碳排放履約下煉化企業(yè)熱電機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化研究

田 濤

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司，北京 100101)

2017年12月18日國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)印發(fā)《全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)建設(shè)方案(發(fā)電行業(yè))》，在發(fā)電行業(yè)(含熱電聯(lián)產(chǎn)，下同)率先啟動(dòng)全國(guó)碳排放交易體系，全國(guó)碳排放交易體系要求“發(fā)電行業(yè)年度排放達(dá)到26 kt二氧化碳當(dāng)量(綜合能源消費(fèi)量約10 kt標(biāo)準(zhǔn)煤)及以上的企業(yè)或者其他經(jīng)濟(jì)組織”作為重點(diǎn)排放單位納入全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)，并要求重點(diǎn)排放單位“按實(shí)際排放清繳配額，按年向所在省級(jí)、計(jì)劃單列市應(yīng)對(duì)氣候變化主管部門提交與其當(dāng)年實(shí)際碳排放量相等的配額，以完成其減排義務(wù)，其富余配額可向市場(chǎng)出售，不足部分需通過市場(chǎng)購(gòu)買?！睙捇髽I(yè)自備電站一般會(huì)消耗大量原煤、石油焦、天然氣等能源，多數(shù)會(huì)達(dá)到重點(diǎn)排放單位標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)煉化企業(yè)自備電站主要滿足煉化工藝裝置的蒸汽、電需求，其負(fù)荷波動(dòng)較大，經(jīng)常需要進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)節(jié)以滿足要求。長(zhǎng)期以來，大量學(xué)者開展了煉化企業(yè)自備電站運(yùn)行優(yōu)化研究：羅向龍等[1]針對(duì)大型石化企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)，通過建立運(yùn)營(yíng)優(yōu)化的混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型優(yōu)化自備電站的運(yùn)行參數(shù)；張國(guó)喜[2]、羅向龍等[3-4]針對(duì)石化企業(yè)工藝過程對(duì)蒸汽和電力不斷變化的需要，建立了綜合考慮設(shè)備啟停費(fèi)用等在內(nèi)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)多周期和多工況的最優(yōu)化線性規(guī)劃模型，通過模型求解得到多周期和多工況下的最優(yōu)運(yùn)行數(shù)據(jù)；針對(duì)自備電站污染物排放量和碳排放量較大的問題，戴文智等[5-6]研究了環(huán)境約束條件下的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化模型。上述研究均是在石化企業(yè)工藝裝置蒸汽和電力需求一定的條件下，通過建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，求解蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行條件。實(shí)際上，煉化企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)一般首先要滿足煉化裝置的蒸汽需求，不足或多余電力通過外電網(wǎng)調(diào)節(jié)，即“以汽定電”；當(dāng)煉化裝置的蒸汽需求變化時(shí)，自備電站的運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)碳排放量、碳配額量會(huì)產(chǎn)生重要影響，尤其隨著全國(guó)碳排放交易體系的推進(jìn)，研究碳排放履約條件下煉化企業(yè)自備電站運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)指導(dǎo)企業(yè)完成碳排放履約、降低履約成本具有重要意義。

1 研究方法

從碳排放權(quán)交易體系的運(yùn)行機(jī)制看，影響企業(yè)履約成本的因素主要是自備電站的碳配額量和碳排放量，企業(yè)碳排放的履約成本取決于排放量和配額量比較：當(dāng)企業(yè)實(shí)際排放量大于配額量時(shí)，需要購(gòu)買缺口部分配額、完成履約；當(dāng)配額量大于排放量時(shí)，企業(yè)則可以賣出部分剩余配額以獲利。

1.1 配額分配方法

碳排放交易體系對(duì)電力行業(yè)的配額分配方法可采用基準(zhǔn)線法[7]，其方法如下：

EAt=EAe+EAh

(1)

