全國(guó)碳市場(chǎng)啟動(dòng)后北京熱電行業(yè)低碳運(yùn)行管理方式研究

史彩菊，金生祥，安振源，王六虎，金 立，馬萬(wàn)軍，王 清，張秉權(quán)

（1.北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100067；2.北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100022）

隨著環(huán)保要求的進(jìn)一步嚴(yán)格，清潔能源裝機(jī)容量不斷提高，燃?xì)鈾C(jī)組由于其環(huán)保、節(jié)能、啟?？斓葍?yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度較快，截至2017年8月底，京津唐燃?xì)鈾C(jī)組裝機(jī)容量達(dá)到1 117.458萬(wàn)kW，占全部裝機(jī)容量的15.07%。特別是在北京地區(qū)，隨著四大熱電中心[1]的建成投產(chǎn)，煤機(jī)已全部退出運(yùn)行，北京地區(qū)燃?xì)庋b機(jī)容量達(dá)到819.7萬(wàn)kW，全部為供熱機(jī)組。2011年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作的通知》，確定在北京、天津、上海、重慶、廣東、湖北、深圳七省市開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)；2014年，北京市人民政府下發(fā)《北京市碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》，將對(duì)本市行政區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)排放單位的二氧化碳排放實(shí)行配額管理，重點(diǎn)排放單位應(yīng)當(dāng)在配額許可范圍內(nèi)排放二氧化碳，如果所擁有的配額無(wú)法滿(mǎn)足自己的排放需求，就需要通過(guò)交易購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)指標(biāo)，從而增加生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。隨著各地碳市場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，2017年將啟動(dòng)全國(guó)碳市場(chǎng)[2]。

綜上種種，如何面臨即將啟動(dòng)的全國(guó)碳市場(chǎng)，繼續(xù)保持燃?xì)夤釞C(jī)組節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢(shì)，保證燃?xì)夤釞C(jī)組的清潔、高效、低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是新時(shí)期、新形勢(shì)、新要求下的迫切需求。

1 北京地區(qū)能源供應(yīng)現(xiàn)狀

1.1 裝機(jī)規(guī)模及分布

隨著節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)壓力的增大，北京市“十二五”規(guī)劃提出了“1+4+N”的供熱體系，即“建成東南、東北、西南和西北四大天然氣熱電中心，形成1+4+N中心供熱體系”。

東北天然氣熱電中心：位于朝陽(yáng)區(qū)高安屯，供熱能力為2 400萬(wàn)m2；

東南天然氣熱電中心：位于朝陽(yáng)區(qū)王四營(yíng)，供熱能力為3 900萬(wàn)m2；

西南天然氣熱電中心：位于豐臺(tái)區(qū)草橋，供熱能力為 2 100 萬(wàn) m2；

西北天然氣熱電中心：位于石景山區(qū)高井，供熱能力為3 600萬(wàn)m2。

目前四大熱電中心已全部建成投產(chǎn)，原有的燃煤機(jī)逐步退出市場(chǎng)，北京市的裝機(jī)類(lèi)型全部為燃?xì)鈾C(jī)清潔供熱發(fā)電，并以9F為主流機(jī)型，具體如表1所示。

1.2 燃?xì)鈾C(jī)組的主要特性介紹

目前北京市已投產(chǎn)燃?xì)鈾C(jī)組，主要為“二拖一”燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，其配置方案為2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、2臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)蒸汽輪機(jī)，同步建設(shè)脫硝裝置。整套機(jī)組選型先進(jìn)，能源利用率高，污染物排放少，主要有以下幾大特點(diǎn)：

（1）運(yùn)行方式多樣化

機(jī)組采用“二拖一+3S離合器+大旁路”的配置方案，可實(shí)現(xiàn)“兩臺(tái)燃機(jī)+兩臺(tái)余熱鍋爐+蒸汽輪機(jī)”的“二拖一”運(yùn)行和“一臺(tái)燃機(jī)+一臺(tái)余熱鍋爐+蒸汽輪機(jī)”的“一拖一”運(yùn)行；還可以根據(jù)供熱需求實(shí)現(xiàn)純凝、抽凝、背壓甚至汽輪機(jī)全切工況等多種運(yùn)行方式。

