某燃氣分布式能源站環(huán)境影響分析

姜東橋，孫曉旭，孔飛，柳玉賓，劉潔

(1.中國華電集團佛山能源有限公司，廣東 佛山 528000；2.中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070)

某燃氣分布式能源站環(huán)境影響分析

姜東橋1，孫曉旭2，孔飛2，柳玉賓2，劉潔2

(1.中國華電集團佛山能源有限公司，廣東 佛山 528000；2.中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070)

以上海某工業(yè)園區(qū)的分布式能源站改造項目為例，研究了分布式能源系統(tǒng)污染物排放量的變化趨勢，依據(jù)分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益評估新模型，分析分布式能源站與傳統(tǒng)燃煤電站的環(huán)境效益及環(huán)境成本。研究結(jié)果表明，相對傳統(tǒng)電站，分布式能源系統(tǒng)的環(huán)保指標顯著提高，環(huán)境成本僅為同等負荷燃煤電廠的1/13。通過定量分析分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益，一方面為分布式能源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)優(yōu)化提供環(huán)境影響數(shù)據(jù)，另一方面也為分布式能源的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

分布式能源；燃煤電廠；環(huán)境效益；環(huán)境評價；成本核算

0 引言

分布式能源DES(distributed energy system)是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以天然氣或可再生能源作為主要驅(qū)動能源，以冷、熱、電聯(lián)供技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用，是以高效、清潔、靈活為特點的供能系統(tǒng)[1-2]。

天然氣分布式能源系統(tǒng)在我國已經(jīng)進入高速發(fā)展階段。2011年國家發(fā)改委、財政部、住建部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布發(fā)改能源〔2011〕2196號《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，提出發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)思想，即以提高能源綜合利用效率為首要目標，以實現(xiàn)節(jié)能減排任務(wù)為工作抓手，重點在能源負荷中心建設(shè)區(qū)域分布式能源系統(tǒng)和樓宇分布式能源系統(tǒng)。

多份研究報告稱，分布式能源系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益、技術(shù)效益、社會效益以及環(huán)境效益。其中，技術(shù)指標和經(jīng)濟指標是投資人最為關(guān)注的指標，對比之下國內(nèi)針對分布式能源系統(tǒng)環(huán)境效益的定量分析較少。環(huán)境效益評估不充分造成分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)模糊，導(dǎo)致清潔能源與非清潔能源的不均衡發(fā)展，不利于分布式能源系統(tǒng)在國內(nèi)的進一步推廣。

本文基于上海某工業(yè)園區(qū)的分布式能源站，對分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益進行量化分析，目的是通過分析分布式能源站的環(huán)境效應(yīng)，提高廣大電力工作者對分布式能源系統(tǒng)環(huán)保優(yōu)越性的認可，推動我國分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。

1 研究對象概況

上海華電某工業(yè)區(qū)燃氣熱、電、冷三聯(lián)供改造項目涵蓋了發(fā)電、制冷、供熱3種供能單元，屬于典型的區(qū)域型燃氣分布式能源系統(tǒng)。該項目具有負荷變化大、運行方式復(fù)雜、機組耦合性強、邊界條件多等特點。

該工業(yè)區(qū)分布式能源站發(fā)電負荷為100 MW。一期建設(shè)有2套LM6000PF燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。該能源站除去向本園區(qū)企業(yè)供電之后，還要負責(zé)向周圍24家企業(yè)提供冷、熱負荷，且高峰期熱負荷可達71.8 t/h。

天然氣燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔馔苿尤細廨啓C做功發(fā)電，燃氣輪機的排氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生水蒸氣，余熱鍋爐的主蒸汽(次高壓)進入汽輪機中做功，汽輪機抽汽用于供熱，主蒸汽通過減溫減壓器補充供熱。余熱鍋爐出來的低壓蒸汽用于補入汽輪機做功、溴化鋰機組的驅(qū)動蒸汽(夏季)、換熱機組的熱源(冬季)，滿足空調(diào)冷、熱負荷需求，達到“溫度對口、梯級利用”目的，進一步提高聯(lián)合循環(huán)機組的出力和效率。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

該工程以天然氣為燃料，在系統(tǒng)運行過程中除產(chǎn)生較少的NOx之外，不產(chǎn)生SO2與煙塵，煙氣中主要污染因子為NOx。燃氣輪機在燃用天然氣時，采用航改型燃氣輪機將排放煙氣中NOx的質(zhì)量濃度控制在31 mg/m3，煙氣經(jīng)高度為40 m的煙囪排入大氣。該能源站排放標準滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，煙氣污染物測點的濃度滿足GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》二級要求。該期工程煙氣污染物排放狀況及排放量見表1。

圖1 工業(yè)園區(qū)工藝流程

項目單位數(shù)值煙氣排放狀況煙氣量燃氣鍋爐m3/h740．2×103尖峰鍋爐m3/h61．8×103大氣污染物排放狀況SO2小時排放量 kg/h—年排放量 t/a—排放質(zhì)量濃度mg/m3—NOx燃氣機組年排放量 t/a126．2排放質(zhì)量濃度mg/m331．0尖峰鍋爐年排放量 t/a2．0排放質(zhì)量濃度mg/m390．0煙塵排放質(zhì)量濃度mg/m3<5．0

