火電機(jī)組節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

林 琳 邊 疆 宋 莉 王中榮 劉 濤

(1. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力交易中心，天津 300010；3. 華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206)

火力發(fā)電不僅帶來(lái)巨大的能源消耗，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。2012年火電消耗煤炭18.55億t，占全國(guó)工業(yè)煤炭消費(fèi)量的62.23%，二氧化硫(SO2)排放量達(dá)858.9萬(wàn)t，氮氧化物(NOx)排放量達(dá)1 084.7萬(wàn)t[1]。隨著我國(guó)節(jié)能減排力度的不斷加大，火力發(fā)電的節(jié)能調(diào)度也提上日程。節(jié)能調(diào)度在確保電力生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，改變以往平均分配發(fā)電量的傳統(tǒng)做法，優(yōu)先調(diào)度清潔高效的發(fā)電機(jī)組，限制能耗較高、污染較嚴(yán)重的機(jī)組發(fā)電。

目前，我國(guó)的南方電網(wǎng)、四川電網(wǎng)及江蘇等地試行節(jié)能調(diào)度，但只以供電煤耗來(lái)評(píng)價(jià)火電機(jī)組的節(jié)能效果。同時(shí)，大部分地區(qū)按照《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》中的要求對(duì)機(jī)組征收排污費(fèi)用[2]，而排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不能體現(xiàn)各個(gè)機(jī)組節(jié)能減排水平的差異性。另外，許多學(xué)者也對(duì)火電機(jī)組的節(jié)能減排評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了理論研究。王軍等考慮供電煤耗、污染排放、網(wǎng)損、耗水量和機(jī)組運(yùn)行可靠性因素，利用因子分析法得到一個(gè)綜合指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)組的節(jié)能減排效果，這種方法基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行評(píng)價(jià)，并沒(méi)有表征具體的機(jī)理意義[3]。魏學(xué)好和周浩提出污染物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)的估算方法，以此來(lái)促進(jìn)火電機(jī)組的污染物減排[4]。Wang Y L和Hu C提出一種環(huán)境評(píng)估模型，并基于環(huán)境價(jià)值實(shí)施節(jié)能發(fā)電調(diào)度[5]。方韜等基于環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，提出了一種火電機(jī)組環(huán)境成本估算方法，以此來(lái)激勵(lì)火電企業(yè)增裝環(huán)保設(shè)施[6]。戴恩賢和張新銘基于參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)電站污染物排放對(duì)環(huán)境的影響程度[7]。以上這些方法都還尚處于理論研究階段，未見(jiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

由此可見(jiàn)，建立一套科學(xué)合理而又切實(shí)可行的評(píng)價(jià)體系，使得節(jié)能減排調(diào)度有據(jù)可循，對(duì)開(kāi)展節(jié)能發(fā)電調(diào)度有著重要的意義。

影響火電機(jī)組節(jié)能減排的因素很多，只有選擇合理的指標(biāo)、建立科學(xué)合理而且簡(jiǎn)單易用的模型，才能保證評(píng)價(jià)的合理性和實(shí)用性?；鹆Πl(fā)電站的污染物排放主要包括鍋爐煙氣SO2、NOx、CO2及粉塵排放等參數(shù)。目前，天津地區(qū)大部分并網(wǎng)機(jī)組只裝有SO2和NOx兩種污染物的監(jiān)測(cè)設(shè)備，因此，筆者選擇供電煤耗、鍋爐煙氣SO2和NOx排放作為影響因素，來(lái)綜合評(píng)價(jià)機(jī)組的節(jié)能減排效果。

1.1 供電煤耗

供電煤耗是機(jī)組每向外提供1kWh電能所耗用的標(biāo)準(zhǔn)煤量。供電煤耗是火電企業(yè)生產(chǎn)水平的直接體現(xiàn)，是衡量能源消耗和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)[8]。因此，對(duì)火電機(jī)組的綜合評(píng)價(jià)需要考慮供電煤耗因素，供電煤耗越小，表征機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能越好。電站中并沒(méi)有供電煤耗的直接測(cè)點(diǎn)，但可通過(guò)計(jì)算得到：

(1)

式中bf——發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/kWh；

bg——供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/kWh；

Lfcy——發(fā)電廠用電率，%。

目前，大部分電站數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中都有供電煤耗的計(jì)算數(shù)據(jù)。

