部环境成本, 常常难以定义和计算( 如减少酸雨和减排 CO 2 对全球的贡献) , 所以通常用全部资源分析来代替社会效益的分析。 对于全部资源 来讲, 实施 DSM 项目的全 部费用为成本, 其它费用, 如用户节 省的电费, 电力公司提 供的补贴等属于 社会内部转移费 用, 则 不必考 虑。全部资 源的成本 效益计算 公 式: L

M

∑ B sj , B sj =

Bs =

j= 1

ΔE sｉj ¡¤AC ｉj ( 1 + rs) ｉ

∑ ｉ= 1

M

N

∑C

Cs =

j

sj

, C sj =

∑ ｉ= 1

j= 1

P A ｉj + S ｉj ( 1 + rs) ｉ

式中　 B s , C s —— 分别为全部资源的总收益和总成本; B sj , C sj —— 分别为全部资源关于第 j 类节电资源的收益和成本; r s —— 社会贴现率。 其它量如前定义。 5. 非参与者的成本效益 对于何谓成本有效的 DSM 计划的问题, 有一种从相反角度看的论点是, 它必须通过一 项“无受损者”测试。其原则是 DSM 计划不应对非参与用户提高电价。对于电力公司来说, 由于实施 DSM 计划而带来节 能效果, 以 前计划要修 建的具有 高边际 成本的电 厂就可能 推 迟或放弃, 这样, 电力生产的减少意味着未来的收入要减少; 另外电力 公司还要承担如 下直 接费用: 给予参与者的支持费用、项目管理费用等。这项测试把电力公司因售电减少所承受 的收入损失看成一种“成本”, 并叠加到 DSM 计划的直 接费用 上。然后, 将两项 成本和效 益 相比较, 效益相当于电力公司因省下用户电力消费所避免的电力供应成本。DSM 计划只有 当其直 接费用等 于或小 于免去成 本与零售 电价之 差时, 才能说通 过了无 受损者测 试; 即 避 免成本必须要超过零售电价, 且 电力 公司还 须能 在内 部“消化”其直 接费 用, 而不致 通过 电 价调整让全部用户来分担这些费用, 包括非参与者。如果一家电力公司的避免成本低于其零 售电价, 这往 往是该公 司拥有 过剩容 量, 则 DSM 节能计 划就 不可能 通过 无受 损者测 试, 除 非政府提出相应的税收调整政策以补偿非参与者用户的损失。 非参与者的成本效益计算实质上是对电力公司进行无受损者测试。效益、成本计算式如 下: L

M

Bｎ =

∑B

ｎj

, B uj =

Cｎ =

N

∑C

ｎj

j= 1

, C uj =

∑ ｉ= 1

j= 1 M

j

∑ ｉ= 1

( ΔE sｉj ¡¤AC ｉj ) ｉ ( 1 + r u)

( ΔE d ｉj P ｉj ) + P A ｉj + I ｉj ｉ ( 1 + ru)

式中　 B ｎ , C ｎ —— 分别为电力公司的总收益和总成本; ・ 3 58 ・

B ｎj , Cｎ j —— 分别为电力公司提供第 j 类节电资源的收益和成本。 其它量定义同前。 关于无受损者测试该不该把售电收入损失算作成本项, 尚有争论, 其实质在于最小成本 规划的目的是使电价最低呢? 还是使有关电力的总费用最小? 后者等同于使电力公司的收 入要求最小化。上述的无受损者测试把售电收入损失算作成本项实际上就意指电价而不是 总费用, 因为这种无损者测试重点在于避免电价上涨, 将最终使零售电价最小化。然而这未 必会使总的消费者用电费用最小化。而持相反意见者认为, 用户主要关心总的电费账单而不 是平均电价. 他们认为调整的目的是使前者最小化而不是后者。现在有一种能使 DSM 计划 中的电力公司成 本保持收入中性 的方法被人看好, 即根据 DSM 计划对收入 的影响, 自 动修 正电价。 6. 成本效益计算的小结 表 9. 1 给出了 DSM 计划的成本效益分析的汇总。 表 9. 1　 DSM 计划的成本效益分析汇总表 收　 　 益 经济量

成　 　 本

电力公司

用户节约

电力公司

项目管理费

用户直接

用户节约

避免成本

电　 　 费

补贴费用

用与补贴费

费　 　 用

电　 　 费

√

√

参 与 者

√

非参与者

√

√

√

电力公司

√

√

√

第 三 方 全部资源

√ √

√ √

√

　 　 ( 1) 电力公司在实施 DSM 计划中总是有收益的。实施 DSM 计划中的直接费用主要是 由电力用户来分担, 电力公司仅负担项目的管理费用及对参与者的支持费用, 这些费用笼统 地讲就是节能成本。在一般的情况下, 节能成本 要低于新增供应能 力的边际成本, 所以, 只 要电力公司对 DSM 的措施仔 细选择, 电 力公司总会 从避免新 建电厂 的成本节 约中收回 节 能费用。 ( 2) 在电力公司利润率不变的条件下, 实施 DSM 计划对电力价格的影响取决于需求侧 的用电技术选择, 如果选择的措施是零成本, 则电价可能就不会变动。但通常情况电价要上 升, 上涨的 后果 由项 目参与 者和 非参与 者之 间的 利益分 配来 平衡, 电力 公司 不承担 涨价 的 “责任”, 这样就给电力公司推选综合资源规划带来方便。 ( 3) 项目参与率, 即参与者和全部用户的比率, 反映用户的接受程度. 这取决 DSM 计划 的实 施策略, 主 要有: 电力 公司 提供 给参与 者的 支持费 用, 一般 占整个 项目 支出 的 20% ～ 50% ; 所选择的终端节能措施的市场渗透率; 电力公司对用户的说服、宣传工作。项目参与 率根据所实施的需求侧管理的类型不同而变化很大。 ( 4) 除经济效益外, 有关环境保护的法律对实施 DSM 计划有巨大推动作用。 ・ 35 9・

9．5. 3　 电力公 司投资于 DSM 计划的 合理性讨论 在北美, 电力供应的长期边际成本高于目前的平均成本。而用户看到的仅是平均成本。 用户并没意识到目前从提高用电效率所获得的节电收益显然少于在长期边际成本的高电价 下的收益, 因此用户投资 DSM 计划的意识和动力不足。 即使用户通过边际成本定价获得正确的成本信号, 用户也未必投 资那些从电力公 司角 度看来 是成本有 效的 DSM 方案, 因为用 户评价 这些方 案成 本效 益是基 于一 种隐含 贴现 率 ( 这里所指的隐含贴 现率可以理解为 内部利润率, 下同) , 它比电力 公司采 用的贴现 率要高, 因此从用户角度看, 这些 DSM 方案未必成本有效。 DSM 计划中的节电方案可以导致减排污染物的环境效益, 但用户( 或电力 公司) 在 决策 过程中并不直接考虑减少环境破坏的效益。 其他影响用户投资 DSM 的障碍因素有: 缺少足够信息, 实施过程的管 理成本, 资 金筹 措及付息成本。 但另一方面, 从电力公司 角度, 投 资于 DSM 至少有 两大优点: 一 是建立良 好的用户 关 系, 便于了解用户的需求和利益之所在, 这对电力公司对付 竞争的挑战来说 是十分重要的; 二是电力公司可帮助改善用户的竞争地位, 因而对维系用户至关重要。 电 力 公 司 投 资 DSM 的 合 理 性 还 可 用 DSM 供 应 函 数 概 念 加 以 解 释: 对 各 种 备 选 的 DSM 方案进 行评估, 可 得出潜在的节电 量 B 和相应的单位节 电成本 C 和/ 或单位避免 峰荷 容量 成本, 按 成 本将 其从 低至 高排 列, 可 得出 成本－节 电量/ 避免 负荷 关系 曲 线, 称 之 DSM 供应函数曲线。图 9．8 是美国密执安州电力公司选择 DSM 措施的供应曲线实例, 其中选择 了 19 种节电技术措施( 略) 。图 9．9 是 DSM 供应函数理论曲线。

图 9．8　 美国密执安州电力公司选择 DSM 措施的节电成本供应曲线 [ 4]

如果 C 0 相当 于最低成本的供电 方案, 那 么 Q 0 就是 DSM 资源成本有效的 节电量水平。 超过 Q 0 的 DSM 节电成本比同量最低供电成本还高, 显然不合算。 ・ 3 60 ・

图 9．9　 DSM 供应函数曲线 　

图 9．10　 用户、电力公司及社会的 DSM 供应函数曲线 C c —— 用 户的 平均电 价; 　 　 　 　 　 　

　

C u —— 电 力公司 的长 期边际 成本 ;

　

C s —— 社会 成本 。

　

DSM 供 应函 数取 决 于采 用的 技术 措施 的 特征、市 场特 点和 决 策准 则 ( 包括 隐含 贴 现 率) 。经验表明, 用户在决定投资于何种节电措施时, 往往隐含地使用 较高的贴现率进 行成 本－效益分析, 这样较保险。例如, 商业和工业用户通常要求对能源效率投资的成本回收期 为 1- 3a, 因而用户取的贴 现率高于电力公 司的贴现率( 后者根据 其资本 成本而定, 一般 为 12% - 16% ) 。另外, 一般说来, 社会贴现率取 4% - 5% . 图 9．10 给出从用户、电力公司及社会三个角度看的 DSM 供应函数。 由于用户取的 贴现率高于电力 公司的贴现率, 从用户角度 看的 DSM 方案 平均成本 要 高于电力公司估算的值, 即用户的供应函数“高于”电力公司的供应函数。于是从用户角度, 成本有效的 DSM 节电量水平应达到供应函数曲线 C 的 X 点对应的 Q c 值, 这时 DSM 方案 的边际成本等于用户的电费成本, 即平均电价。而从电力公司角度看, 成本有效的 DSM 节 电量水平为 供应函数曲线 U 的 Y 点对应的 Q u 值。即这时 DSM 成本等于长期 边际供电 成 本。而从社会角度看, 则为供应曲线 S 的 Z 点对应的 Q s 值, 这时社会的 DSM 成本为上述 长期边际供电成本加上外部成本, 如环境治理费用。由于上述的贴现率取值原因, 可见 3 条 曲 线高低 的次序 为: 用 户( C ) , 电力公司 ( U ) 及 社会( S ) , 而 三者 的成 本有效 DSM 节 电量 大 小次序为: Q s> Q u > Qc 。 事实上, 由于市场的不完全性, 用户对 DSM 的实际投资会小于图 9．10 中所示的数额。 因此, 电力公司就需要对 DSM 投资以达到所期望的成本有效节电量。而社会要设法使环境 等外部成本内部化, 以便提供一种刺激手段鼓励电 力公司和用户达到 从社会角度看是 成本 有效的 DSM 市场渗透率水平。

