基于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的能源統(tǒng)計(jì)方法探討

吳智泉，張屹山，劉明浩，安連鎖

(1.吉林大學(xué) 數(shù)量經(jīng)濟(jì)研究中心,長春 130021；2.華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,河北 保定 071003)

0 引言

不同品種的能源之間存在明顯的差異。從熱力學(xué)的角度出發(fā)，這些差異主要體現(xiàn)在能源總量和能源品質(zhì)兩個(gè)方面。在能源總量方面，單位不同品種能源的發(fā)熱量不同；在能源品質(zhì)方面，具有單位熱量的不同品種的能源，其做功能力不同。通行的能源統(tǒng)計(jì)核算方法通常是不考慮能源的做功能力，而是按照不同品種能源的熱值統(tǒng)一折算為標(biāo)準(zhǔn)煤或標(biāo)準(zhǔn)油來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)核算的。這種統(tǒng)計(jì)核算方法忽略了燃料品質(zhì)上的差異，必然導(dǎo)致某種程度上的不公正，存在著明顯的理論和實(shí)踐上的缺陷。

實(shí)際上，能源利用的本質(zhì)是能質(zhì)的利用。也就是說，在能源利用的實(shí)際過程中，能的數(shù)量并未減少，而能的質(zhì)量（品質(zhì)或品位）卻降低，也就是熱力學(xué)價(jià)值減少。因此，在能源利用的過程中應(yīng)最大限度減少能源品質(zhì)的損失，在能夠滿足用能要求的前提下，應(yīng)選取品位低的能源。吳仲華[1]提出“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的能源高效利用原則；吳智泉等[2]提出基于熱力學(xué)第二定律的折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，這些都是基于能源品質(zhì)利用的角度而提出的。在實(shí)際的生產(chǎn)與生活中，受能源需求與供應(yīng)兩者匹配結(jié)構(gòu)的限制，能源在利用過程中存在著巨大的能質(zhì)損失。對(duì)區(qū)域能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化配置，減少能源需求與供應(yīng)匹配過程中的能質(zhì)損失，對(duì)于提高區(qū)域整體能源利用效率具有十分重要的意義。本文將從能質(zhì)的角度分析區(qū)域能源需求與供應(yīng)的統(tǒng)計(jì)核算方法，為區(qū)域能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 能源的“當(dāng)量電”折算

在各能源品種中，通常認(rèn)為功和電的能質(zhì)最高，適宜選取功或者電作為能源品位的量度。江億院[3]士通過系統(tǒng)討論當(dāng)前能源統(tǒng)計(jì)核算方法中存在的現(xiàn)實(shí)性矛盾和問題，提出了“等效電法”的折算思路，即以高品位的電作為標(biāo)準(zhǔn)，將其它終端能源按一定的折算系數(shù)轉(zhuǎn)化為電量。本文同樣也選取電量作為能源品質(zhì)的量度。通過分析各品種能源的物理化學(xué)特性和當(dāng)前的技術(shù)水平，從能質(zhì)的角度將各品種能源折算為“當(dāng)量電”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同品種能源的統(tǒng)計(jì)核算。

1.1 礦物燃料

通常采用礦物燃料的燃料火用衡量其做功能力，燃料火用包括物理火用和化學(xué)火用。由于在常規(guī)的能源動(dòng)力系統(tǒng)中，礦物燃料通常是采用直接燃燒的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能(物理火用)，并通過熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱功之間的轉(zhuǎn)換。因此，根據(jù)礦物燃料物理火用的計(jì)算方法[4]以及火用與電的換算系數(shù)，可得到礦物燃料的理論當(dāng)量電折算公式為：

式（1）中：Tbum表示礦物燃料的理論燃燒溫度；T0表示環(huán)境溫度，兩者均為絕對(duì)溫度；Q表示礦物燃料的低位發(fā)熱量，單位kJ；E表示折算的當(dāng)量電量，單位kWh。

