电力布局优化与能源综合运输体系

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林伯强　姚　昕　　内容提要:能源运输体系是目前中国经济体系中的一个薄弱环节。中国传统的能源

运输体系包括铁路、公路和海运,已经不能满足日益增长的能源运输要求。构建包含输电

网络在内的现代能源综合运输体系成为当务之急。中国地域辽阔,能源资源与需求逆向

分布,能源综合运输体系除了承担基本能源输送功能之外,还可肩负能源和环境资源优化

配置的功能。本文分析能源运输系统现状后发现,目前以铁路为主、以运煤为主的能源运

输系统并非最优。通过构建模糊多目标多指数运输模型,综合考虑能源外部成本以及时

间成本、损耗和投资等各个因素,本文得出最优的能源运输体系。实现这一最优体系,需

要改变现有电力就地平衡的布局原则,提高区域间输电比例和输电效率。

关键词:能源综合运输系统　社会成本　电力输送

＊　林伯强、姚昕,厦门大学中国能源经济研究中心,邮政编码:361005,电子信箱:bqlin @xmu .edu .cn ,lyhneyao @hot mail .com 。本文受到长江学者科研配套经费和国家社科基金(08BJL050)的支持。感谢匿名审稿专家的建议,文责自负。

一、引　言

在“2009年全国煤炭产运需衔接合同汇总会”上,因煤电双方价格分歧过大,五大电企一单未签,电煤签订合同量不足50%。究其原因,煤电价格矛盾是主要障碍。一些地方煤炭交割因此受阻,港口煤炭库存上涨,电厂存煤下降,进而影响经济发展。由于铁路运力紧张,煤炭运输成本占煤炭成本的比重很大,煤炭运输是决定煤价的主要因素。缓解当前煤电价格矛盾,需要提高铁路运输效率,更需要科学规划和设计能源运输体系,从而降低整体能源运输成本。中国传统的能源运输体系包括铁路、公路和海运,这一体系已经不能满足日益增长的能源运输要求。构建包含输电网络在内的现代能源综合运输体系,已成为当务之急。

以煤为主是中国能源和电力结构的主要特征。中国经济快速发展需要大量低廉能源,煤炭的资源和价格优势使其成为首选。林伯强等(2008)根据一次能源预测得到煤炭消费预测,认为到2020年,按低经济增长速度(年均7%),中国至少消费45.3亿吨煤。如果经济保持目前年平均9%的增长,则需要消费55.2亿吨煤。研究还得出能源消费结构,增加清洁和可再生能源的比例,可以有效减少煤炭的需求。更具体地说就是:如果按照目前的发展态势无约束发展,2020年一次能源消费中煤炭将占到72%;如果以国家可再生能源规划和战略为约束条件,到2020年,能源消费结构中的煤炭比例可以降到%。

上述研究还认为,到2020年中国以煤为主的电力结构无法改变。2007年,煤电占整个电源结构的79%,常规水电占16%,其它能源发电仅占5%。即使实现目前设定的核电及可再生能源发展规划,使电源结构中的煤电比例降到72%,2020年仍需近11亿千瓦火电装机。这意味着,仅发电就需煤耗约27亿吨。那么,2020年中国煤炭消费大致是50亿吨的预测结果是可能的。目前,中国煤炭消费量占全球总消费量的40%,一旦中国因自身煤炭供给不足而需大量进口,必然影响到国际煤价。

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煤炭资源为中国经济增长带来了巨大利益。然而,以煤为主的能源消费也导致严重的环境污染。中国已经是世界二氧化碳和二氧化硫第一排放国。各类化石能源的利用中以煤炭燃烧造成的污染为最。从单位发电燃煤产生的污染物来看,二氧化碳排放是石油的1.3倍,二氧化硫排放是石油的2.5倍,二氧化氮排放是石油的16倍,此外燃煤还会产生有毒的固体悬浮颗粒。

中国各地人口密集程度和收入水平不同,因而各地环境成本差异显著。世界银行和全球环境基金(2006)估算了各地区火力发电污染排放的环境成本。结果表明,在经济发展水平较为落后、人口分布又较为稀少的省份,污染造成的单位经济损失远低于在经济发展水平高、人口分布稠密的省份。通过环境资源优化配置,可以使整体环境污染成本最小。

