中国西部能源产业升级研究最新章节_胡健著

第一节自身投资运维模式下燃煤电厂模型设计

一模型假设

为简化分析，本书作如下假设：

第一，政府在煤炭清洁化发展中的重要作用就是在对燃煤电厂制定更加严格的环境规制和污染排放标准的同时，对燃煤电厂的节能减排技术升级和改造提供补贴和政策支撑，本书采用环保补贴政策来综合表示政府对燃煤电厂制定的环境约束和政策支撑。环保补贴政策是对面临更严格的环境约束和污染排放标准的燃煤电厂决心节能减排技术升级和改造，以淘汰落后污染产能的支持政策。环保补贴机制既可以体现环境约束机制又可以体现创新驱动机制的内容，是二者的统一。

第二，燃煤电厂的收益是由上网电量和上网电价共同决定的，因此政府补贴的形式也就包含了电量补贴（允许企业在原有电量基础上提供更多的电量）和电价补贴（在原有电价的基础上部分提高上网电价）以及二者共同使用的混合补贴。燃煤电厂在达到政府环境约束标准的基础上能够继续经营，并获得政府的补贴。

第三，燃煤电厂获得的电量补贴由政府的环境约束和企业的节能减排效果共同决定，该假设能够更好地将燃煤电厂节能减排的成效与政府制定的污染排放标准结合起来。

第四，供电市场的结构是供大于求状态。这种情况下，政府才可以通过激励煤电行业节能减排技术升级和清洁化发展，以淘汰落后的、高污染产能，同时这也给政府的电量补贴提供了空间。

第五，燃煤电厂获得的电价补贴是由加装环保设施的初始投资和后期运营维护所增加成本共同确定的。

第六，燃煤电厂在实现盈亏平衡后，不再享受政府提供的任何补贴政策。

二无补贴政策下最优路径选择

本书所指的无补贴政策是指国家政府在制定有关燃煤电厂的环境污染防治宏观调控政策时，只对燃煤电厂提出和制定有关环境规则和约束的相关要求，但不提供有关财政补贴和优惠政策方面的激励。在这种情况下，燃煤电厂面临的情况是：环境污染排放必须达标，但达标之后不会得到政府给予的额外电量或者电价补贴。

（一）模型建立

在面临环境污染防治达标要求和环境规制约束之前，燃煤电厂基于经营成本角度考虑，不会对污染减排和环境保护设施进行投资。此时燃煤电厂的年利润表达式为：利润＝电量×（电价-单位电量成本-单位电量排污费）。用公式可表示为：

式（4-1）中， t 表示燃煤电厂的经营年限；表示燃煤电厂在加装污染减排和环境保护设施前的第 t 年的累计利润额；表示燃煤电厂在加装污染减排和环境保护设施前的第 t 年度上网电量额； P ^U 表示燃煤电厂在加装污染减排和环境保护设施前的平均上网电价；表示燃煤电厂在加装环保设施前第 t 年生产每度电的平均生产成本；表示燃煤电厂在加装污染减排和环境保护设施前第 t 年每度电的排污费。

基于式（4-1）可知，燃煤电厂 N 年间的累计利润可以表示为：

在政府制定严格的污染排放标准和环境规制政策，燃煤电厂面临严格的环境约束之后，燃煤电厂为了在实现环保达标基础上继续经营，就必须加装污染减排和环境保护设施，假定燃煤电厂采用自身投资运维模式的初始投资为 I _P ，则可知，燃煤电厂在 N 年期间的收益净现值可表示为：

式（4-3）右边第一部分代表 N 年期间燃煤电厂收益的净现值，表示在采用自身投资运维模式下的燃煤电厂总的生产经营成本，既包括燃煤电厂的生产经营成本，又包括新增加的污染减排和环境保护设施投资、运营、维护等方面的一系列成本； r 表示燃煤电厂的投资回报率。式（4-3）右边第二部分代表燃煤电厂加装污染减排和环境保护设施的初始投资，这是本书关注的一个核心变量，初始投资大小直接影响燃煤电厂有关自身运维和第三方治理模式的选择。

与式（4-2）相比可以发现，式（4-3）中燃煤电厂的生产经营成本不再包含每度电的排污费，这是因为在自身运维以满足政府环境约束条件下，燃煤电厂已经实现了污染减排和环境保护达标排放，不需要再缴纳排污费。

（二）模型求解

燃煤电厂在采用自身投资运维模式下，其生产经营活动主要考虑两个问题：一是是否满足政府的污染减排标准和环境规制约束，这关系到企业是否满足政府环境约束条件和能否持续经营的问题，是燃煤电厂必须考虑的问题；二是新增加的污染减排和环境保护设施投资、运营、维护等初始投资和成本能够尽快收回，这同样关系到燃煤电厂的持续经营问题。燃煤电厂在充分考虑这两个问题的基础上实现利润最大化，是本章模型求解的基本思路。具体求解思路包括两部分：