由于礦物燃料在空氣中燃燒的最高溫度約為2000℃，因此，根據(jù)式（1）可知，礦物燃料的實(shí)際當(dāng)量電折算公式應(yīng)為：

式（2）中，Q表示單位礦物燃料的低位發(fā)熱量，其中，標(biāo)準(zhǔn)煤、油品和天然氣的低位發(fā)熱量分別為29271kJ/kg、43070kJ/kg與38931kJ/m3；E表示單位礦物燃料的當(dāng)量電量。

1.2 蒸氣

蒸汽屬于二次能源，是通過礦物燃料、電能或其它形式的能源轉(zhuǎn)化而得到。所能提供與使用的能量可以用蒸汽的焓表示，做功能力為蒸汽的火用值，可以按照公式（3）計(jì)算[5]。根據(jù)火用與當(dāng)量電的折算，單位焓值蒸汽的當(dāng)量電可按照公式（4）計(jì)算。

式中，h''與s''分別表示對(duì)應(yīng)溫度或壓力下的蒸汽的焓和熵。

1.3 電力與新能源

電力按照1比1的比例折算為當(dāng)量電。目前絕大多數(shù)新能源都通過轉(zhuǎn)換為電力的形式而被利用，例如風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)發(fā)電等。這些能源的折算按照其生產(chǎn)的電力折算為當(dāng)量電。

2 區(qū)域能源的統(tǒng)計(jì)核算

2.1 能源需求的統(tǒng)計(jì)核算

能源需求的本質(zhì)是對(duì)能質(zhì)的需求，因此，只有從能質(zhì)的角度出發(fā)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域能源需求量的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。下面將分能源品種討論區(qū)域各行業(yè)對(duì)不同品種能源的當(dāng)量電需求量，以期科學(xué)合理的統(tǒng)計(jì)各行業(yè)的能源需求情況。

2.1.1 煤炭

由于行業(yè)差異，煤炭在不同行業(yè)中的用途和使用環(huán)境各異。在石油加工、煉焦和核燃料加工業(yè)中，煤炭主要被用做原材料，使用設(shè)備以煉焦?fàn)t為主；在電力、熱力的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)中，煤炭主要被用于發(fā)電和生產(chǎn)蒸汽，使用設(shè)備以大型燃煤鍋爐為主；在化工行業(yè)中，小部分煤炭被用做原材料，大部分煤炭被用做提供熱量，使用設(shè)備以工業(yè)鍋爐為主；在其它行業(yè)中，煤炭則主要被用做提供熱量，使用設(shè)備以工業(yè)鍋爐、供暖鍋爐和普通爐為主。針對(duì)各行業(yè)使用煤炭的實(shí)際情況，可按照以下方法統(tǒng)計(jì)各行業(yè)對(duì)煤炭的當(dāng)量電需求量。

對(duì)于電力、熱力的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)，首先統(tǒng)計(jì)燃煤電廠所生產(chǎn)的電力和熱力，然后將這部分電力和熱力折算為當(dāng)量電，即可得到該行業(yè)對(duì)煤炭的當(dāng)量電需求量。

對(duì)于石油加工、煉焦和核燃料加工業(yè)，由于煤炭被當(dāng)作原材料，而并不是以能源的形式被消耗，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中將不考慮這部分煤炭的影響。

對(duì)于化工行業(yè)，被用做原材料的部分煤炭同樣也不考慮。而對(duì)于用于提供熱量的部分煤炭，首先統(tǒng)計(jì)這部分煤炭的消耗量，然后根據(jù)化工行業(yè)使用煤炭的溫度和煤炭的燃燼率將這部分煤炭折算為在該使用溫度下的當(dāng)量電，即可得到該行業(yè)對(duì)煤炭的當(dāng)量電需求量。其中，煤炭的燃燼率主要受燃燒溫度、與空氣的接觸面積以及過量空氣系數(shù)的影響，一般對(duì)于工業(yè)行業(yè)，煤炭的燃燼率約為90%，對(duì)于居民和工商業(yè)，煤炭的燃燼率約為80%。[6]

