全國碳市場啟動后北京熱電行業低碳運行管理方式研究

史彩菊，金生祥，安振源，王六虎，金 立，馬萬軍，王 清，張秉權

（1.北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067；2.北京能源集團有限責任公司，北京 100022）

隨著環保要求的進一步嚴格，清潔能源裝機容量不斷提高，燃氣機組由于其環保、節能、啟停快等優點，發展速度較快，截至2017年8月底，京津唐燃氣機組裝機容量達到1 117.458萬kW，占全部裝機容量的15.07%。特別是在北京地區，隨著四大熱電中心[1]的建成投產，煤機已全部退出運行，北京地區燃氣裝機容量達到819.7萬kW，全部為供熱機組。2011年，國家發展和改革委員會下發了《關于開展碳排放權交易試點工作的通知》，確定在北京、天津、上海、重慶、廣東、湖北、深圳七省市開展碳排放權交易試點；2014年，北京市人民政府下發《北京市碳排放權交易管理辦法（試行）》，將對本市行政區域內重點排放單位的二氧化碳排放實行配額管理，重點排放單位應當在配額許可范圍內排放二氧化碳，如果所擁有的配額無法滿足自己的排放需求，就需要通過交易購買碳排放權指標，從而增加生產經營成本。隨著各地碳市場運行經驗的積累，2017年將啟動全國碳市場[2]。

綜上種種，如何面臨即將啟動的全國碳市場，繼續保持燃氣供熱機組節能、環保優勢，保證燃氣供熱機組的清潔、高效、低碳經濟運行，是新時期、新形勢、新要求下的迫切需求。

1 北京地區能源供應現狀

1.1 裝機規模及分布

隨著節能減排和環境保護壓力的增大，北京市“十二五”規劃提出了“1+4+N”的供熱體系，即“建成東南、東北、西南和西北四大天然氣熱電中心，形成1+4+N中心供熱體系”。

東北天然氣熱電中心：位于朝陽區高安屯，供熱能力為2 400萬m2；

東南天然氣熱電中心：位于朝陽區王四營，供熱能力為3 900萬m2；

西南天然氣熱電中心：位于豐臺區草橋，供熱能力為 2 100 萬 m2；

西北天然氣熱電中心：位于石景山區高井，供熱能力為3 600萬m2。

目前四大熱電中心已全部建成投產，原有的燃煤機逐步退出市場，北京市的裝機類型全部為燃氣機清潔供熱發電，并以9F為主流機型，具體如表1所示。

1.2 燃氣機組的主要特性介紹

目前北京市已投產燃氣機組，主要為“二拖一”燃氣蒸汽聯合循環，其配置方案為2臺燃氣輪機、2臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪機，同步建設脫硝裝置。整套機組選型先進，能源利用率高，污染物排放少，主要有以下幾大特點：

（1）運行方式多樣化

機組采用“二拖一+3S離合器+大旁路”的配置方案，可實現“兩臺燃機+兩臺余熱鍋爐+蒸汽輪機”的“二拖一”運行和“一臺燃機+一臺余熱鍋爐+蒸汽輪機”的“一拖一”運行；還可以根據供熱需求實現純凝、抽凝、背壓甚至汽輪機全切工況等多種運行方式。

表1 北京市裝機規模及分布表

（2）供熱能力大

抽凝工況的最大供熱面積為1 000萬m2，背壓工況的最大供熱面積為1 200萬m2，設計有汽機全切工況，汽機全切工況下，供熱面積可達1 400萬m2，以應對極端天氣或市政供熱特殊情況的需求，更好地擔負起供熱企業的社會責任。

（3）環保水平高

采用降噪消音型設計，在平面布置、設備選型、工藝布置、降噪措施等方面全方位進行降噪優化設計，使廠界噪聲控制在45dB，達到了噪聲控制最高等級；同步建設高效脫硝裝置，氮氧化物排放低至7.3mg/Nm3，遠低于北京市30mg/Nm3的排放標準；二氧化硫和粉塵接近零排放；二氧化碳年排放約140萬t，與全國火電平均水平相比，減排130余萬t。