9．5. 4　 DSM 的成本 -效益 评价的外 部条件 DSM 对用户、电力公司和社会的效益可分类为: 用户: 满足需求或要求, 降低成本, 改进供电服务质量, 维护和改进设备寿命和生产率; 电力公司: 减降供电服务成本, 改善运行效率和供电灵活性, 减少对资本的需求, 改善对 ・ 36 1・

用户的服务; 社会: 减少污染, 节约资源, 保护全球环境, 尽量保障用户社会福利。 因 此制 定 和 实 施 DSM 计 划的 关 键 是 要 能选 择 对 用 户、电 力 公 司及 社 会 都 有 效 益 的 DSM 方案。这是一项挑战性 的工作, 因 为电力公司在负 荷曲线, 发 电容量, 备用容量、用户 构成及增长率、财政状况、经营环境和面临的竞争方面有自己的特性和要求。类似地, 用户就 其用 电设备拥 有量、最终用 途、工 艺过程、燃料 需求( 包括电力 ) 饱 和性、决策准 则以及观 点 和态度等方面也有 自己的特性和要 求, 因此电 力公司需要将 DSM 方案的选择 和应用“用户 化”, 以 便最好地 适应电 力公司和 用户的特 征, 因此 DSM 的 实施 过程包 含着 用户和 电力 公 司之间的一种“伙伴”关系。 为了制定切实 可行的 DSM 计 划和市场实施策 略, 电力公 司必须转换其经 营机制, 即 要 从主要面向供应侧转向供应侧和需求侧并重。电力公司现在必须深入了解用户实情、行为、 态度和要求。电力公司的经营活动因此不仅限于建电厂、供电, 还必须像能源服务公司那样, 以尽可能小的成本去满足用户的能源需求。 为了促进电力 公共事业应用 DSM 方法, 政府应采取一些 鼓励政策, 如美国政府采取 的 激励政 策主要有: 一是 税收政 策, 在 需求 侧调 低税率, 减 少税 收, 增 加项 目的 盈利水 平, 以 吸引社会投资。在供应侧采取调高税率, 避免财政税收的下降。二是价格政策, 在合理成本 加利润的定价原则下, 可以允许电力部门将需求侧节能项目的投资费用计入生产成本, 最终 达到用户的总电费最低和电力部门的成本最小及效益最 高的要求。此外, 还有一些针 对不 同的具体情况而制定的政策和措施, 促进 DSM 计划的成本有效性。

9．6　 IRP 的基本要素及分析实施步骤 尽管 IRP ( 综合资源规划) 的规划过程和分析方法随各电力公司经济状况及规划环 境之 不同而异, 但其基本要素大致相同, 可分为技术要素和过程要素两大类。

9．6. 1　 I RP 的技术要 素 它汇集了电力 公司常常采用的 各种类型 的规划方 法, 包 括负荷 预测、负荷管理、发电 规 划、电价及财务规划等。但 IR P 的创新之处在于考虑了广泛的资源及规划方案可选范围, 包 括: 电力公司发电、非电力公司发电、负荷管理、节电、定价、供电服务水平、战略性负荷 增长 以及电力交换与购买等; 并且还就电力规划过程中的各个方面的相互作用给出明确的评价, 比如不同的供应规划会 影响电价, 进而影响需求预 测, 再影 响需求侧和供应方 案的成本－效 益。总之, 为了充分考虑这种相互作用, 在整个规划过程中有必要进行若干次迭代。 IR P 的技 术 要 素 主 要有 4 种, 即 负 荷 预 测、需 求 侧 规划、供 应规 划 及 综 合 规划, 如 图 9．11 所示。整个 IR P 的主要分析步骤如图 9．12 所示。 1. 确定目标 第一步要确定规划的目标, 然后就可以确立规划准则, 以便按此给出备选资源方案的优 先排序。一般说, 规划目标有: 系统年收入要求的现值最小化, 电价上涨最小化, 维持给定可 靠性水平, 或维持某个财政指标于特定水平等等。当存在多目标情况时, 则在评价备选方案 ・ 3 62 ・

图 9．11　 IRP 系统框架 [2]

时, 或者将某个目标设为必须要满足的约束条件, 或者将多目标加权求平均。 2. 负荷预测 负荷预测要求给出长期电量销售 和负荷形状预测 值。为了给后续的 DSM 和综合 规划 阶段提供信息支持, 负荷预测要包括如下分析工 作: 即负荷 形状预测、节电和负荷管理 计划 净效果估计, 包括用户自发采取的对策和效率反弹效应( 即用户用效率改善的节电效益换取 更高的用电水平以求更舒适) 。当然, 一般较综合的负荷预测模型很难做到这一点。为此要 结合最终用途负荷预测模型应用, 以便在负荷预测阶段考虑 DSM 计划。 在负荷 预测时 要注意保 持负荷预 测和 DSM 分 析两 部分所 采用 的假设 的一 致性 ( 如 居 民户数、燃料构成、每种电器的平均耗电量等) 。为保证这种一致性, 负荷预测和 DSM 规划 人员之间必须 充分沟通信息, 并且在计划 表上要留出 充裕时间 以便后 者进行因 假设条件 变 化所引起的数据和方案调整。 另外预测值应 给出一个范围以 反映负荷增 长的不确 定性, 因此通 常要确定 几组社会 经 济发展构想方案, 包括人口增长、经济状况等, 作为预测的依据。 3. 需求侧管理规划 DSM 规划通常包括如下步骤: ・ 36 3・

模

型

过

程

结

・计量经济学 ・最终用途负荷 ・负荷形状

负

・成本 效益分析 ・市场渗透

需 求 侧 规 划

・供应侧筛选 ・生产成本核算 ・发电规划 ・多因素可靠性

・年收入要求 ・综合电力规划模型

・决策分析 ・综合电力规划模型

荷

预

测

供 应 侧 规 划

果

・峰荷要求及电量预测 ・负荷形状 ・DSM计划的效益/ 成本比 ・用户接受性 ・负荷形状调整 ・发电计划 ・发电及输电成本 ・外购电力 ・可靠性分析

综合需求/ 供应规划

・经济分析 ・可靠性分析 ・最小成本计划

不确定性分析

・敏感性分析 ・随机抽样分析 ( Monte Carlo) ・决策分析

・综合电力规划模型

计

划

选

择

・最小成本计划 ・灵活性测试

・财务规划 ・综合电力规划模型

财

务

规

划

・财务分析

施

・行动计划/ 总结 ・预算汇总 ・监督/ 评价计划

计

图 9. 12

划

实

IRP的主要分析步骤

[ 2]

( 1) 鉴别和筛选 DSM 备选方案, 以供进一步的详细评估; ( 2) 估计参与者用户对负荷的影响, 包括对年售电量和对规划期电力需求的影响; ( 3) 制定成本有效的 DSM 实施计划, 推动用户采取 DSM 行动; ( 4) 估计 DSM 方案的市场渗透率和市场潜力; ( 5) 评估 DSM 方案 的成本 与效 益, 鉴 别出 有竞 争力的 DSM 资 源选 择, 以便在 后续 的 综合最小成本需求－供应规划阶段给予详细评价。 4. 供应侧规划 供应侧规划的功能是确定最小成本且保持足够可靠性水平的供应方案以满足净负荷需 求预测值。所谓净预测值是指经过最小成本需求侧方案修正后的并包括了足够的备用容量 的 负荷需 求预测 值。供应侧方 案既包括 常规的 发电机组, 如化 石燃料 ( 煤、油、气) 、蒸汽 机 组、核电机组、燃气 透平机 组、联 合循环机 组及水 电等, 也包括非 常规的 方案, 如燃料 电池、 地热、风力及太阳能发电。其他供电方案还有: 延长现有机组的役龄、热电联产、外购电力、改 善输配网等等, 不一而足。 ・ 3 64 ・

供应侧规划所遇到的主要不确定性在于负荷增长、固定资产成本和运行成本、系统效能 特征、发电技术的提前时间以及外购电力成本。相应的对策是使供应侧资源多样化以减少不 确定性, 降低风险。 5. 综合需求/ 供应规划 在许多 情况下, 有大量 的资源 选择方案 可被考 虑。当 然对所有 这些方 案进行详 细评 价 是不现实的。于是, 可以首先进行备选方案的筛 选评估, 以 便缩小范围, 集中到值得详 细评 估的一组方案上。常用的做法是先选定一组包括供应资源及 DSM 资源的核心方案, 作为所 有资源规划方案的基本构成。然后再相继地评价少量的其他供应及 DSM 方案, 看有否可能 纳入核心方案组, 一次一个地或增或减。 就涉及制定 DSM 计划的外部环境而言, 比如需求增长, DSM 影响及发电成本等, 要建 立构想方案( Scenario ) 代表一组将来可能的变化范围。针对每一种构想方案, 可确定相应的 一套最佳资源计划。这种做法的好处是当未来情况甚为偏离基本假设条件时, 便于对资源计 划进行必要的调整。 6. 不确定性分析 上述综合评价往往可以确定二至三套最佳的资源计划。然后要进行不确定性及风险分 析, 以便评价备选方案的“强壮性”。例如, 在给定的一组关于人口增长和燃料价格假设条件 下, 某一套资源计划看 来是最佳的. 但是当基本 假设条件有一些不 太大的变化时( 事实上, 规划假设条件和实际正好相符的概率很小) , 却使这个计划 明显地劣于其他 可选方案, 这说 明该方案承担风险的“强壮性”欠佳。进行不确定性和风险分析的通常办法是敏感性分析、蒙 特卡洛( M ont e Carlo) 模拟( 即随机抽样) 及决策分析。 敏感性 分析用于 确定对 年收入要 求和信贷 利率来 说最为敏 感的变 量, 如 负荷增 长、煤 厂的资本成本、燃料煤的可获性及燃料成本等。决策分析则对一些不确定变量赋于相对变化 范围及其概率, 然后计算年收入需求及其他决策变量期望值的现值。推荐的做法是, 先从基 本假设条件开始, 然后经过一段时间, 在未来某个年段 ( 如 5 和 10a ) 得出对应于某个可选构 想方案的估 算值。然后, 假 定使该资源计划 中的敏感 变量在给 定的时 间框架内 发生一些 变 化, 再估算经过相应修正的整个资源计划的总成 本。对每一种构想方 案及相应的资源 计划 重复上述过 程。如果对每一种构 想方案赋予其 发生概率, 那么 就可以 确定资源 计划的期 望 值。于是将该期望值与出现高成本结果的风险相比较, 就可以评价备选方案的“强壮性”。 7. 计划选择 根据详细评估和不确定性分析的结果, 可以 选出一套或多套计 划。其中一套指定 为主 计划, 而其余的暂搁一边作为备用计划, 以便一旦当实际条件与规划过程中所假定的相比有 重大变化时启用, 比如当需求增长高于预期值或 燃料价格低于预期 值时。对这些选出 的计 划要求进行详细的财务评价, 以确认其财政可行性并确定外部筹资的需要量。 然后对这些选出的最小成本的资源计划还要进行灵活 性测试, 即 将计划中需求侧 和供 应侧的每项方案选择逐个地换下而保持其余的仍在计划中 不变, 然后 利用综合电力规 划模 型评价由此形成的临时计划对年收入要求、系统可靠性及财政完整性的影响。由此可以衡量 ・ 36 5・