表1 北京市裝機(jī)規(guī)模及分布表

（2）供熱能力大

抽凝工況的最大供熱面積為1 000萬(wàn)m2，背壓工況的最大供熱面積為1 200萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)有汽機(jī)全切工況，汽機(jī)全切工況下，供熱面積可達(dá)1 400萬(wàn)m2，以應(yīng)對(duì)極端天氣或市政供熱特殊情況的需求，更好地?fù)?dān)負(fù)起供熱企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。

（3）環(huán)保水平高

采用降噪消音型設(shè)計(jì)，在平面布置、設(shè)備選型、工藝布置、降噪措施等方面全方位進(jìn)行降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)，使廠(chǎng)界噪聲控制在45dB，達(dá)到了噪聲控制最高等級(jí)；同步建設(shè)高效脫硝裝置，氮氧化物排放低至7.3mg/Nm3，遠(yuǎn)低于北京市30mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)；二氧化硫和粉塵接近零排放；二氧化碳年排放約140萬(wàn)t，與全國(guó)火電平均水平相比，減排130余萬(wàn)t。

（4）能源利用率高

機(jī)組采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)，通過(guò)“熱電聯(lián)產(chǎn)”的工藝方式，將高品位能源用于發(fā)電，低品位能源用于供熱；通過(guò)鍋爐尾部加裝煙氣換熱裝置等能源梯級(jí)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了清潔優(yōu)質(zhì)天然氣能源的高效利用，機(jī)組供熱季發(fā)電氣耗可低至0.136Nm3，供熱工況下能源利用率最高可達(dá)89.74%。

（5）自動(dòng)化水平高

整套機(jī)組實(shí)現(xiàn)了“全程智能化控制”，自動(dòng)控制水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，真正實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程無(wú)斷點(diǎn)的一鍵式啟停[3]，大大提高了系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性、規(guī)范性，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了機(jī)組啟停時(shí)間。

1.3 北京地區(qū)燃?xì)鈾C(jī)組碳排放量測(cè)算

北京市目前已經(jīng)投運(yùn)燃?xì)鈾C(jī)組12臺(tái)（套），其中“二拖一”機(jī)組8臺(tái)（套），“一拖一”機(jī)組4臺(tái)（套）[4]，其二氧化碳排放強(qiáng)度和排放總量，隨著機(jī)組運(yùn)行方式的不同、熱電比[5]的不同而存在較大不同，單套“二拖一”機(jī)組排放強(qiáng)度在320～360kgCO2/（MW·h），碳排放總量在140萬(wàn)～160萬(wàn)t；“一拖一”機(jī)組排放強(qiáng)度在350～420kgCO2/（MW·h），排放總量在 80萬(wàn)～96萬(wàn)t。從最近幾年北京市燃?xì)鈾C(jī)組參與北京碳市場(chǎng)的履約情況看，部分機(jī)組由于運(yùn)行方式和熱電比的不同出現(xiàn)了5萬(wàn)～8萬(wàn)t的配額缺口。

《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》[6]對(duì)二氧化碳排放提出了明確要求，即2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，2030年二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。燃?xì)鈾C(jī)組是清潔能源機(jī)組，其氮氧化物排放目前已經(jīng)降到5mg/Nm3以下，二氧化碳排放也已經(jīng)比同容量的煤機(jī)大幅降低，但是為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)文件的行動(dòng)目標(biāo)，北京市燃?xì)鈾C(jī)組還需繼續(xù)節(jié)能挖潛，通過(guò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理和熱電比優(yōu)化，進(jìn)一步降低二氧化碳排放強(qiáng)度和排放總量。

