某燃?xì)夥植际侥茉凑经h(huán)境影響分析

姜東橋，孫曉旭，孔飛，柳玉賓，劉潔

(1.中國華電集團(tuán)佛山能源有限公司，廣東 佛山 528000；2.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070)

某燃?xì)夥植际侥茉凑经h(huán)境影響分析

姜東橋1，孫曉旭2，孔飛2，柳玉賓2，劉潔2

(1.中國華電集團(tuán)佛山能源有限公司，廣東 佛山 528000；2.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070)

以上海某工業(yè)園區(qū)的分布式能源站改造項目為例，研究了分布式能源系統(tǒng)污染物排放量的變化趨勢，依據(jù)分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益評估新模型，分析分布式能源站與傳統(tǒng)燃煤電站的環(huán)境效益及環(huán)境成本。研究結(jié)果表明，相對傳統(tǒng)電站，分布式能源系統(tǒng)的環(huán)保指標(biāo)顯著提高，環(huán)境成本僅為同等負(fù)荷燃煤電廠的1/13。通過定量分析分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益，一方面為分布式能源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)優(yōu)化提供環(huán)境影響數(shù)據(jù)，另一方面也為分布式能源的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

分布式能源；燃煤電廠；環(huán)境效益；環(huán)境評價；成本核算

0 引言

分布式能源DES(distributed energy system)是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以天然氣或可再生能源作為主要驅(qū)動能源，以冷、熱、電聯(lián)供技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用，是以高效、清潔、靈活為特點的供能系統(tǒng)[1-2]。

天然氣分布式能源系統(tǒng)在我國已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段。2011年國家發(fā)改委、財政部、住建部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布發(fā)改能源〔2011〕2196號《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，提出發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)思想，即以提高能源綜合利用效率為首要目標(biāo)，以實現(xiàn)節(jié)能減排任務(wù)為工作抓手，重點在能源負(fù)荷中心建設(shè)區(qū)域分布式能源系統(tǒng)和樓宇分布式能源系統(tǒng)。

多份研究報告稱，分布式能源系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)效益、社會效益以及環(huán)境效益。其中，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是投資人最為關(guān)注的指標(biāo)，對比之下國內(nèi)針對分布式能源系統(tǒng)環(huán)境效益的定量分析較少。環(huán)境效益評估不充分造成分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)模糊，導(dǎo)致清潔能源與非清潔能源的不均衡發(fā)展，不利于分布式能源系統(tǒng)在國內(nèi)的進(jìn)一步推廣。

本文基于上海某工業(yè)園區(qū)的分布式能源站，對分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益進(jìn)行量化分析，目的是通過分析分布式能源站的環(huán)境效應(yīng)，提高廣大電力工作者對分布式能源系統(tǒng)環(huán)保優(yōu)越性的認(rèn)可，推動我國分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。

1 研究對象概況

上海華電某工業(yè)區(qū)燃?xì)鉄?、電、冷三?lián)供改造項目涵蓋了發(fā)電、制冷、供熱3種供能單元，屬于典型的區(qū)域型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)。該項目具有負(fù)荷變化大、運行方式復(fù)雜、機組耦合性強、邊界條件多等特點。

該工業(yè)區(qū)分布式能源站發(fā)電負(fù)荷為100 MW。一期建設(shè)有2套LM6000PF燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。該能源站除去向本園區(qū)企業(yè)供電之后，還要負(fù)責(zé)向周圍24家企業(yè)提供冷、熱負(fù)荷，且高峰期熱負(fù)荷可達(dá)71.8 t/h。

天然氣燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔馔苿尤細(xì)廨啓C做功發(fā)電，燃?xì)廨啓C的排氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生水蒸氣，余熱鍋爐的主蒸汽(次高壓)進(jìn)入汽輪機中做功，汽輪機抽汽用于供熱，主蒸汽通過減溫減壓器補充供熱。余熱鍋爐出來的低壓蒸汽用于補入汽輪機做功、溴化鋰機組的驅(qū)動蒸汽(夏季)、換熱機組的熱源(冬季)，滿足空調(diào)冷、熱負(fù)荷需求，達(dá)到“溫度對口、梯級利用”目的，進(jìn)一步提高聯(lián)合循環(huán)機組的出力和效率。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

