基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制的火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

劉 敏，周 然，湯 棟

（1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

火電廠是煙塵、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等大氣污染物的主要排放源。電除塵器系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)等環(huán)保設(shè)施的投用運(yùn)行，是火電廠污染物控制的技術(shù)手段；同時(shí)，環(huán)保稅征收和環(huán)保電價(jià)機(jī)制等減排政策是污染物控制的經(jīng)濟(jì)手段，能夠促使火電廠正常穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)保設(shè)施[1,2]。因此，基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制，進(jìn)行火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)施正常運(yùn)行以及污染物控制與減排。

區(qū)間線性規(guī)劃（ILP）方法能夠有效地處理系統(tǒng)中表示為離散區(qū)間數(shù)的不確定性信息。ILP方法允許不確定性信息直接與優(yōu)化過程及輸出結(jié)果相聯(lián)系；而且它不會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的中間子模型，不需要模型參數(shù)的分布信息[3]?；旌险麛?shù)規(guī)劃（MIP）方法是利用整數(shù)變量指示是否需要進(jìn)行特定的決策，能夠?qū)Q策進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)分析[4]。ILP和MIP方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用于能源系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域[5-8]。

針對(duì)火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的不確定性和復(fù)雜性，基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制，利用ILP和MIP方法，研究開發(fā)一個(gè)不確定性環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化（IESOO）模型，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性以及污染物控制與減排。開發(fā)的IESOO模型不僅能夠處理表示為離散區(qū)間的不確定性，而且能夠反映系統(tǒng)的復(fù)雜性；同時(shí)，能夠進(jìn)行環(huán)保電價(jià)機(jī)制與污染物超排罰款執(zhí)行決策的動(dòng)態(tài)分析。

1 模型的構(gòu)建及求解

在火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程中，機(jī)組發(fā)電量、污染物產(chǎn)生量、污染物處理效率和環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行成本等因素能夠影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性包括環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行處理費(fèi)用、環(huán)保稅費(fèi)、污染物超排罰款和環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼，運(yùn)行穩(wěn)定性是指污染物排放控制成效和減排成效。同時(shí)，在環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程中，許多運(yùn)行參數(shù)具有不確定性以及參數(shù)之間的相互關(guān)系具有復(fù)雜性。機(jī)組發(fā)電量、煙氣流量、單位電量污染物轉(zhuǎn)化系數(shù)和單位污染物處理成本等參數(shù)不能完全表示為確定值，以及它們的分布信息無法獲??；同時(shí)，單位污染物處理成本受污染物處理效率的影響，隨污染物處理效率的變化而變化；因而，不確定性信息被表示為離散區(qū)間或函數(shù)區(qū)間。因此，在環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行不確定性和復(fù)雜性條件下，進(jìn)行環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的污染物處理效率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

1.1 污染物擴(kuò)散模型

在一定的氣象條件下，對(duì)于任意的下風(fēng)向位置，高架連續(xù)點(diǎn)源污染物擴(kuò)散的地面濃度能夠通過高斯擴(kuò)散模型進(jìn)行評(píng)估，模型能夠被表示為[9,10]：

式中：C1（x,y）、C2（x,y）—高架連續(xù)點(diǎn)源的氣態(tài)污染物、煙塵顆粒物地面濃度，mg/m3；Q1、Q2（表示源強(qiáng)）—單位時(shí)間內(nèi)氣態(tài)污染物、煙塵顆粒物排放量，mg/s；x—污染源排放點(diǎn)至下風(fēng)向上任意點(diǎn)的距離，m；y—煙氣中心軸在直角水平方向上到任意點(diǎn)的距離，m；H—煙囪的有效高度，m；—平均風(fēng)速，m/s；α—反射系數(shù)；SV—煙塵顆粒重力沉降速度，m/s；DP—煙塵顆粒直徑，m；ρ—煙塵顆粒密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；υ—空氣黏度，kg/（m?s）；δy—側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m；δz—豎向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m。

δy和δz與大氣穩(wěn)定度和水平距離x有關(guān)，它們的數(shù)值能夠利用Pasquill-Gifford（P-G）擴(kuò)散曲線進(jìn)行估算[9]，或利用《GB/T 3840—91制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》提供的方法進(jìn)行計(jì)算[11]。對(duì)于污染物地面濃度，描述單位污染物排放率的轉(zhuǎn)化系數(shù)（ww、νν）可以表示為：