第一，燃煤电厂的生产经营活动要满足政府的污染减排和环境约束，保证其污染排放标准在政府规定的环境容量和排放标准之内，即满足：

式（4-4）中，表示加装环保设施后燃煤电厂单位发电量的污染物排放量； Y _t 表示政府规定的污染减排和环境约束条件下的排放容量。当、和 Y _t 三者都已知时，只需将相关结果带入式（4-4）中进行验证即可知道该条件是否满足。

第二，燃煤电厂在考虑尽快收回污染减排和环境保护投资运维的初始投资并实现利润最大化时，需要求出 N 年期间的收益净现值值，当所有参数都给定或者已知时，可直接通过式（4-3）进行计算求解。

三环保电量补贴政策下的最优路径

环保电量补贴政策是指政府通过增加燃煤电厂设备平均利用时间的方式，给予污染减排达标，符合环境保护约束的燃煤电厂更多的额外上网电量配额，以缓解燃煤电厂的经营压力，增加其盈利能力，从而激励燃煤电厂进行节能减排技术升级改造和清洁化生产，改善生态环境质量的激励政策措施。在这种激励政策下，燃煤电厂会获得额外的上网电量增加量，此条件下的最优路径分析如下。

（一）模型建立

在环保电量补贴政策激励下，燃煤电厂在实现生产经营成本—收益平衡前的收益净现值为：

式（4-5）中，表示燃煤电厂在享受到环保电量补贴政策后的收益净现值； t ₀ 表示燃煤电厂实现盈亏平衡所需的年限；式（4-5）右边第一项表示燃煤电厂在 t ₀ 年前获得的利润的折现值，这期间燃煤电厂的年度上网电量包括原有上网电量和激励上网电量两部分，即燃煤电厂的总上网电量为。

假定政府在燃煤电厂实现盈亏平衡后将不会继续为其提供环保电量补贴激励政策，因此在 t ₀ +1年之后，燃煤电厂的收益净现值表达式将变为：

将燃煤电厂在所有时间内的收益净现值相加，即可得到燃煤电厂在自身运维模式下享受环保电量补贴政策激励时的收益净现值总值为：

与无环保补贴政策条件下的燃煤电厂收益净现值式（4-3）相比，式（4-7）实际多出的部分是盈亏平衡前政府提供的环保电量补贴政策带给燃煤电厂的额外收益部分。

（二）模型求解

环保电量补贴激励政策下燃煤电厂收益最大化的求解思路与无环保补贴政策激励下的求解思路相同，都是在满足政府污染减排达标的环境约束条件下实现自身经营收益的最大化。但与无环保补贴激励政策下利润最大化求解不同的是，电量补贴激励政策下的核心未知变量包含了政府最优的环保补贴电量值，模型求解中要首先求出该值，需要说明的是，燃煤电厂基于利润最大化视角必然追求最大的环保补贴电量，因此政府制定的环保补贴电量最优值也是燃煤电厂追求的最大值。

燃煤电厂在实现盈亏平衡前同样需要满足政府制定的污染减排标准和环境保护约束的污染排放容量条件，环保电量补贴激励政策下的约束条件变为：

由式（4-8）可知，环境补贴电量的确定取决于其造成的环境污染排放是否也在政府制定的环境规制约束之内。

本书利用拉格朗日函数及库恩—塔克条件（Kuhn-Tucker Condition）求解燃煤电厂收益最大化问题的最优解。在自身投资运维模式下，燃煤电厂享受环保补贴电量政策激励时收益最大化的拉格朗日函数为：

式（4-9）中， λ _t （ λ _t ＞0）是拉格朗日（Lagrange）乘子； Q ^max 为燃煤电厂的年度最大上网电量。运用库恩—塔克定理对上述拉格朗日函数求导并构建方程组为：

式（4-10）为自身投资运维和享受环保电量补贴政策激励下燃煤电厂收益最大化问题最优解的库恩—塔克条件，和∂ L /∂ λ _t =0分别为利润最大化的最优解的必要条件和互补条件。

根据式（4-8）和式（4-10）中的互补条件∂ L /∂ λ _t =0，可求得：

为简化分析，本书进一步假设存在，即政府每年提供的环保补贴电量都相同。因此由式（4-11）可以求出环保补贴电量的最优解为：

通过式（4-12）确定了政府环保补贴的最优电量后，将其带入式（4-7）中就能够求出燃煤电厂实现盈亏平衡前的收益净现值，从而得到燃煤电厂实现盈亏平衡后的收益净现值和政府环保电量补贴政策下燃煤电厂整个生产经营过程获得的收益净现值。

四环保电价补贴政策下的最优路径

环保电价补贴政策是指政府通过给予额外的上网电价的方式，对污染减排达标，符合环境保护约束的燃煤电厂给予激励的政策，该激励政策同样能够有效地缓解燃煤电厂的经营压力，增加其盈利能力，从而激励燃煤电厂进行清洁化生产，改善生态环境质量。在这种激励政策下，符合条件的燃煤电厂会获得额外增加的补贴电价。