該工程以天然氣為燃料，在系統(tǒng)運行過程中除產(chǎn)生較少的NOx之外，不產(chǎn)生SO2與煙塵，煙氣中主要污染因子為NOx。燃?xì)廨啓C在燃用天然氣時，采用航改型燃?xì)廨啓C將排放煙氣中NOx的質(zhì)量濃度控制在31 mg/m3，煙氣經(jīng)高度為40 m的煙囪排入大氣。該能源站排放標(biāo)準(zhǔn)滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，煙氣污染物測點的濃度滿足GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級要求。該期工程煙氣污染物排放狀況及排放量見表1。

圖1 工業(yè)園區(qū)工藝流程

項目單位數(shù)值煙氣排放狀況煙氣量燃?xì)忮仩tm3/h740．2×103尖峰鍋爐m3/h61．8×103大氣污染物排放狀況SO2小時排放量 kg/h—年排放量 t/a—排放質(zhì)量濃度mg/m3—NOx燃?xì)鈾C組年排放量 t/a126．2排放質(zhì)量濃度mg/m331．0尖峰鍋爐年排放量 t/a2．0排放質(zhì)量濃度mg/m390．0煙塵排放質(zhì)量濃度mg/m3<5．0

注：機組年運行小時數(shù)暫按5 500 h計，尖峰鍋爐年利用小時數(shù)按360 h(15 d)計。

2 環(huán)保效益分析

2.1 污染物減排量

分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)了能量的梯級利用，使能源有效利用率高達(dá)80%以上。同時該工業(yè)園區(qū)的分布式能源站使用清潔的天然氣作為燃料，燃燒后幾乎不產(chǎn)生SO2和顆粒物；運行過程中燃?xì)廨啓C采用低NOx燃燒方式，亦可以有效減少NOx的產(chǎn)生量。

為合理評估分布式能源系統(tǒng)的污染物排放水平，表2給出了上海某分布式能源站以及等負(fù)荷某燃煤電廠的污染物排放濃度。從減排量分析，分布式能源系統(tǒng)可以十分顯著地降低煙氣中的SO2、顆粒物以及NOx含量，相比燃煤電廠三者濃度分別降低了99.98%,99.80%和98.48%，有益于提高分布式能源系統(tǒng)的環(huán)保效益。但僅靠分析單一污染物的濃度指標(biāo)來評判系統(tǒng)的環(huán)境效益是不夠的。這是因為單一的濃度指標(biāo)會掩蓋污染物之間的差別，必然會導(dǎo)致稀釋排放，與目前全球倡導(dǎo)的總量控制思想不符[3]。

表2 污染物減排情況[4-5] mg/m3

2.2 分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益分析

為更深入地表征分布式系統(tǒng)的環(huán)境影響，引入排放強度來表征傳統(tǒng)發(fā)電與分布式發(fā)電系統(tǒng)的污染排放數(shù)據(jù)。排放強度即單位發(fā)電量所排放的污染物，常表示為

式中：Ci為排放強度，g/(kW·h)；mi為第i種污染物的排放量，g/h；Wn為機組供電量，kW。

計算不同發(fā)電方式的排放強度見表3。分析數(shù)據(jù)可知，燃煤電廠排放的NOx，SO2與顆粒物都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分布式發(fā)電系統(tǒng)，特別是顆粒物的排放強度是分布式系統(tǒng)的360倍。分布式發(fā)電系統(tǒng)中各類污染物的排放濃度極低，是一種十分綠色的發(fā)電方式，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表3 不同發(fā)電方式的污染

2.3 環(huán)境成本核算

應(yīng)用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)理論計算我國的電力生產(chǎn)成本模型，也是分布式系統(tǒng)的研究重點之一。一般認(rèn)為環(huán)境成本包括環(huán)境控制成本與環(huán)境保護(hù)成本，環(huán)境控制成本即為治理污染而消耗的資源，環(huán)境保護(hù)成本即為避免污染而消耗的成本。

計算天然氣分布式能源站與燃煤電站的環(huán)境成本。針對天然氣與燃煤發(fā)電的具體情況，浙江大學(xué)孫可等人基于環(huán)境價值標(biāo)準(zhǔn)[6]提出工程環(huán)境成本計算公式[7]

