朱亮亮,胡文博,齊 蓓,宋文樂(lè),王 磊,張佳麗,魏永長(zhǎng)

(1.南瑞集團(tuán)有限公司/國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司,江蘇 南京 215200;2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢能效測(cè)評(píng)有限公司,湖北 武漢 430074;3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司 滄州供電分公司,河北 滄州 061000;4.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 工商管理學(xué)院,湖北 武漢 430073)

近海采油在保障石油資源需求中發(fā)揮著重要作用,但其經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益尚不夠明朗[1-2]。目前,大多數(shù)海上采油平臺(tái)的供電都是基于油氣燃燒的自發(fā)電發(fā)電系統(tǒng),這能夠在一定程度上滿足近海采油平臺(tái)的電力供應(yīng),但是存在能耗大、污染重、成本高、負(fù)荷小、可靠性低等突出問(wèn)題[3]。岸基供電則是將陸上電力通過(guò)海底電纜輸送至近海采油平臺(tái),具有便捷性、高可控性、清潔性、低損耗性等優(yōu)點(diǎn),為解決傳統(tǒng)自發(fā)電存在的一系列問(wèn)題提供了有效的解決方案。目前,我國(guó)岸電技術(shù)主要應(yīng)用于港口船舶,近海采油岸基供電項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用尚處于起步探索階段,岸基供電的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益測(cè)算、成本分?jǐn)偱c收益共享等問(wèn)題缺乏系統(tǒng)研究,一定程度上阻礙了近海采油岸電項(xiàng)目的普及。

目前,岸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益相關(guān)研究主要集中在船舶岸電系統(tǒng)。一方面,部分學(xué)者建立指標(biāo)測(cè)算岸基供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[4-5]。例如,顏明東等[6]以寧波港為例,研究船舶在港岸基供電對(duì)節(jié)能減排的影響,著重測(cè)算了各種污染物的減排量。YIN等[7]構(gòu)建了船舶岸基供電的投資收益模型,并以上海港口的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。另一方面,部分學(xué)者在考慮成本與效益的基礎(chǔ)上,對(duì)船舶岸電系統(tǒng)的投資和定價(jià)等決策問(wèn)題進(jìn)行了研究[8-9]。例如,吳俊妮等[10]根據(jù)船舶公司、港口和政府3個(gè)利益相關(guān)方建立兩階段和三階段動(dòng)態(tài)博弈模型,分析使用岸基供電系統(tǒng)對(duì)各利益主體的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的影響。

綜上,有關(guān)近海采油平臺(tái)岸基供電系統(tǒng)的研究很少[11],近海采油平臺(tái)岸基供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的測(cè)算與船舶岸基供電有著顯著的不同。因此,構(gòu)建包含采油平臺(tái)、政府、電網(wǎng)公司三方主體的成本-效益模型,進(jìn)行投資回報(bào)分析,并構(gòu)建系統(tǒng)整體收益最大化模型,以求解最優(yōu)的供電價(jià)格和補(bǔ)貼比例,以期為盡快收回投資成本、實(shí)現(xiàn)整體收益最大化提供決策支持。

1 基本假設(shè)

考慮包含政府部門、采油平臺(tái)、電網(wǎng)公司三方利益主體的近海采油平臺(tái)岸基供電系統(tǒng),其中政府部門向電網(wǎng)公司和采油平臺(tái)提供補(bǔ)貼,推動(dòng)岸基供電系統(tǒng)建設(shè),以達(dá)到節(jié)能降碳目的;電網(wǎng)公司向采油平臺(tái)進(jìn)行供電,提供管理維護(hù)等專業(yè)化技術(shù)服務(wù);采油平臺(tái)向電網(wǎng)公司支付服務(wù)費(fèi)與供電成本。

假設(shè)4在岸基供電模式下,為確保電力穩(wěn)定供應(yīng),采油平臺(tái)同時(shí)采用燃?xì)獍l(fā)電供電方式和岸基供電方式,每年供電時(shí)長(zhǎng)為T,其中電網(wǎng)供應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為αT,燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為(1-α)T。建設(shè)采油平臺(tái)總供電總?cè)萘繛閃total。

2 成本效益分析

2.1 成本效益分析

電網(wǎng)公司承擔(dān)的成本包括陸上供電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本、每年的設(shè)施維護(hù)成本和向采油平臺(tái)提供的服務(wù)成本。電網(wǎng)公司承擔(dān)的成本現(xiàn)值為:

(1)

式中:γ1為電網(wǎng)公司折現(xiàn)率;N為電網(wǎng)公司建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期。

電網(wǎng)公司的主要收益來(lái)源于其向采油平臺(tái)收取的服務(wù)費(fèi)和售電差價(jià)收入,其收入現(xiàn)值為:

(2)

采油平臺(tái)的收益主要來(lái)自于發(fā)電成本節(jié)約、排污成本節(jié)約和增值服務(wù)收益。采油平臺(tái)在使用岸基供電前的年燃油發(fā)電成本為:

(3)

式中:ξfuel為燃油發(fā)電效率;pf為燃油價(jià)格。采用岸基供電后,采油平臺(tái)每年的發(fā)電總成本為:

(1-β2)pg×10-4

(4)

每年節(jié)省的燃油總成本為:

ΔCgas=αT×Wtotal×[ξfuel×pf×10-10-

pg×(1-β2)×10-4]

(5)

采用燃油發(fā)電會(huì)排放CO2、SO2等多種污染物,相比之下,使用岸電項(xiàng)目每年節(jié)約的排污費(fèi)為:

(6)

式中:τi為第i種污染物的燃油發(fā)電排放率;λi為第i種污染物排污征收稅率。

(7)