在中国进行能源和环境资源优化配置有其可能性和必要性。一方面,统一的政治为中国能源和环境资源的优化配置提供了可能性。与中国统一的各省行政有所不同,美国各州环保标准不一,把电厂建在一个州而把电力送到另外一个州,所带来的环保问题由哪个州负担、按什么标准负担,很难算清楚,法律上也很难协调。然而,中国各省都执行国家统一的环保标准,只要环保达标,省区之间的电力输送只需解决市场问题,何况市场问题也往往能通过行政协调得以解决。另一方面,污染排放的经济损失与人口密度、收入水平正相关,人口集中、收入高的地区受环境污染的负面影响更大。由于中国各省区在自然条件和经济发展水平上有着较大差异,同样的污染在各地造成的经济损失也有较大差异。这种差异性为在全国范围内合理配置环境资源提供了可能性和必要性。通过合理规划电源布局和电力传输,可以使各地边际环境成本趋同,从而实现能源和环境整体成本最小化。此外,由于中国的能源资源大多分布在人口稀少、收入较低因而环境成本也比较低的中西部不发达地区,在这些地区发电后再送到人口集中的高收入地区,所对应的能源资源配置和环境资源配置,方向是一致的。

中国要求大力发展水电,力争在2020年水电装机达到3亿千瓦,使水电成为一次能源结构的重要组成部分。中国待开发的大型水电基地多在西南,煤炭基地多在西北,主要能源需求却集中在东、中部经济发达地区。电源布局和运输优化成为中长期能源输送的首要目标与核心任务。目前,中国的远距离、大容量能源输送方式主要有运煤、输油、输气三种。由于油气资源稀缺,燃油、燃气电厂数量不多。因此,本文主要比较长距离输电与输煤方案的优劣。中国的能源环境状况决定了能源和环境资源优化配置的必要性。如果能源运输不可避免,那么何种运输体系使社会总成本最低?如果环境污染不可避免,那么何种电源布局使污染总成本最低?这是本文的研究目标。

国外文献也关注煤电资源配置问题,但是相关研究不是很多。Manners(1962)通过输煤输电的财务成本比较给出了英国火电站的布局规则;LeBlanc et al(1978)建立了一个区域框架下的多期模型,将美国划分为煤炭送端和受端来分析未来美国煤炭流动问题;Ash和Waters(1991)给出了从加拿大西部煤矿输送能量到3000千米外东部的各种策略。与美加相似,中国也是一个地域辽阔的大国,加之能源消费结构和电力装机结构中对煤炭的依赖,这个问题就显得更加重要。发展研究中心(2005)和国家电网公司北京经济技术研究院(2006)都从不同角度对中国输煤输电的经济性进行了比较。但上述研究大都存在两个问题:一是拘泥于点与点、线与线的比较,很少从全局角度考虑问题;二是没有将环境成本纳入比较的范围,没有考虑能源输送与环境资源配置之间的关系。

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发电的外部成本主要指环境损失。决定电源布局和运输方式时应该考虑发电的外部成本。如前所述,由于中国各地区经济发展水平、人口密度及环境容量有较大差异,使污染造成的经济损失也有较大差异。因此,燃煤发电污染的外部成本也不尽相同。本文参考了国家电网公司北京经济技术研究院报告(2006)的送、受端划分方式,按照资源禀赋的相似性,将中国划为能源受端、能源送端和自给区。由于火电送端大部分处于西部地区,①该地区环境容量较大,人口密度小,发电污染损失较小,仅为0.016元 千瓦时;而处于能源受端的东部沿海地区经济发达,人口密度大,发电污染损失较大,除东北外均在0.03元 千瓦时以上;水力发电的外部成本最小,仅为0.005元 千瓦

时。②各省区环境影响的外部成本差异提供了环境资源在全国范围内合理配置的可能性和必要性。因此,在同样满足电力需求的前提下,通过合理规划电力布局,可以降低全国电力污染排放环境总成本(包括电力生产和运输过程的污染排放)。本文建立的能源综合运输体系,除了要求能源输送做到低成本、高效率、环境损害小,还可兼顾能源、环境资源配置的功能。

本文第二部分建立模糊多目标多指数运输模型,确定模型的参数以及约束条件,给出求解算法。第三部分求得各种情形下的最佳能源输送方案,并对结果进行了分析。第四部分进一步讨论了与能源运输系统相关的两个重要问题———投资成本变化和拥挤成本。最后是本文结论和建议。

