上海能源結構優化與大氣污染治理研究

周 偉， 宋曉偉， 謝胤喆

1. 國家電網上海市電力公司 上海 200122 2. 華東電力設計院有限公司 上海 200001

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上海能源結構優化與大氣污染治理研究

周 偉1， 宋曉偉2， 謝胤喆2

1. 國家電網上海市電力公司 上海 200122 2. 華東電力設計院有限公司 上海 200001

上海與國外發達國家城市相比，能耗水平仍然較高，污染物排放也較嚴重，迫切需要通過優化能源結構來治理大氣污染、改善空氣質量。調研了上海能源利用現狀，分析了能源活動對空氣質量的影響，根據上海能源消費結構變化趨勢，提出了煤炭利用途徑、電力生產方式等優化方向，并建議全面落實環境治理舉措，以確保上海未來經濟增長、能源消費和生態環境協調發展。

能源； 環境； 優化

作為我國經濟最為發達、人口最為密集的特大城市之一，上海在經濟持續快速發展的同時，所面臨的資源環境約束也日益趨緊，城市環境壓力逐漸加大。特別是2012年底至2013年初，受我國區域性大范圍霾污染影響，以PM2.5(細顆粒物)為代表的大氣污染給上海城市環境和居民生活帶來了嚴重影響，污染程度之重、持續時間之長均為歷史罕見，引發了社會各界對于上海經濟發展方式和能源消費模式的集中反思[1]。

上海6000多km2的土地，每年要承載 6000 多萬t煤炭、3000多萬t石油的消費與排放，環境容量已近極限。控總量、調結構、升技術是保障上海能源可持續發展的必由之路，必須基于能源系統轉型的長期性、復雜性，循序漸進，扎實落地，精打細算[2]。

1 能源利用現狀

1.1 煤炭

2011年上海煤炭消費總量達到6141.95萬t的歷史高位，成為上海煤炭消費的飽和點，2012年上海煤炭消費迅速回落至5703.22萬t[3]。

上海煤炭的用途一般分為發電、供熱、煉焦、直接燃燒、制氣和工業原料等六類。2012年上海發電、供熱、煉焦、制氣、直接燃燒和工業原料依次占全市煤炭消費總量的59.6%、5.7%、17.3%、0.2%、14.5%和2.8%。

從消費特征看，上海煤炭利用呈現出以下三個特點。

第一，重點用煤企業是消費主體。目前，上海煤炭消費集中于發電、鋼鐵和化工行業。

第二，鋼鐵行業煤炭消費用途多、結構復雜但總量基本穩定。

第三，用煤快速向先進燃煤發電機組集中。至2012年，上海高效燃煤機組(超臨界、超超臨界)[4-5]的用煤量增加至1875.9萬t，占電力企業用煤量的51.43%，占全市用煤總量的32.55%。

1.2 石油

上海成品油消費量從2000年的1121.4萬t增加到2012年的3297.9萬t，年均增長率超過8%[6]。

按照《上海能源統計年鑒》的產業分類方法，2012年第三產業在上海油品消費中的占比最高，為1803.0萬t標油，占54.7%；第二產業次之，為1173.8 萬t標油，占35.6%；居民生活占8.7%；農業耗油最少，占比不足1%。

上海成品油消費按耗油部門分類，2012年交通部門油品消費量最大，達2007.8萬t標油，占60.9%；其次為工業和建筑業，消費1092.0萬t標油，占33.1%；商業和農業消費油品較少，分別占比5.6%和0.4%。

交通部門耗油可進一步分解為陸路交通、水運及航運，其中陸路交通及水運耗油約占交通部門成品油消費量的80%。2012年，上海陸路交通占交通用油的47.9%，水運占交通用油的31.6%，航運占交通用油的20.5%。可見，陸路交通是上海交通部門的主要耗油方式，也是未來控制上海石油消費的重點。

1.3 天然氣

自1999年4月起，東海平湖天然氣開始向上海供氣，上海天然氣發展實現了零的突破。上海天然氣消費量從2000年的不足3億m3，增加至2012年的65億m3，年均增幅超過30%。

隨著天然氣發電和大工業用氣的增加，上海用氣結構從單一的城市燃氣模式向多元化、均衡化模式轉變。城市燃氣用氣占總用氣量的比例由2010年的100%降至2012年的42.2%，而電廠用氣則從無到有逐步提高至25.7%，大工業用氣比例增加至27%，人工煤氣用氣近幾年則下降至4.2%。