對(duì)于其它行業(yè)，煤炭主要以熱量的方式被利用，因此根據(jù)這些行業(yè)使用煤炭的溫度、煤炭的燃燼率和煤炭的終端消耗量，運(yùn)用煤炭當(dāng)量電折算公式，即可計(jì)算出這些行業(yè)對(duì)煤炭的當(dāng)量電需求量。

2.1.2 油品

在實(shí)際生產(chǎn)中，各行業(yè)使用油品主要用于提供動(dòng)力，通常是驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。當(dāng)前，重型內(nèi)燃機(jī)熱效率約為40%，普通內(nèi)燃機(jī)的熱效率約為35%，在交通運(yùn)輸業(yè)中油品的熱效率約為35%，其它行業(yè)約為33%。[7]但在電力、熱力的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)中，油品則主要用于發(fā)電，使用設(shè)備以燃油鍋爐和燃煤鍋爐為主，該行業(yè)對(duì)油品的當(dāng)量電需求量的計(jì)算方法可參照該行業(yè)對(duì)煤炭的當(dāng)量電需求量的計(jì)算方法。由于油品的燃料火用與熱量幾乎相等，因此，對(duì)于其它行業(yè)可根據(jù)行業(yè)使用油品的平均熱效率和油品的使用量計(jì)算該行業(yè)在使用油品過程中所需求的火用量，將電與火用的換算系數(shù)折算為當(dāng)量電，即得到這些行業(yè)對(duì)油品的當(dāng)量電需求量。

2.1.3 天然氣

天然氣與煤炭類似，除少量用于工業(yè)原料外，主要通過燃燒的方式提供熱量。因此，各行業(yè)對(duì)天然氣的當(dāng)量電需求量的統(tǒng)計(jì)方法與煤炭類似。需要注意的是，由于天然氣屬于氣體燃料，除少部分泄露外，一般都能夠充分燃燒，因此天然氣的燃燼率通常認(rèn)為是1。

2.1.4 電力

在電力消耗中，大部分用于提供動(dòng)力，也有少部分用于提供熱量。因此，統(tǒng)計(jì)各行業(yè)對(duì)電力的當(dāng)量電需求量時(shí)，需分兩種情況考慮。對(duì)于提供動(dòng)力的部分，當(dāng)量電需求量即為消耗的電量；對(duì)于提供熱量的部分，則需要根據(jù)熱量需求側(cè)的溫度計(jì)算被有效利用的當(dāng)量電。

2.1.5 熱力

熱力全部用于供熱，供熱過程中的不可逆損失主要取決于傳熱過程中的溫差，因此，可以根據(jù)蒸汽的溫度和傳熱溫差統(tǒng)計(jì)各行業(yè)對(duì)蒸汽的當(dāng)量電需求量。

綜合上述分析，可根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算各行業(yè)對(duì)不同品種能源的當(dāng)量電需求量。再根據(jù)當(dāng)量電的等價(jià)性，通過求和的方式即可計(jì)算各行業(yè)對(duì)當(dāng)量電的需求總量以及整個(gè)區(qū)域?qū)Ξ?dāng)量電的需求總量。

2.2 能源供應(yīng)的統(tǒng)計(jì)核算

區(qū)域能源供應(yīng)的統(tǒng)計(jì)核算方法相對(duì)簡單，主要包括以下幾個(gè)步驟：

（1）統(tǒng)計(jì)各行業(yè)不同品種能源的實(shí)物供應(yīng)量；

（2）將不同品種能源的實(shí)物供應(yīng)量折算為當(dāng)量電量；

（3）分行業(yè)求和得到各行業(yè)的當(dāng)量電供應(yīng)量，整體求和得到區(qū)域的當(dāng)量電供應(yīng)量。

其中，能源實(shí)物供應(yīng)量取決于終端能源消耗量、能源儲(chǔ)運(yùn)損失與能源庫存變化量，通常能源庫存的變化量較小，尤其是電力和熱力，庫存幾乎一直維持為零，因此，可以近似用各行業(yè)的終端能源消耗量與儲(chǔ)運(yùn)損失之和代替能源的實(shí)物供應(yīng)量。