二、模糊多目标多指数运输模型

模糊集理论最早由Zadeh (1965)提出,后在各领域中被广泛应用。Tzeng et al (1996)利用模糊双标准多指数运输模型制定了煤炭运输计划。Das et al (1999)运用极大极小算子,提出了一种求解产地、目的地以及目标函数系数均为区间数的多目标运输问题的规划方法;Liu et al (2004)则运用扩展原理提出了一种解决产地、目的地及目标函数系数均为模糊数的单目标运输问题的方法。国内的研究主要集中在解法改进上。刘新旺等(1999)提出了在运输价格、可供应量、需求量和预算费用均为区间数的条件下,求解运输问题的模糊目标规划方法。韩世莲和刘新旺(2007)在目标函数系数、可供应量和需求量均为模糊数的条件下,给出了将模糊数多目标多模式运输问题转化为确定性多目标多模式运输问题的方法。

本文建立的中国能源运输问题模糊多目标多指数运输模型中,“多目标”指兼顾最小化总社会运输成本目标、最大化计划满意度和投资-节省成本比。“多指数”指考虑火电、水电送端及东北、华北、华中、华东、华南等五个受端地区,同时还包括铁路、公路、水运和电网等不同能源输送方式。“模糊”指在最大化计划满意度的测度中引入模糊指标时间成本及能源传输损耗,这两个指标共同决定计划的满意度。

模型具体设定如下:

1.目标函数设定

(1)最小化运输社会总支付

Min Z 1=∑i ∑j ∑r C

i ,j X i ,j ,r

　　其中,i =1,2,分别表示火电送端和水电送端;j =1,2,3,4,5,分别表示受端东北、华北、华中、

107

①②

世界银行和全球环境基金(GEF )《中国可再生能源发展项目》报告(2006);中国科学院生态环境研究中心《怒江中下游水电项目评估》,国家重点基础研究发展规划项目(2006CB403402)。这是以国家电网公司对电力受送区域的划分为准,受端含19省区:浙江、上海、福建、江苏、安徽、天津、河北、北京、山东、河南、湖北、湖南、江西、辽宁、吉林、黑龙江、广东、广西、海南;送端包括山西、陕西、宁夏、内蒙、、四川;其它为自给区,包括贵州、青海、云南、甘肃和。

华东和华南等五个受端地区;r =1,2,3,4,分别表示铁路、电力、公路和海运等能源运输方式。

C i ,j ,r 为采用r 方式从送端i 到受端j 的能量运输社会总成本,X i ,j ,r 为采用r 方式从送端i 到受端j 的能源运输量。

(2)最大化计划的满意度

Min Z 2=μ(U )=μt (E E )+μL (L )

U 指一个规划方案,计划满意度包括两个部分:时间成本满意度μt (E E )和传送能源效率满意度μL (L )。

(3)输电线路投资与运输成本节约比

要增加输电占整个能源输送的比例,需要建设长距离、大容量的输电线路,投资巨大,这就需要考虑投资I 与系统年节省成本C 之间的关系。

Z 3=

C I

　　2.模型参数确定①

(1)包括了能源输送中的经济成本、外部成本②以及送、受端发电的外部成本,即能源运输体系对整个社会的全面影响。社会成本具体计算方法如下:

输电方式社会总成本=(输电经济成本+输电外部成本) (1-损耗比)+送端发电外部成本;输煤方式社会总成本=(输煤经济成本+输煤外部成本) (1-损耗比)+受端发电外部成本。其中,火力发电的外部成本估算来自世界银行和全球环境基金(GE F )《中国可再生能源发展项目》报告(2006),该估算主要考虑了硫氧化物、氮氧化物和粉尘等三种污染物的大气污染损失。水电的外部性影响有正效益和负效益两个方面,本文在中国科学院生态环境研究中心(2006)关于怒江中下游水电项目评价的基础上,计算得到西南地区水力发电外部成本的货币化值。

(2)对于μt (E E ),由于电能传输速度为30万千米 秒,因此可以假定电力传输的时间成本为零;而运输煤炭不管用哪一种传输方式,都存在一定的时间成本。本模型将时间成本设为模糊数,在模型求解之前必须先建立成员函数。

μ表示决策者的满意度,α表示程度。一个α程度的模糊集A 定义为:

A α={x |μA (

x )≥α},α∈[0,1]　　时间成本的模糊方程定义如下:

μt (E E )=E E E ALL

,0≤E E ≤E A LL ,其中E E 是传输系统中的电力传输量,E ALL 是全部需要传送的能量量。当全部采用电力传输时,时间成本满意度为1,全部用煤炭传输时,满意度为0。

