特高壓輸電工程大氣環境效益分析

姜雨澤，安久濤，洪景娥，趙汝祥，李方偉

特高壓輸電工程大氣環境效益分析

姜雨澤1，安久濤2，洪景娥3，趙汝祥3，李方偉1

（1．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東理工大學資源與環境工程學院，山東淄博250049；3.國網技術學院，濟南250002）

特高壓輸電是我國消納清潔能源，降低化石能源消費比重，控制溫室氣體排放的關鍵環節，也是治理中東部地區大氣污染的重要舉措，被列入國家大氣污染防治計劃。為量化評估特高壓輸電工程的環境效益，基于火力發電各污染物及其排放、傳輸特性分析，提出了大氣污染物和溫室氣體減排效益的評估方法。煙塵、SO2、NOx是局部區域性污染物，其減排效益可以只計算受端區域的減排量。重金屬汞的減排效益，只計算單質汞Hg0的減排量。單質汞和溫室氣體CO2是全局性污染物，其減排量等于特高壓工程所輸送的電力在受端生產和送端生產的排放量之差。受端區域CO2排放因子可依據CDM約定，采用電量邊際排放因子OM和容量邊際排放因子BM加權計算。送端區域排放因子依據上網電量中火電所占比例和送端區域火電機組基準線排放因子計算。給出前述各環境因子的減排量計算公式。計算了錫盟—山東1 000 kV特高壓交流輸電工程的環境改善效益，可以使山東區域減排煙塵3 156 t/a，SO213 413 t/a，NOx19 331 t/a，全國減排CO2905萬t/a。

特高壓輸電工程；環境效益；大氣污染物減排；溫室氣體減排；評估方法

0　引言

中國的能源需求與資源稟賦呈逆向分布，用電負荷約有2/3位于東部沿海和京廣鐵路以東的經濟發達地區。而資源分布遠離負荷中心，用于發電的煤炭資源有2/3左右分布在西北部的“三西”（山西、內蒙西部、陜西）和新疆，“三西”煤炭基地距離華中、華東負荷中心800～3 000 km。可開發的水電資源約有2/3分布在西南部的四川、云南、西藏三省區，距離華中、華東負荷中心1 500～2 500 km［1］。陸地風能與太陽能資源主要在西北部。這一基本國情決定了中國必須采用特高壓輸電工程進行遠距離、大規模輸電。而且，電力流向的基本格局必然是“西電東送”、“北電南送”。

我國電力生產以煤電為主，燃煤發電量占總發電量的70%以上，特高壓遠距離跨區輸電使受端區域電力需求得到滿足卻不產生大氣污染物，大氣環境質量得到保護。把送端區域不能消納的水電、風電、太陽能發電等輸送到中東部負荷中心替代火電，因而具有大氣環境改善效益。即便是輸送火電，西部煤炭基地新建的大容量高參數火電機組，煤耗低于受端火力發電煤耗，也具有大氣污染物和溫室氣體減排效益。

國家主席習近平在巴黎大會上提出，將于2030年左右使中國二氧化碳排放達到峰值，并爭取盡早實現。2030年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右［2］。大規模清潔能源的利用必須以特高壓輸電為依托。2013年9月國務院提出《大氣污染防治行動計劃》，把“四交四直”特高壓輸電工程納入其中，特高壓輸電還是大氣污染防治的重要措施。一項特高壓輸電工程究竟具有多大的溫室氣體、大氣污染物減排效益，能對國家排放控制目標的實現具有多大的貢獻應該評估清楚。目前，雖然對特高壓輸電的環境改善效益有定性共識，已有文獻提到特高壓輸電的環境效益［3-6］，但是，未見如何量化計算特高壓輸電工程環境效益的文獻報道。開展特高壓輸電工程的環境效益量化評估方法研究十分必要。

1　　煙塵、SO2、NOx改善效益評估方法

燃煤煙氣中的煙塵、SO2、NOx、重金屬汞和溫室氣體CO2等對環境的作用、屬性、擴散范圍不同，對環境的影響不同，特高壓輸電的環境改善效益計算評估方法自然也不同。

煙塵是固體顆粒物，在重力作用下煙氣中的大顆粒煙塵會很快降落地面。細微顆粒隨氣流擴散，最終作為雨滴的成核物質，或被雨滴捕獲重新降落到地面；SO2、NOx是氣態物質，經煙囪排放后擴散到大氣中，經過擴散、遷移、化學轉化、干、濕沉積等過程，最后以酸雨（含酸根離子降水）形態復歸地面［7］。