對(duì)于區(qū)域的能源統(tǒng)計(jì)，各行業(yè)的終端能源消耗量相對(duì)容易統(tǒng)計(jì)，而儲(chǔ)運(yùn)損失則難以精確到行業(yè)。能源的儲(chǔ)運(yùn)損失是指能源在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中因泄漏、自耗等導(dǎo)致的損失，這部分損失主要取決與能源的儲(chǔ)運(yùn)方式。在同一技術(shù)水平下，能源的儲(chǔ)運(yùn)方式主要決定于能源品種，例如電力主要通過電網(wǎng)運(yùn)輸，煤炭主要通過鐵路、公路和水路交通運(yùn)輸。因此，可以粗略的以區(qū)域內(nèi)各品種能源的平均儲(chǔ)運(yùn)損失率代替各行業(yè)對(duì)應(yīng)能源品種的儲(chǔ)運(yùn)損失率。

3 北京市能源的統(tǒng)計(jì)核算

在北京市統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)中，擁有完整統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最近年份為2013年，因此，本文以北京市2013年的數(shù)據(jù)為案例，通過統(tǒng)計(jì)核算分行業(yè)不同品種能源的需求量和供應(yīng)量，詳細(xì)介紹區(qū)域能源需求和供應(yīng)的統(tǒng)計(jì)核算方法以及統(tǒng)計(jì)核算的具體步驟。

3.1 行業(yè)的劃分

本文在北京市統(tǒng)計(jì)局對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)行業(yè)劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同行業(yè)消耗能源的特征將行業(yè)整合為表1中的12個(gè)行業(yè)。

表1 北京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)行業(yè)劃分

3.2 分行業(yè)能源需求與供應(yīng)統(tǒng)計(jì)核算

3.2.1 環(huán)境參數(shù)

在各品種能源的當(dāng)量電折算中，首先需要確定環(huán)境參數(shù)。根據(jù)北京市氣象局的數(shù)據(jù)，全年參考溫度為12.7℃(285.85K)，環(huán)境壓力變化甚微，可以近似的看作為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[8]。將環(huán)境參數(shù)代入式（1）-式（4），即可得到北京市環(huán)境參數(shù)下不同品種能源的當(dāng)量電折算公式。

3.2.2 終端能源統(tǒng)計(jì)

首先從北京市統(tǒng)計(jì)局獲取2013年分行業(yè)主要能源的終端消耗量數(shù)據(jù)，由于行業(yè)劃分差異，需將獲取的初步數(shù)據(jù)按照表1中的行業(yè)劃分進(jìn)行整合。然后根據(jù)北京市環(huán)境參數(shù)下各品種能源的當(dāng)量電折算公式，計(jì)算各行業(yè)所消耗主要能源的當(dāng)量電量，結(jié)果見表2。

3.2.3 能源需求統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述分析可知，在統(tǒng)計(jì)各行業(yè)對(duì)煤炭、天然氣和部分電力的當(dāng)量電需求量時(shí)，需已知能源需求側(cè)的溫度。鑒于統(tǒng)計(jì)各行業(yè)不同品種能源需求側(cè)的溫度工作量巨大，而且北京市沒有相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，一些學(xué)者針對(duì)美國和南非主要行業(yè)熱力需求的溫度平均溫度進(jìn)行了研究，本文參考美國和南非的數(shù)據(jù)。[9,10]

在統(tǒng)計(jì)各行業(yè)對(duì)電力的當(dāng)量電需求量時(shí)，由于電力不僅提供動(dòng)力還提供熱量，且這兩種用能方式的當(dāng)量電折算存在較大的差異，因此，需統(tǒng)計(jì)各行業(yè)消耗的電力中用于提供動(dòng)力和熱量的比例。同樣，鑒于統(tǒng)計(jì)這項(xiàng)數(shù)據(jù)的工作量巨大，本文參考希臘等國家的數(shù)據(jù)。[11]