式中：EAt為配額分配總量，t；EAe為供電配額總量，t；EAh為供熱配額總量，t。其中：EAh=供熱量×供熱基準(zhǔn)值；EAe=供電量×排放基準(zhǔn)值×冷卻方式修正系數(shù)×供熱量修正系數(shù)×燃料熱值修正系數(shù)。冷卻方式修正系數(shù)：水冷為1，空冷為1.05；供熱量修正系數(shù)：燃煤電廠為(1-0.25×供熱比)，燃?xì)怆姀S為(1-0.6×供熱比)；燃料熱值修正系數(shù)：只存在于流化床IGCC機(jī)組的情況，其他機(jī)組可默認(rèn)為1，對(duì)于流化床IGCC機(jī)組，燃料熱值低于12.6 MJkg時(shí)此系數(shù)取1.03，燃料熱值高于12.6 MJkg時(shí)此系數(shù)取1；排放基準(zhǔn)值：分為供電基準(zhǔn)值和供熱基準(zhǔn)值，根據(jù)壓力、機(jī)組容量和燃料類型分為11個(gè)數(shù)值，同時(shí)考慮了冷卻方式、供熱方式、IGCC機(jī)組燃料熱值的不同。

由上述分配方法可知，自備電站的配額分配總量主要取決于熱電機(jī)組對(duì)外供出的電量和蒸汽量。

1.2 碳排放量

目前，核查企業(yè)碳排放量的方法主要按照排放源進(jìn)行，煉化企業(yè)自備電站的碳排放量包括化石燃料燃燒的二氧化碳排放、脫硫過程的二氧化碳排放、企業(yè)凈購(gòu)入使用電力產(chǎn)生的二氧化碳排放。其中化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放占企業(yè)排放的絕大部分，該排放源通常按照消耗的燃料量和相應(yīng)的排放因子進(jìn)行計(jì)算，即：

E燃燒=∑ADi×EFi

(2)

式中:E燃燒為化石燃料燃燒的二氧化碳排放量，t；ADi為第i種化石燃料活動(dòng)水平(以熱值表示)，TJ；EFi為第i種燃料的排放因子，tTJ；i為化石燃料的種類編號(hào)。

因此，企業(yè)實(shí)現(xiàn)低成本履約可采用以下措施：一是通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、合理使用清潔低碳能源和節(jié)能降耗措施，降低企業(yè)碳排放量；二是通過優(yōu)化發(fā)電量和供熱量等產(chǎn)品以獲取更多的配額。

相比于電力行業(yè)的大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，煉化企業(yè)熱電機(jī)組的規(guī)模相對(duì)較小、機(jī)組參數(shù)等級(jí)較低；而且自備電站的能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃料品種較多，包括原煤、水煤漿、柴油、天然氣、石油焦、渣油等；同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱量、供電量等產(chǎn)品的生產(chǎn)負(fù)荷會(huì)發(fā)生變化，其碳排放量和配額量會(huì)隨之變動(dòng)。因此，影響企業(yè)履約策略和履約成本的因素較復(fù)雜[8]。

1.3 熱電機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)

煉化企業(yè)自備電站將原煤、石油焦、天然氣等一次能源轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力的過程是在汽輪機(jī)中聯(lián)合生產(chǎn)，主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)推動(dòng)葉片做功進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)壓力降低的蒸汽從汽輪機(jī)特定位置抽出可以對(duì)外供熱。

當(dāng)熱電機(jī)組的供熱抽汽量變化時(shí)，汽輪機(jī)存在2種理想的調(diào)節(jié)方式：①保持進(jìn)汽量恒定，增加汽輪機(jī)的中間抽汽量，此時(shí)汽輪機(jī)低壓段蒸汽流量和凝汽量會(huì)降低，機(jī)組供熱比增大，冷端損失降低，碳排放量不變，供電配額降低、供熱配額增加；②保持凝汽量恒定，此時(shí)需要增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量以實(shí)現(xiàn)增加抽汽量的調(diào)節(jié)，增加進(jìn)汽量意味著汽輪機(jī)高壓段的蒸汽流量增加，發(fā)電量增加，燃料消耗量和碳排放量會(huì)增加，供電配額和供熱配額均會(huì)增加。