燃煤排放的煙塵、SO2、NOx其影響和擴散范圍是局部區域性的，其兩大呈現形式是酸雨（酸性降水）和霧霾。環保部發布的2014年《中國環境狀況公報》數據顯示，全國470個城市（區、縣）酸雨城市比例為29.8%，酸雨頻率平均為17.4%。2014年全國降水pH年均值等值線分布如圖1所示［8］。環保部發布的數據資料表明，酸雨污染是分散的、局部區域性的。霧霾的范圍小于酸雨區，多發生在城市，是范圍更小的區域性污染。

圖1　2014年全國降水pH年均值等值線分布

特高壓輸電的送端和受端相距數百到二千多公里，而煙塵、SO2、NOx的擴散和影響范圍是局部區域性的，所以送端和受端區域的大氣污染物互不影響，大氣環境是相互獨立的，特高壓輸電對送端區域和受端區域大氣質量的影響應該分別評估。

特高壓輸電的送端往往是大型能源基地，采用大型發電機組。即便是輸送火電，高參數大容量燃煤機組的煤耗明顯低于中小機組，并且可以采取超低排放措施對燃煤煙氣進行集中凈化處理，可以大大降低污染物的排放因子。在環境容量容許的條件下，不會對送端區域造成環境危害。因此，評估特高壓輸電工程大氣環境質量因子煙塵、SO2、NOx的改善效益可以只針對受端區域。

受端區域大氣污染物煙塵、SO2、NOx的減排量等于受端區域生產從特高壓線路所接受的電量會排放的污染物量，計算公式

式中：PER為污染物減排量，t；Ain為受端區域從特高輸電壓線路輸入電量，萬kWh；Pef為受端區域發電污染物排放因子，即單位發電量產生的污染物數量，g/kWh。

對于煙塵

對于SO2

對于NOx

2　重金屬汞改善效益評估方法

汞是最具毒害性的重金屬元素，具有揮發性高、化學性質穩定的特點，在自然環境中不易分解。單質汞可在大氣中停留1年以上，能隨著氣流長距離輸送而形成全球性的汞污染，是目前全球極為關注的大氣污染物。在煤燃燒過程中汞與其他微量元素不同，有其獨特的物理化學行為，遷移轉化過程十分復雜。在爐膛內的高溫下（800℃以上）幾乎所有煤中的汞都轉變成單質汞Hg0，而后，在煙氣流經各受熱面而不斷降溫的過程中，煙氣中的汞會經歷一系列物理和化學變化：有部分Hg0一直保持元素汞狀態；有一部分Hg0與煙氣中其他成分發生反應，主要是氯化反應，形成Hg2+的化合物；也有部分Hg0和Hg2+被飛灰吸附或凝結在飛灰顆粒表面上，形成了顆粒態的汞（Hgp）。因此，煙氣中的汞總共有3種形態，氣態的單質汞Hg0、Hg2+和顆粒態汞Hgp，三者之和總稱為總汞（HgT）。煙氣中汞的含量及其形態分布與煤的成分、煙氣成分、飛灰及其組成、煙氣降溫過程等有關，變化范圍很大。通常煙氣中汞的含量為3～70 μg/m3，氣相汞約占70%以上，Hg0比例范圍約占氣相汞的6%～85%，Hg2+占氣相汞的15%～94%［9］。

煙氣中的Hg2+易溶于水，容易被濕法脫硫裝置WFGD高效脫除，在目前要求超低排放的形勢下，幾乎所有燃煤電廠都配備WFGD，煙氣中的Hg2+被脫除進入脫硫廢水中。因此，在分析特高壓輸電大氣環境質量影響時對Hg2+可以不予考慮。

煙氣中的Hgp可被燃煤電廠配備的除塵設備脫除，在超低排放要求下，燃煤電廠通常要配備3道煙塵凈化裝置，第一道為靜電除塵器或袋式除塵器或電袋復合除塵器，除塵效率99.9%以上。第二道為濕法脫硫裝置WFGD，通常有50%～70%的除塵效率。第三道為濕法電除塵，除塵效率80%～90%。經過三重除塵，煙氣中的顆粒物99.95%，甚至是99.99%被脫除，煙氣中的Hgp隨煙塵一起被除塵裝置脫除。因此，在分析特高壓輸電大氣環境質量影響時Hgp也不用考慮。