2 國(guó)家及北京碳市場(chǎng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 國(guó)家碳市場(chǎng)的主要進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，工業(yè)國(guó)家在應(yīng)對(duì)環(huán)境危機(jī)的大討論中，試圖引導(dǎo)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系由“對(duì)立”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安⒘ⅰ钡摹吧鷳B(tài)現(xiàn)代化”理論，主張以“市場(chǎng)機(jī)制”代替“命令控制”機(jī)制應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題，成為碳市場(chǎng)形成與發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)[7]。我國(guó)國(guó)家碳市場(chǎng)也是在這一理論基礎(chǔ)上形成和發(fā)展的。碳排放權(quán)交易理論最早是由美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Dales[8]作為溫室氣體減排的有效市場(chǎng)工具提出來(lái)的，旨在通過(guò)市場(chǎng)方式提高環(huán)境資源利用效率。碳排放配額交易是世界各國(guó)普遍采用的環(huán)境經(jīng)濟(jì)策略，我國(guó)試點(diǎn)城市碳排放權(quán)交易均基于以上理論基礎(chǔ)，其主要進(jìn)展如表2所示。

表2 我國(guó)碳市場(chǎng)進(jìn)展

與其他市場(chǎng)體系相比，碳排放交易體系有點(diǎn)特殊，“碳市場(chǎng)本質(zhì)上是一個(gè)政策性市場(chǎng)”。這一交易體系既有很強(qiáng)的政策性，政府強(qiáng)制性設(shè)定碳排放交易體系的覆蓋范圍、排放總量、各企業(yè)的排放限額，同時(shí)，這一體系又要堅(jiān)持市場(chǎng)化導(dǎo)向，納入交易體系的企業(yè)，碳減排成本高低不同，減排成本低的企業(yè)超額完成減排任務(wù)，可以將剩余的碳排放配額賣(mài)給超配額排放的企業(yè)獲取收益，通過(guò)這樣的市場(chǎng)化方式，激勵(lì)企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)成本最小化的減排。

國(guó)家發(fā)改委2017年12月19日宣布，以發(fā)電行業(yè)為突破口，全國(guó)碳排放交易體系正式啟動(dòng)。在此次全國(guó)性的碳排放交易體系建設(shè)之前，我國(guó)的碳市場(chǎng)工作早在2011年就已經(jīng)起步。2011年，我國(guó)確定北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東、深圳等7省市作為試點(diǎn)開(kāi)展碳交易工作。2013年，深圳率先啟動(dòng)實(shí)際交易，拉開(kāi)了我國(guó)碳市場(chǎng)的帷幕，各試點(diǎn)省市隨后也逐步啟動(dòng)運(yùn)行。目前已納入近3 000家重點(diǎn)排放單位，截至2017年11月累計(jì)配額成交量達(dá)到2億tCO2當(dāng)量，約46億元人民幣。

2.2 北京市碳交易體系運(yùn)行情況及對(duì)燃?xì)怆姀S(chǎng)的要求

北京作為碳排放試點(diǎn)城市之一，從試點(diǎn)運(yùn)行至今，已經(jīng)形成一套完備的碳市場(chǎng)交易體系。根據(jù)《北京市碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》規(guī)定，市發(fā)展改革委會(huì)同市統(tǒng)計(jì)局定期確定年度重點(diǎn)排放單位名單和報(bào)告單位名單，并向社會(huì)公布，根據(jù)配額[9]核定方法（歷史法及先進(jìn)值法）及核查報(bào)告，核定并發(fā)放重點(diǎn)排放單位年度配額，免費(fèi)發(fā)放[10]，重點(diǎn)排放單位應(yīng)當(dāng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照要求向市發(fā)展改革委提交上年度碳排放報(bào)告，并按照規(guī)定上繳與其上年度碳排放量等量的配額，履行年度碳排放控制責(zé)任，未按規(guī)定提交報(bào)告或履約的排放單位，北京市發(fā)展改革委依據(jù)《關(guān)于印發(fā)規(guī)范碳排放權(quán)交易行政處罰自由裁量權(quán)規(guī)定的通知》（京發(fā)改規(guī)〔2014〕1號(hào)），參照《關(guān)于北京市嚴(yán)格控制碳排放總量前提下開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作的決定》規(guī)定予以處罰，最高將按照市場(chǎng)均價(jià)的5倍對(duì)該單位超出其配額許可范圍的碳排放總量（未履約排放量）予以罰款。北京市碳市場(chǎng)啟動(dòng)至今，碳價(jià)基本穩(wěn)定，平均價(jià)格在50.43元/t，根據(jù)規(guī)定，若不能正常履約，將按照252.15元/t進(jìn)行處罰，一套“二拖一”燃?xì)怆姀S(chǎng)，年度配額約150萬(wàn)t，若超配額排放5萬(wàn)t，就需要花費(fèi)250多萬(wàn)元購(gòu)買(mǎi)配額進(jìn)行履約，否則將被處罰約1 300萬(wàn)元。巨額花費(fèi)對(duì)企業(yè)造成了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙重負(fù)擔(dān)和壓力，要求企業(yè)必須加大節(jié)能減排力度，通過(guò)科技創(chuàng)新降低排放強(qiáng)度。對(duì)于北京市發(fā)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，通過(guò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理，降低發(fā)電氣耗，降低廠(chǎng)用電率，實(shí)現(xiàn)熱電優(yōu)化分配，是降低碳排放強(qiáng)度和排放總量、實(shí)現(xiàn)碳資產(chǎn)[11]保值增值的重要手段和方式。