（4）能源利用率高

機組采用燃氣蒸汽聯合循環技術，通過“熱電聯產”的工藝方式，將高品位能源用于發電，低品位能源用于供熱；通過鍋爐尾部加裝煙氣換熱裝置等能源梯級利用技術，實現了清潔優質天然氣能源的高效利用，機組供熱季發電氣耗可低至0.136Nm3，供熱工況下能源利用率最高可達89.74%。

（5）自動化水平高

整套機組實現了“全程智能化控制”，自動控制水平國內領先，真正實現了全過程無斷點的一鍵式啟停[3]，大大提高了系統操作的準確性、規范性，減輕了運行人員的勞動強度，縮短了機組啟停時間。

1.3 北京地區燃氣機組碳排放量測算

北京市目前已經投運燃氣機組12臺（套），其中“二拖一”機組8臺（套），“一拖一”機組4臺（套）[4]，其二氧化碳排放強度和排放總量，隨著機組運行方式的不同、熱電比[5]的不同而存在較大不同，單套“二拖一”機組排放強度在320～360kgCO2/（MW·h），碳排放總量在140萬～160萬t；“一拖一”機組排放強度在350～420kgCO2/（MW·h），排放總量在 80萬～96萬t。從最近幾年北京市燃氣機組參與北京碳市場的履約情況看，部分機組由于運行方式和熱電比的不同出現了5萬～8萬t的配額缺口。

《強化應對氣候變化行動——中國國家自主貢獻》[6]對二氧化碳排放提出了明確要求，即2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，2030年二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早達峰，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。燃氣機組是清潔能源機組，其氮氧化物排放目前已經降到5mg/Nm3以下，二氧化碳排放也已經比同容量的煤機大幅降低，但是為了實現中國應對氣候變化國家自主貢獻文件的行動目標，北京市燃氣機組還需繼續節能挖潛，通過經濟運行管理和熱電比優化，進一步降低二氧化碳排放強度和排放總量。

2 國家及北京碳市場的發展及現狀

2.1 國家碳市場的主要進展

20世紀80年代，工業國家在應對環境危機的大討論中，試圖引導生態與經濟的關系由“對立”轉變為“并立”的“生態現代化”理論，主張以“市場機制”代替“命令控制”機制應對環境問題，成為碳市場形成與發展的重要理論基礎[7]。我國國家碳市場也是在這一理論基礎上形成和發展的。碳排放權交易理論最早是由美國經濟學家Dales[8]作為溫室氣體減排的有效市場工具提出來的，旨在通過市場方式提高環境資源利用效率。碳排放配額交易是世界各國普遍采用的環境經濟策略，我國試點城市碳排放權交易均基于以上理論基礎，其主要進展如表2所示。

表2 我國碳市場進展

與其他市場體系相比，碳排放交易體系有點特殊，“碳市場本質上是一個政策性市場”。這一交易體系既有很強的政策性，政府強制性設定碳排放交易體系的覆蓋范圍、排放總量、各企業的排放限額，同時，這一體系又要堅持市場化導向，納入交易體系的企業，碳減排成本高低不同，減排成本低的企業超額完成減排任務，可以將剩余的碳排放配額賣給超配額排放的企業獲取收益，通過這樣的市場化方式，激勵企業改進生產、轉型升級，實現成本最小化的減排。

國家發改委2017年12月19日宣布，以發電行業為突破口，全國碳排放交易體系正式啟動。在此次全國性的碳排放交易體系建設之前，我國的碳市場工作早在2011年就已經起步。2011年，我國確定北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東、深圳等7省市作為試點開展碳交易工作。2013年，深圳率先啟動實際交易，拉開了我國碳市場的帷幕，各試點省市隨后也逐步啟動運行。目前已納入近3 000家重點排放單位，截至2017年11月累計配額成交量達到2億tCO2當量，約46億元人民幣。