（一）模型建立

政府提供的环保电价补贴激励实际上是与燃煤电厂平均增量成本正相关的，此时燃煤电厂在自身投资运维模式下获得的环保补贴电价可表示为：

式（4-13）中， α 是政府为符合污染减排标准和环境约束的燃煤电厂提供环保电价补贴激励政策的补贴系数，其与燃煤电厂单位发电量的增量成本正相关，0＜ α ＜1表明政府的环保电价补贴仅为部分补贴，不补偿其全部增量成本。

进一步求燃煤电厂单位发电量的增量平均成本，其表达式为：

式（4-14）中，、代表的含义与上述两种条件下的表征含义相同，这里不再解释；表示燃煤电厂采用第三方治理模式下的环保企业本身的运维成本，这一变量会在下一章中详细分析。在政府提供环保电价补贴政策激励下，存在，这表示环保电价补贴政策下燃煤电厂的总成本包括原有发电成本和新增污染减排和环境保护设施的投资、运营和维护成本。其中， η 表示采用自身投资运维模式下的燃煤电厂增加的运营成本系数，结合实际情况，本书进一步假设 η ＞1，这意味着燃煤电厂为实现污染减排达标和环境约束要求而采取的自身运维的成本比采用第三方治理模型下环保企业的运维成本高，政府鼓励燃煤电厂采用第三方治理的污染减排模式。

将式（4-14）带入式（4-13）中，可以得到静态条件下的、政府为燃煤电厂提供的环保补贴电价为：

根据环保电价补贴政策的含义可知，式（4-15）表示的是污染排放达标和环境约束满足条件下燃煤电厂单位发电量的节约成本。政府给予的环保电价补贴的另一层含义就是激励燃煤电厂将以前需要缴纳的排污费和污染罚金用来改善节能减排设备并进行绿色技术升级改造，以实现既满足燃煤电厂的环境约束和可持续发展，又实现政府绿色发展和煤电产业清洁化发展的“双赢”目标。

同样假定政府环保电价补贴政策会在燃煤电厂实现盈亏平衡时不再实施，则盈亏平衡前燃煤电厂生产经营的收益净现值为：

式（4-16）中，表示燃煤电厂在获得政府电价补贴激励政策下的收益净现值。式（4-16）右侧第一项表示政府环保电价补贴政策下燃煤电厂在采用自身运维模式时的总收益的折现值。可以看出，燃煤电厂在实现盈亏平衡前的 t ₀ 年时间里上网电价会由原来的 p ^U 变为政府电价补贴之后的。

燃煤电厂在实现盈亏平衡之后的收益净现值可表示为：

与政府提供环保电量补贴激励政策下燃煤电厂实现盈亏平衡后的收益净现值式（4-6）相比，政府提供环保电价补贴政策下燃煤电厂盈亏平衡后的收益净现值表达式相似，仅达到盈亏平衡的时间 t ₀ 可能不同。

将式（4-16）与式（4-17）相加，可以得到政府环保电价补贴政策下燃煤电厂生产经营全程的收益净现值：

（二）模型求解

求解的思路与上述两节一致，首先，必须满足环保排放标准；其次，求燃煤电厂生产经营全过程收益净现值。在政府环保补贴电价已知条件下，将其直接带入相关公式即可求出燃煤电厂的收益净现值及盈亏平衡时间，相关求解过程与政府提供环保电量补贴方式下的求解过程相似，这里不再赘述。

五环保电量和电价双重补贴政策下的最优路径

政府为促进煤电产业清洁化发展还可以对污染减排达标和环境约束满足的企业同时给予环保电量和电价补贴的激励政策，也即在盈亏平衡之前燃煤电厂同时获得政府提供的环保电量和环保电价双重补贴。

（一）模型建立

与政府提供环保电价补贴政策下的环保补贴电价定义一样，燃煤电厂在盈亏平衡前获得的环保补贴电价为：

式（4-19）中，代表燃煤电厂单位发电量的平均增量成本； α 的含义和设定与前文设定相同。

进一步考虑到燃煤电厂还能够获得政府的环保补贴电量，此时的表达式变换为：

将式（4-20）带入式（4-19）中，可以得到燃煤电厂获得的环保补贴电价为：

进而得到在环保电量和电价双重补贴条件下的燃煤电厂盈亏平衡前的收益净现值表达式为：

式（4-22）中，表示燃煤电厂在同时享有环保补贴电量和环保补贴电价情况下的收益净现值。式（4-22）右侧第一项表示燃煤电厂生产经营收益的折现值；第二项表示燃煤电厂为实现污染排放达标新增加的环保和污染治理设施的初始投资。可以看到，在享有双重补贴条件下，燃煤电厂在实现盈亏平衡之前的发电量为，上网电价为。