由于中間抽汽和電力這兩種產(chǎn)品在汽輪機(jī)中可以相關(guān)轉(zhuǎn)化，分析熱電機(jī)組不同調(diào)節(jié)方式對(duì)碳排放履約影響，需要建立中間抽汽量和發(fā)電量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，即蒸汽-電轉(zhuǎn)化模型。從汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行看，汽輪機(jī)各級(jí)段的微增汽耗率與級(jí)段的蒸汽流量有關(guān)，汽輪機(jī)級(jí)段的蒸汽流量偏離額定蒸汽流量越大，其汽耗率會(huì)越高，但流量變化不大時(shí)，可以近似認(rèn)為微增汽耗率為常數(shù)。本研究忽略汽輪機(jī)級(jí)段的蒸汽流量對(duì)汽耗率影響因素，將汽機(jī)的做功能力簡(jiǎn)化為各段蒸汽流量和汽耗率的關(guān)系式，通過收集實(shí)際運(yùn)行的汽輪機(jī)在不同工況下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)回歸方法擬合出各級(jí)段的汽耗率等參數(shù)，進(jìn)而用該模型預(yù)測(cè)汽輪機(jī)在變工況下的電功率。其方法如文獻(xiàn)[4]所述。通過汽輪機(jī)的蒸汽-電轉(zhuǎn)化模型可以計(jì)算汽輪機(jī)不同中間抽汽量對(duì)應(yīng)的發(fā)電量、供熱比、燃料消耗量等數(shù)據(jù)。同時(shí)，按照如圖1所示的邏輯框架可計(jì)算熱電機(jī)組碳配額履約情況。

圖1 熱電機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)示意

圖2中，由汽輪機(jī)的蒸汽-電轉(zhuǎn)化模型計(jì)算不同抽汽量時(shí)自備電站的燃料消耗量，結(jié)合碳盤查過程檢測(cè)的燃料排放因子可以計(jì)算自備電站的碳排放量；同時(shí)，根據(jù)蒸汽-電轉(zhuǎn)化模型計(jì)算的不同抽汽量時(shí)的供電量、供熱量、供熱比等參數(shù)，按照配額分配方法即可計(jì)算熱電機(jī)組的碳配額量；通過排放量與配額量的比較可研究供熱負(fù)荷變化對(duì)配額缺口及履約成本的影響。

圖2 研究方法邏輯框架

2 實(shí)施案例

本研究采用某煉化企業(yè)自備電站1號(hào)熱電裝置和2號(hào)熱電裝置的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按照前述方法計(jì)算中間抽汽量變化對(duì)碳配額履約的影響，相關(guān)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。1號(hào)熱電裝置設(shè)計(jì)發(fā)電能力為225 MW，包括4臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組(分別記作1號(hào)汽機(jī)、2號(hào)汽機(jī)、3號(hào)汽機(jī)和4號(hào)汽機(jī))，其中1～3號(hào)汽機(jī)為C50單抽供熱機(jī)組，4號(hào)汽機(jī)為CC50雙抽供熱機(jī)組。 2號(hào)熱電裝置設(shè)計(jì)發(fā)電能力為200 MW，包括2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組(分別記作5號(hào)汽機(jī)、6號(hào)汽機(jī))，均為CC100-8.833.81.47雙抽機(jī)組。

表1 某石化企業(yè)熱電站某月的運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)

表1中，預(yù)測(cè)發(fā)電量是按照分段汽耗率建立的汽輪機(jī)蒸汽-電轉(zhuǎn)化模型計(jì)算的發(fā)電量，與實(shí)際發(fā)電量相比，誤差在0.18%以內(nèi)，說明該模型預(yù)測(cè)精度較好，滿足研究需要。

分別保持汽輪機(jī)進(jìn)汽量為1.394 7 Mt或保持凝汽量為0.366 2 Mt不變，選取表2所示的6種低壓抽汽量工況，分析恒定進(jìn)汽量和恒定凝汽量2種調(diào)節(jié)方式下的1號(hào)熱電裝置和2號(hào)熱電裝置的碳排放和碳履約情況。