1.4 電力

隨著上海經濟的發展，全社會用電量繼續增加。2012年上海全社會用電量達到1353億kWh，“十五”期間年均增長10.47%，高出“九五”期間年均增長率3.47個百分點；“十一五”期間年均增長7.05%，較“十五”期間的年均增長率低3.42個百分點。

2012年上海發電結構如圖1所示，由圖1可知，區外來電占比為28.4%，市內發電占比為71.6%，其中燃氣占比6%，燃煤占比63.4%，其它占比2.2%。在市內發電中，隨著近年來對天然氣使用的進一步增加，天然氣發電量呈現大幅度增長，但整體占比依舊比較小，燃煤發電量依然占市內發電的近90%。

圖1 2012年上海發電結構

1.5 能源活動對空氣質量的影響

對污染物來源進行分析，上海污染物排放已呈現多源化趨勢，能源、工業、交通、城建、農業及生活源都影響著上海空氣環境質量，但主要內因還在于上海一次能源的高強度消耗和污染物的高強度近地排放，尤其是能源消費結構不合理，對煤炭、石油消費依賴度高[7]。

與北京相比，上海煤炭、汽柴油單位面積消耗強度分別是北京的7倍和4倍，工業和人口聚集，大量一次能源的使用使上海污染物排放量高居不下。經測算，2012年上海SO2、NOx、PM10(可吸入顆粒物)、PM2.5和VOCs(揮發性有機物)的排放總量依次達到19.1萬t、32.5萬t、22.3萬t、9.5萬t和49萬t，見表1。

表1 2012年上海大氣污染源排放清單 萬t

根據2012年上海大氣污染源排放清單、近年PM2.5組分監測和模型模擬分析，綜合考慮一次排放和二次生成，初步得出上海環境空氣中PM2.5的本地人為污染排放貢獻占到近八成。

收集相關資料，進一步分析可知，PM2.5來源中交通和工業領域是最主要部分，如圖2所示。由圖2可知，機動車船等流動源、工業工藝過程、工業鍋爐與爐窯合計占50%以上，其它分別為建筑工地、道路和堆場等揚塵占10.4%，電廠占7.3%，民用涂料和餐飲等生活源占5.4%，秸稈燃燒[8]、化肥使用和禽畜養殖等農業及生物質占3%，海鹽、植被等自然源影響占1%，外部傳輸和區域影響占21.5%。

圖2 2012年上海PM2.5來源解析

2 能源消費結構變化趨勢

在以往強調能源供應安全的大背景下[9]，上海高度重視一次能源的調入保障和二次能源的生產供應，由此也基本鎖定了上海能源消費的模式與結構。

2.1 一次能源消費結構變化趨勢

未來雖然低碳清潔的天然氣，以及外來電會持續增加，但受制于天然氣資源、價格，以及外來電供應的不確定性，在可以預計的時間內，就上海一次能源消費而言，其構成仍舊難以發生顛覆性變化，到2030年仍將形成石油45%、煤炭25%、天然氣15%、外來電15%的格局。圖3所示為2000～2030年一次能源消費結構變化趨勢。

圖3 2000～2030年一次能源消費結構變化趨勢

2.2 全口徑終端能源消費結構變化趨勢

從全口徑終端能源消費角度而言，預計到2030年，上海煤品占比將低于10%，油品、電力占比將分別達到40%左右，天然氣占比超過10%。上海全口徑終端能源消費結構變化趨勢如圖4所示。

2.3 扣除非能源利用的終端能源結構變化趨勢

圖4 上海全口徑終端能源消費結構變化趨勢

從扣除化工原料用煤、用油和高爐噴吹用煤之后的非能源利用終端能源消費角度來看，2020年前后，煤品將徹底退出能源利用的終端能源消費領域，上海的終端能源將主要來源于電力、熱力、天然氣和成品油，且可以進一步清潔化、高效化。上海扣除非能源利用的終端能源消費結構變化趨勢如圖5所示。

圖5 上海扣除非能源利用的終端能源消費結構變化趨勢

縱觀上海一次能源消費結構和終端能源消費結構的變化趨勢，特別是終端消費的能源利用和非能源利用，可以清楚地看到，煤炭、石油的利用途徑和管控措施對上海能源結構的優化水平和進程起著決定性的作用與影響。

