燃氣熱電聯(lián)產機組及熱網系統(tǒng)的碳排放分攤研究

馬皓誠 左國防 宋國輝

摘要：燃氣熱電聯(lián)產機組具有碳排放低的優(yōu)勢。文章針對某燃氣熱電聯(lián)產項目及熱網系統(tǒng)開展碳排放核算和分攤研究。通過天然氣氣質分析數(shù)據(jù)計算了燃料碳排放因子；使用3種分攤方法計算分析了2023年度的逐月供電和售熱的碳排放強度，討論了3種分攤計算方法的差異。文章推薦使用基于廠界供熱能量的分攤方法；然后，分析了熱電效率、熱電比和管損率等因素對兩種產品碳排放強度的影響規(guī)律；最后，基于核算分析結果，提出了提升燃機運行效率、開拓熱用戶提高熱電比、降低熱網管損率等減碳措施。文章為燃氣熱電項目和供熱管網的碳排放核算及分攤提供了方法借鑒和參考案例。

關鍵詞：熱電聯(lián)產；燃氣鍋爐；熱網；碳排放強度；分攤

中圖分類號：TK01文獻標志碼：Ａ

0引言

電力行業(yè)是全社會碳排放的重要來源之一，其中火電更是排放大戶。火電中的燃氣發(fā)電相對具有清潔性、環(huán)保性、靈活性，以燃氣發(fā)電代替煤炭發(fā)電，可以降低電力行業(yè)碳排放強度，使碳排放總量得到控制，甚至大幅下降［1］。作為一種高效利用方式，燃氣熱電聯(lián)產技術廣泛應用于區(qū)域供電和工業(yè)園區(qū)供熱。因此，開展熱電聯(lián)產機組的碳排放核算，特別是加強電力、熱力產品的碳排放強度核算，使企業(yè)掌握自身碳排放情況，并為繼續(xù)削減碳排放提供指導。

此前，針對江蘇省某2×200 MW燃氣熱電聯(lián)產項目的生命周期環(huán)境影響評價包含了碳排放核算及電和熱的排放強度，但對分攤方法的討論不深入，且核算邊界僅為熱電項目廠界內［2］。蘇澤立等［3］針對華東地區(qū)某新建2×400 MW級燃氣熱電聯(lián)產機組開展碳減排核算，得到年均減排二氧化碳506122噸。宋濤濤等［4］針對某油田內部的燃氣熱電聯(lián)產機組，采用排放因子法和實測法碳排放量，但未給出電和熱的碳排放強度分析。任洪波等［5］考慮到發(fā)電和供熱不等價特性，基于電動熱泵的熱轉電性能，提出分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng)的一體化碳排放指標，其單位為kg/kWh。綜合來看，目前關于燃氣熱電聯(lián)產項目碳排放分攤方法和碳排放強度的報道較少；對影響熱和電碳排放強度因素的分析不夠深入；另外，核算對象主要是熱電項目廠界內，一般不含燃氣鍋爐，也缺乏對廠外熱網的考慮。

李蕊［6］介紹了合適的碳減排計算方法，分析了燃煤熱電聯(lián)產碳減排計算的難點，但并未深入給出方法及其示例。任鑫等［7］采用火用效率、深度調峰補貼收益、碳排放率等指標建立了熱電聯(lián)產機組多目標優(yōu)化模型并進行尋優(yōu)，碳排放率優(yōu)化值為17.30～24.94 t/萬元。以上關于燃煤熱電項目的研究不能為燃氣熱電項目的碳排放分攤及其強度計算提供有效參考。

基于以上分析，本文以無錫西區(qū)燃氣熱電有限公司（以下簡稱“該公司”）燃氣熱電聯(lián)產項目及其熱網系統(tǒng)進行碳排放核算和分析，其中熱電項目由F級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組以及燃氣鍋爐組成。在此基礎上，本文重點討論分析供電和售熱碳排放強度的分攤計算方法，并分析熱電項目、熱電比和管損率等運行指標對兩種產品碳排放強度的影響規(guī)律。本文將提供一個典型的熱電聯(lián)產型熱網系統(tǒng)的碳排放及碳分攤案例，并為熱和電碳排放分攤的方法提供多種思路和借鑒。