1.2 煙氣SO2排放

電站燃煤鍋爐排放的SO2是引起酸雨的主要污染物之一。2008年出臺(tái)的《國(guó)家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》中就指出要重點(diǎn)實(shí)施燃煤電廠二氧化硫的控制和改造工程[9]。降低SO2排放是火電機(jī)組開(kāi)展減排工作的重要內(nèi)容之一。目前，天津地區(qū)所有并網(wǎng)機(jī)組均裝有SO2監(jiān)測(cè)設(shè)備，而且其測(cè)量值通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給環(huán)保部門和電網(wǎng)調(diào)度中心。

1.3 煙氣NOx排放

燃煤電站鍋爐燃燒過(guò)程中排放的NOx主要包括NO、NO2及N2O等氮氧化物。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的越來(lái)越嚴(yán)格，NOx也成為火電機(jī)組監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要的污染物排放參數(shù)。最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定從2012年1月1日起，我國(guó)所有新建火電機(jī)組NOx排放限值為100mg/m3[10]?，F(xiàn)有的電站機(jī)組均裝有NOx測(cè)量設(shè)備，并將測(cè)量值實(shí)時(shí)傳送給環(huán)保部和調(diào)度中心。

2 節(jié)能減排綜合指標(biāo)構(gòu)建

火電機(jī)組的節(jié)能減排與供電煤耗和污染物排放參數(shù)有關(guān)，即節(jié)能和減排兩方面因素。然而，降低污染物排放是以增加能源消耗為代價(jià)的，加裝的環(huán)保設(shè)備會(huì)增加廠用電，同時(shí)采用低污染物燃燒技術(shù)還會(huì)降低燃燒效率。因此，火電機(jī)組節(jié)能和減排具有一致性和互斥性，二者相互影響。筆者同時(shí)考慮機(jī)組供電煤耗和SO2、NOx等污染物排放量，并將污染物排放對(duì)環(huán)境帶來(lái)的損耗折算成煤耗，提出一種綜合供電煤耗指標(biāo)?？梢钥闯觯C合供電煤耗包含兩部分：機(jī)組實(shí)際的供電煤耗和對(duì)環(huán)境損耗所折合成的煤耗。機(jī)組的綜合供電煤耗同時(shí)反映了機(jī)組本身運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境的影響，更加真實(shí)地體現(xiàn)了機(jī)組的節(jié)能減排水平。

2.1 污染物環(huán)境損耗計(jì)算

污染物環(huán)境損耗是以定量的形式評(píng)價(jià)污染物排放對(duì)環(huán)境所造成的危害和損失。我國(guó)實(shí)行的是污染物排放濃度達(dá)標(biāo)和按污染物排放總量收費(fèi)并行的環(huán)保政策，火力發(fā)電廠在達(dá)到污染物排放濃度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以進(jìn)行污染物排放，并依據(jù)排放總量交納排污費(fèi)。然而，污染物的環(huán)境損耗并不等價(jià)于排污費(fèi)，環(huán)境損耗是污染物排放對(duì)環(huán)境影響的表現(xiàn)形式，即所造成環(huán)境損失的價(jià)值量，而排污費(fèi)只是環(huán)境價(jià)值的一定體現(xiàn)，并不能完全代表環(huán)境價(jià)值。按照目前的《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》，排污所繳納的費(fèi)用遠(yuǎn)小于排污所造成的損失，因此，不能用排污費(fèi)來(lái)計(jì)算環(huán)境損耗。在環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)研究中，普遍認(rèn)為用環(huán)境價(jià)值來(lái)衡量污染物排放給環(huán)境帶來(lái)的損失更為合理[11]。

由于環(huán)境影響評(píng)價(jià)的不確定性和復(fù)雜性，不同的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致污染物的環(huán)境價(jià)值評(píng)估結(jié)果也不一致。目前國(guó)內(nèi)最常用的是以防護(hù)支出間接作為環(huán)境價(jià)值[12]，其中文獻(xiàn)[4]在參照排污總量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)比美國(guó)環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估出中國(guó)火電機(jī)組SO2和NOx的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 SO2和NOx環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)

由表1中數(shù)據(jù)可計(jì)算出機(jī)組每生產(chǎn)一度電所排放的污染物引起的環(huán)境損耗ce(元/kWh)：

ce=(cSO2·VSO2+cNOx·VNOx)/Q

(2)