與Hg2+和Hgp不同，煙氣中的Hg0不溶于水，又是氣態，所以，燃煤電廠配備的除塵、脫硫、脫硝設備對其沒有凈化作用，如果不采取技術措施將其轉化為Hg2+就無法脫除。從煙囪排放后，Hg0擴散范圍不局限于送端或受端區域。也就是說，Hg0在受端排放和在送端排放對大氣環境的影響是一樣的。因此，在分析特高壓輸電的大氣環境效益時，應該比較受端就地發電和送端發電產生的Hg0排放量，Hg0減排量等于兩者之差。

式中：PERHg0為Hg0減排量，kg；Aout為送端向特高壓輸電線路提供的上網電量，萬kWh；Pefout，Hg0為送端生產上網電力時Hg0的排放因子，μg/kWh；Pefin，Hg0為受端區域發電Hg0排放因子，μg/kWh。

如果特高壓工程輸送的是水電、風電或者光伏發電等純清潔能源發的電，送端Hg0排放因子為0，特高壓輸電工程的Hg0減排效益等于在受端生產所輸入電量會發生的Hg0排放量，即

這里需注意，送端發電量≠受端輸入電量，Aout= Ain/（1-ηA），ηA為線損率，公式（5）變形為

從公式（7）可知，只要

特高壓輸電工程就有汞減排效益。

特高壓直流±800 kV輸電工程通常設計選擇輸電距離800～3000km，輸電線損率大約3.3%～9.5%［1］，1/（1-ηA）的數值范圍為1.034～1.105，可以說，線損使送端區域污染物排放因子增加3.4%～10.5%。只要特高壓輸送的電力中清潔電所占比例超過10.5%，即便送端和受端火力發電的汞排放因子相同，特高壓輸電工程也具有汞減排效益。

事實上，送端和受端區域污染物排放因子是不可能相同的。受端區域是中國中東部經濟發達地區，火電廠是伴隨經濟發展逐步建設的，火電機組容量和參數隨著建設時序逐步提高，各個規格的機組都有。現在火電廠主力發電機組有300 MW、600 MW 和1 000 MW，還有部分200 MW及以下機組。送端區域是中國經濟發展相對落后區域，用電需求少，火電裝機容量很小，如果向受端區域輸送的是火電，一定要新建機組，新建機組為600 MW超超臨界以上大容量、高參數機組，發電煤耗較300 MW以下機組明顯降低。根據近年來中國火電大機組指標競賽統計數據，1 000 MW級別超超臨界濕冷機組供電煤耗290.36 g/kWh，600 MW級別超超臨界濕冷機組供電煤耗302.2 g/kWh，300 MW級別濕冷機組供電煤耗330.84 g/kWh［10］。1 000 MW超超臨界機組供電煤耗比600 MW機組供電煤耗低8.97%，600 MW機組比300 MW機組低8.66%。因此，送端區域的Hg0排放因子低于受端區域的Hg0排放因子。所以，即便特高壓輸送的是純火電，也具有Hg0減排效益。

3　溫室氣體CO2減排效益評估方法

燃煤排放的CO2對環境和人類身體健康沒有直接危害，其影響在于溫室效應，溫室效應是全球性的，因此，CO2無論是在送端排放還是在受端排放，其溫室效應影響是相同的。特高壓輸電工程的碳減排效益計算公式

式中：PERCO2為CO2減排量，t；Pefout，CO2為送端上網電力的CO2排放因子，t/MWh；Pefin，CO2為受端區域發電的CO2排放因子，t/MWh。

如果特高壓工程輸送的是水電、風電或者光伏發電等純清潔能源發的電，那么，送端Pefout，CO2為0，特高壓輸電工程的CO2減排效益等于在受端生產所輸入電量會發生的CO2排放量。

關于送端區域CO2排放因子，如果特高壓工程輸送的電力中含有火電，首先計算火電CO2排放因子，根據上網電量中各容量級別機組發電量所占比例和各容量級別機組CO2排放因子加權計算。各容量級別機組CO2排放因子采用國家發展和改革委員會應對氣候變化司發布的 “中國低碳技術化石燃料并網發電自愿減排項目區域電網基準線排放因子”數據。送端區域火電CO2排放因子計算計算公式

式中：i為容量級別機組序號；Bi為第i容量級別機組發電量在總上網電量中所占的比例；Peffire，i為第i容量級別機組CO2排放因子。

送端區域CO2排放因子計算公式

式中：Bfire為火力發電在總上網電量中所占的比例。

關于受端區域CO2排放因子，如果有受端區域電網機組發電的CO2排放因子直接統計數據，采納直接統計數據值。如果沒有直接統計數據，可以借鑒清潔發展機制CDM、自愿減排CCER的基準線排放因子數據。國家發展和改革委員會應對氣候變化司發布的“中國區域電網的基準線排放因子”中包含電量邊際排放因子OM和容量邊際排放因子BM。對于受端區域來說，裝機容量構成是既定的，理論上應該使用電量邊際排放因子OM計算。由于電量邊際因子數值較高，計算結果偏高，CDM項目約定風電、太陽能項目的排放因子取0.75 OM+0.25 BM，水電項目排放因子取0.5 OM+0.5 BM。這里可按照CDM項目的約定，按特高壓輸送電力的類別用OM、BM計算受端區域CO2排放因子。