1核算對象和碳排放源

1.1熱電及熱網介紹

圖1展示了該公司燃氣熱電聯(lián)產項目（以下簡稱“該項目”）及其熱網系統(tǒng)。目前，燃氣熱電聯(lián)產項目的裝機容量為1臺437 MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，并配備2臺55 t/h應急備用燃氣鍋爐，產品有供電和蒸汽兩類。供熱蒸氣通過當?shù)責峋W系統(tǒng)輸送至附近的工商業(yè)用戶。由燃氣熱電項目提供的蒸汽，在進入熱網前稱為“供汽”；由供熱管網提供給終端用戶的蒸汽稱為“售汽”。兩者之間的差異由管損率表示。另外，本文在供熱和售熱量核算上，均扣除了熱網內其他熱源提供的少量蒸汽。該公司已經基于《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設施》（以下簡稱《指南》）開展了碳排放核算，本文進而對聯(lián)合循環(huán)熱電機組和熱網系統(tǒng)進行碳排放的分攤研究。

1.2碳排放源及其排放因子

引起碳排放的物流和能流分別是作為燃料的天然氣以及機組啟停和燃氣鍋爐運行所需的下網電。

1.2.1天然氣的碳排放因子

本研究使用西氣東輸天然氣。天然氣組分、元素碳含量和低位發(fā)熱量的檢測數(shù)據(jù)由國家管網集團聯(lián)合管道有限責任公司西氣東輸分公司無錫分輸站提供。根據(jù)天然氣性質計算方法［8］和燃燒原理，計算獲得本項目所使用燃氣的碳排放因子，如表1所示。其中，單位熱值含碳量由天然氣成分和低位發(fā)熱量計算獲得。

通過該公司燃氣成分計算的熱值、單位熱值含碳量比指南缺省值低6%左右，燃氣碳排放因子比指南缺省值低11%左右，這與宋濤濤等報道的實測值與缺省值的差異相似［4］。表1說明該項目使用的天然氣在燃料性質上更加“低碳”。

1.2.2下網電的碳排放因子

電網排放因子采用生態(tài)環(huán)境部最新發(fā)布的數(shù)據(jù)。根據(jù)《關于做好2023—2025年發(fā)電行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放報告管理有關工作的通知》，下網電排放因子取值為0.5703 tCO2/MWh［10］。

1.3碳排放總量

本系統(tǒng)碳排放總量（ET）計算如下：

ET=EFNG·VNG+EFEl·ADEl（1）

式（1）中，EFNG和EFEl—天然氣和外購電的碳排放因子，tCO2/104 Nm3和tCO2/MWh；VNG—核算期內天然氣的消耗量，104 Nm3；ADEl—核算期內下網電量，MWh。2023年度逐月及全年的天然氣和下網電碳排放量、碳排放總量詳見表2。其中7、8月份燃機連續(xù)運行，沒有下網電消耗，而其他月份均有燃機停運、燃氣鍋爐供熱的工況，需要消耗下網電。2、3月份燃氣機組完全停運，僅依靠燃氣鍋爐供熱，其天然氣消耗量明顯小于其他月。

2碳排放分攤方法

指南詳細規(guī)定了熱電聯(lián)產機組的發(fā)電和供熱碳排放強度計算。然而，本研究的對象是由燃氣聯(lián)產機組及供熱管網組成的一個系統(tǒng)，并關注用戶端的售熱和上網供電的碳排放分攤，如圖1所示?？梢?，本研究的對象和目的與指南存在明顯差異。因此，不能直接套用指南方法，但可進行借鑒和適應性改變。此外，考慮其他兩種分攤方法進行多角度評判：根據(jù)終端產品的能量分攤方法；計入廠界供熱能量的分攤方法。兩者的區(qū)別在于是否充分考慮管網損失的影響。

（1）基于售熱比的分攤方法

借鑒指南方法的思想，對于燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組存在外供熱量的核算，首先計算售熱比（α，%），即售熱量與燃氣產生的熱量之比：

α=QsrQrq（2）

然后，供電和售熱碳排放強度計算如下：

Sgd=（1-α）·ETWgd（3）

Ssr=α·ETQsr（4）

式（3）—（4）中：Sgd—供電碳排放強度，tCO2/MWh；Wgd—供電量，MWh；Ssr—售熱碳排放強度，tCO2/GJ；Qsr—用戶端售熱量，GJ。

將式（2）和（4）合并推導可知，售熱碳排放強度僅與總排放量和燃氣能流有關。當燃氣單位熱值含碳量不變時，如果沒有下網電，由此計算出的售熱碳排放強度是不變的。這種結果不能反映出聯(lián)合循環(huán)機組的運行負荷、熱電比、運行效率等動態(tài)特性。此外，由售熱比計算出的碳排放系數(shù)不反映熱和電的分攤、能量損失因素，由此計算的售熱碳排放強度最小。可以認為這種方法將聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產帶來的碳排放“好處”全部歸于供熱，這將導致供電碳排放偏高。