3 能源消費結構優化方向分析

3.1 化石能源

就煤炭而言，優化上海能源結構的方法一方面是控制消費總量，另一方面是改變利用途徑，主要任務在于削減分散中、小型燃煤鍋爐窯爐的耗煤量，通過發電技術、冶煉技術的更新換代，在改善煤炭質量、提高煤炭利用率的同時，從根本上隔斷燃煤與大氣污染排放的聯系，徹底實現煤炭的清潔利用[9]。

預計到2030年，上海煤炭消費總量將控制在5000 萬t以下，所消耗煤炭全部集中在發電及鋼鐵兩大行業，其中，發電用煤占比進一步提升至80%以上。

針對目前城市機動車船排放的結構型污染，就石油而言，優化上海能源系統的主要任務是近期控制汽車保有量、降低使用強度、建設公共交通設施，中期改進油品質量、提高燃油效率、更新煉化技術與設備，遠期則使居民出行方式發生自覺、自主、自利性變化及大規模商業化運營新能源汽車。

在可以預見的時間內，汽車保有量會持續增長且難以有效控制，若要保持汽油、柴油消費量的穩定增長，關鍵在于公共交通設施的建設。便利、舒適的公共交通能夠最大限度降低汽車使用強度，而現代物流運輸的普及，則是減少柴油消費量的關鍵。

天然氣作為較為清潔的能源品種，在未來能源結構優化、調整過程中將發揮重要作用。就未來天然氣替代其它能源品種的用途而言，考慮到天然氣在上海的稀缺性及價格因素，應首先確保完成替代散燒煤[10]。

3.2 電力生產方式

電力作為最重要的二次能源品種，未來在終端能源消費品種中占比將逐步提升至40%左右。未來，上海最高用電負荷將達到50GW，年用電量將達到2200億kWh，從轉換形式上看，未來上海新增電力需求可以通過區內煤電、燃機、新能源及區外來電來滿足。上海發電結構預測見表2。

表2 上海發電結構預測 億kWh

從區內電源建設、減輕環保壓力來看，未來上海將更加注重對風能、太陽能等清潔能源的開發利用，傳統燃煤電廠將作為戰略儲備成為次選方案。從爭取區外優質電力資源來看，除直流接收區外水電外，未來上海可利用交流網架接收更多的區外來電，進而滿足新增電力需求。

通過電源結構優化，提高區內燃氣裝機比例和區外來電比例，未來非燃煤機組發電量合計可達1400 億kWh，可有效控制燃煤電廠的發電量，燃煤機組發電量占比將降低至40%以下，天然氣發電量占比將提高至20%左右，區外來電比例進一步提升至40%左右，新能源發電量占比也將進一步提升。

未來進一步優化電力生產方式的重點除了調整發電結構、降低燃煤機組發電比例、提升清潔能源發電比例外，還可以對燃煤機組進行技術升級，這對于減小上海電力生產過程對空氣環境質量的影響同樣重要[11]。

從替代進度而言，2020年前安排六臺300MW 機組改建，至2030年完成所有16臺300MW機組的升級改建工作。

4 空氣質量改善效果分析

4.1 環保措施運用展望

為了讓人民群眾切身感受到空氣質量明顯改善，上海已制定《上海市清潔空氣行動計劃(2013—2017)》，立足當前、謀劃長遠，突出重點、協同控制，源頭預防、強化治理，政府主導、全民參與，下更大決心，采取更有效措施，大幅度削減污染物排放，盡快減少霾污染天數，降低高污染日主要污染物濃度，分階段改善空氣質量，并逐步實現空氣質量全面達標，讓人民群眾呼吸上清潔空氣。所采取的主要環保措施包括： ① 提高工業污染物排放標準;② 提高工業污染防治水平;③ 加大移動源污染治理力度;④ 深化拓展揚塵污染控制;⑤ 減少農業源污染排放;⑥ 加大社會生活領域大氣環境治理力度。

4.2 模擬結果分析

選用美國第三代環境空氣質量模型CMAQ4.6開展環境空氣質量預測。從上海環境空氣質量模擬結果(表3)來看，通過能源結構優化及相應終端污染物控制措施的提升，上海在能源消費總量增加的情況下，各主要污染物排放量均大幅下降，這主要得益于分散燃煤的削減、機動車船成品油消費的結構性優化、電廠脫硝裝置的全面投運等因素。