其中，VSO2和VNOx分別為機(jī)組生產(chǎn)Q電量時(shí)鍋爐煙氣中SO2和NOx排放總量，cSO2和cNOx分別為污染物SO2和NOx的環(huán)境價(jià)值。

2.2 節(jié)能減排綜合供電煤耗

可以看出，機(jī)組的綜合供電煤耗由兩部分組成：前者是機(jī)組的實(shí)際供電煤耗，表征機(jī)組的節(jié)能水平；后者是機(jī)組污染物排放損耗所折算的煤耗，表征機(jī)組的減排水平。污染物排放損耗折算煤耗越大，說(shuō)明機(jī)組的脫硫脫硝設(shè)施運(yùn)行效果越差。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

隨著霧霾天氣在華北地區(qū)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的出現(xiàn)，國(guó)家和地方政府對(duì)企業(yè)環(huán)保要求越來(lái)越高，特別是火力發(fā)電企業(yè)。其中，天津作為華北地區(qū)直轄市之一，霧霾現(xiàn)象也十分嚴(yán)重，當(dāng)?shù)貙?duì)火電機(jī)組節(jié)能減排越來(lái)越重視。為了深入貫徹執(zhí)行國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)政策，天津市電力公司將陸續(xù)開(kāi)展對(duì)并網(wǎng)機(jī)組的節(jié)能減排考核工作。這里以天津地區(qū)不同電廠的4臺(tái)機(jī)組(記作A、B、C、D)為例，利用筆者提出的方法對(duì)其節(jié)能減排水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

所研究的各電廠均配備有DCS及SIS等數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，鍋爐尾部煙氣中SO2和NOx排放濃度由煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)測(cè)量得到。機(jī)組供電煤耗并沒(méi)有直接的測(cè)點(diǎn)，但可以通過(guò)式(1)求得，所有的運(yùn)行參數(shù)測(cè)量值實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在SIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。

從電站SIS系統(tǒng)中采集連續(xù)一段時(shí)間(一個(gè)月)的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括以下參數(shù)測(cè)點(diǎn)：煙氣流量V(m3/s)、煙氣SO2濃度ρSO2(g/m3)、煙氣NOx濃度ρNOx(g/m3)、機(jī)組電負(fù)荷W(MW)和供電煤耗bg(g/kWh)，采樣時(shí)間為1min。由于強(qiáng)電磁干擾及傳感器故障等因素，這些數(shù)據(jù)中會(huì)存在噪聲和離群點(diǎn)，并不能直接使用。在進(jìn)行計(jì)算之前，需對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證和預(yù)處理，從中檢測(cè)和校正不良的數(shù)據(jù)樣本，并對(duì)空缺數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)。詳細(xì)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和校正方法可以參考文獻(xiàn)[13]。

3.2 綜合供電煤耗的計(jì)算

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，采用文中提出的方法對(duì)綜合供電煤耗進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算步驟如下：

a. 計(jì)算時(shí)間段T(這里考慮一個(gè)月)內(nèi)發(fā)電總量Q=W·T；

b. 分別求出NOx和SO2的排放總量VNOx和VSO2，VSO2=ρSO2·V,VNOx=ρNOx·V；

c. 計(jì)算發(fā)每度電產(chǎn)生的污染物排放價(jià)值損耗ce；

d. 求得綜合供電煤耗bz。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1單臺(tái)機(jī)組分析

考慮某電廠機(jī)組A一個(gè)月的運(yùn)行狀況，該機(jī)組容量為328.5MW，已完成脫硫脫硝改造。所用動(dòng)力煤折算成標(biāo)煤價(jià)格為0.63元/kg，依照上述方法進(jìn)行計(jì)算，得出該機(jī)組的綜合供電煤耗為348.7g/kWh，環(huán)境損耗為0.005 5元/kWh，供電煤耗為339.8g/kWh，環(huán)境損耗折算煤耗8.9g/kWh。