（2）基于終端產品能量的分攤方法

為了反映供電和售熱的占比關系以及不同負荷和運行效率等因素對碳排放分攤的影響，本文根據(jù)終端產品的能量進行碳排放分攤，相關計算如下。

供電碳排放強度

Sgd=3.6Wgd3.6Wgd+Qsr·ETWgd（5）

售熱碳排放強度

Ssr=Qsr3.6Wgd+Qsr·ETQgr（6）

（3）基于廠界供熱能量的分攤方法

本文核算的系統(tǒng)是聯(lián)合循環(huán)機組及其供熱管網，在廠界處的供熱量（即本系統(tǒng)的廠界供熱能量）到終端用戶的售熱量之間，存在著較大的管網熱損失（即管損）。雖然基于終端產品能量的分攤方法便于應用，但不能反映出管損的影響。為了解決該問題，采用廠界處的供熱能量作為供電和售熱的分攤基準，形成基于廠界供熱能量的分攤方法，相關計算如下。

供電碳排放強度

Sgd=3.6Wgd3.6Wgd+Qgr·ETWgd（9）

售汽碳排放強度

Ssr=Qgr3.6Wgd+Qgr·ETQgr（10）

式（9）—（10）中：Qgr—熱電項目供熱量，GJ。

3結果與討論

3.1碳排放分攤方法

基于售熱比的分攤結果如表3所示。全年平均供電和售熱碳排放強度分別為0.382 tCO2/MWh和0.053 tCO2/GJ。在沒有下網電的前提下，根據(jù)式（4），售熱碳排放強度與售熱比成正比，然而聯(lián)合式（2）推導可知，該值實際上僅由燃氣熱值決定。因此，5～10月份的售熱碳排放強度不變。

由于聯(lián)合循環(huán)機組在2月和3月之間停運，無供電量；僅燃氣鍋爐供熱，但有下網電引起碳排放。因此，無供電碳排放強度計算結果，且售熱碳排放強度最高，為0.056 tCO2/GJ，但略低于當前缺省值（0.06 tCO2/GJ）［11］。類似地，4月、11月和12月這3個月的售熱碳排放強度相對略高，原因是這3個月內聯(lián)產機組運行天數(shù)很少，而下網電的碳排放占比提高，最終售熱碳排放強度略高。例如，4月僅運行4天，運行負荷低，熱效率低，從而導致分攤后的排放強度高?；谑蹮岜鹊姆謹偡椒ǎ?023年各月的供電碳排放強度在0.367～0.563 tCO2/MWh。

基于終端產品能量分攤和廠界供熱能量分攤的供電碳排放強度全年平均值分別為0.350 tCO2/MWh和0.331 tCO2/MWh，均低于基于售熱比的分攤值，如圖2所示?；谝陨蟽煞N方法的售熱碳排放強度年平均值分別為0.097 tCO2/GJ和0.124 tCO2/GJ，均高于基于售熱比的分攤值，如圖3所示。本項目的供熱負荷低且熱網損失顯著，導致Qsr相對很小，即α很小，所以基于售熱比方法的供電碳排放強度相對很高。而后兩種分攤方法不依賴α，而是供電和售熱的比例，從而降低了供電碳排放強度，但增加了售熱碳排放強度。

同一核算時間內，由于供電與售熱的碳排放強度之間存在此消彼長的關系，基于終端產品能量分攤的售熱碳排放始終低于基于廠界供熱能量分攤的值；但供電碳排放強度相反。管損率的統(tǒng)計見圖4，本研究供熱管網的管損率多數(shù)在16%～22%，且管損率很少低于15%。因此，基于售熱比或者基于終端產品能量的分攤方法都不能反映管損率的因素，在管損率較大的熱網項目中會產生不合理的分攤結果，同時造成供電碳排放強度偏大。因此，本文推薦建議使用“基于廠界供熱能量”的分攤方式。

從碳流與能流的關系來看，影響供電和售熱碳排放強度的關鍵因素有項目的熱電效率和管網損失。根據(jù)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的特性，對于已經投運的機組，熱電比是顯著地影響其效率的參數(shù)之一。以下重點開展熱電效率、熱電比和管損率等參數(shù)對排放強度影響的分析。