(3)μL (L )表示,在传输过程中因传输方式不同,能量损失的比例不同。参照现有国内研究,煤炭在运输过程中的损失加能耗,比例大约为2%,③在电力传输中,线损与线路电压等级和线路长度

有关,长距离输送电力需采用高电压等级线路,线损为6%。④能量传输损失满意度定义如下:μL (L )=6%-L 4%

,2%≤L ≤6%108

①

②

③

④国家电网公司(2007)《特高压电网规划(2007版)》国家电网公司北京经济技术研究院(2006)《输煤输电综合比较研究》数据来自国家电网公司北京经济技术研究院《输煤输电综合比较研究》、铁道部科学研究院《几种主要运输方式的外部成本计算分析》、国家电网公司《特高压电网规划(2007版)》。

限于文章篇幅,本文未给出模型参数和约束的具体数值表格,有兴趣的读者可以向作者索取。

　　其中,L =E E E ALL ×6%+1-E E E A LL

×2%,L 是传输中的损耗。当全部用电力传输时,满意度为0,全部用煤炭传输时,满意度为1。

(4)对于投资I ,由于本文考虑的是跨区域电力输送,需选择具有大容量、长距离输送能力的传输线路。因此,按1000千伏交流双回特高压线路为例计算,输送距离为2000千米时,中间设4个开关站,需要投资240亿元。输电容量1000万千瓦,按发电机组年利用5500小时计算,每年可以输送

550亿千瓦时电能。

①3.约束设定

本文考虑了2006年和2020年2种情形,每种情形均需考虑:交通运力约束、能源供给约束和能源需求约束。

交通运力约束包括铁路、公路和海运约束。②中国能源运输以铁路为主,铁路运力长期紧张。

目前请车满足率仅为35%(2006年水平),因此可以认为铁路运力已经达到满负荷,并将目前运力作为铁路最大运力约束。另外,考虑到“铁水联运”(指铁路加海运)在国内也是重要的煤炭运输方式,对于相应的约束条件,主要考虑各港口间最大吞吐量及铁路至港口运力。本文采用投资使用弹性法估计了2020年铁路运力约束。

对于能源需求约束,主要考虑能源受端地区能源输入需求量及受端地区最小煤炭消费量。

③具体而言,对于前者,根据受端各地区煤炭和电力的生产及消费情况,计算供需缺口。对于后者,本文还考虑了受端地区煤炭、电力的消费结构。2020年需求约束条件通过预测人均用电量得到。

对于能源供给约束,则综合考虑了火电基地的煤炭供给、在水资源约束下的火力发电供给、水

电基地的水力发电供给、未来受端各地区新增核能发电及进口电能的情况。④火力发电对水资源

的需求很大,而能源送端地区又多处于缺水地区,可供发电的水资源是该地区电能输出的一个重要约束。在技术选择上,缺水地区一般采用空冷发电机组。本文考虑这一技术要求并结合国家水电和核电规划(2020年水电和核电装机容量分别达到3亿千瓦和0.6亿千瓦),修正了2020年电力供给约束。

4.模型求解算法

求解算法主要参照Saka wa (1993)的方法。由于目标函数(2)为规划的函数,需要使用调整结果的方法来求解。具体步骤如下:

步骤1:单独最小化

不考虑时间成本和能量损耗,计算目标函数Z 1的最小值,求出运输问题的社会支付最小值。

步骤2:初始化

根据现状设定初始值,具体计算方法见前文时间成本模糊方程定义。109

①

②③④

数据来自中国电力工程顾问公司《我国主要煤炭产区燃煤电厂建设规模研究》、山西省燃煤电厂建设水资源供应能力研究课题组《山西省燃煤电厂建设水资源供给能力研究》、陕西省水利电力勘测设计研究院《陕北能源基地燃煤电厂建设水资源供给能力研究》、宁夏水利水电工程咨询公司《宁夏回族自治区燃煤电厂建设水资源供给能力研究》、内蒙古水利水电工程咨询公司《内蒙古自治区燃煤电厂建设水资源供给能力研究》、哈密地区水利水电勘测设计院《哈密煤电基地燃煤电厂建设水资源供给能力研究》、中国水电工程顾问集团公司《西部水电基地开发和外送能力研究》、国家发展和改革委员会《电力中长期发展规划(2004—2020)》。