3 燃?xì)鈾C(jī)組低碳運(yùn)行管理的研究方法和結(jié)論

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)和研究重點(diǎn)關(guān)注了碳排放交易體制的建立對(duì)電力行業(yè)尤其是發(fā)電企業(yè)的影響[12]，分析了電力行業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[13]，并研究了適合電力行業(yè)的碳排放權(quán)交易機(jī)制[14]，而針對(duì)發(fā)電企業(yè)如何適應(yīng)碳市場(chǎng)發(fā)展，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行方式、節(jié)能降耗等從源頭來(lái)減少碳排放，涉足較少。本文根據(jù)近三年北京市碳市場(chǎng)運(yùn)行情況，結(jié)合燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行特性，從采暖季、非采暖季、年度運(yùn)行節(jié)奏等整機(jī)優(yōu)化運(yùn)行和循環(huán)水冷端優(yōu)化、輔機(jī)優(yōu)化運(yùn)行管理等方面，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)搜集和分析，以“保政治供電和民生供熱，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低二氧化碳排放”為原則，提出低碳運(yùn)行管理建議。

考慮燃?xì)鈾C(jī)組特殊的成本分布，各種不同工況下的固定成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用和管理費(fèi)用的穩(wěn)定性，為方便分析，暫將收入減去燃料成本之差稱(chēng)為“變動(dòng)利潤(rùn)”。分析方法如下：分析機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)的運(yùn)行工況，考慮“四大熱電中心”建設(shè)初衷，參照電力需求、供熱量需求變化，確定要分析和探討的運(yùn)行方式；搜集實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合廠(chǎng)家提供的熱平衡圖，通過(guò)熱力試驗(yàn)和計(jì)算[15-17]，求得不同工況下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)；根據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)和電價(jià)、氣價(jià)、碳價(jià)等因素，計(jì)算（不含固定成本）的“變動(dòng)利潤(rùn)”，進(jìn)而比較確定清潔、高效、低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。本文以以上原則，選取了采暖期相同供熱量不同運(yùn)行方式、非采暖期純凝運(yùn)行、機(jī)組年度運(yùn)行方式安排、循環(huán)水冷端優(yōu)化等四種情況進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理探討。

3.1 采暖期低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

北京地區(qū)興建燃?xì)廨啓C(jī)組，其主要目的還是要解決區(qū)域內(nèi)供熱需求，以期望降低燃煤采暖，其電力除了必須的區(qū)域電源支撐外，可以利用特高壓和內(nèi)蒙古、西北的網(wǎng)電來(lái)滿(mǎn)足[18]；北京地區(qū)無(wú)煤化，大幅降低環(huán)保排放；低排放的燃?xì)鈾C(jī)組采暖季在保證供熱需求的前提下，采取何種運(yùn)行方式，對(duì)于其二氧化碳排放影響較大。因此本文以滿(mǎn)足當(dāng)前熱負(fù)荷需求為邊界條件，通過(guò)比較采暖期機(jī)組各種不同運(yùn)行方式下的碳排放強(qiáng)度，提出采暖季低碳運(yùn)行的最佳方式。

