保定市電力行業碳排放計量與預測

徐杰

（1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206；2.河北大學 管理學院，河北 保定 071002）

眾所周知，化石燃料的使用是導致全球氣溫上升的主要原因.中國是全球最主要的溫室氣體排放國之一.為了應對氣候的不斷變化，實現經濟可持續發展，中國就確定了國內生產總值碳排放水平到2020年比2005年減少40%～45%的目標，在“十二五規劃綱要”中進一步提出，到2015 年能源和碳排放強度要比2010年分別減少16%和17%.同時提出了“探索建立低碳產品標準、標識和認證制度，建立完善溫室氣體排放統計核算制度，逐步建立碳排放交易市場.推進低碳試點示范”等工作內容及要求.

保定市作為首批“中國低碳城市發展項目”2 個試點城市中的1 個，也是中國低碳試點城市之一，創建低碳城市十佳之一.電力部門是國民經濟中最大的CO2排放部門，其排放量占全國化石能源利用碳排放的比例高達38.76%［1］.其中又以火電中的燃煤發電最為主要.保定市亦是如此，市區內有2座熱電廠進行供電供熱，是碳排放的主要貢獻者.因此，對保定市發電側的碳排放進行計量分析并對未來幾年的碳排放進行預測研究，一方面可以核算出熱電廠直接排放的CO2量，另一方面可預測其對市區環境和空氣質量的影響，找到節能減排的路徑，因為電力行業的CO2減排對于實現2020年CO2下降目標有非常重要的意義.

1 燃煤電廠碳排放計量模型

電力生產過程會排出大量的CO2.燃煤發電廠排放的CO2主要來源于煤炭的燃燒，因此電廠利用的燃料類型決定了CO2的排放系數和排放量.本文構建的燃煤電廠碳排放的計量模型為

式中，MCO2為電廠排出的CO2總量；M′CO2為發電（供熱）產生的CO2量；M″CO2為脫硫產生的CO2總量.

1.1 燃煤電廠發電（供熱）環節的CO2 排放量

1.1.1 燃煤電廠消耗的碳總量計算

設P 為燃煤電廠每年的發電總量，B 為發電消耗的煤炭量，H 為供熱量，G 為發熱用煤量，按照發電效率和發熱效率就可以折算每度電的標準煤耗率和每千焦熱量的標準煤耗率.煤炭中碳的含量只是各種元素的一部分，通過對工業元素的分析，均以收到基為基準.在計算其碳含量時必須除去煤中所含的全水分、揮發分、灰分、硫元素等以后才得出碳元素的含量.但因為氫、氮、氧等元素含量都較低，為分析簡便可以忽略其影響，得出公式如下［2］：

式中，wCar—煤中碳的質量分數（收到基）；wMar—煤中水分的質量分數（收到基）；wAar—煤中灰質量分數的百

分數（收到基）；wVar—揮發分的百分數（收到基）；wS—為煤中的硫質量分數（收到基）.

1.1.2 產生的CO2量

根據燃燒理論，碳的完全燃燒反應式為C＋O2→CO2，即12kg碳將產生質量為44kg的CO2.

1.1.3 修正不完全燃燒熱的損失

煤炭在鍋爐中燃燒時存在不完全燃燒的熱損失［3］.碳元素在鍋爐中由于氧化燃燒的不完全，不能完全充分地轉換為CO2，有一部分以碳顆粒的形式被煙氣帶出到爐膛或排入冷灰斗，所以直接按照機組耗用碳元素的量計算出的CO2排放量存在一定的不準確性，在實際計量中應去除這部分.

首先計算爐灰中未燃盡的碳總量.

煤中理論含灰量應為

式中，MA為煤中灰的理論總含量；mAar為煤中灰分的質量分數.

根據灰平衡理論可知：飛灰和灰渣中的灰量之和等于進入爐膛中燃料的總灰量.根據實際測量的經驗數據可知鍋爐燃燒后產生的飛灰量占總灰量的90%（Af），產生的灰渣含量占總灰量的10%（Az）.飛灰含碳、灰渣含碳應是純碳，而飛灰與灰渣量之和應為煤中灰的總含量，即

其中，MAf為飛灰量；MAZ為灰渣量.

飛灰含碳量為

灰渣含碳量為

式中，m1z為灰渣含碳總量；m1f為飛灰中的含碳總量.

灰中的總含碳量為

1.1.4 燃燒中修正后的碳排放總量的計算

根據式（2）和式（7）可得入爐煤量中實際燒掉的碳量mC2為

所產生的CO2質量為

單位電量下CO2的排放量為

電廠供熱產生的CO2排放量的計算與發電用煤量產生CO2同理.