最小成本资源计划中每一主要部分的相对效益大小和风险。这样就便于电力公司经理了解 这些情况后实行有效的风险管理。 8. 财务分析 财务分析目的在于保障整个规划期间的财政完整性。财政完整是指建设项目资金充足, 不留缺口, 财政完整性是指电力公司以合理的利率筹措足够资金支持建设项目的能力, 即筹 资能力。一项资源计划的财政完整性主要受建设项目费用的大小及花费方式的影响。然而, 由于 最小成 本计 划是在 使年 收入 要求最 小化 的准 则下 制 定的, 则 建设 费用 也 应当 被最 小 化。财务分析可使人了解到该最小成本资源计划的财政风险。 财务分析可利用财务规划模型或综合电力规划模型中的财务模块的功能来实现。

9．6. 2　 I RP 的过程要 素 经验表 明, IR P 方法的功 能除取 决于 上述 技术要 素外, 其 实施的 成功 性还取 决于 IRP 的过程要素, 并受到电力公司的高度重视。过程要素主要有: 1. IR P 目标的明确表述 要明确表述 IRP 的目标以及与此相关的备选资源计划的评价准则。 2. 所有资源的综合性 包括电力供应、输配以及需求侧资源选择。要主动地考虑所有资源选择。 3. 电力各部门的协同性 各职能部门之间有良好的信息沟通、协调和合作。 4. 不确定性的认真处理 在可选的 IR P 计划中 进行筛选时, 对涉及到主 要假设条件和估计 值的不确定性问 题要 给予考虑和估算。 5. 公众参与 在 IR P 规划 过程中, 用户、部门 外专家 及政 府法规 部门 的参 与有助 于保 障电力 规划 能 满足用户的需求, 增加公众的接受性以及有助于在 尽可能宽的范围中 考虑各种资源选 择方 案。 6. 实施计划 IR P 规划过程 必须落 实到一项 实施计 划, 详 细规定各 项活动、责任、预算、时间 表、进 展 和成功性的衡量准则以及决策人选。 7. 连续性 IR P 规划过程必 须是一种 滚动式的 过程, 即当外 部环境出 现变化 时以及获 得新的资 源 ・ 3 66 ・

来源时, 计划要及时加以更新。 所有这 些与过程 相关的 要素都包 含有一种 意向, 即面对 日趋复杂 和未确 定的未 来, 在 IR P 规划中要兼收并蓄, 博采众长。

9．7　 IR P / DSM 推广应用效果与经验 9．7. 1　 美国电 力公司需 求侧管理的 效果 　 　 由于意识到电力部门对环境造成的危害, 如美国有 2/ 3 的 SO 2 , 1/ 3 的 NO x 及近 1/ 3 的 CO 2 排放来自发电厂, 近年来美国制定了严格的环保法规, 如《净化大气修正法案》。这 些法 规的出台明显提高了发电成本, 也形成了推广 DSM 和 IRP 计划, 致力 于提高能源效率 的原 动力. 目前已有 15—20 个州的 电力工 业实施了 1300 多 项 DSM 计划, 吸引了 1300 万用 户 参加。 到 2010 年, 美国电力消费 预计平均年增 1. 8% —2. 2% , 占终端能 源消费的比例上 升到 20% 。满足需求增长有两个途径: 一是新建电厂, 提高发电效率和延长现有电厂寿命; 二是需 求侧 管理( DSM ) , 即改 变需求, 改进电 力公司 的规划、供 电方 法和监 测, 促使 用户调 整用 电 时间和改变用电水平。这是最经济合适的替代方案。 由于电力公司和立法机构已采用 DSM 以及 IR P 方法来满足 未来的需求, DSM 的 成效 已可精确度量。美国能源情报署根据 1990 年以来的 DSM 资料统计, 对峰荷的削减、节电量 和 DSM 的费用支出进行分析, 见表 9．2。 表 9．2　 美国电力公司 DSM 的效果 单位

1990 实际

1991

1995

2000

MW

16700

26889

40708

55636

　 直接负荷控制

4583

6128

9745

12523

　 可停电负荷

5848

11710

13261

14779

　 节能和其它

6269

9051

17702

28334

峰荷削减, 其中

节电量

GW ・h

17029

22644

48002

78444

DSM 费用

10 6 美元

1206

1642

2600

3399

　 　 资 料来源 : U . S. A. DOE. Ener gy M ont hy R eview. 1992

　 　 DSM 的效果如下: 1. 峰荷削减 1990 年峰荷减少 16. 7 GW , 相当于夏季峰荷的 3. 7% , 比 1989 年实际峰荷减少 25% 。住 宅 实 际 峰 荷 减 少 50% 以 上, 商 业 和 工 业 用 户 约 减 少 20% 。 1990 年 峰 荷 减 少 潜 力 为 24331M W 。 其中直接负荷控制占 27% , 电力系统直接中 断供电, 一 般不用通知用户, 典型的例 子是 间隙空调停电。 ・ 36 7・

可停电负荷占 35% , 用户负荷 按照合同规定, 或根据用户 的要求 由电力系 统的操作 人 员直接控制。大量的商业和工业用户同电力公司订有可停 电电价合同, 通常在关键时 刻停 电, 如夏季下午系统负荷接近发电能力时。 节能和其他占 38% 。节能包括房屋气候化翻修( 即各种建筑保温措施) , 改进建筑物结 构以及家用电器、照明的能效, 路灯改装, 能源管理服务等。其他项包括分时电价, 燃料替代, 大型商业和工业用户自备发电, 还有蓄电和蓄热等。 预计到 2000—2010 年还将削减 3. 0% —5. 7% 的发电量及 6. 7% —6. 9% 的峰荷电力需 求。 2. 节电 1990 年节电 17. 03T W ・h, 占总售电量的 1. 3% , 比 1989 年增加 15% 。其中投资者拥 有的电力公司占 71% , 联邦电力公司的指令性节电 计划占 23% , 其余 为公共和合营电 力公 司。 3. DSM 的成本 1990 年 DSM 的成本为 12 亿美元, 占电力部门年总收入的 0. 7% 。DSM 成本包括电力 公司用于设备、激励、销售、监测和评估的费用, 不计用户或第三方的开支。许多电力公司的 经验证明, 选择 DSM 方案比供应侧方案便宜得多, 表 9．3 说明每节约单位 k W 的成本。 表 9．3　 节约的成本 DSM 方案

典型成本/ 美元/ kW

直接负荷控制

　 　 150—300

高效空调

　 　 150—900

高效住宅

　 　 250—500

高效商业大楼

　 　 300—500

高效照明

　 　 200—500

高效马达

　 　 400—800

4. DSM 效果 美国东北部最大的新英格兰电力系统的 IRP 计划是一个典型例子, 见图 9．13。由 图可 见, 实 行 IRP 的结果, 使 该电力系统到 2008 年的新 增装机容量只占总 新增电力负荷需 求的 28% , 而采用 DSM 使新增电力需求总量减少 32% 。

9．7. 2　 I RP / DSM 的发展 前景 以美 国能源信 息局( EIA ) 为美国能 源部提 供的美国 能源战略 作为参 考点, 美国 橡树 岭 O RN L 实验室提出了考虑 DSM 的能源战略方案, 展望未来电量消费增长, 见图 9．14。该方 案假定 1990- 2010 年实施 DSM 的电力公司将由 20% 上升到 75% , 用户参与率由每年 7% 提高 到 12% , 到 2010 年, 电量 消费 将节 省 20% , 降低 电 费 610 亿美 元, 削减 电 力负 荷增 长 ・ 3 68 ・

图 9．13　 美国新英格兰电力系统 IRP 计划实例 [ 1]

50% , 推迟 430 座电厂建设, 可使美国 CO 2 减排 9% , 缓解对全球气候变化的影响。

图 9．14　 1990- 2010 年美国电量消费需求预测 [ 7]

可见 IR P / DSM 在对付未来能源资源、环境和持续发展挑战方面可发挥战略性作用。有 鉴予此, 不仅 北美、欧洲发 达国家, 而 且像 巴西、印度、墨 西哥、泰国、韩 国等 发展中 国家 也 竞相开展有关 DSM / IR P 的研究和推广。我国能源界也正开展试点研究, 积极创造国际合作 条件, 推动我国能源规划工作走上新的台阶。

9．7. 3　 电力公 司 DSM 实践 的经验总 结 北美的许多电 力公司实施各种 类型的 DSM 计划已 有多年, 足以 在用户的 接受程度 及 对负荷的影响方面作出评价。电力公司 DSM 实践的经验教训可归纳如下: ・ 36 9・