機(jī)組冬季供熱運(yùn)行設(shè)計(jì)有抽凝、背壓、汽輪機(jī)全切三種工況。由于全切工況為事故緊急情況下的特殊、非常規(guī)運(yùn)行工況，本文不做詳述。冬季供熱量除了受環(huán)境氣溫變化而變化外，基本保持穩(wěn)定，因此，本文選擇滿(mǎn)足不同環(huán)境氣溫變化的供熱需求，以保供熱、保民生、降排放、提高外購(gòu)電比例的能源供給原則，保持供熱量不變，分析背壓和抽凝兩種工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3中的供熱量、發(fā)電量是實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并符合機(jī)組熱電負(fù)荷曲線(xiàn)，決定了一個(gè)運(yùn)行工況。燃?xì)饬渴谴斯r下發(fā)電、供熱消耗的總的燃?xì)饬浚趸寂欧帕渴前凑铡侗本┦衅髽I(yè)（單位）二氧化碳排放核算和報(bào)告指南》的方法計(jì)算出來(lái)的，其余各項(xiàng)指標(biāo)都是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工況的基礎(chǔ)上計(jì)算而得。從以上表格可以看出，無(wú)論在供暖初期、中期還是晚期，在各種穩(wěn)定的供熱需求下，背壓運(yùn)行的供電碳排放強(qiáng)度、發(fā)電氣耗、單位燃?xì)饬康挠芰鶅?yōu)于抽凝供熱運(yùn)行，因此機(jī)組背壓運(yùn)行無(wú)論在能源消耗、二氧化碳排放還是單位燃?xì)饬坑芰Ψ矫妫憩F(xiàn)出極高的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，因此冬季供熱，機(jī)組擬采用背壓供熱運(yùn)行。

表3 相同供熱量不同供熱工況運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.2 非采暖季低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

機(jī)組年度利用小時(shí)設(shè)計(jì)為4 500小時(shí)，近年來(lái)，隨著北京綠色發(fā)展要求，利用小時(shí)將處于不斷壓降的趨勢(shì)，但非供暖期由于區(qū)域負(fù)荷支撐的需要，仍需運(yùn)行，特別是在春、秋兩季，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率較低，經(jīng)常處于“二拖一”低負(fù)荷和“一拖一”負(fù)荷重疊區(qū)域運(yùn)行，電量相同，但由于運(yùn)行方式的不同，其能耗水平和碳排放水平差別較大，研究這兩種方式下的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有較大的實(shí)際意義。

每年3月下旬到5月、9—11月上旬，是年度電力需求低迷階段。此階段，機(jī)組經(jīng)常處于“二拖一”低負(fù)荷率（50%～60%）和“一拖一”運(yùn)行的尷尬選擇中。下面通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4），從氣耗水平、碳排放強(qiáng)度和單位供電量盈利能力等方面綜合分析低碳環(huán)境下非采暖季機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

比較“二拖一”低負(fù)荷（50%負(fù)荷率——“二拖一”工況二）和“一拖一”（40%負(fù)荷率）運(yùn)行，“二拖一”低負(fù)荷（50%負(fù)荷率）碳排放強(qiáng)度高、單位供電量盈利能力低，因此“二拖一”低負(fù)荷運(yùn)行無(wú)論從能耗水平、碳排放強(qiáng)度還是單位供電量盈利能力方面均不及“一拖一”（40%負(fù)荷率）運(yùn)行。

但就利潤(rùn)而言，“二拖一”低負(fù)荷（50%負(fù)荷率——二拖一工況二）運(yùn)行，優(yōu)于“一拖一”（40%～45%負(fù)荷率），但這種優(yōu)勢(shì)隨著碳排放成本的增加不斷降低，當(dāng)碳排放成本升高至85元以上時(shí)，“二拖一”低負(fù)荷（50%負(fù)荷率）運(yùn)行，產(chǎn)量高帶來(lái)的利潤(rùn)優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。因此在爭(zhēng)取機(jī)組運(yùn)行方式時(shí)，盡量“二拖一”較高負(fù)荷率（60%負(fù)荷率以上）運(yùn)行，否則應(yīng)權(quán)衡能耗水平、利潤(rùn)和碳成本各面，平衡擇優(yōu)。