注：機組年運行小時數(shù)暫按5 500 h計，尖峰鍋爐年利用小時數(shù)按360 h(15 d)計。

2 環(huán)保效益分析

2.1 污染物減排量

分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)了能量的梯級利用，使能源有效利用率高達80%以上。同時該工業(yè)園區(qū)的分布式能源站使用清潔的天然氣作為燃料，燃燒后幾乎不產(chǎn)生SO2和顆粒物；運行過程中燃氣輪機采用低NOx燃燒方式，亦可以有效減少NOx的產(chǎn)生量。

為合理評估分布式能源系統(tǒng)的污染物排放水平，表2給出了上海某分布式能源站以及等負荷某燃煤電廠的污染物排放濃度。從減排量分析，分布式能源系統(tǒng)可以十分顯著地降低煙氣中的SO2、顆粒物以及NOx含量，相比燃煤電廠三者濃度分別降低了99.98%,99.80%和98.48%，有益于提高分布式能源系統(tǒng)的環(huán)保效益。但僅靠分析單一污染物的濃度指標來評判系統(tǒng)的環(huán)境效益是不夠的。這是因為單一的濃度指標會掩蓋污染物之間的差別，必然會導(dǎo)致稀釋排放，與目前全球倡導(dǎo)的總量控制思想不符[3]。

表2 污染物減排情況[4-5] mg/m3

2.2 分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益分析

為更深入地表征分布式系統(tǒng)的環(huán)境影響，引入排放強度來表征傳統(tǒng)發(fā)電與分布式發(fā)電系統(tǒng)的污染排放數(shù)據(jù)。排放強度即單位發(fā)電量所排放的污染物，常表示為

式中：Ci為排放強度，g/(kW·h)；mi為第i種污染物的排放量，g/h；Wn為機組供電量，kW。

計算不同發(fā)電方式的排放強度見表3。分析數(shù)據(jù)可知，燃煤電廠排放的NOx，SO2與顆粒物都遠遠高于分布式發(fā)電系統(tǒng)，特別是顆粒物的排放強度是分布式系統(tǒng)的360倍。分布式發(fā)電系統(tǒng)中各類污染物的排放濃度極低，是一種十分綠色的發(fā)電方式，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表3 不同發(fā)電方式的污染

2.3 環(huán)境成本核算

應(yīng)用環(huán)境經(jīng)濟學(xué)理論計算我國的電力生產(chǎn)成本模型，也是分布式系統(tǒng)的研究重點之一。一般認為環(huán)境成本包括環(huán)境控制成本與環(huán)境保護成本，環(huán)境控制成本即為治理污染而消耗的資源，環(huán)境保護成本即為避免污染而消耗的成本。

計算天然氣分布式能源站與燃煤電站的環(huán)境成本。針對天然氣與燃煤發(fā)電的具體情況，浙江大學(xué)孫可等人基于環(huán)境價值標準[6]提出工程環(huán)境成本計算公式[7]

式中：C為環(huán)境成本，元；Vei為第i項污染物的環(huán)境價值，元/kg，常見的污染物類型及相應(yīng)的環(huán)境價值見表4；n為污染物總數(shù)；Qi為第i項污染物的排放量，kg；V是為了減排污染物所付出的成本費用，元[8-9]。

表4 發(fā)電的環(huán)境價值標準[10-12] 元/kg

取值要求：(1)燃煤發(fā)電廠與天然氣發(fā)電廠的裝機容量為100MW，年利用小時數(shù)為7 000h，即年發(fā)電700GW·h；(2)煤炭熱值Qnet,ar為18.509 MJ/kg，廠用電率8.5%，電廠效率37.0%；(3)分布式發(fā)電的熱效率為40%，低溫?zé)嶂等?5 MJ/m3，即年耗氣量為1.8億m3。

分布式發(fā)電與燃煤發(fā)電的環(huán)境成本核算見表5。可以看出，分布式發(fā)電的環(huán)境成本遠遠低于燃煤發(fā)電，其成本僅有燃煤發(fā)電的1/13，其環(huán)境效益的優(yōu)勢十分顯著。

表5 天然氣與燃煤電站的環(huán)境成本對比 元/(kW·h)

3 結(jié)論

本文以上海某產(chǎn)業(yè)園分布式能源站為依托，定量對比分析了分布式能源站與燃煤電站的環(huán)境影響程度，分布式能源站表現(xiàn)出更顯著的環(huán)境效益。與傳統(tǒng)燃煤電站相比，分布式能源站NOx，SO2與顆粒物的排放量大幅度降低；通過計算分布式能源站與傳統(tǒng)燃煤電站的排放強度與環(huán)境成本等環(huán)境評價指標，定量地驗證了分布式能源系統(tǒng)可靠的環(huán)保效益，為同類工程提供參考，為推動分布式能源系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依托。目前，盡管我國針對電廠污染物排放制定了嚴格的國家標準，但針對發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境問題并未建立起統(tǒng)一的評價標準和評價機制。此外，筆者認為可以定期公布各個地區(qū)發(fā)電行業(yè)污染物的環(huán)境成本核算情況，使信息公開透明，以便互相參考。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-02-23；

2017-07-20

TK 01+9

B

1674-1951(2017)08-0064-03

姜東橋(1968—)，男，山東昌邑人，高級工程師，從事電力能源生產(chǎn)管理方面的工作(E-mail:jdongqiao@126.com)。