数据来自《中国能源统计年鉴2007》、林伯强等(2007)、林伯强等(2008)和何晓萍等(2009)。

数据来自铁道部《中长期铁路网规划》、《全国铁路煤炭运输流量表》和国家发展和改革委员会《北煤外运系统研究总报

告》。国家电网公司《特高压电网规划(2007版)》。

1α=E ALL E E ,则α=E E E ALL

。初始值α=0.06①步骤3:循环与结束

根据设定的α初始值,求解运输问题的单目标Ζ1。然后,权衡考虑Z 1、Z 2和Z 3之间的关系。如果满意,则将得出的解作为最优解;否则,需要调整计划,升级的α值。

求解时,先求出目标函数Z 1的最小值及此时的α值。然后将设为0.1,0.15,0.2,…逐步逼近目标函数Z 1最小值对应的α进行计算,结果中,根据Ζ1、Z 2和Z 3情况综合考虑,选取满意规划。

三、结果与分析

本文以下结果均为按照上节算法采用GAMS22.1软件编程计算得到。对于2006年的情形,在使用2006年的交通运力约束、能源供给约束和需求约束,并且仅考虑单目标Z 1的情况下,可以得到使该年社会总成本最小的能源流动路径。将其与2006年现状对比,得到表1。

　　表1

现状与成本最小的传输方式比较煤炭:万吨电力:亿千瓦时东北华北华中华东华南成本最小的传输方式能量传输现状煤炭运输58152044159731942611434电力输送9763433100432621920煤炭运输1013134126134973414718413电力输送133762-4388558

在不考虑目标函数(2)和(3)即满意度、投

资及节省成本比的情况

下,将电网纳入能源传

输体系,通过电网传输

能量替代部分输煤,得

到最优能量传输方式下

社会总成本为3877.8亿元。而在现状下能源流动成本是6927.6亿元。将电网纳入能源运输体系以输电替代部分输煤,可以使社会总成本下降44%,相当于每年节约3049.8亿元。目前在受端的能源输入中,电力与煤炭的比例大约为1∶16,即电力输入仅占全部能量输入的6%。在最优能量传输方式中,电力输入占整个能量输入的46%。这说明,能源流动现状与社会总成本最小方案之间还有很大差距。通过对比能源运输现状和最优运输体系,不难发现,在合理范围内逐步提高输电比重有利于降低能源运输体系的社会总成本。

　　表2　2020年最小成本能源输送方案

(万吨 亿千瓦时)铁路火电水电水运东北141551160　　0华北2421665320华中11819017630华东84271190326011501华南003779242提高输电比例,从而达到最优值,是一个动态的、渐进的过程,因为建设电源和输电线

路需要一定工期。而且,还要考虑时间成本、

损耗和投资成本问题,并根据规划进行

修正。在不考虑计划满意度、投资与节省成

本比的情况下,按照规划修正2020年各

约束条件后,得到最小成本能源输送体系方

案(见表2)。由于核电开发将改变地区能源

需求结构,同时西南水电开发又引入了一种输送社会成本相对较低的能源流,因此需要考虑水电与火电的开发顺序。我们模拟了α从10%逐渐提高的情形。由于程度参数α在本研究中等于电力(包括火电和水电)占整个能源输送的传输比例,此过程实际模拟了电力输送占整个能源输送的传输比例不断提高的情形。通过模拟α从0.10变动至0.45的过程,可以得到各变化情景下电源和输电线路建设的最优顺序(见表3)。110①数据来自《中国能源统计年鉴2007》。

图1　输送成本变化曲线　　表3

电源和电力输送通道建设顺序α建设路径10%优先开发西南水电,同时建设西南向华南、华中的输电线路15%优先建设西南水电基地,及向华东输电的线路20%继续建设西南水电基地,及向华东输电的线路25%开始建设火电基地,同时建设向华北输电的线路30%～45%优先建设从火电基地向华北输电的线路　　表4计划满意度α0.1　0.150.2　0.250.3　0.350.4　0.450.46Z 20.9750.9630.9500.9380.9250.9130.9000.8880.885

　　随着α的提高,整个能源传输系统的社会总成本Z 1逐

步下降,具体变化如图1。

随着α提高,能源输送体

系年社会总成本在前期下降较

快,从4383亿元下降到4070

亿元;在α达到25%后,成本

虽仍有下降,但已趋于平缓。

同时,计划满意度随着α提高

在不断下降(见表4)。输电比

例α每提高5%,区域间的电

网传输能力每年需要增加

1438.6亿千瓦时,总投资为

700亿元左右。α从10%上升

到15%,可使能源运输体系的

年社会输送总成本下降128亿

元,Z 3=0.183。α从10%上升

到20%,年社会输送总成本共

下降251亿元,Z 3=0.179。α

从10%上升到25%,年社会输

送总成本随之下降313亿元,

Z 3=0.149。α从10%上升到46%,年社会输送总成本下降为408.7亿元,Z 3=0.083。

　　表5　2020年综合能源运输体系最佳方案

(万吨 亿千瓦时)铁路火电水电水运东北14155160　　0华北544046390华中1282315670华东8427994345611501华南03779242　　表6达到最合理方案输电线路待建情况(万千瓦)东北华北华中华东华南火电基地