3.3 機(jī)組年度低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

燃?xì)鈾C(jī)組年度發(fā)電利用小時(shí)計(jì)劃是在核定電價(jià)時(shí)就確認(rèn)的，年度利用小時(shí)計(jì)劃確定后，其發(fā)電量的節(jié)奏安排、熱電比的不同都將造成較大的二氧化碳排放強(qiáng)度和排放總量的不同。本文在機(jī)組核價(jià)利用小時(shí)保持不變的狀態(tài)下，繪制不同熱電比下的機(jī)組實(shí)際運(yùn)行供電碳排放強(qiáng)度，結(jié)合北京市供電碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值[19]，通過(guò)分析，提出年度機(jī)組低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理建議。

表4 不同供熱工況運(yùn)行數(shù)據(jù)

北京市現(xiàn)行的二氧化碳配額發(fā)放原則為：產(chǎn)量乘以碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值，碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值[9]由國(guó)家發(fā)改委發(fā)布，對(duì)于供熱機(jī)組，其與熱電比密切相關(guān)，具體如表5所示。

表5 電力行業(yè)碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值

根據(jù)機(jī)組年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，冬季發(fā)電利用小時(shí)占全年60%左右，本文擬合出企業(yè)年度不同熱電比下的碳排放強(qiáng)度曲線(xiàn)，結(jié)合北京市發(fā)布的碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值，得出圖1。

圖1 供電碳排放強(qiáng)度與熱電比關(guān)系

圖1中，平行于橫軸的直線(xiàn)，為北京市發(fā)布的供電碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值，曲線(xiàn)為企業(yè)實(shí)際運(yùn)行供電碳排放強(qiáng)度與熱電比關(guān)系曲線(xiàn)，為了二氧化碳不超標(biāo)排放，即實(shí)際碳排放強(qiáng)度需控制在先進(jìn)值以下，機(jī)組熱電比必須控制在一定范圍，機(jī)組運(yùn)行存在不連續(xù)的安全區(qū)域，即熱電比為0.126～0.30以及0.37以上。當(dāng)熱電比在0.3～0.37時(shí)，或者低于0.126時(shí)，機(jī)組實(shí)際供電碳排放強(qiáng)度曲線(xiàn)處于北京市發(fā)布的供電碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值曲線(xiàn)上方，按照產(chǎn)量乘以供電碳排放強(qiáng)度計(jì)算出的二氧化碳排放量將超出北京市發(fā)放的排放配額，超標(biāo)排放，因此是不安全運(yùn)行區(qū)域。如果冬季利用小時(shí)降低，運(yùn)行安全區(qū)域?qū)⑾蛴疑戏揭苿?dòng)；如果夏季負(fù)荷率提高，運(yùn)行安全區(qū)域?qū)⑾蜃笙路揭苿?dòng)。

3.4 循環(huán)水冷端優(yōu)化低碳運(yùn)行管理

循環(huán)水冷端包括冷卻塔、循環(huán)水泵、凝汽器等，其冷卻介質(zhì)—循環(huán)水，受環(huán)境因素的影響較大，不同季節(jié)的水溫差異可以超過(guò)20℃，而機(jī)組的負(fù)荷率也會(huì)影響循環(huán)水泵的電耗。因此，如何在循環(huán)水泵的電耗與機(jī)組供電氣耗之間找到平衡點(diǎn)，即冷端優(yōu)化，是火力發(fā)電廠(chǎng)低碳、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)整控制的一個(gè)重要工作。