4　　特高壓輸電工程減排效益實例計算

錫盟—山東1 000 kV特高壓輸電線路工程為同塔雙回架空輸電線路 （局部為兩個單回路架設方案），線路路徑全長730.9 km，由錫盟站—承德串補站—北京東站（358.4 km）、北京東站—濟南站（372.5 km）兩段1 000 kV交流特高壓輸電線路組成，向山東輸送功率5 000～6 500 MVA［11］，向山東可輸送電量394.52億kWh/a［12］。

4.1大氣污染物煙塵、SO2、NOx減排效益計算

根據山東省火力發電廠2015年環保監督會提供的數據［13］，山東電網電廠2014年煙塵排放因子 Pefdust為0.06～0.30 g/kWh，平均0.08 g/kWh；SO2排放因子PefSO2為0.2～0.81 g/kWh，平均0.34 g/kWh；NOx排放因子PefNOx0.22～1.6g/kWh，平均0.49g/kWh。

錫盟—山東1 000 kV特高壓交流輸電工程使山東電網區域少排放大氣污染物：

重金屬汞排放控制剛開始啟動監測和治理試點工作，尚未有排放因子統計數據，暫時無法計算。

4.2溫室氣體CO2減排效益計算

受端區域山東每年獲得輸入電量Ain=3 945 200 萬kWh，送端區域錫盟向特高壓線路提供的上網電量Aout=3 997 861.2萬kWh。

錫盟能源基地煤電前期開發容量4 492萬kW，2020年風電裝機容量達到1 284萬kW［11］。因此，按照 CDM 約定受端區域 CO2排放因子 Pefin，CO2= 0.75 OM+0.25 BM，山東所在華北區域2014年電量邊際因子OM=1.058 t/MWh，容量邊際因子BM= 0.541 t/MWh［14］，可以計算出Pefin，CO2=0.928 8 t/MWh。

關于送端區域CO2排放因子，依據火電、風電的可開發容量和最新全國火電機組、風電年利用小時數，計算火電比例，然后再計算火電排放因子和總排放因子。2015年內蒙古火力發電機組利用小時數為4 979 h，風電機組利用小時數1 865 h［15］。火電在總供電量中所占的比例：

錫盟能源基地在建火電機組單機容量600 MW，錫盟所在華北區域電網2015中國低碳技術化石燃料并網發電自愿減排項目區域電網基準線排放因子為0.757 0 t/MWh［16］。

錫盟—山東1 000 kV特高壓交流輸電工程溫室氣體CO2減排效益，依據式（9）可以計算出：

5　　結語

提出特高壓輸電工程對大氣環境質量因子煙塵、SO2、NOx的改善效益可以只評估受端區域減排量，給出了計算公式。

特高壓輸電工程對重金屬汞排放的影響，提出只評價單質汞Hg0的減排量，不分受端和送端區域，單質汞Hg0整體減排量等于特高壓工程所輸送電力在受端區域生產和在送端區域生產的排放量之差。

提出特高壓輸電工程的溫室氣體減排效益計算方法，溫室氣體CO2的減排量等于特高壓工程所輸送電力在受端區域生產和在送端區域生產的排放量之差。受端區域CO2排放因子可依據CDM約定，采用電量邊際排放因子OM和容量邊際排放因子BM的加權計算。送端區域CO2排放因子，輸送清潔能源生產的電力時為0；輸送電力含有火電時，首先根據上網電量中各容量級別火電機組發電量所占比例和各容量級別火電機CO2排放因子加權計算火電CO2排放因子，各容量級別機組CO2排放因子采納國家發展和改革委員會發布的 “中國低碳技術化石燃料并網發電自愿減排項目區域電網基準線排放因子”數據。送端區域CO2排放因子為火電在總上網電量中所占的比例與上網火電CO2排放因子之積。

評估錫盟—山東1000kV特高壓交流輸電工程的環境改善效益，該輸電工程投運后，可以使山東區域減排煙塵3 156 t/a，SO213 413 t/a，NOx19 331 t/a。全國減排溫室氣體905.0萬t/a。

［1］ 周浩，丘文千，孫可，等.特高壓交直流輸電技術［M］.杭州：浙江大學出版社，2014.