1. DSM 方法的创新 ( 1) 电力公司与政府 机构、公 共利益集团 合作共同 制定 DSM 计划, 这是对 过去传统 的 由电力部门制定规划, 然后“抄送备忘”过程的一种革新。 ( 2) 提供激励手段鼓励电力公司投资于 DSM 计划, 如提供具有激励性的投资回收率。 ( 3) 积极 与房屋建 筑和设 备的设计 人员、技术专 家共同工 作, 因 为他们 往往在燃 料、设 备、以及效率水平选择方面有很大的发言权。 ( 4) 抓住“失去的机会”。这个概念涉及到新建筑建设和选择长寿命新设备, 因此若在开 始阶段不采取适当的措施改善其效率, 那么在以后再进行革新就相当困难了。 ( 5) 承认用户的决策及接受程度是 DSM 实施过程中的关键方面。大多数电厂在 90 年 代的运行环境已和 70 年代迥然不同, 所以电力公司的运行机制必须从面向供应侧改为面向 用户。电力公司要花大力气研究用户的特性、要求和利益, 以便有针对性地向具有较高接受 程度的特定用户部门或用户层推行 DSM 计划。 ( 6) 实行节约共享计划, 以便减轻用户自费投资 DSM 方案的负担, 这种计划旨在 使电 力公司、用户及第三合同方都能受益。 ( 7) 邀请大商业和工业用户参与 DSM 计划设计过程中, 以便使计划能达到较高的用户 接受性。 2. DSM 计划设计 ( 1) 由电力公 司、公共团体 ( 如行 业协会、环保 团体) 、政府 机构和 用户共同 努力进行 计 划设计对保证设计获得通过和实施成功十分有益。 ( 2) 要评价各种激励 手段和推销策略 以便选择 一种最佳 组合使 DSM 计划 的净效益 最 大。同时, DSM 计划设计中还必须充分提出计划实施的 DSM 资源需求, 以确保其成功。 ( 3) 当实施一项大规模 DSM 计划时, 考虑到存在多种 不确定性, 普遍认为先实行 试点 和试销是十分重要的。 ( 4) 在计划设计过程中需要主管部门和实施 现场干部的参与。尤 其是现场人员直 接面 对用户, 最了解用户接受准则的内情及推销策略。这些重要的信息都有助于计划设计。 3. DSM 计划实施 计划实施经验表明, 电力公司 DSM 计划要取得用户普遍接受和占领市场, 须依赖于正 确选择计划的类型、专门指定的市场以及所采取的激励措施和市场推销策略。主要的经验可 概括为: ( 1) 推销方法和推销强度是 DSM 计划被用户接受成功性的重要因素。 ( 2) 由设计者、技术专家、建设者、开发者组成的 行业协会的作用对 加强用户接受性 是 至关重要的, 尤其是当 DSM 计划是针对商业和工业市场时更是如此。 ( 3) DSM 计划中心办公室和现场人员之间的协调对计划实施成功也是十分重要的。 ( 4) 评价 DSM 计划参与者和非参与者在用电特性方面的差异, 对计划设计是十分重要 的。因此, 在实施阶段, 应考虑信息跟踪、监督、评价等办法, 将实施经 验反馈给计划设 计和 规划人员。 ・ 3 70 ・

( 5) 电力公司应采用先进的规划模型和分析 方法, 以便 能通盘考虑用户、电力公司 和社 会三者的利益和影响。 ( 6) 为取得用户的广泛接受, 经验表明, 经济和非经济因素对用户的决策都是重要的。 ( 7) 对现场人员进行有关 DSM 方案和实施策略的培训是迫切需要的。 4. 组织机构 一般说, IR P / DSM 计划的规划和设计工作是由电力公司项目办公室承担, 而计划 实施 是由现场或具体管理部门办公室来负责。这样一来, DSM 计划的重要责任就落在负责 现场 用户服务代表肩上。而现场机构的传统职能并不能保障 DSM 的成功。例如, 现场人员的重 要职责是处理来自顾客要求, 如核实电费帐单、维修服务、加长线路等等。在这种情况下, 现 场人员对实施 DSM 就未必很重视。又如, 有些电力公司由某分管部门经理兼管对用户服务 事 务, 如 果 该电 力 公 司 运 行机 制 上 比 较 分散 化, 该部 门 在 如 何 执行 由 项 目 办 公 室 制 定 的 DSM 计划方面有相当的自主性, 这就会导致执行走样。因此成立推销和提供现场服务 的机 构以及落实 DSM 实施责任对保证 DSM 计划的成功至关重要。如何组织电力公司的现场服 务力量关系到如何迅捷高效地满足用户的需求。现场服务的另一重要功能是起到用户和电 力公司之间的沟通作用。 电力公司采用了多种形式的组织 措施。从为每项 DSM 计划专设 现场服务人员到 所谓 “一步到位”的办法, 即顾客可从一名电力公司的代表那里得到全部的 DSM 计划的服务。项 目办公室与现 场办公室的关系 采用什么形式最 好应依电 力公司整 个组织 结构的特 点而定, 比如: ( 1) 电力公司的供电服务目标/ 目的; ( 2) 现场服务力量的规划; ( 3) 服务区域的地理分散性; ( 4) 用户种类和多样性; ( 5) DSM 计划的性质和多样性; ( 6) 现场服务人员的专业背景和文化知识程度; ( 7) 用户对电力公司 DSM 计划的意识和了解程度; ( 8) 用户对电力公司的态度和看法。 一个成功的 DSM 计划应具备以下的属性: ( 1) 得到主管部门的认可和支持; ( 2) DSM 计划设计有创新; ( 3) 计划设计立足于用户的需求和利益; ( 4) 周密制定的实施计划; ( 5) 项目办公室和现场办公室间的协调与合作; ( 6) 足够的计划支持材料和物资供应; ( 7) 完善的监督和跟踪系统( 制度) ; ( 8) 灵活性。

・ 37 1・

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・ 3 72 ・

10　 综 合 能 源 规 划 决 策 支 持 系 统 10．1　 计算机在综合能源规划中的应用 　 　 能源规 划涉 及到社 会经 济的 各个领 域, 需要 处理大 量的 信息, 使用 各种 各样的 分析 方 法, 根据不同的目标构造不同的数学模型, 通过计算机的使 用, 使综合 能源规划所涉及 的能 源与信息这两大现代文明支柱紧密地联系在一起。在社会经济活动中存在着范围广泛, 层次 纷繁, 指标复杂, 数据多乱的能源系统信息, 只有通过应用计算机的手段, 建立各种各样的信 息处理系统, 才使综合能源规划具有可行、经济、高效实用的特点, 并成为人们经常采用的方 法。 在进行 综合能源 规划的 每一步骤 时, 都 离不开 计算机技 术的支持。综 合能源规 划的 基 础是对历史和现状进行调查研究, 建立能源数据 库。随着计 算机数据库技术 的发展, 我 们可 以建立功能越来越强的数据库系统, 为后来的各种计算分析提供强大的支持。在编制社会、 经济、环境等 发展目标时, 不可避免地需 要采用投入－产出分析、系统动力学, 计量经济 学等 方法建立有关模型, 并应用功能越来越强的软件包或自行编制软件求解。在能源需求预测、 资源评价、工艺评价、供应分析等步骤中, 由于需要处理的数据非常多, 并需使用许多不同的 方法设计不同 的方案, 进 行比较分析, 计算量十 分巨大, 再加上 需要运 用运筹学 中的各个 分 支构造各种不同的模型, 力求寻找最优解或次优 解, 这些工 作靠人工计算是 不可能的, 计算 机的特点正适合在这里大展身手。进行影响分析是所有规划工作里十分重要的一个环节。在 过去手工计算的年代, 不可能对一个较大的规划进行比较详细的影响分析。有了计算机, 情 况就大为改观了, 如进行参数影响分析, 只需改变一个参数, 通过计算 机重新计算即可 以实 现了。计算机在管理领域中最早应用于财务管理中, 在能源规划中的 投资评价和财务 评价 中, 理所当然要利用以前的成果。在综合能源规划的发展过程中, 始终能看到计算机技术发 展所带来的影响。 随着计算机技术和信息系统理论的不断发展和完善, 综合能源规 划也得到了不断 的发 展。进行综合能源规划的实质就是为决策者制订各种能源政策提供各种可供参考的方案, 随 着计算机软件 技术的迅速进步 和决策支持系统 理论的提 出与完善, 目 前计算机 在综合能 源 规划中的应用的一个最适当的目标就是建立一个综合能源规划决策支持系统。

10．2　 综合能源规划决策支持系统概述 信息系统是指基于计算机, 通讯网络等现代化的工具和手段, 服务于管理领域的信息处 理系统, 它是 20 世纪中叶信息科学、计算机科 学、管理科 学、决策科 学、系统 科学、认知 科学 以及人工智能等学科相互渗透而发展起来的一门学科, 信息科学同时 是一门实践性很 强的 应用科学, 在实践中产生, 又在实践中不断发展, 产生了 电子数据处理系统 ( E DP S) 、管 理信 息系统( M IS) 、决策支持系 统( DSS) 、办公室自动 化系统( OA S) 等分 支。这些分支的差 别主 ・ 37 3・

要在于它们在处理对象和解决问题的方法、手段上的不同。E DPS 及 MIS 面向统计人员、一 般管理人员, 以处理系 统中大量数据为 主。而 DSS 是为弥补 M IS 的 不足, 主要 面向管理 决 策人员, 以处理半结构化的管理决策问题为主, 并突出决策支持的概念。综合能源规划恰恰 符合 DSS 的 这些基本特征, 因此在建立 综合能源规划信 息系统时, DSS 是一个非常恰 当的 选择。 建立综合 能源规划决 策支持 系统( IE PDSS ) 时, 要充 分利用以 前的应 用成果, 并加以 改 造、扩充, 逐渐完善。一个完整的 IE PDSS 应该由对话子系统、数据库子系统、方法库子系统 和模型库子系统等 4 个子系统构成, 如图 10. 1 所示。