1.2 IESOO模型的構(gòu)建

在環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程中，考慮運(yùn)行參數(shù)的不確定性以及參數(shù)間相互關(guān)系的復(fù)雜性，基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制，利用ILP和MIP優(yōu)化方法，IESOO模型能夠被表示為：

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

式中：i—火電機(jī)組，j—大氣污染物（其中，j=1、2表示氣態(tài)污染物；j=3表示煙塵顆粒物），d—大氣污染物影響敏感區(qū)域?！獑挝粫r(shí)間內(nèi)系統(tǒng)總成本，元/h；和—單位時(shí)間內(nèi)不同機(jī)組污染物處理費(fèi)用和污染物排污稅費(fèi)，元/h；和—基于污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，單位時(shí)間內(nèi)不同機(jī)組污染物達(dá)標(biāo)排放環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼和污染物超標(biāo)（排放濃度超標(biāo)一倍及以上）排放罰款，元/h；—不同機(jī)組不同污染物單位質(zhì)量處理成本，元/mg；—不同污染物排放，單位質(zhì)量排污稅費(fèi)，元/mg；—不同污染物排放達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，單位電量環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼，元/（kW?h）；—不同污染物排放濃度超標(biāo)一倍及以上，單位電量超標(biāo)排放罰款，元/（kW?h）；—單位時(shí)間內(nèi)，不同機(jī)組發(fā)電量，（kW?h）/h；—不同機(jī)組不同污染物處理效率；—不同機(jī)組單位電量污染物轉(zhuǎn)化系數(shù)，mg/（kW?h）；—單位時(shí)間內(nèi)不同機(jī)組污染物排放量，mg/h；—基于污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，單位時(shí)間內(nèi)不同機(jī)組污染物超標(biāo)排放量，mg/h；—不同機(jī)組運(yùn)行時(shí)煙氣流量，m3/h；—基于污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，不同污染物排放濃度限值，mg/m3；—不同敏感區(qū)域處的污染物地面濃度限值，mg/m3；和—不同機(jī)組在敏感區(qū)域處的氣態(tài)污染物和煙塵顆粒物的單位污染物排放率轉(zhuǎn)化系數(shù)，h/m3；—基于環(huán)保稅減免政策，應(yīng)繳納的污染物排污稅費(fèi)的系數(shù)；和— 二進(jìn)制變量，分別表示機(jī)組是否獲得環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼和機(jī)組是否存在污染物超標(biāo)排放罰款。

1.3 IESOO模型的求解

2 案例研究

2.1 假例概況

開發(fā)的IESOO模型應(yīng)用于一個(gè)假定的、具有不確定性信息的案例問題。在這個(gè)假例中，存在有四臺(tái)燃煤機(jī)組，排放的污染物煙塵、SO2和NOx影響著三個(gè)敏感區(qū)的空氣質(zhì)量。為了控制煙塵、SO2和NOX的排放以及滿足敏感區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量，投運(yùn)環(huán)保設(shè)施進(jìn)行污染物的處理，利用污染物減排政策促使環(huán)保設(shè)施的正常運(yùn)行。因此，研究問題為：在環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程存在不確定性與復(fù)雜性條件下，以污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和敏感區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩，基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制，確定合適的污染物處理效率，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)成本的最小化。

在這個(gè)假例中，每臺(tái)機(jī)組均存在污染物排放煙道，兩臺(tái)機(jī)組公用一根煙囪。表1列出了不同機(jī)組污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，其中，單位質(zhì)量污染物處理成本表示為：。表2列出了不同機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，表3列出了不同污染物濃度限值。基于研究時(shí)段的大氣穩(wěn)定度與平均風(fēng)速以及水平距離與煙囪有效高度等參數(shù)，可以推算得到不同機(jī)組在敏感區(qū)的單位污染物排放率的轉(zhuǎn)化系數(shù)（表4）。由于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程存在不確定性，數(shù)據(jù)信息被表示為離散區(qū)間或函數(shù)區(qū)間。

表1 不同機(jī)組污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

表2 不同機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 不同污染物濃度限值

表4 不同機(jī)組在敏感區(qū)的單位污染物排放率的轉(zhuǎn)化系數(shù)