表3 上海環境空氣質量模擬結果 μg/m3

預計到2020年，上海SO2、NOx、PM10濃度均可達到國家二級標準，其中，SO2、NOx年均濃度還能達到世界衛生組織(WHO)標準的準則值，PM2.5和PM10年均濃度則較WHO標準仍有較大距離。

分析原因，主要是由于空氣環境質量并非簡單地只由污染物排放總量所決定，還取決于污染物的輸送、擴散、轉化等各種因素。

總體而言，能源結構優化調整對上海空氣質量提升意義重大，針對目前上海結構型污染的主要特點，為進一步提升上海空氣質量，更需要強化多因子多源協同控制，即對空氣質量造成影響的多方面因素及源頭都要落實相應的控制措施。

5 相關建議

未來實施空氣清潔行動計劃，控制能源消費總量是基礎，調整能源消費結構是核心，提升能源利用技術和設備水平是關鍵與根本。為進一步優化能源結構，改善空氣質量，具體建議如下。

(1) 提高優質、清潔能源比例，進一步優化能源結構。這一點具體而言就是要做到一降兩提高。一降是降低能源強度、控制消費總量。嚴格執行國家有關能源、環境等方面的政策法規，加大產業結構調整力度，堅決淘汰低效、高耗能、高污染的用能方式，這是改善上海環境空氣質量的根本性措施，應成為上海轉型驅動、創新發展的重要內涵。目前，上海這方面的工作正在有序推進。

兩提高是逐步提高天然氣與電力在能源消費結構中的比重，減少煤炭和成品油的消費。目前上海天然氣占一次能源消費比重不足8%，而紐約、倫敦等國際大都市天然氣占能源消費比重在30%以上，建議通過增加天然氣發電，近期大量替代終端用煤，中期大力推廣分布式供能系統，遠期在水運和陸路交通全面應用，進一步提升天然氣在能源消費中的比重。

電力作為一種清潔的終端能源消費品種，目前占終端能源消費比重不足40%，而世界發達地區普遍為45%～50%，建議將目前大量分散低效的煤炭消費以電替代，未來進一步提高工業、交通、商業、居民等不同領域能源消費的電氣化水平，電力占終端能源消費比重應至少提高至40%。同時通過積極調整電源結構，增加天然氣發電、區外來電及新能源發電，爭取將燃煤機組發電比例由目前的高于60%，降低至50%以下，減小電力生產過程對環境空氣質量的影響。

(2) 加大能源技術創新，提高能源利用效率，降低排放。

建議積極鼓勵傳統能源利用和高效節能的關鍵技術創新，在智能電網、分布式能源、潔凈煤發電等先進能源裝備技術攻關和示范應用方面給予積極支持，同時加快油品及燃油技術的提升。

建議積極鼓勵終端能源消費替代技術的開發利用，工業上積極推進以電代煤、以氣代煤技術的應用，交通領域上推進電動汽車、液化天然氣車船相關技術研發，以期達到以電代油、以氣代油的目標。建筑用能上鼓勵能源階梯利用技術的開發和應用，提高能源利用效率。

(3) 完善能源政策配套機制，確保能源結構優化順利實現。

建議市政府積極向國家反映上海城市環保壓力和能源資源困難，同時加強與國內外能源行業領域的合作，落實市外來電和天然氣發電，保障上海能源供應安全。

建議在現有措施下進一步深化研究，理順能源資源價格體系，以經濟杠桿促進上海能源供給和消費結構的優化。

建議市政府相關部門利用蘇浙皖滬三省一市能源平臺建設的契機，加強長三角核心區域的能源與環境合作，將這一區域的環境保護控制納入相對統一的框架內。

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(編輯： 小 前)

Compared with the developed countries, the energy consumption level in Shanghai is still high and the pollutant emission is more serious. It is urgent to control the air pollution and improve the air quality by optimizing the energy structure. Investigated the current situation of energy utilization in Shanghai and analyzed the impact of energy activities on air quality. According to the changing trend of energy consumption structure in Shanghai, the optimization direction of coal utilization and power production mode was put forward. The initiatives for full implementation of environmental governance were proposed to ensure coordinated development of economic growth, energy consumption and ecological environment in future Shanghai.

Energy Source； Environment； Optimization

2016年11月

周偉(1974— )，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統規劃管理工作， E-mail： zhou-w@ec.sgcc.com.cn

TM-9；X513

A

1674-540X(2017)02-058-06