图 10. 1　 DSS 的组成部分

管理者的 决策离 不开基础 数据和来 源广泛 的信息, 因此, 数据 库子系统 是 DSS 不可 缺 少的重要组成部分。数据库子系统包括数据库( DB) 和数据库管理系统( DBM S) , 其功 能包 括对数 据的存储、检索、处 理和维护, 并能 从来自 多种渠道 的各类信 息资源 中获取数 据, 并 将其转换成 DSS 需 求的各种内部数 据。在数据库子系统 中, 既要处 理能源数据, 又要处 理 与之密切相关 的社会、经 济以及环境数据; 既要 处理历史 数据, 又要处 理根据历 史数据由 各 种模型计算得到的预测数据。 模 型库子系 统包括 模型库( M B) 和 模型 库管理 系统 ( M BM S ) , 它是 DSS 的核心, 是 最 重要的也是较难实现的部分。M B 中存 储着与能源规划 有关的各种各样 的模型。M BM S 支 持将决策问题的定义和概念模型化, 维护模型, 包括联接、修改、增删等。模型库子系统与对 话子系统的交 互作用, 可 使用户控制对模 型的操作、处置 和使用, 它与 数据库子 系统交互 作 用, 提供各种模型所需要的数据, 实现模型输入、输出和中间结果存取自动化, 它与方法库子 系统交互作用, 实现模型对方法库中的各种计算方法的调用。 方法库子系统包括方法库( AB ) 和方法库管理系统( ABM S ) 。在 DSS 中, 可以把决策过 程中常用的计算方法( 如矩阵运算、参数估计等) 作为子程序存入方法库中。A BM S 对 方法 库中存储的方法进行维护和调用。 对话 子系统 是 DSS 的 人－机 接口 界面, 直接 接收 和检 验用 户的 请求, 协 调 数据 库子 系 统、模 型库子系统和方法 库子系统之间的 通讯, 为决策者 提供信息 收集, 问题识 别以及模 型 构造、使用、改进、分析和计算等功能。对话子系统通过人－机对话, 使决策者能够根据个人经 验, 主动地利用 DSS 的各种支持功能, 选择一个最优或较优的决策方案。

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10．3　 数据库子系统 10. 3. 1　 能源规划 中使用的数 据 　 　 根据所处 理的对象和范围 和使用者的不 同, 能 源规划可 以划分 为不同层 次, 不 同地区, 不同能源品种, 不同时段 等种类, 如国家能源 规划、地区能源 规划; 城市能 源规划、农村能 源 规划; 电力规划、天然气规划; 中长期规划、近期规划等等。不同的能源规划使用的数据的范 围以及详简程度也不同。能源规划中使用的数据大体可以分为两类: 能源系统内数据和能源 系统 外相关 数据; 能 源系统 内 数据 主要 包括 有关 资 源、开采、加 工转 换、运输 配 送、用能 设 备、终端需求 等方面的 数据; 能源系 统外数据 主要包 括在能源 规划中 涉及到的 社会、经济、 环境等方面的数据。 进行国家( 地区) 能源规划时主要使用以下各类数据: ( 1) 社 会经济综 合数据, 如国 民收入, GNP ( GDP) , GN P 增 长速度, 第 一、二、三 产业 结 构, 分行业附加值, 固定资产, 固定资产折旧, 投资额, 消费额, 总人口, 城乡人口比例, 就业人 数, 劳动生产率, 投入产出表等等; ( 2) 能源资源数据, 如不可再 生能源的探明储 量、附加储 量、地质情 况、可采 储量, 可 再 生能源的资源总量、利用能力、利用效率等等; ( 3) 能源 生产数据, 如 产量、进出 口量、产 量构成、生 产能 力、生 产设 施情 况、可 扩展 能 力、自用能、损耗等等; ( 4) 能源消费数据, 如用能设 备参数、分 部门分品种能源 消费量、产 值单耗、产品单耗、 节能率、节能潜力、居民消费趋势等等; ( 5) 大型能源基地数量及分布数据; ( 6) 能源 运 输配 送数 据, 如输 送 方式、输 送量、输 送能 力、油 气 管道 长 度、电 网负 荷 能 力、输送损失等等; ( 7) 能源建设投资数据, 如勘探、建设、开采成本; ( 8) 能源市场与价格数据; ( 9) 能源流转数据, 如进出口、库存、调拨等; ( 10) 能源工业经济效益数据; ( 11) 有关技 术经 济参数, 如 能源 转换 系数 ( 等价、当 量) , 能源 供应 各环 节 可变 成本 系 数, 能源消费弹性系数等等; ( 12) 环境影响 数据, 如单位 GDP 温室 气体排放 量、单 位能源 消费量温 室气体 排放量、 人均温室气体排放量、减排技术、减排成本、环境对经济的影响、环境标准等等; ( 13) 国外( 地区外) 相关数据。 其它能源 规划所使用的数 据与国家( 地区) 能源规划 大体一致, 只 是所处理 数据的范 围 和详细程度有所区别。例如, 在进行农村能源规 划时, 要根 据农村用能的具 体情况, 加 以确 定。 数据收集是建立数据库子系统的一个难点, 常用的方法简述如下: ( 1) 统计 报表制度, 是 统计部门 收集数据 的一种 主要方式, 按照 统一规 定的报表 内容、 上报时间和报告程序, 自下而上报道基本统计资 料。我国有 一支庞大的统计 队伍, 统计 资料 ・ 37 5・

比较齐 全, 能 源统计已 形成一 定体系, 从统计 部门获 得综合能 源规划 所需数据 是重要的 途 径。 ( 2) 普查, 是专 门组织 的一次性 全面调查, 如 全国人口 普查、工业普 查、水 力资源 普查、 森林普查等等。在进行小范围的能源规划时, 如 农村能源规划、企业能源规 划等, 由于 数据 基础较差, 经常需要运用这种方式。 ( 3) 典型调查, 是根据研究对 象不同, 选 择有代表性的典 型单元, 做 深入细致的调查 研 究, 借 以对调查对象获得 规律性的认识, 例如在 收集不同 规模、不同类 型的发电 机组的初 始 投资、能源转换效率、运行费用等数据时, 就可以用典型调查这种方式。 ( 4) 重点 调查, 是在所 研究的全 部单元中, 选 择一部分 影响极大 的重点 单元进行 调查。 通过重点单元调查就能了解该系统的基本情况和发展趋势。 ( 5) 抽样 调 查, 是按 照随 机原 则 在所 研究 系统 的全 部 单元 中抽 取一 部分 单 元进 行 调 查, 通过对部 分单元的 指标调 查, 计 算总体综 合指标, 从数 量上推测 总体。例如在 收集居 民 能源消费数据时, 经常采用这种方式。

10. 3. 2　 数据库的 设计与建立 根据综合能源规划的目标, 确定需要使用的数据后, 按照建库目标对这些数据进行分析 整理, 弄清数据之间的关系, 按照关系数据库的概念, 确定数据结构, 进行数据库结构设计和 数据库的建立。 在数据库结构设计时, 不仅要考虑到前面提到的各种各样的原始数据, 还要考虑那些原 始数据之间相互作用而产生的衍生数据。由于计算 机技术的发展, 计算机存储介 质的容量限制对 于一 般的信息系统不再 是一个非常值得 考虑的问题, 为 了提 高检 索、查 询的 速度, 适 应 DSS 对数 据的 各 种 各样的要求, 在进行数据库结构设计时, 经常要增加 数据冗余量, 不仅要存储那些原始数据, 同时也要存 储那些衍生数据。由于数据量大而复杂, 在进行数据 库结构设计时, 首先要进行一个完备的、便于维护的 代码设计, 同时建立一个十分详细的数据字典。 根据 数据库 的结 构设计, 考 虑到 数据量 的大 小 以及所能获得的硬件设备支持, 选择一个功能强大、 易于操作、提供多种数据接口的关系数据库语言, 开 始建 库。在 建库 的 同时, 由 于具 体数 据 库语 言的 限 制, 为了使 数据 库 能更 充分 地发 挥作 用, 经 常需 要 对数据库结构设计进行一些改动。

图 10．2　 数据库设计与建立的一般步骤

数据库设计与建立的一般步骤如图 10．2 所示。

10. 3. 3　 数据库管 理系统的设 计与实现 一个数据库系统总是由数据库和数据库管理系统组成。只有通 过 DBM S , 才能完 成对 DB 的各种操作, 如录入、修改、查询、计算、浏 览等等。数 据库系统的重点 在于 DB 的结 构设 ・ 3 76 ・

计, 难点在于 DBM S 的实现。DBM S 一般包括以下几个模块: 录入模块, 同外部数据库接口 模块、修改模块、查询模块、统计分析模块、输出模块、初始化模块、系统维护模块等等。一个 数据库系统的基本结构如图 10．3 所示。

图 10. 3　 数据库系统的一般结构

录入模块主要提供一个友好的人－机界面, 使操作者能够方便地把 各种原始数据录 入数 据库中。在设计时要注意容错性和合法性检验。 同外部 DB 接口 模块主 要是为了 减轻数 据录入的 工作量, 因为 能源规划 使用的 数据 不 少是从统计部 门获得, 而 统计部门有专门 的数据库, 本模 块主要提 供一个 数据接口, 把外 部 数据库的有用的数据按照本系统的结构要求传输到本系统数据库中。 修改模块能够对由于各种原因而被错误录入数据库的 数据进行修改。由于本系统 中存 在着大量的数据冗余, 在设计时要注意保证数据的一致性。 检索查询模块是 DBM S 的一个核心模块。要求不仅能够按照固定条件进行检索, 还应 提供各种随机组合查询。也就是说, 希望建立一个较智能化的查询系统。 统计分 析模块主 要是提 供各种统 计算法, 对原 始数据进 行整理计 算, 得到那些 本系 统 要求的 衍生数据, 并存 储到衍 生数据库 中。分 段输出 模块不仅 要提供 各种丰富 灵活的数 据 表格输出, 还要提供各种各样的统计图形输出。 初始化模块主要是在数据库系统正式投入使用时对系统的数据库( 主要是一些代码库) 进行初始化处理。 系统 维护模 块是 为了保 证系 统 能够 正常 运行、并 在 系统 出错 后能 够正 常 恢复 而设 计 的, 主要包括系统备份、数据库索引维护等功能。 许多国 家和地区 在进行 综合能源 规划时, 已建 立了大量 的数据库 系统, 但大多 只是 一 个数据管理系统, 用来作为 DSS 的数据库子系统, 有待进一步改进。