冷端優(yōu)化的一個(gè)重要方面是求取凝汽器壓力的最佳值，當(dāng)凝汽器壓力降低時(shí)，機(jī)組功率增加，供電氣耗降低，碳排放強(qiáng)度降低，二氧化碳排放總量降低；凝汽器壓力升高時(shí)，機(jī)組功率下降，供電氣耗升高，碳排放強(qiáng)度升高，二氧化碳排放總量降低。所以，在給定機(jī)組參數(shù)下，凝汽器壓力與汽輪機(jī)組發(fā)電功率、汽輪機(jī)微增功率關(guān)系密切，而運(yùn)行中的機(jī)組真空是由諸如冷卻水參數(shù)（流量和入口溫度）和汽輪機(jī)負(fù)荷所決定的。在給定機(jī)組負(fù)荷和冷卻水入口溫度時(shí)，真空由循環(huán)水量決定，循環(huán)水量增大則循環(huán)水泵耗功也增大。然而循環(huán)水泵是廠(chǎng)用電大戶(hù)，過(guò)分地增加循環(huán)水量，可能使得汽輪機(jī)真空提高而多發(fā)的電無(wú)法彌補(bǔ)循環(huán)水泵多耗費(fèi)的電，當(dāng)汽輪機(jī)功率的增量與泵耗功增量差值最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力為最佳真空，對(duì)應(yīng)最佳循環(huán)水量值。

圖2是某“二拖一”燃?xì)鈾C(jī)組，其循環(huán)水系統(tǒng)配置兩臺(tái)流量分別為21 600m3/h、揚(yáng)程26m的夏季循環(huán)水泵和兩臺(tái)流量分別為4 896m3/h，揚(yáng)程26m的冬季循環(huán)水泵、10臺(tái)機(jī)力冷卻風(fēng)機(jī)、冷卻面積24 500m2的凝汽器，通過(guò)冷端優(yōu)化，得出在不同環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和不同機(jī)組負(fù)荷下循環(huán)水泵運(yùn)行方式的最優(yōu)選擇曲線(xiàn)。

圖2 循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式參考曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

如上所述，由于燃?xì)夤釞C(jī)組多種不同的運(yùn)行方式、供電碳排放強(qiáng)度先進(jìn)值制定的原則不同、碳配額在市場(chǎng)上價(jià)格的不同，燃機(jī)機(jī)組的低碳運(yùn)行管理更加多維化。隨著2017年12月19日全國(guó)碳市場(chǎng)的啟動(dòng)，京內(nèi)燃?xì)怆姀S(chǎng)作為參與北京市碳市場(chǎng)多年的發(fā)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，通過(guò)近年來(lái)的運(yùn)行實(shí)踐，在低碳運(yùn)行方面積累了一定的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，為燃?xì)夤釞C(jī)組參與全國(guó)碳市場(chǎng)提供了一定的思路：

（1）機(jī)組采暖季運(yùn)行最好采用背壓工況，同樣供熱量和發(fā)電量下，背壓運(yùn)行的二氧化碳排放總量低于抽凝運(yùn)行75～101t/h，而且隨著供熱量和發(fā)電量的提高，兩種運(yùn)行工況的二氧化碳排放差值增大。

（2）非采暖季的運(yùn)行淡季（每年的3月下旬到5月份、9月至11月上旬），機(jī)組“二拖一”和“一拖一”運(yùn)行均能滿(mǎn)足電負(fù)荷需求時(shí)，要盡量采取“一拖一”方式運(yùn)行，此時(shí)的二氧化碳排放強(qiáng)度低于“二拖一”低負(fù)荷運(yùn)行 16kgCO2/（MW ·h）。

（3）考慮北京市燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配額先進(jìn)值，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行熱電比要盡量高，但全年熱電比應(yīng)盡量避開(kāi)0.3～0.37區(qū)域運(yùn)行，此區(qū)域的二氧化碳排放總量將超配額，此安全區(qū)域隨著采暖季利用小時(shí)和非采暖季負(fù)荷率的不同而有所變化，需要根據(jù)機(jī)組特性和運(yùn)行方式確定。

（4）通過(guò)對(duì)燃?xì)怆姀S(chǎng)循環(huán)水冷端優(yōu)化研究，確定循環(huán)水系統(tǒng)最佳運(yùn)行方式，提高機(jī)組效率，降低供電氣耗和碳排放總量。

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