(8)

式中:υgas為采油平臺(tái)獲得的增值收益。

政府部門的成本包括給電網(wǎng)公司提供電力設(shè)施建設(shè)補(bǔ)貼和對(duì)采油平臺(tái)的電力補(bǔ)貼成本,其補(bǔ)貼成本現(xiàn)值為一次性建設(shè)成本與電價(jià)補(bǔ)貼成本的現(xiàn)值:

(9)

2.2 投資回報(bào)分析與整體優(yōu)化模型

ln[αT×Wtotal×(pg-pl)×10-4+ps-cs-

(10)

同理,采油平臺(tái)的投資收回年限Ngas為:

(11)

定義電網(wǎng)公司的利潤(rùn)函數(shù)為:

(12)

采油平臺(tái)的利潤(rùn)函數(shù)為:

(13)

基于上述分析,建立整體收益最大化模型:

(14)

s.t.

該優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為規(guī)劃期內(nèi)總體收益現(xiàn)值。前2個(gè)約束代表電網(wǎng)和采油平臺(tái)的收益必須大于零;第3個(gè)約束條件代表政府的成本投入不超出上界Hgov;第4個(gè)不等式約束代表對(duì)采油平臺(tái)的供電價(jià)格存在邊界;第5個(gè)不等式約束代表采油平臺(tái)能夠接受的服務(wù)價(jià)格要高于電網(wǎng)公司的服務(wù)成本,但要低于服務(wù)帶來(lái)的收益。由于目標(biāo)函數(shù)和約束項(xiàng)包含非線性項(xiàng),故該優(yōu)化模型本質(zhì)上是一個(gè)非線性優(yōu)化模型。

3 成本效益分析

3.1 投資收益分析

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置,計(jì)算出差額電價(jià)收入為68 985萬(wàn)元/年,遠(yuǎn)高于電力設(shè)施建設(shè)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、技術(shù)服務(wù)成本。因此,對(duì)于電網(wǎng)公司而言,由于岸電項(xiàng)目的建設(shè)成本由采油平臺(tái)承擔(dān),該項(xiàng)目的獲利性良好,很容易收回投資成本。投資收回年限分析結(jié)果如圖1所示,可以看出供電價(jià)格越高,采油平臺(tái)收回投資的周期越長(zhǎng),而增加政府補(bǔ)貼可以顯著縮短投資收回年限,其根本原因在于政府補(bǔ)貼可以彌補(bǔ)高昂的油氣開采成本。

圖1 投資收回年限分析結(jié)果

建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期對(duì)采油平臺(tái)收益的影響如圖2所示,可以看出當(dāng)無(wú)政府補(bǔ)貼或政府補(bǔ)貼較低時(shí),采油平臺(tái)有可能一直沒(méi)法收回收益,而當(dāng)政府補(bǔ)貼較高時(shí),建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期越長(zhǎng),收益現(xiàn)值越高。

圖2 建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期對(duì)采油平臺(tái)收益的影響

4.1 優(yōu)化模型求解

由于優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)和約束項(xiàng)中含有非線性項(xiàng)β2pg,是一個(gè)非線性優(yōu)化模型,故根據(jù)定期存款利率,設(shè)置政府部門的投資回報(bào)率:1年期為1.75%;2年期為2.25%;3年期為2.75%;5年期及以上為2.75%。對(duì)于特定的β2,優(yōu)化模型為線性規(guī)劃模型?；贛atlab R2015的線性規(guī)劃求解器的計(jì)算結(jié)果,建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期和政府補(bǔ)貼對(duì)電網(wǎng)公司、采油平臺(tái)及整體收益的影響如圖3所示。

圖3 基于優(yōu)化模型求解的各主體收益分析

由圖3可知,對(duì)采油平臺(tái)的政府補(bǔ)貼具有傳導(dǎo)效應(yīng),不僅可以增加電網(wǎng)公司收益,也可以增加采油平臺(tái)收益。由于模型的非線性特點(diǎn),當(dāng)政府補(bǔ)貼較低時(shí),更加有利于增加電網(wǎng)公司收益;當(dāng)政府補(bǔ)貼較高時(shí),會(huì)增加采油平臺(tái)的收益。此外,建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期越長(zhǎng),電網(wǎng)公司和采油平臺(tái)的收益會(huì)明顯增加。

3 結(jié)論

(1)圍繞近海采油岸基供電的成本效益評(píng)估問(wèn)題,構(gòu)建多主體的成本-效益評(píng)估模型,通過(guò)收益現(xiàn)值分析電網(wǎng)公司和采油平臺(tái)的投資收回年限,并構(gòu)建整體收益現(xiàn)值最大化模型。

(2)政府補(bǔ)貼和能源價(jià)格可以有效提升電網(wǎng)公司向采油平臺(tái)的供電價(jià)格。增加政府補(bǔ)貼可以顯著縮短投資收回年限,其根本原因在于政府補(bǔ)貼有效彌補(bǔ)了昂貴的油氣開采成本。

(3)在政府補(bǔ)貼受限的情形下,伴隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展,電網(wǎng)公司及其他技術(shù)服務(wù)公司向采油平臺(tái)提供增值服務(wù)是未來(lái)重要的發(fā)展方向;從整體最優(yōu)的角度來(lái)看,對(duì)采油平臺(tái)的政府補(bǔ)貼具有傳導(dǎo)效應(yīng),不僅可以增加電網(wǎng)公司收益,也可以增加采油平臺(tái)的收益,研究充分反映了政府補(bǔ)貼在提升近海采油平臺(tái)岸基供電綜合效益中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。