10. 3. 4　 数据库子 系统的形成 数据库子系统是 DSS 的基础部分, 它的作用 不仅体现在数据支 持上, 在 某种程度上, 它 ・ 37 7・

已成为 DSS 内部管理的一种机制, 起着简化 DSS 的实现和维护的重要作用。下面我们通过 图 10. 4 说明利用数据库集成 DSS 各部分的基本原理。图中箭头表示各部分之间的数据流。 虽然图中仅仅画出了与模型 A 有关的各部件间 和各关系间的数 据流, 实际 上对于并联的 N 个模型, 其原理也一样。由图可知, DSS 各部分利用数据库的过程如下: 1. 用户通过对话部件请求 DSS 执行模型 A , 并向模型提供某些参数; 2. 对话部分访问响应逻辑关系表 A 中的一个关系。响应逻辑关 系表 A 中的内容 规定 了响应用户各种输入应采取的行动; 3. 对话部分根据应采取的行动, 将用户输入的参数存入一个输出格式关系中; 4. 根据响应逻辑关系中所规定的动作, 对话部分调用模型 A 并执行; 5. 模型 A 从数据关系中取得数据, 从输出格式关系中取得参数; 6. 模型 A 将运动结果存入输出格式关系, 并将控制转回对话部分; 7. 对话部分访问输出格式关系; 8. 对话部分中的输出格式部分利用输出格式关系将模型结果显示给用户。

图 10. 4　 利用数据库集成的 DSS 各部分

由此可见, DSS 对数据库系统有一些特定的要求, 即: ( 1) DSS 的数据库系统 应具有从外部数 据库( 往往不止一个) 析取数据 的能力。这 是因 为 DSS 所面临的任务大多为半结构化决策问题。 ( 2) DSS 要 求数据库 不仅能 存储一般 数据, 而且也 要求 能够存 储中 间结 果, 保 存工 作 空间以及存储有关操作步骤等信息。 ( 3) 具有比一般数据库系统更强的随机存取性能。这是因为 DSS 主要支持半结构化决 策问题, 决策者一般不是 按照预定的顺序 存取数据, 当决 策者研究 某一些 数据时, 往往临 时 要求存取事前并不希望存取的数据, 或者要求存取那些与现有数据无关的数据。 为实现以 上要求, 在建立 IEP DSS 时, 为了 充分利用 以前建立 的数据 库系统, 可以按 照 ・ 3 78 ・

图 10. 5 所示的结构建立 DSS 数据库子系统。

图 10. 5　 DSS 数据库子系统结构

首先, 在原 DBMS 中增加一个数据析取模块, 主要功能 是为模型运行准 备和组织数据, 它实际 上是各种 源数据 库与 DSS 数据 库的 接口, 主要 内容 包括 从源数 据库 集聚数 据和 形 成子集, 存入 DSS 数据库, 供 DSS 的其它子系统使用。 然后, 在原来 的数 据库基 础上, 根 据其它 子系 统的 具体要 求, 建立 一些专 用 DSS 数 据 库, 它 根据特定模型或特 定方法的要求, 通过数 据析取模 块从源数 据库中 获得数据, 按照 一 定的格式重新组织存储, 便于实现模型、方法和数据的连接。 另外, 新建 立的 DSS 数据 库 需建 立新 的数 据库 管 理系 统, 或对 原来 的 DBM S 进行 修 改, 以适应 DSS 的一些新的要求。 在数据库子系 统的形成中, 要采用相应 的硬件 与软件, 其中软 件可以 自行编制, 也可 采 用 目 前 广 泛 使 用 的 DBASE Ⅲ, DBA SE Ⅳ, OR A CL E , informix, FOXBA SE , FOXPR O, SYBA SE 等等数据库软件。

10．4　 方法库子系统 10. 4. 1　 方法库在 DSS 中 的作用 　 　 有一些 DSS 没有方法库子系统, 但这并不能说明方法库在 DSS 中没有什么作用。虽然 DSS 主要处理一 些半结 构化问题, 但对 问题进 行分解, 这些半 结构化 问题都是 一些结构 稳 定的子问题的集合。把这些结构稳定的子问题的求解方法按照一种库的形式放在一起, 就形 成了方 法库。方法库中 存储的 方法可以 看作为 一系列与 数据分离 带有数 据接口的 子程序, 通过方法库管 理系统利用不同 方法将数据和模 型动态联 接起来, 形成 一个完整 的可求解 模 ・ 37 9・

型。在 DSS 中引入方法库的优点是十分明显的, 归纳起来有: ( 1) 提供各种通用计算、分析、加工处理的能力。 ( 2) 提高模型运行 的效率。用户可以从 模型库中调出需 要的模型, 同时从方法库中 调 出相应的方法程序, 通过联接, 有效地完成模型的运算和分析。 ( 3) 实现软件资源的共享。由于建立了方法 库, 对于模 型库中的模型, 就无需考虑 每一 个模型都配置一个或多个算法, 而是各种模型共享一类方法程序, 或一类模型共享多种方法 程序。 ( 4) 便于系统的改 进和维护。当对某一 模型进行改进时, 有时可以 通过改变使用的 方 法来实 现, 而 不必对模 型做大 规模的修 改。如 果求解 某一结构 稳定的 子问题的 算法有改 进 时, 只要修改方法库中的方法而不必修改所有调用这种方法的模型。

10. 4. 2　 能源规划 中使用的方 法 由于能源规划涉及社会经济的各个方面, 需要解决的问题与许多学科有关, 因而在能源 规划中使用的方法很多, 大致可以分为以下几类: ( 1) 基本数学方法, 如各种初等函数算法、各 种插值算法、各种矩阵运算 算法、概率 计算 算法等等; ( 2) 数理统计方法, 如参数估计、回归分析、方差分析、假设检验、因子分析等等; ( 3) 计量经济学方法, 如序列相关分析、工具变量法、最大似然法等等; ( 4) 运筹 学方法, 如线 性规划算 法、非线 性规划 算法、整 数规划 算法、各 种决策 算法 等 等; ( 5) 技 术 经 济 方法, 如 资金 的 时 间 价 值 量转 换、N PV 法、敏 感性 分 析、盈 亏 平 衡分析、概率分析等等; ( 6) 统计预测方法, 如因果分 析法, 时 间序列法等等; ( 7) 能 源 分 析 方法, 如 实物 量 与 标 准 量 转 换、各 种 弹 性 系 数 计 算 方 法、节 能 量 ( 节能率) 计算方法等等; ( 8) 其 它方 法, 如系 统 动 力 学、投 入－ 产出分析、模糊规划、模糊决策等等。 图 10. 6 给 出 了 IE PDSS 的 方 法 库 中

图 10．6　 方法库的方法集合

的方法集合示意图。

10. 4. 3　 方法库子 系统的结构 图 10. 7 给出了方法库子系统的结构示意图。一个方法库子系统一般由方法库、方法库 管理系统、内部数据库组成。 方法库由方法程序库和方法字典组成。方法程序库是存储方法模块的工具, 由各种通用 性和灵活性都比较强的可用来构成各种数学模型的方法程序组成。方法字典则用来对方法 库中的程序进行登录和索引。 ・ 3 80 ・

图 10. 7　 方法库子系统的结构示意图

方法库 管理系统 是方法 库系统的 核心部分, 是 方法库的 控制机构。为 了完成方 法的 建 立、更新、检索、方法库与模型库之间的通讯以及有关文件和方法字典的管理, 方法库管理系 统应包括以下组成部分: ( 1) 用户界面。主要提供一个可操作性强的控制平台, 便于用户使用。 ( 2) 方法库运行控制程序。包括方法库的管理程序、方法的存取程序、方法的更新程序、 方法 的链接 程序、运 行方法 的程 序、完整 性及 安全 性保 护 程序 等, 主要 用来 完 成源 码的 编 辑、目标码的生成、方法入库、修改、删除和划块分类等任务。 ( 3) 语言解释器。它被用来解释各种计算机语言。 ( 4) 数据处理程序。主要用来控制与数据库子系统的通讯。 ( 5) 模型库接口的控制程序。主要用来控制与模型库子系统的接口。 ( 6) 其它公用程序。包括辅助学习程序、字典维护程序、方法库维护程序等。 方法库 管理系统 对方法 管理的核 心部分是 具有高 性能的方 法生成 器。它 能根据 用户、 管理 者及模 型的 要求, 在不 需要 人工干 预的 情况 下, 自 动生 成能 够解决 某一 问题的 方法 程 序, 并执行它。 内部数据库是 方法库子系统本 身的一个数 据库, 用来存放 输入数 据及经过 方法加工 后 的输出数据。内部数据库中的数据既可以从数据库子系统通过系统连接传送过来, 也可以由 用户自己输入。 方法库中存储的方法, 不必包含决策中要用到的数据。使用方法时, 要用到的数据可由 数据库 管理系统 来解决, 因此 方法库与 数据库 管理系统 之间就需 要一个 接口, 由它来提 供 数据, 这些都要依赖方法库管理系统去解决。看 起来, 好象 是直接把数据输 入到方法体中, 而实际上是由方法库管理系统中的数据处理程序根据方法本身的信息( 在方法字典中) 自动 地通过转换, 把数据正确 地输入到要用的 方法体中, 图 10. 8 是 方法库 与数据库 之间的数 据 传递关系图。 为了正 确地建立 方法库 与数据库 之间的关 系, 提供方法 库所必须 的信息, 在方 法字 典 中存放 有与方法 本身有 关的信息, 其主 要内容 包括各种 方法的类 别、功能、使用范围、调 用 形式、方法的输入输出、参数形式、参数个数等。

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图 10. 8　 方法库与数据库的关系

10．5　 模型库子系统 10. 5. 1　 模型库在 DSS 中 的作用 　 　 模型库 系统在 DSS 中占有重要 地位。管理者使用 DSS 不是 直接依靠数据 库中的数 据 进行决策, 而是依靠模型库中的模型进行决策。因此, 可以认为, DSS 是由“模型驱动的”。应 用模型获得的输出可以分别起以下 3 种作用: ( 1) 直接用于制订决策; ( 2) 对决策的制订提出建议; ( 3) 用来估计决策实施后可能产生的后果。 实际上, 可直 接用于制 订决策 的模型对 应于那 些结构性 比较好的 问题, 其处理 算法 是 明确规定了的。表现在模型上, 其参数值是已知 的。对于非 结构化的决策问 题, 有些参 数值 并不知道, 需要使用数理统计等方法估计这些参数的值。由于不确定因素的影响, 参数值估 计的非 真实性, 以及变 量之间 的制约关 系, 用 这些模 型计算得 到的输 出一般只 能辅助进 行 决策或对决策的制订提出建议。对于战略性决策, 由于决策模型涉及的范围很广, 其参数有 高度的不确定性, 所以模型的输出一般用于估计决策实施后可能产生的后果。