1.2 脫硫產生的CO2 的計算

電廠脫硫主要有3種方式：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、煙氣脫硫，其中燃燒中脫硫和煙氣脫硫是產生CO2排放的主要原因.電廠脫硫的主要過程可以看作將固硫劑中的CO2置換為SO2的過程.本文采用循環流化床鍋爐脫硫工藝，該工藝適用于任何含硫量煤種的煙氣脫硫，脫硫效率可達到95%以上.

具體的計算公式為

2 保定市電廠近3年的基礎數據和碳排放量的計算

2.1 基礎數據

保定市區內有2座電廠M 和N，根據調研取得相關技術資料，得到了2008—2010年進行碳排放計量的相關活動數據如表1所示.

表1 熱電廠機組用煤參數Tab.1 Coal parameters in power plant unit

2.2 碳排放計量結果

根據上述計量方法，對2008—2010年保定市區2個熱電廠的CO2排放情況進行了計量，計算結果如表2和表3所示.

表2 2008—2010發電（發熱）和脫硫產生的CO2 計算表Tab.2 Calculation table of CO2in generation（heat）and desulfurization in 2008—2010

表3 2008—2010年保定市區發電側CO2 排放量統計表Tab.3 Statistical tables of CO2emissions from power generation side in 2008—2010Baoding

3 碳排放預測模型的建立

通過對預測數據的分析，考慮到各項數據的特點，采用總量人均電量預測法、產值單耗法和總量人均生活用電量法對保定市中長期電力負荷進行預測.根據預測結果和相應的電力碳排放計算公式得到2010—2020年保定市的預測碳排放量.

表4 保定市電力負荷預測原始數據Tab.4 Original data of electrical load forecasting in Baoding

續表4Continue tab.4

3.1 綜合產值單耗法

計算公式為

式中，K—用電量，kWh；a—GDP產值，萬元；g—GDP單耗電量，kWh／萬元.

3.2 人均用電量法

通過對保定市人均用電量2001—2009的數據進行分析，可知其增長規律符合線性回歸預測模型：

由極值原理，

整理后可得標準方程組

型為

3.3 人均生活用電量預測

通過對保定市2001－2009人均生活用電量數據進行分析，可知其增長符合二次多項式的增長規律，因此建立二次多項式預測模型：

用最小二乘法求解二次多項式的系數，可得標準方程組

將表4的數據代入公式，可得二次多項式預測模型為

3.4 預測結果

通過對保定市歷年GDP單耗的分析，從2001—2009年年均降幅約為1.51%，因此在預測時取GDP增幅為10%，GDP單耗降幅為1.5%.在人均用電量法預測中，總電量與人均用電量的關系式為

其中，W 為電力部門碳排放總量，P 為電力負荷，γ 為火電機組比例，β為網損率，E 為發電側單位電量的碳排放量.設2010—2020 年煤電鏈碳排放量保持不變，為902.782g CO2當量每kWh［8］，火電機組比例取73.68%，網損率取3.9%，由此得到保定市2010—2020年的電力系統的碳排放量如表5所示.

表5 保定市2010—2020年電力負荷及碳排放預測結果Tab.5 Forecasting results of 2010—2020electric load and carbon emissions in Baoding

4 結論

從上述的計算結果可以看出，保定市區的2個電廠生產單位電能的CO2排放強度略高于全國的平均水平0.82kg／kWh，但是遠高于全球與發達國家的平均水平.同時，由于發電機組通常具有較長的服務年限，就使得電力行業具有很強的鎖定效應，即在未來相當長的一段時間里行業的CO2排放將被現有的電源結構所“鎖定”［4］.盡管如此，電力節能減排仍然大有可為，對電力企業而言，要提高電能生產的清潔度、狠抓每個技術環節以提高能效，降低碳排放.電力企業的能耗主要是發電煤耗，在預測中使用的煤耗指標是目前的水平，隨著新型發電技術的應用，每度電的發電煤耗還有很大的下降空間.以A 電廠2010年為例，如果發電煤耗降低1g／kWh，就可以降低CO2的排放量303.484 8kg.由此看來節能減排的潛力是巨大的.從以電力負荷預測得到的2010－2020年的碳排放數據中可以看出，2個電廠的發電能力不能完全滿足保定市的用電需求，這就使得我市的碳排放不僅包括直接排放，還包括其他電廠的間接排放.為進一步減少CO2的排放，可從以下幾方面入手：

1）大力發展清潔發電技術.傳統能源的清潔利用主要包括以超臨界、超超臨界為代表的高效發電技術，以及增壓流化床聯合循環、熱電聯產等等.

2）大力發展CDM 項目，實現低碳技術與資金的引入.

3）從長遠看，要調整區域電力戰略規劃和電源結構，優先發展以水能、風能、太陽能為主的可再生能源發電.逐漸降低火電比例，這對CO2的減排能起到至關重要的作用.

4）實行差別電價制度.對于CO2排放量低的電源給予更優惠的電價，以鼓勵使用綠色電力.

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