2.2 結(jié)果分析

圖1 描述了不同機(jī)組的脫硫效率、脫硝效率和除塵效率。由于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)存在不確定性，機(jī)組的脫硫效率、脫硝效率和除塵效率都被表示為區(qū)間值。例如，1號(hào)機(jī)組（i= 1）的脫硫效率、脫硝效率和除塵效率分別為[0.9745, 0.9910]、[0.7582,0.8874]和[0.99900, 0.99976]。污染物處理效率區(qū)間值的上下界，關(guān)聯(lián)環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)區(qū)間值的上下界；如果變量的實(shí)際值在其區(qū)間的上下界范圍內(nèi)變動(dòng)，那么，脫硫效率、脫硝效率和除塵效率也將相應(yīng)的在其區(qū)間的上下界范圍內(nèi)變化。因而，基于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為限制條件，綜合權(quán)衡污染物處理與排放相關(guān)成本，確定合適的污染物處理效率。

圖1 不同機(jī)組的脫硫效率（a）、脫硝效率（b）和除塵效率（c）

表5列出了不同機(jī)組的污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本。基于機(jī)組發(fā)電量和污染物產(chǎn)生量、處理效率、排放量等參數(shù)，確定污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而確定系統(tǒng)總成本。例如，1號(hào)機(jī)組（i= 1）的污染物處理費(fèi)用、排污稅費(fèi)、達(dá)標(biāo)排放環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼、超排罰款分別為[4.8036, 5.8570]×104、[0.0378, 0.0755]×104、[1.4310, 1.7760]×104、0元/h；系統(tǒng)總成本為[20.5393, 28.3507]×104元/h。結(jié)果（YCij=1及ZCij=0）也表明：各機(jī)組均未超標(biāo)排放污染物，從而獲取完全的環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼以及無超排罰款。在一定的污染物產(chǎn)生量條件下，較高的污染物處理效率，能夠減少污染物排放量，可能減少污染物超排量或零超排，從而具有較高的污染物處理費(fèi)用和環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼以及較低的污染物排放稅費(fèi)和超排罰款；相反，較低的污染物處理效率，能夠增加污染物排放量，可能增加污染物超排量，從而具有較低的污染物處理費(fèi)用和環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼以及較高的污染物排放稅費(fèi)和超排罰款。同時(shí)，環(huán)保系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，污染物處理效率存在最大限值，可能導(dǎo)致更高的污染物超排量和經(jīng)濟(jì)成本。因而，在污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下，基于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及確定的污染物處理效率，確定合理的污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)總成本。

表5 不同機(jī)組污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本

2.3 討論

排放交易，是一種有效的排放控制經(jīng)濟(jì)措施；污染物排放交易規(guī)劃和碳排放交易規(guī)劃可以運(yùn)用于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化問題，在排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下，確定污染物處理效率、處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本以及污染物與碳排放交易成本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總成本的最小化。同時(shí)，其它的不確定性優(yōu)化方法能夠被整合進(jìn)IESOO模型中去處理各種類型的不確定性，以實(shí)現(xiàn)模型的適用性和強(qiáng)化問題的決策支持。

3 結(jié)論

在研究中，針對(duì)火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的不確定性和復(fù)雜性，基于環(huán)保稅和環(huán)保電價(jià)機(jī)制，利用ILP和MIP方法，開發(fā)一個(gè)IESOO模型，進(jìn)行火電廠環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性以及污染物控制與減排。模型與方法是一個(gè)簡單和有效的管理工具，IESOO模型不僅能夠處理表示為離散區(qū)間的不確定性，而且能夠反映系統(tǒng)的復(fù)雜性；同時(shí)，能夠進(jìn)行環(huán)保電價(jià)機(jī)制與污染物超排罰款執(zhí)行決策的動(dòng)態(tài)分析。模型結(jié)果是區(qū)間解，區(qū)間解能夠提供兩種極端情景規(guī)劃結(jié)果（最好情景規(guī)劃和最差情景規(guī)劃），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化管理的多種決策選擇。

開發(fā)的IESOO模型應(yīng)用到一個(gè)假設(shè)的案例問題中。模型結(jié)果表明：基于環(huán)保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為限制條件，綜合權(quán)衡污染物處理與排放相關(guān)成本，確定合適的污染物處理效率，進(jìn)而確定合理的污染物處理與排放相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)總成本，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化控制。