表2 北京市2013年分行業(yè)消耗主要能源的當(dāng)量電量 (單位：億千瓦時(shí))

綜合上述分析，根據(jù)各行業(yè)需求熱量的平均溫度、油品的熱效率、電力消耗中用于提供動(dòng)力和提供熱量的比例等，計(jì)算得到北京市2013年分行業(yè)對(duì)不同品種能源的當(dāng)量電需求量見表3。

需要說明的是，在我國無法查找到的數(shù)據(jù)在歐美和南非等國家卻有研究，更加說明我國的能源統(tǒng)計(jì)方法和基礎(chǔ)工作需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.2.4 能源供應(yīng)統(tǒng)計(jì)

上文計(jì)算了分行業(yè)主要能源的終端消耗量，因此，再確定北京市2013年各品種能源的平均儲(chǔ)運(yùn)損失率即可統(tǒng)計(jì)出北京市分行業(yè)能源的供應(yīng)量。根據(jù)北京市統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)[8]，2013年各主要品種能源的儲(chǔ)運(yùn)損失率分別為：煤炭，3.15%；油品，4.29%；天然氣，5.42%，電力，5.80%；熱力，6.36%。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)以及各主要品種能源的儲(chǔ)運(yùn)損失率計(jì)算得到北京市2013年分行業(yè)主要能源的供應(yīng)量見表3。

比較表3中各行業(yè)的能源需求和供應(yīng)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)同一行業(yè)對(duì)同種能源的供應(yīng)量明顯大于需求量，這說明北京市在能源利用過程中存在著巨大的能質(zhì)損失。同時(shí)，從表3中能源需求量占能源供應(yīng)量的比例來看，不同能源品種之間存在較大的差異，同種能源不同行業(yè)之間也存在明顯的差異，這說明區(qū)域各行業(yè)在使用能源時(shí)，能源之間不僅存在絕對(duì)優(yōu)勢，還存在行業(yè)間的比較優(yōu)勢，通過利用這兩方面的優(yōu)勢，對(duì)區(qū)域能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理配置，將可以挖掘出大量的節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源的節(jié)約利用。

4 結(jié)論

能源統(tǒng)計(jì)核算是區(qū)域能源評(píng)價(jià)和能源規(guī)劃的基礎(chǔ)條件之一，只有在科學(xué)合理的統(tǒng)計(jì)能源需求量和供應(yīng)量的基礎(chǔ)上，才能全面評(píng)價(jià)區(qū)域的能源利用現(xiàn)狀和能源政策，從而制定出最優(yōu)的能源規(guī)劃方案。本文從熱力學(xué)第二定律的角度出發(fā)，提出了基于能源結(jié)構(gòu)調(diào)增的能源統(tǒng)計(jì)核算方法，該方法在反映能源的“量”和“質(zhì)”的同時(shí)，還結(jié)合了當(dāng)前的技術(shù)水平和行業(yè)用能特征，使得能源統(tǒng)計(jì)核算更貼近實(shí)際。同時(shí)，通過比較區(qū)域各行業(yè)對(duì)不同品種能源的需求量和供應(yīng)量，還可以得到各行業(yè)在使用不同品種能源過程中的能量損失情況。最后，本文以北京市為例詳細(xì)介紹了區(qū)域能源需求和供應(yīng)統(tǒng)計(jì)核算的具體步驟。案例分析結(jié)果表明，能源消耗中被有效利用的比例不僅存在能源品種間的差異，還存在行業(yè)間的差異，這為區(qū)域能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供了良好的理論基礎(chǔ)，通過充分挖掘能源品種之間的絕對(duì)優(yōu)勢和行業(yè)間的比較優(yōu)勢，優(yōu)化配置能源的需求與供應(yīng)結(jié)構(gòu)，可減少能源損失，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

表3 能源需求量占能源供應(yīng)量的比例

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