10. 5. 2　 模型库子 系统的特点 和功能 随着运 筹学在管 理中的 应用和发 展, 模 型已成 为制订决 策的一项 重要的 辅助工 具, 特 别是计算机的出现, 更为求解数据量大、重复工作量惊人的模 型( 如线 性规划模型或模 拟模 型) 创造了极为有利的条件。但是, 传统模型在管理中的应用存在许多问题, 主要是: ( 1) 模型的输入数 据不符合要求。这表 现在输入数据本 身粗制滥造, 影响模型结果 的 正确性。实际工作中许多输入的数据需要长期积累和仔细 加工, 简单 的模型系统满足 不了 这种要求。 ( 2) 模型的输出往往是静态的, 很难反映出各种不同情况下输出的变化情况。 ( 3) 各个模型都采用自己的数据格式, 互不通用, 一个模型往往只 能用于解决决策 过程 中某一小阶段的问题。为了决策, 往往需要决策者用手工或思维去进行综合。 以上问题说明模型和数据的分离, 模型管理功能的薄弱, 以及模型的不集成是传统模型 应用中的主要问题。为了解决这些问题, DSS 中的模型库子系统应能实现以下集成。 ・ 3 82 ・

图 10. 9 表 示了模型 和数 据的 两种关 系, 其中 图 10. 9( a ) 是 模型与 数据 关系的 传统 观 点, 图 10. 9( b) 是 DSS 中模型与数据的集成关系。两者的区别在于: DSS 的每个模型从数据 库中析取输入数据, 并把输出返回给数据库, 而不象传统模 型那样, 模 型直接与用户发 生联 系。模型库和数据库直接链接后, 就能保证数据被更新、修改和重建以后, 模型也得到更新, 而且对话系统可以更灵活地测试操纵输出数据。

图 10. 9　 模型和数据的两种关系

模型库应当通过其管理系统与对话部分直接联系, 使用户能直接控制和使用模型。只有 这样才能真正建立起用户与模型之间的交互作用关系。譬 如说, 决策 者可以中断模型 的运 行; 改变参数, 改变目标函数; 可以直接选择最合 适的算法; 可以一部分工作 由手工计算, 然 后调用模型计算, 也可以全部自动化地运行操作。此外, 模型库系统应向用户提供足够的反 馈, 使用户能够充分掌握解题过程中的运行状态。 模型库子系统的功能可归纳为: ( 1) 存取模型, 内容包括模型输入、维护、更新、检索等; ( 2) 构造模型、组合模型和检验模型等。

10. 5. 3　 能源规划 中使用的模 型 模型研究方法是用数学语言对一有界的客观实体的内部运行机制和与外部的联系进行 抽象模 拟, 并 通过有效 的计算 手段求解 来预测 这个客观 实体的发 展过程。由于 社会经济 活 动的不可实验性, 模型方法成为研究各类经济活动的一种强有力的工具。因此, 在能源规划 研究工作中, 模型方法起着举足轻重的作用。 能源规 划中使用 的模型 很多, 按主要研 究范围 可以分为 经济模型、能 源模型和 环境 模 型。由于模型方法的研究能够将宏观经济控制从经验转向科学, 从定性转到定量, 因而受到 世界各国的普遍重视。宏观经济模型的研究, 随着各种经济理论的不断发展和计算机技术的 不断提高, 在理论和应用方面都获得了显著的成 就。随着经 济模型研究的不 断发展, 产 生了 3 门新的学科: 计量经济学、系统动力学和投入－产出分析。这 3 门学科在经济模型的研究和 应用中, 起到了不容忽视的作用。随着这 3 门学科的发展, 世界各国分 别建立了许多计 量经 济学模型、系 统动力学模型和投 入－产出 模型。本世纪以来, 经济学的 研究取得了长足 的进 步, 从而带动了经济模型的发展。在新古典综合派的理论指导下, 产生并发展了可计算一般 均衡( CGE ) 理论和模型。60 年代末期以来, 可计算 一般均衡理论和模 型应用于经济计 划与 预测、收入分配、外贸政策、结构调整等问题的分析, 取得了丰硕成果。60 年代, 西方经济学 ・ 38 3・

界许多经济学家把凯恩斯理论中所包含的非均衡的分析方法作为一个基本的理论结构形式 加以扩展和延伸, 建立了非均衡理论, 形成了“非均衡学派”。随着非均衡理论的发展, 世界各 国建立了许多非均衡模型。与 CGE 模型相比, 非均衡理论和模型更多地运用于研究资源约 束型的短缺经济。 70 年代以来, 世界上开始了 有关的能源模型的 研究工作, 至今已 建立了许 多类型的 能 源模型, 这些模型在一些国家的能源计划制定和 能源政策分析中发 挥了很大的作用。 在能 源模型中, 既有专门研究 某种能源的需求 和供应关 系的能源 部门模 型, 如 电力系统 模型、石 油模型等, 也有综合研究所有能源的需求和供应关系的模型。在能源模型中, 能源需求预测 主要是 通过建立 能源的 需求量与 人口数、国民 生产总值、收入 水平、自然条 件、能 源价格 等 因素的定量关系获得的。利用这些关系, 就可以预 测随着上述因素变 化时能源需求量 的变 化。能源供应计划预测是根据未来能源需求量的要求, 来研究建立何种能源体系, 以及如何 建立和发展这套能源体系, 才能满足预测的需求。 能源供应计划预测 在能源政策的决 策过 程中起着十分重要的作用, 因为满足未来能源需 求量的要求, 往往可以采用 多种途径, 而未 来的能源供应计划则应选择经济上最有利的途径。因此在 能源供应计划预 测中, 较多 采用 了最优化的规划方法。能源系统描述就是在给定总的能源 需求量的条件下, 对于能源 系统 内各种能 源的构成, 各个环节( 开采、运 输、转换、使用 等) 之间的联 系和分 配关系, 都给予 详 细的描述。能源模型中, 主要是采用能源系统网络图和能源投入－产出表来描述能源系统。 自 20 世纪中叶以来, 环境问题越来越受到世界上许多 国家和地区的重 视。环境涉 及到 人类生活活动的每一方面, 各种各样的环境模型应运而生。在能源规划中, 主要使用那些与 能源有关的 环境模型, 如能源开采对自 然环境的影响 模型, 酸雨模 型( 酸雨形成 的主要原 因 是 能源 消费产 生的 SO 2 , CO, N O x ) , 核电 站安全 模型, 温 室效应 模型 ( 能 源消 费产生 的 CO 2 是温室效应的主要贡献者) 等等。 在能源 规划研究 中, 除 了单 独对上 述模 型进行 构模 求解 外, 更 主要 的是 由于能 源、经 济、环境 的内 在 联系, 把 其中 两个 或 多个 模型 耦合 在一 起, 构 成新 的模 型( 如 能 源－经 济 模 型、能源－环境模型、能源－经济－环境模型) 并进行求 解计算。例 如, 在一 个大型的能源－经济－ 环境模型中, 可以包括以下几个子模型: 经济发展模型、能源资源评 估模型、能源需求模型、 能源供应模型、能源投资模型、经济影响模型、环境影响模型。

10. 5. 4　 模型库子 系统的结构 图 10. 10 给出了模型库子系统的结构示意图。一个模型库子系统一般由模型库、模型库 管理系统、内部数据库组成。 模型库由模型程序库和模型字典组成。模型程序库是 DSS 的核心部分, 用来存储模型 的代码, 实际上由源码库 和目标码库两部 分组成, 在逻辑 上模型库 应是各 种模型的 集合; 在 软件内容上, 则是由许多计算机程序模块组成。 在解复 杂问题的 模型时, 为了 避免不必 要的对 中间结构 的人工干 预, 模型库子 系统 应 具有将逻辑上相关的模型组合成为一个具有更强描述能力的决策模型的功能。组合的方式 应是动态的, 即这些模型在物理上是独立存在的, 只是在实际运行时才根据问题的需要加以 组合。模型的组合, 实际上是一种数据的连接, 即若干模型的输入与输出的对应, 或模型之间 的通讯。 ・ 3 84 ・

图 10. 10　 模型库子系统的结构示意图

模 型字 典用来 存放 有关模 型的 描述 信息( 如限 制、约束、参 数模型 等) 和模 型的 数据 抽 象。所谓模型的数据抽象是模型关于数据存取的说明。这部分信息是模型库管理系统对数 据库自动存取数据的需要。此外, 模型字典中有关 模型模块的详细说 明可作为用户和 系统 人员查询模型库内容之用。 模型字典可包括以下一些内容: ( 1) 模型的内容; ( 2) 模型的功能和用途; ( 3) 模型的编码; ( 4) 模型在模型库中存放的位置; ( 5) 模型来源、出处; ( 6) 模型的变量数和维数; ( 7) 模型使用的算法程序及在方法库的位置; ( 8) 模型使用的数据名称、单位、精度及存放位置; ( 9) 用户文件、使用说明; ( 10) 模型框图、文字说明; ( 11) 建立模型的作者、时间; ( 12) 修改模型的作者、时间; ( 13) 审模型的作者、时间; ( 14) 模型入库时间。 此外, 模型字典中还可以 存放主要用来 辅助用 户学习使 用模型 的信息, 如模型 结构、模 型性能、模型应用的场合、模型求解技术、模型输入输出的含义以及模型的可靠性等。 内部数 据库是模 型库子 系统自含 的数据库, 主 要是在模 型求解时 存储模 型的输 入、输 出数据, 它与数据库子系统的数据库是两个逻辑上和物理上独立的实体, 但可由同一数据库 管理系统支持。 模型库管理系 统的功能是对模 型的建 立、维 护、调 用、查 询、运 行、检验和评 价进行集 中 的控制, 主要由以下几个部分组成。