501102水电基地36935578685根据模型设定,能源输送社会总成本随着输电比例α不断上升而趋于最优,而计划满意度和投资-节省成本比将随输电比例

α不断上升而偏离最优。因此,需要在这三个目标间取得一个平衡。由于计划

满意度的下降基本趋于线性,应选取输送

社会总成本边际下降较大和投资-节省比边际下降较小时的输电比例α。考虑到未来国家能源结构调整和铁路投资将增

加,本文选取2020年α=25%的情形为最

佳方案(见表5)。要实现这一最佳方案,需要改变现有

的“就地平衡”的电力布局原则,集中建设水电、火电基地。受端五省区每年共需要从送端火电基地增加输入510亿千瓦时电力,因此在送端需新建900万千瓦火电机组。受端五省区每年共需要从

送端水电基地增加输入4918亿千瓦时电力,因此在送端需新建14321万千瓦水电机组。①另外,还

四、进一步的讨论———投资成本变化趋势比较和拥挤成本

本节主要分析在能源输送中非常重要的两个问题:投资成本变化趋势和拥挤成本,以便从另一个角度表明目前的能源运输体系不是最优方案。

1.投资成本变化趋势比较

如果跳出传统点对点、线与线比较的思维局限,将能源运输体系看作一个综合系统,那么当这一系统建立之后,每增加一定的输送能力,所需新增投资不一定是线性增长的。投资成本变化会影响运输系统的运营成本,因此需要考虑当能源运输量增长时,相应运输系统的投资成本如何变化。本文将从投资成本变化趋势来比较输煤和输电两种方式的优劣。

铁路运输具有数量大、成本低的特点,是中国目前最主要的煤炭输送方式。本文采用1986—2007年电网投资及用电量增长数据、铁路投资及货运量增长数据,比较了新增单位输电和新增单位货运量分别所需的新增投资成本。②具体计算方法如下:扣除价格因素计算1986—2007年每年增加1千瓦时电量的电网投资,其中舍去部分因农网改造而使电力投资畸高的年份;同样,扣除价格因素计算1986—2007年每年增加1吨货运量的铁路投资,舍去其中因亚洲金融危机造成的非正常数据。得到对比图(图2、图3)。

图2　1986—2007年电网投资成本变化趋势图3　1986—2007年铁路投资成本变化趋势

　　由图2和图3可知,从1986年到2007年,扣除物价上涨因素,每增加1千瓦时电量传输所需电网投资从0.50元千瓦时上升到0.57元每千瓦时,年均增长率仅为0.7%。可以认为,增加单位电量传输所需的电网投资基本不变。与此同时,扣除价格因素后,单位货运量增加对应的铁路投资成本却在不断上升,从1986年的每吨172元上升到2007年的每吨688元,年均增长率为15%。这说明,增加单位货运量所需的铁路投资是非线性上升的,即新增单位货运量所需的边际铁路投资成本是递增的。因此,随着未来铁路货运量不断增加,铁路投资也将呈现出非线性上升的趋势。

新增货运量对应的投资成本不断上升,主要原因是大部分适合修建铁路的线路已被使用,新建线路技术难度和征地成本大幅度增加。可以预计,未来铁路建设中,这一问题不但不会得到缓解,反而会越来越严重。但是,电网建设在这方面的问题比较小,技术进步基本可以抵消其它方面的成本上升。所以,未来铁路单位输送能力投资成本上升的速度将高于电网投资成本上升的速度,铁路建设投资成本的大幅提升会导致铁路运输成本的快速增加。

2.拥挤成本

近年来铁路运力不足的瓶颈表现得非常严重。为了将煤炭顺利输送出去,各种名目的费用开始产生。以往关于输煤与输电的成本比较,都忽略了由于输煤运力短缺形成的交易成本,本文称之