汽輪機(jī)的汽-電轉(zhuǎn)化模型有其相應(yīng)的適用范圍，為了保證研究結(jié)果的可用，表2中抽汽量變化數(shù)據(jù)均在汽輪機(jī)的適用范圍內(nèi)。

表2 不同工況下各汽輪機(jī)組的低壓抽汽量 th

表2 不同工況下各汽輪機(jī)組的低壓抽汽量 th

工況1號(hào)熱電裝置2號(hào)熱電裝置1號(hào)汽機(jī)2號(hào)汽機(jī)3號(hào)汽機(jī)4號(hào)汽機(jī)合計(jì)5號(hào)汽機(jī)6號(hào)汽機(jī)合計(jì)總計(jì)172 98 128 76 374 29 50 79 453 290 114 143 85 431 38 77 115 546 3107 131 160 94 492 46 104 150 643 4125 149 178 102 554 54 132 186 740 5142 166 196 111 616 63 159 221 837 6160 184 213 120 677 71 186 257 934

2.1 恒定進(jìn)汽量

在汽輪機(jī)進(jìn)汽量一定時(shí)，中間抽汽量的變化會(huì)影響低壓段蒸汽流量和凝汽量，增加中間抽汽量會(huì)減少冷端損失。本研究將熱電機(jī)組中間抽汽供熱折算為供熱量，并考察不同供熱量時(shí)的碳排放量和碳配額量的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下供熱量對(duì)碳排放量和配額量的影響◆—供電配額量； ■—供熱配額量； ▲—碳排放量； ●—配額總量。圖5同

由圖3可以看出：在恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下，隨著汽輪機(jī)中間抽汽量增加(即供熱量增加)，供熱配額量會(huì)增加，供電配額量會(huì)降低，配額總量會(huì)增加；同時(shí)由于進(jìn)汽量不變，鍋爐燃料消耗不變，此時(shí)碳排放量不變。當(dāng)供熱量由1 792 TJ增加到2 875 TJ時(shí)，配額總量由376.76 kt增加到434.68 kt，同時(shí)配額相比碳排放由缺少31.64 kt變?yōu)楦挥?6.26 kt，其排放配額的盈虧平衡點(diǎn)在2 406 TJ，這主要是由于供熱量增加使得機(jī)組循環(huán)效率提高，配額量會(huì)相應(yīng)增加。

圖3中供熱量增加導(dǎo)致供電配額量降低不僅僅是由供電量減小所致，同時(shí)也是由發(fā)電的配額基準(zhǔn)值減小所致(如圖4所示)。

圖4 供熱比對(duì)發(fā)電基準(zhǔn)值的影響

圖4中的發(fā)電基準(zhǔn)值是熱電機(jī)組的供電配額量與機(jī)組發(fā)電量的比值，反映機(jī)組不同運(yùn)行狀態(tài)下單位發(fā)電量可以獲取的配額量。由圖4可以看出：隨著機(jī)組供熱比增加，發(fā)電基準(zhǔn)值會(huì)降低；當(dāng)供熱比由0.476增加到0.767時(shí)，其發(fā)電配額基準(zhǔn)值由0.746 kg(kW·h)降低至0.623 kg(kW·h)，因此供熱比增加將不利于機(jī)組獲得較多的供電配額，但此時(shí)供熱獲得的配額會(huì)增加，其總配額量依然是增加的。因此，在燃料投入一定的情況下，多產(chǎn)汽將有利于降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的碳排放履約成本。

2.2 恒定凝汽量

在保持汽輪機(jī)凝汽量不變時(shí)，增加中間抽汽量需要提高鍋爐產(chǎn)汽量和汽輪機(jī)進(jìn)汽量，此時(shí)汽輪機(jī)高壓段的蒸汽流量增加，發(fā)電量會(huì)增加，本研究將熱電機(jī)組中間抽汽供熱折算為供熱量，并考察其碳配額量及碳排放量的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式下供熱量對(duì)碳排放量和配額量的影響