比較供電煤耗和綜合供電煤耗可以得出排污所增加的折算煤耗(環(huán)境損耗折算煤耗)相當(dāng)于供電煤耗的2.7%，相對(duì)較小，表明機(jī)組完成脫硫脫硝設(shè)備改造后環(huán)境成本相對(duì)較低。事實(shí)上該臺(tái)機(jī)組SO2平均排放濃度20.0mg/m3，NOx平均排放濃度80.5mg/m3，遠(yuǎn)低于國(guó)家環(huán)保要求的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)排污政策，可計(jì)算該機(jī)組發(fā)每度電所繳納的SO2和NOx排污總費(fèi)用(0.001 6元/kWh)與機(jī)組對(duì)應(yīng)的環(huán)境損耗(0.005 5元/kWh)，可以看出對(duì)該機(jī)組所征收的排污費(fèi)僅為環(huán)境損失的29.1%，不足彌補(bǔ)所帶來(lái)的環(huán)境損失，不利于激勵(lì)電站的節(jié)能減排運(yùn)行。

3.3.2機(jī)組節(jié)能減排對(duì)比

綜合考慮天津地區(qū)不同電廠的機(jī)組A、B、C、D的節(jié)能減排情況，利用某月的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的環(huán)境損耗折算煤耗和綜合煤耗如圖1、2所示。

圖1 各發(fā)電機(jī)組環(huán)境損耗折算煤耗

圖2 各發(fā)電機(jī)組綜合供電煤耗

從圖1可以看出，環(huán)境損耗從低到高依次是機(jī)組A、C、D、B，如果以環(huán)境損耗最低作為目標(biāo)，那么電網(wǎng)調(diào)度應(yīng)該按照以上次序優(yōu)先分配負(fù)荷，但是這樣沒(méi)有考慮發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，顯然不符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的規(guī)律。

從圖2可以看出，供電煤耗從低到高依次是機(jī)組C、B、A、D，但是綜合供電煤耗從低到高是機(jī)組C、A、D、B。單從發(fā)電經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)說(shuō)，機(jī)組C、B、A、D依次最好，但是綜合考慮發(fā)電成本和環(huán)境損耗，機(jī)組C、A、D、B依次最好。電網(wǎng)調(diào)度可直接按機(jī)組C、A、D、B次序分配負(fù)荷，或者依照此順序多分配負(fù)荷，從而使火力發(fā)電綜合效益最大化。因此，綜合考慮環(huán)境損耗后得到的調(diào)度結(jié)果更科學(xué)，綜合供電煤耗可以為電網(wǎng)實(shí)施節(jié)能調(diào)度決策提供依據(jù)。

4 火電機(jī)組綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

在上述研究的基礎(chǔ)上，筆者還開(kāi)發(fā)了火電機(jī)組節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，作為機(jī)組脫硫脫硝數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的一個(gè)子功能模塊，并應(yīng)用在天津電科院對(duì)火電機(jī)組的節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)之中。

整個(gè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，其中該子模塊的主要實(shí)現(xiàn)方法為：從各電廠DCS及SIS等系統(tǒng)取出相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)電力信息網(wǎng)直接傳送到電科院服務(wù)器，在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)上備份存儲(chǔ)；然后對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行預(yù)處理和有效性驗(yàn)證；最后計(jì)算出并網(wǎng)各機(jī)組的綜合供電煤耗的折算成本值，并以圖形界面輸出顯示，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于天津電科院對(duì)各電廠機(jī)組的考核評(píng)價(jià)之中，為電網(wǎng)進(jìn)一步實(shí)施節(jié)能調(diào)度提供了依據(jù)。系統(tǒng)對(duì)天津地區(qū)并網(wǎng)機(jī)組的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示，圖中將各機(jī)組的綜合供電煤耗折合成供電成本。

圖4 綜合節(jié)能減排評(píng)價(jià)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者同時(shí)考慮火電機(jī)組運(yùn)行的供電煤耗和SO2、NOx污染物排放水平，提出了綜合供電煤耗來(lái)評(píng)價(jià)火電機(jī)組節(jié)能減排能力。利用該指標(biāo)對(duì)天津地區(qū)不同電廠的4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較，結(jié)果表明綜合供電煤耗可以為電網(wǎng)調(diào)度決策提供科學(xué)依據(jù)。基于該評(píng)價(jià)方法開(kāi)發(fā)子模塊，并應(yīng)用于天津電網(wǎng)的脫硫脫硝數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)天津地區(qū)并網(wǎng)機(jī)組的考核評(píng)價(jià)。

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