为“拥挤成本”。本文选取山西优混煤的平均出矿价(坑口价)与秦皇岛港离岸价(港口价)的价差变化进行比较后发现,①铁路运煤的坑口价与港口价之间的差价在不断扩大。1999年初到2008年9月,差价从每吨84元上涨到每吨470元,增长了459%。电力输送不存在能力不足的问题,也就不存在拥挤成本。1999年到2008年间,全国输配电价仅上升26%。相比之下,铁路运力不足给中国经济带来了巨大的交易成本。

2005年,从山西大同到秦皇岛港离岸,所有运输成本为每吨102.9元,②而当年秦皇岛价与坑口价的实际价差为每吨139.8元,高于总运输成本36.9元,占秦皇岛价与坑口价差的1 4以上,这就是因运力不足而造成的交易成本(拥挤成本)。随着铁路运力紧张的加剧,拥挤成本仍在不断上升。2008年,从大同到秦皇岛港离岸的所有运输成本上升为每吨141.8元,而秦皇岛价与坑口价的价差则高达每吨470元,由拥挤造成的各种交易成本每吨近330元,占了秦皇岛价与坑口价差的70%(见图4)

。

图4　拥挤成本占差价的比例

高额的拥挤成本具体表现为各种名目的

收费:煤炭管理费、出省费、铁路代发费以及

运输过程中的罚款等等。历史数据说明,在

铁路运力不足的情况下,各种交易成本就会

产生并附加在运费之上,运力越紧张,交易成

本越大。但这些因煤炭运输拥挤而产生的额

外成本,虽然表面上不计在运费中,最终也会

转嫁到消费端。未来中国煤炭需求会不断增

加,受端与送端地区之间的能源流动也会随之增加。从目前拥挤成本的增长趋势可以看出,铁路满足能源运输的能力日益减弱,从而会导致拥挤成本上升,煤炭价格提高,给社会增加了巨额的不必要成本。解决或减少拥挤成本,除了加快建设铁路运力外,还可以通过增强电网传输这一清洁又经济的能源输送方式来分担铁路压力。

单位货运量铁路投资的非线性增长及铁路运输拥挤成本的存在,既说明了目前能源运输体系存在的问题,也进一步佐证了目前以煤为主的能源运输体系不是最优能源运输体系。

五、结论和建议

随着中国经济发展,能源需求总量也在不断上升,其中受端地区的增长更快。即使按照较低经济增长情形预测,2020年受端煤炭输入量也将是目前的1.6倍(林伯强等,2008)。在目前能源运输系统已经非常紧张的情况下,即使铁路规划中投资全部完成,运力增加,未来区域间能源运输仅靠铁路也不可能满足,必须加入电网传输来分担运输压力。本文提出的拥挤成本逐年上涨也表明,只有缓解了能源输送压力,才能真正有效地抑制能源(这里主要指煤炭)价格上涨。

对于一个国家,环境不污染最好;如果污染无法避免,就必须通过配置环境资源(或污染空间)将整体污染最小化。对电力布局调整及其相应的环境污染转移问题,应该有一个总体和客观的理解与把握。电力发展是现代化的标志也是中国经济长期增长的必要条件;对于中国来说,以煤为主的电力结构决定了电力污染无法避免。在这个前提下,可选择的仅仅是如何污染和在哪里污染的问题。一方面,经济发达地区(受端地区)人口多、资源少、环境容量小,环境影响的经济损失大;另一方面,与经济发达地区相比,不发达地区(送端地区)环境影响的经济损失小,而且理论和实践都

本文研究结果主要说明了以下几个方面的问题:

首先,目前主要以输煤为主的能源输送体系并非最优方案。应该考虑将输电纳入能源综合运输体系中,提高输电占整个能源输送的比例,这样才能逐步接近并达到社会总成本最小的最优方案。如果考虑发电的外部成本,在受端地区进行电源建设,其社会总成本远高于在送端地区的煤电基地集中建设电源。将输电方式纳入综合能源运输体系后,现有的电力布局原则就要做相应调整。要改变传统的就地(省内)解决电力平衡的思路,集中建设火电和水电基地,再通过输电将能量送至用电终端。也就是说,必须从整个国民经济、环境、社会和能源安全各个角度全局考虑电力布局,从而实现能源和环境资源的有效配置,达到可持续发展的目标。