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1. 构模管理 为了便 于用户建 立模型, 系统 应具备一 个能够 构造或产 生模型的 灵活机 构, 主 要是 能 够提供一种模型定义语言( model definition language ) , 用户可利用它完成以下功能: ( 1) 模型生成。如用户可在文本编辑状态下建立一个模型, 又如利用矩阵生成器, 只要 给出一些数据, 系统自动生成线性规划模型。 ( 2) 模型的连接。进行子模型的连接。 ( 3) 模型的重构。当模型的基本结构变化后, 能够对模型行政管理重定义或重建。 在构模过程中构模者可利用模型描述语言和模型操纵语言( 都属于模型定义语言) 来完 成新模型的建立、子模型的连接以及模型与数据的连接等。 2. 模型的存取管理 模型 的存取 管理 类似 于一 般 数据 库的 数据 存取 管 理功 能, 负责 模型 的 装入、维 护、修 改、删除、更新、查询等功能。在模型库管理系统 的支持下, 用户可以根据模 型名称、建 模方 法或模 型经济功 能等多 种分类路 径, 存 取所需 的模型。其中模 型的更 新指在不 改变结构 的 条件下 修改参数, 如模 型的约 束条件或 系数的 改变等。模型的 查询指 用户可以 查询模型 文 件, 了解模型特性。通 常可使用模型查 询语言( 也属于模型 定义语 言) 选择和调 出已有的 模 型。 3. 模型的运行管理 模型运行管理的内容包括: ( 1) 运行前的条件准备。主要是检验模型所需要的方法子程序和数据是否具备, 否则提 醒用户创造条件。 ( 2) 与方法联接。通过接口, 从方法库中取出方法与模型联接。 ( 3) 与数据联接。一是模型与内部数据库的联接, 存取运算结果和初始数据。二是通过 接口启动数据析取系统和数据库管理系统, 实现与其它数据库的联接。 ( 4) 对模型进行组合。 ( 5) 模型的运行控 制。为了实现模型的 运行控制, M BMS 不仅要 集中和控制各种 图表 显示或其它输出设备, 而且应向用户提供执行的状态信息, 藉以跟踪模型的运行。

10．6　 对话子系统 10. 6. 1　 对话子系 统的功能 　 　 人－机对话子系统 是 DSS 中用户和计算 机的接口, 起着 在操作 者、模 型库、数据库和 方 法库之间传送( 包括转换) 命令和数据的重要作用。在实际 工作中, 由 于系统经常是由 那些 从系统输出中得到益处, 且又对系统内部了解甚少的人直接使用, 所以用户接口设计的好坏 对系统的成败有举足轻重的意义。如果系统需要使用 DSS 的人懂得很多的 计算机技术, 或 者花 费大 量时 间去编 程序, 那 么这种 系统 实际上 将无 人使 用, 更 谈不 上发 挥作用。 即使 对 DSS 的维护人员 来说, 如果数 据库模式 的任何 一点变动 都要自己 动手一 点一点去 做, 工 作 ・ 3 86 ・

也是十分繁重的。因此, 对使用人员来说, 需要有一个良好 的对话接口, 对维护人员需 要有 一个方便的软件工作环境。可以说, 人－机对话子系统是 DSS 的一个窗口。它的好坏标志着 该系统的水平。 对话子系统的主要功能包括以下几个方面: ( 1) 使用户了解系统中现有的模型情况, 包括数量、功能、运行要求; ( 2) 使用户了解系统中现有数据的情况, 包括模式、完整程度、数值及某些统计情况; ( 3) 使用户了解系统中现有加工方法的情况, 包括类型、应用条件等; ( 4) 通过 运 行模 型使 用户 取得 某 种分 析结 果或 预测 结 果( 当 可用 模型 或 方法 有多 种 时, 应使使用者有权自行选择, 系统可提示或帮助) ; ( 5) 通过“如果…… 则……”( W hat . . . if ) 方式的提 问, 得 到按系 统中现有 模型所得 出 的参考意见; ( 6) 在决策过程结束之后, 能把反馈结果送入系统, 对现有模型提出评价及修改意见; ( 7) 当需要的时候, 可以按使用者要求的方式, 很方便地输出图形及表格。 另外, 对话子系统还应该从以下几个方面为系统维护人员提供帮助: ( 1) 报告模型的使用情况( 次数、结果、使用者的评价及改进要求) ; ( 2) 利用统计分析工具, 分析偏差的规律及趋势, 为找出症结提供参考; ( 3) 临时 性地、局部性 地修改模 型, 运行 模型, 并将 结果 与实际 情况 对比, 以助 于发 现 问题; ( 4) 在模型与方法之间, 安排不同的使用方式与组合方式, 进行比较分析。

10. 6. 2　 对话子系 统的结构 图 10. 11 为对话子系统的结构示意图。对话子系统由以下 3 部分组成: ( 1) 对 话子系 统本身与 DSS 其他部 分( 模型库 子系 统、数据库 子系 统等) 的 接口 ( 见 图 10. 11 中模块 1 和 7) 。 ( 2) 对话子系统的软件、硬件管理部分( 见图 10. 11 中模块 2, 6, 8) ; ( 3) 对话子系统的硬件管理部分( 见图 10. 11 中模块 3, 4, 5) 。 各模块的功能如下: 模块 1( 输 出格式化程序) : 把 来自 DSS 其它部分的命 令和数据( 参数) 传送 到一个数 据 结构之中, 这个数据结构包含输出表达式的描述 —— 即值( 正 文的字符串) 和属性( 颜色、位 置、大小) 的描述。值和属性应当是独立的, 就是他 们不应被规定到任 何特定的用户接 口硬 件上, 目的是使对话部分能够支持各种各样硬件。 模块 2( 输出构 造器) : 把 输出格 式化程序 所建立的 数据结 构取来, 产生 命令 ( 即 调用 子 程序命令) 传给设备输出功能模块。换言之, 输出构造器把对话数据结构转换为命令。这个 命令能够在一个或更多的设备上建立输出表达式。模块 2 应当是独立于设备的, 即它为设备 输出功能产生的命令不应该是专为某设备规定的。 模块 3( 设备输出功能模块) : 产生设备专用命令, 以便在一个或更多的具体的设备上建 立输出。 模块 4( 设备驱动模 块) : 把命令送给 设备。如果输入信 息是一个中断, 而不是产生 表达 式的命令的话, 就等候用户输入, 或请求用户输入。当用户的输入被接受后, 设备驱动予以缓 ・ 38 7・

图 10．11　 对话子系统的结构示意图

冲, 并把它们送给输入功能模块。 模块 5( 设 备输入功能模块) : 把设备具体的输 入( 即与具 体设备有关的 输入) 传送给 设 备独立的输入( 即与具体设备无关的输入) 。 模 块 6( 输 入格式化 程序) : 把 用户的 输入 转换为 一组“动 作－目标对 ”,“ 动作 ”描 述了 用 户的输入动作( 即在键盘上键入的、在菜单上指出的一项) ;“目标”指明了输出表达式中的对 象, 即动作要去作用的对象。 模块 7( 响应构造器) : 用一组“动作－目标对”去为 DSS 的其它部分建立命令和数 据。例 如, 响应构选器可以请求数据库部分去更新数据库的一个字段, 这个字段与输出的表达式中 的字段是对应的。更新后的值就是用户键入的新值。 模块 8( 数据结构管理 器) : 存储和检查 对话部分要用的 数据, 如描 述输出的表达式 的数 据结构。也可以存储预先定义了的输出表达式和以前的用户输入, 以便需要时调用。

・ 3 88 ・

缩 略 语 索 引 A C 　 　 　 　 —— A voided Cost , 可避免成本 AB

—— A pproach Base, 方法库

A BM S

—— A pproach Base M anagement Syst em , 方法库管理系统

BO D

—— Biochemical O xygen Demand , 生化需氧量

CA PL C

—— Cost of A voided P eak L oad Capacit y, 避免峰荷容量成本

CCE

—— Cost of Conservat ion of E lectr icity , 单位节电成本

COD

—— Chemical Oxygen Demand , 化学耗氧量

COM P A SS —— Comprehensive M arket P lanning and Analys is Sys tem, 综合市场规划与分析系统 DB

—— Data Bas e, 数据库

DBM S

—— Data Bas e Management Sys tem , 数据库管理系统

DDB

—— Double Declining Balance M ethod, 双倍余额递减法

DO E

—— Depart ment of E nergy, 美国能源部

DSM

—— Demand －Side M anagement , 需求侧管理

DSS

—— Decis sion Support Sys tem, 决策支持系统

E DP S

—— Elect ronic Dat a P roces s Syst em , 电子数据处理系统

E IA

—— Energy Infor mation A gency , ( 美国) 能源信息署

FGD

—— F lue G as Desulphurization , 烟气脱硫

G CV

—— Gross Calorifio V alue, 总热值( 高位发热值)

G DP

—— Gross Domes tic P roduct , 国内生产总值

G NP

—— Gross N ational Product , 国民生产总值

HVAC

—— H eat ing, V ent ilat ion and A ir Conditioner, 采暖、通风与空调器

IA EA

—— Int ernat ional A t omic E nergy Agency , 国际原子能机构

IE A

—— Int ernat ional E ner gy A gency , 国际能源署

IE PDSS

—— Int egrat e Energy P lanning Decis sion Support Sys tem, 综合能源规划决策支持系统

IIASA

—— Int ernat ional Inst it ute for A pplied Sys tem Analysis , 国际应用系统分析研究所

IRP

—— Int egrat ed Resource P lanning , 综合资源规划

L CU P

—— Least Cost U t ilit y P lanning, 最小费用电力规划

MB

—— M odel Bas e , 模型库

M BM S

—— M odel Bas e Management Sys tem , 模型库管理系统

MC

—— M arginal Cost , 边际成本

M IS

—— M anagement Informat ion Sys tem, 管理信息系统

N CV

—— N et Calorifio V alue , 净热值( 低位发热值)

NEA

—— N uclear Energy A gency, ( 经济合作与发展组织的) 核能署

OAS

—— Office A ut omat ic Sys tem , 办公室自动化系统

O CIR

—— Opport unity Cost for Invest ment Resource , 投资机会成本

O ECD

—— Or ganizat ion for Economic Cooperation and Development , 经济合作与发展组织

O RN L

—— Oak Ridge N ational Laboratory, ( 美国) 橡树岭国家实验室

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SL

—— St raight L ine M et hod, 直线折旧法

S RC

—— Synergic Res ources Corporation 辛纳杰克资源公司( 美国一公司名)

S YD

—— Sum －of －t he Y ear' s Digit s Depreciat ion Met hod , 年份数和法

T CE

—— T onne of Coal Equivent , 吨标煤

T OE

—— T onne of O il Equivent , 吨标油

T SP

—— T otal Suspended Part icle, 总悬浮微粒

W EC

—— World E nergy Conference , 世界能源大会

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