式中：C為環(huán)境成本，元；Vei為第i項污染物的環(huán)境價值，元/kg，常見的污染物類型及相應(yīng)的環(huán)境價值見表4；n為污染物總數(shù)；Qi為第i項污染物的排放量，kg；V是為了減排污染物所付出的成本費用，元[8-9]。

表4 發(fā)電的環(huán)境價值標(biāo)準(zhǔn)[10-12] 元/kg

取值要求：(1)燃煤發(fā)電廠與天然氣發(fā)電廠的裝機容量為100MW，年利用小時數(shù)為7 000h，即年發(fā)電700GW·h；(2)煤炭熱值Qnet,ar為18.509 MJ/kg，廠用電率8.5%，電廠效率37.0%；(3)分布式發(fā)電的熱效率為40%，低溫?zé)嶂等?5 MJ/m3，即年耗氣量為1.8億m3。

分布式發(fā)電與燃煤發(fā)電的環(huán)境成本核算見表5。可以看出，分布式發(fā)電的環(huán)境成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤發(fā)電，其成本僅有燃煤發(fā)電的1/13，其環(huán)境效益的優(yōu)勢十分顯著。

表5 天然氣與燃煤電站的環(huán)境成本對比 元/(kW·h)

3 結(jié)論

本文以上海某產(chǎn)業(yè)園分布式能源站為依托，定量對比分析了分布式能源站與燃煤電站的環(huán)境影響程度，分布式能源站表現(xiàn)出更顯著的環(huán)境效益。與傳統(tǒng)燃煤電站相比，分布式能源站NOx，SO2與顆粒物的排放量大幅度降低；通過計算分布式能源站與傳統(tǒng)燃煤電站的排放強度與環(huán)境成本等環(huán)境評價指標(biāo)，定量地驗證了分布式能源系統(tǒng)可靠的環(huán)保效益，為同類工程提供參考，為推動分布式能源系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依托。目前，盡管我國針對電廠污染物排放制定了嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)，但針對發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境問題并未建立起統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)和評價機制。此外，筆者認(rèn)為可以定期公布各個地區(qū)發(fā)電行業(yè)污染物的環(huán)境成本核算情況，使信息公開透明，以便互相參考。

[1]HADJSAID N,CANARD J F,DUMAS F.Dispersed generation impact on distribution networks[J].IEEE computer applications in power,1999,12(2):22-28.

[2]華賁,岳永魁,田中華,等.考慮環(huán)境影響的分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與運行策略研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,1(1):6-11.

[3]錢科軍,袁越,石曉丹,等.分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(29):11-15.

[4]許強,李震宇,胡斯翰,等.不同規(guī)模火電機組排污負(fù)荷實測分析[J].環(huán)境污染與防治,2012,34(1):72-74,80.

[5]曾春花.北京某區(qū)域分布式能源規(guī)劃環(huán)境效益及環(huán)境問題分析[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,10(4):305-308.

[6]周浩,魏學(xué)好.天然氣發(fā)電的環(huán)境價值[J].熱力發(fā)電,2003,32(5):2-5.

[7]孫可.幾種類型發(fā)電公司環(huán)境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(3):23-26.

[8]史建勇.燃煤電站煙氣脫硫脫硝技術(shù)成本效益分析[D].杭州：浙江大學(xué),2015.

[9]丁淑英,張清宇,郭慧.火力發(fā)電環(huán)境成本計算模型研究[J].上海環(huán)境科學(xué),2007,26(2):58-61,89.

[10]王金南,楊金田,曹東,等.中國排污收費標(biāo)準(zhǔn)體系的改革設(shè)計[J].環(huán)境科學(xué)研究,1998,11(5):1-7.

[11]KREWI W.德國和歐洲礦物燃料發(fā)電的環(huán)境損害代價[J].國際電力,2000,4(3):54-61.

[12]魏學(xué)好,周浩.中國火力發(fā)電行業(yè)減排污染物的環(huán)境價值標(biāo)準(zhǔn)估算[J].環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(1):53-56.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-02-23；

2017-07-20

TK 01+9

B

1674-1951(2017)08-0064-03

姜東橋(1968—)，男，山東昌邑人，高級工程師，從事電力能源生產(chǎn)管理方面的工作(E-mail:jdongqiao@126.com)。