由圖5可以看出:在恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式下，隨著機(jī)組供熱量增加，其供熱配額量、供電配額量和配額總量均增加，當(dāng)供熱量由1 792 TJ增加到2 875 TJ時(shí)，配額總量由355.98 kt增加到502.76 kt；同時(shí)，由于燃料量增加，其碳排放量也由381.98 kt增加到486.10 kt，相應(yīng)地其配額量相比碳排放量由缺少26.99 kt變?yōu)楦挥?6.66 kt，其排放配額盈虧平衡點(diǎn)為2 463 TJ。圖4中，隨著供熱量增加，供電配額量增加的主要原因是由于發(fā)電量增加，導(dǎo)致其實(shí)際發(fā)電配額的基準(zhǔn)值如同圖3的恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式一樣，也是減小的。因此，通過提高鍋爐產(chǎn)汽負(fù)荷滿足熱電機(jī)組抽汽量增加的需求時(shí)，由于機(jī)組供熱比增加，對(duì)其碳排放履約也是有利的。

2.3 供電配額

由上述分析可知，無論是在恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下還是在恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式下，當(dāng)機(jī)組的供熱量增大時(shí)，其配額缺口量都會(huì)減小，圖6對(duì)比了兩種調(diào)節(jié)方式對(duì)配額缺口量的影響。

圖6 不同調(diào)節(jié)方式對(duì)配額缺口量的影響◆—恒定進(jìn)汽量； ■—恒定凝汽量

圖6中，兩曲線交點(diǎn)即為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)狀態(tài)點(diǎn)。由圖6可以看出：無論是在恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下，還是在恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式下，配額缺口量均隨著供熱量的增加而減小，直至配額盈余；相比恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式而言，恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下的供熱量對(duì)配額缺口量的影響更加敏感。為了降低企業(yè)履約成本，應(yīng)該按照兩種調(diào)節(jié)方式中配額缺口量較小的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即：當(dāng)供熱量增大時(shí)，按照恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)，熱電機(jī)組配額缺口量減少更快；當(dāng)供熱量減少時(shí)，按照恒定凝汽量調(diào)節(jié)，熱電機(jī)組配額缺口量增加更慢。

需要說明的是，圖6僅是機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)碳排放履約成本的影響，實(shí)際上熱電機(jī)組的運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)電量、燃料消耗量、供汽成本等均會(huì)有影響，這需要結(jié)合熱電機(jī)組發(fā)電發(fā)汽成本、自發(fā)電與外購(gòu)電成本比較做出權(quán)衡。

3 結(jié) 論

(1)碳排放交易體系下，煉化企業(yè)自備電站的碳排放履約成本取決于排放量和配額量比較：當(dāng)自備電站的實(shí)際排放量大于配額量時(shí)，需要購(gòu)買缺口部分配額；反之，則可以賣出部分剩余配額以獲利。

(2)通過建立汽輪機(jī)分段汽耗率的汽-電轉(zhuǎn)化模型，可以預(yù)測(cè)熱電機(jī)組6種低壓抽汽量工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合碳配額量和碳排放量的計(jì)算為企業(yè)完成碳履約提供決策支持。

(3)當(dāng)熱電機(jī)組的中間抽汽量增加時(shí)，汽輪機(jī)存在2種理想的調(diào)節(jié)方式：一是保持進(jìn)汽量恒定，此時(shí)，機(jī)組供熱比增大，發(fā)電量降低，供電配額降低、供熱配額增加；二是保持凝汽量恒定，此時(shí)，需要增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量以實(shí)現(xiàn)增加抽汽量的調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)的發(fā)電量增加，燃料消耗量和碳排放量會(huì)增加，供電配額和供熱配額均會(huì)增加。

(4)無論在恒定進(jìn)汽量調(diào)節(jié)方式下，還是在恒定凝汽量調(diào)節(jié)方式下，熱電機(jī)組的配額缺口量均隨著供熱量的增加而減小，直至配額盈余；為降低企業(yè)履約成本，應(yīng)該按照2種調(diào)節(jié)方式中配額缺口量較小的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。