3.2熱電效率

為了消除燃氣鍋爐供熱對以上參數(shù)影響規(guī)律的影響，本文選取某個僅燃機運行的月份作為典型案例進行分析。以下熱電效率、熱電比均是熱電聯(lián)產機組廠內的指標。圖5顯示，供電碳排放強度隨著熱電效率的提升逐漸降低，呈現(xiàn)出極強的線性規(guī)律。同時，售熱碳排放強度隨著熱電效率的提升而逐漸降低，但由于熱負荷和管損率的差異，線性相關性不如前者的強，略微發(fā)散，擬合優(yōu)度（R2）僅為0.62。總體上，圖5說明了熱電效率的提升有利于降低供電和售熱的碳排放強度，因此對于新建擴建項目，應選擇更高效的聯(lián)合循環(huán)機組；對于已投運項目，應做好維修，減緩機組老化，并積極采用增效措施或改造。

3.3熱電比

圖6顯示，供電和售熱的碳排放強度均隨著熱電比的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)出較強的線性相關性，R2分別為0.87和0.70。隨著熱電比的提升，能量利用更加充分，機組綜合熱電效率提升，因此分攤到單位產品的碳排放量降低。因此，熱電聯(lián)產項目的建設需要充分研究熱負荷需求，盡量提高實際運行的熱電比，從而合理選擇機型容量。對于已經投運的項目，在適當?shù)木嚯x范圍內，可充分發(fā)掘擴展熱用戶，可以靈活通過車載熱水或者其他儲熱介質運輸?shù)确绞?，擴展熱用戶，提高熱負荷。

3.4管損率

圖7顯示，售熱碳排放強度隨管損率的升高而近似線性地升高，R2高達0.95。這說明管損率是影響售熱碳排放的重要因素。如圖4所示的管損率較高，造成大量的供熱能量浪費，導致售熱排放強度偏高。未來應努力降低管損率。從能量流上看，管損率不影響供電量；從統(tǒng)計規(guī)律上看供電排放強度依然隨管損率的升高熱升高，但線性相關度低，R2僅為0.43。此時，供電碳排放強度的變化主要由售熱碳排放強度的變化經過分攤機制而引發(fā)。

4結語

本文針對一個典型的熱電聯(lián)產及供熱管網系統(tǒng)開展碳排放核算和分攤計算，考慮燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組耗氣及其熱電聯(lián)產、燃氣鍋爐耗氣及其供熱以及必要的下網電等因素，獲得了該項目所用燃氣的碳排放因子。分別使用基于銷熱比、終端產品能量、廠界供熱能量這3種分攤計算方法獲得了2023年度的逐月供電和售熱的碳排放強度，并推薦使用能夠反映管網損失的基于廠界供熱能量的分攤方法?；谠摲椒?，獲得了熱電效率、熱電比和管損率等因素對供電和售熱碳排放強度的影響規(guī)律。在此基礎上，提出了降低管損率、開拓熱用戶以提高熱電比、積極應用燃機提效措施、提高維護水平延緩機組老化等有助于降低碳排放強度的措施。為了進一步顯著降低碳排放強度，建議未來積極探索摻燒綠氫的減碳措施，從源頭上削減碳排放總量。

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（編輯李春燕）

Study on carbon emission allocation of gas-fired cogeneration unit and heat supply system

Ma ?Haocheng1， Zuo ?Guofang1， Song ?Guohui2

（1.Wuxi Western Gasfired Thermal Power Co.， Ltd.， Wuxin 214187， China; 2.Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： ?Gasfired cogeneration unit has the advantage of low carbon emissions. This paper studies the carbon emission accounting and allocation of a gasfired cogeneration project and its heat supply network. The carbon emission factor of fuel is calculated based on the analysis data of natural gas composition. Three allocation methods are used to calculate and analyze the monthly carbon emission intensities of power and heat in 2023， and the differences among the three allocation methods are discussed. This paper recommends the allocation method based on the heat energy at the plant boundary. Then， the influences of factors such as thermal efficiency， heat to electricity ratio， and pipeline loss rate on the carbon emission intensities of the two products are analyzed. Finally， based on the accounting and analysis results， carbon reduction measures such as improving the operating efficiency， expanding heat users to increase the heat to electricity ratio， and reducing the pipeline loss rates of the heat supply network are proposed. This paper provides a reference case for the carbon emission accounting and allocation of gas-fired cogeneration projects and heat supply networks.

Key words： cogeneration; gas-fired boiler; heat supply network; carbon emission intensity; allocation

作者簡介：馬皓誠（1990—），男，工程師，學士；研究方向：電廠運行與優(yōu)化，熱力管網智慧化運營。