到2020年,电网应该成为中国能源输送体系的重要组成部分,将肩负从火电基地、水电基地和境外向受端地区输送电力的任务。与目前情形比较,届时能源输送体系将主要在四个方面发生变化:首先,公路退出跨区域煤炭运输,仅在区域内担任煤炭输送的任务;其次,铁路和水运联运方式维持现有规模并略有下降;第三,增加了西南水电基地,如果没有电网参与能源输送,西南的水力资源就无法输送到东部受端地区;第四,受端地区的核电得以大规模发展,从而减少区域间能源传输量,节省能源输送体系的社会总成本。

其次,为了抵御全球性金融危机的不利影响,拉动内需,中国新近提出了总额高达4万亿的大规模基础设施建设投资计划。其中约1.8万亿元将用于铁路、公路、机场和城乡电网建设。铁道部也调整了中长期路网规划。在规划的三类线路建设中,第二类涉及能源运输,主要是输煤通道建设。目前铁路煤炭运量占所有货运量的一半左右,仅从能源输送的角度来说,通过铁路将煤炭输送到受端地区用于发电,其社会成本高于输电。通过铁路输煤和电网输电两种投资成本变化趋势的比较,可以预计未来铁路的投资和输送成本仍将大幅上升,导致能源运输体系的社会总成本上升。在拉动内需的大背景下,虽然因时间紧迫而要求大规模基础设施建设的投资决策“出手要快”,但不能因此而忽视效率,决策应该有一个科学的选择过程。应该将本规模基础设施投资作为构建能源综合运输体系的一个契机。与其匆忙寻找其它项目,不如乘机积极推动现代能源综合运输体系建设,争取在2020年左右建成输煤输电并举、铁路电网互补的现代能源输送体系。

第三,本文提出的能源综合运输体系建设,不是简单的基础设施建设,它还符合环境保护和自主创新的投资方向。电网传输能量具有清洁、快速的优点,有利于生态环境保护。本文还证明,合理规划电源和加强跨区域输电,可以最小化整体环境损失。同时,长距离大容量输电在国际上应用不多,大多数技术设备都需要自主研发,因而有利于推动中国电力行业的技术进步。到2020年建成本文所提出的中国能源传输体系,预计投资近4000亿元,这应该是可以承受的。建设投资过程中,还应注意电源和电网建设的投资比例,改变以往电网相对电源投资比例较低的情况,以保证电网安全。

第四,水力发电的外部成本较低,应该优先发展西南水电基地,通过输电满足华南、华中和华东地区的能源需求;发展核电对减少能源输送成本有很大帮助,未来核电布局应主要集中在受端地区。因此,本文也从缓解能源运输压力角度说明了积极推进核电和水电发展的必要性。对于当前由推动的煤电一体化,最佳选择是在煤炭资源集中的地方发展煤电基地和输出电力。煤电一体化和煤电基地规划同时进行,可能更经济、更有效。

第五,在中西部不发达地区进行电源建设,具有更高的经济效率。考虑到电力布局的地区调整可能引起环境污染梯度转移和污染范围扩大,为了兼顾经济、环境与社会公平,应该配套进行的是

地区因缺乏有效环境监管和治理而使单位排放增加或污染损失加大,那么,提高环境优化配置达到最小成本化的结论就不能成立。

此外,由于环境成本估算与各地经济发展水平和人口密度密切相关,对未来的环境成本预测研究仍然处于完善之中。本文对2020年最优能源运输体系的实现过程也仅做了尝试性的描绘,模型的动态化应该是进一步研究的方向。

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Power Industry Location Optimization and Integrative

Energy Transportation System

Lin Boqiang and Yao Xin

(China Center for Energy Economic Research at Xiamen University)

A bstract:The current system of energy transportation is a fragility part for the China's economic development.Traditional energy transportation s ystem including railway,high way and water transportation can not satisfy increasing energy transportation requirement.It is an urgent matter to construct a modern energy transportation s ystem that integrates electricity trans mission.China is a large country and its energy resource distribution is very uneven.In addition to performing basic function of energy transportation,the proposed modern integrative energy transportation system will play an i mportant role in optimal allocation of energy and environmental resources.By analyzin g the problems of current energy transportation in China,we found that the current transportation system,which mostl y relies on rail way coal transportation,is not the best choice.In this study,applying a fuzz y multi-objective and multi-index transportation model,we propose an energy transportation s y stem to optimize time cost,system loss and investment requirement.The proposed integrative energy transportation s ystem will require changes of present power plant location principle that balances power demand and suppl y at local level.The new integrative energy transportation s ystem will result in increasing the share and efficiency of power transmission between regions.

Key Wo rds:Integrative Energy Transportation System;Social Cost;Power Trans mission下载本文