［2]新華通訊社.習近平在巴黎氣候變化大會上發表講話［EB/OL］. （2015-11-30）［2016-02-14］.http：//news.ifeng.com/a/20151130/ 46458895_0.shtml.

［3］ 白建華.特高壓輸電能源經濟環境效益巨大［J］.國家電網，2014（6）：29-31.

［4]陳維江.特高壓輸電是環境友好型技術［N］.中國電力報，2006-09-05（5）.

［5]張超義，姚雷.我國特高壓發展再提速全面步入快車道［N］.西南電力報，2014-05-15（1）.

［6］ 張超義.發展特高壓輸電是治理霧霾的重要舉措［EB/OL］（2014-05-14）［2016-02-14］.http：//news.bjx.com.cn/html/ 20140515/510991.shtml.

［7]凌琪.酸雨的形成機制研究進展［J］.安徽建筑工業學院學報：自然科學版，1995，3（1）：55-58.

［8]中華人民共和國環境保護部.2014年中國環境狀況公報［R］. 2015.

［9］ 姜雨澤.利用現有煙氣污染治理設備脫汞技術研究［R］.國網山東省電力公司電力科學研究院，2012.

［10］楊勇平，楊志平，徐鋼，等．中國火力發電能耗狀況及展望［J］.中國電機工程學報，2013，33（23）：1-11．

［11］電力規劃設計總院，國網北京經濟技術研究院，中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，等．錫盟—山東1000千伏特高壓交流輸變電工程線路工程初步設計［R］．2014．

［12］中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，中國電力工程顧問集團華東電力設計院，國核電力規劃設計研究院，等.錫盟—南京1000千伏特高壓交流輸變電工程節能評估報告［R］．2014．

［13］山東電力研究院.山東省發電企業2014年度環保技術監督工作總結匯編［R］．2015．

［14］國家發展和改革委員會應對氣候變化司．2014年中國區域電網基準線排放因子［R］．2015．

［15］國家能源局．2015年6 000 kW及以上電廠發電設備平均利用小時同比增減情況［N］．電信息，2016-02-05（3）．

［16］國家發展和改革委員會應對氣候變化司．2015中國低碳技術化石燃料并網發電自愿減排項目區域電網基準線排放因子［R］．2016．

Atmospheric Environment Benefit of UHV Transmission Project

JIANG Yuze1，AN Jiutao2，HONG Jing’e3，ZHAO Ruxiang3，LI Fangwei1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.College of Resources and Environment Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 250049，China；3.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）

The ultra-high voltage（UHV）power transmission is the key link of using green power，decreasing the proportion of fossil energy consumption and controlling the emission of greenhouse gas，and it is also an important measure to control air pollution in the mid-east region of China，which has been listed to the national plan for air pollution prevention and control. For making quantitative evaluation on environmental benefits of UHV power transmission project，the assessment method for emission reduction benefits of air pollutants and greenhouse gas has been proposed based on the analysis of emission and transmission characteristics of each pollutant generated during thermal power generation.Smoke，SO2and NOxare regional pollutants，their emission reduction benefits could be only calculated in the receiving end area.Emission reductions of elemental mercury（Hg0）could be only calculated for emission reduction benefits of total Hg.Hg0and greenhouse gas CO2are global pollutants，their emission reduction is the emission difference between the production of the receiving end and the sending end for UHV power transmission.According to the stipulations of CDM，the CO2emission factor of receiving end area could be calculated by adopting the weighting of electric quantity marginal emission factor OM and capacity marginal emission factor BM.Emission factor of sending end area shall be calculated according to the proportion of thermal power in the on-grid power and datum line emission factor of thermal power unit of sending end area.The calculation formula is given to the reduction of environmental factors.Environmental benefit of Ximeng-Shandong 1 000 kV UHV AC transmission project has been calculated.According to the calculated result，after the project，emissions of Shandong province could reduce 3 156 t/a，13 413 t/a and 19 331 t/a for smoke，SO2and NOxemission，respectively.It would make the greenhouse gas CO2emission load reduce 9.05 million t/a for China.

UHV transmission project；environmental benefit；atmospheric pollutant emission reduction；greenhouse gas emission reduction；assessment method

TM722；X511

A

1007-9904（2016）06-0005-05

2016-03-31

姜雨澤（1965），男，教授，從事大氣污染治理、溫室氣體減排、輸變電工程電磁環境等科研、技術咨詢與服務工作。