2.2 北京市碳交易體系運行情況及對燃氣電廠的要求

北京作為碳排放試點城市之一，從試點運行至今，已經形成一套完備的碳市場交易體系。根據《北京市碳排放權交易管理辦法（試行）》規定，市發展改革委會同市統計局定期確定年度重點排放單位名單和報告單位名單，并向社會公布，根據配額[9]核定方法（歷史法及先進值法）及核查報告，核定并發放重點排放單位年度配額，免費發放[10]，重點排放單位應當在規定的時間內按照要求向市發展改革委提交上年度碳排放報告，并按照規定上繳與其上年度碳排放量等量的配額，履行年度碳排放控制責任，未按規定提交報告或履約的排放單位，北京市發展改革委依據《關于印發規范碳排放權交易行政處罰自由裁量權規定的通知》（京發改規〔2014〕1號），參照《關于北京市嚴格控制碳排放總量前提下開展碳排放權交易試點工作的決定》規定予以處罰，最高將按照市場均價的5倍對該單位超出其配額許可范圍的碳排放總量（未履約排放量）予以罰款。北京市碳市場啟動至今，碳價基本穩定，平均價格在50.43元/t，根據規定，若不能正常履約，將按照252.15元/t進行處罰，一套“二拖一”燃氣電廠，年度配額約150萬t，若超配額排放5萬t，就需要花費250多萬元購買配額進行履約，否則將被處罰約1 300萬元。巨額花費對企業造成了社會效益和經濟效益的雙重負擔和壓力，要求企業必須加大節能減排力度，通過科技創新降低排放強度。對于北京市發電企業來說，通過經濟運行管理，降低發電氣耗，降低廠用電率，實現熱電優化分配，是降低碳排放強度和排放總量、實現碳資產[11]保值增值的重要手段和方式。

3 燃氣機組低碳運行管理的研究方法和結論

現有國內文獻和研究重點關注了碳排放交易體制的建立對電力行業尤其是發電企業的影響[12]，分析了電力行業的機遇和挑戰[13]，并研究了適合電力行業的碳排放權交易機制[14]，而針對發電企業如何適應碳市場發展，通過優化運行方式、節能降耗等從源頭來減少碳排放，涉足較少。本文根據近三年北京市碳市場運行情況，結合燃氣機組運行特性，從采暖季、非采暖季、年度運行節奏等整機優化運行和循環水冷端優化、輔機優化運行管理等方面，經過試驗、數據搜集和分析，以“保政治供電和民生供熱，提高經濟效益，降低二氧化碳排放”為原則，提出低碳運行管理建議。

考慮燃氣機組特殊的成本分布，各種不同工況下的固定成本、財務費用和管理費用的穩定性，為方便分析，暫將收入減去燃料成本之差稱為“變動利潤”。分析方法如下：分析機組投產以來的運行工況，考慮“四大熱電中心”建設初衷，參照電力需求、供熱量需求變化，確定要分析和探討的運行方式；搜集實際運行數據，結合廠家提供的熱平衡圖，通過熱力試驗和計算[15-17]，求得不同工況下的機組經濟運行數據；根據經濟運行數據和電價、氣價、碳價等因素，計算（不含固定成本）的“變動利潤”，進而比較確定清潔、高效、低碳經濟運行方式。本文以以上原則，選取了采暖期相同供熱量不同運行方式、非采暖期純凝運行、機組年度運行方式安排、循環水冷端優化等四種情況進行低碳經濟運行管理探討。

3.1 采暖期低碳經濟運行

北京地區興建燃氣輪機組，其主要目的還是要解決區域內供熱需求，以期望降低燃煤采暖，其電力除了必須的區域電源支撐外，可以利用特高壓和內蒙古、西北的網電來滿足[18]；北京地區無煤化，大幅降低環保排放；低排放的燃氣機組采暖季在保證供熱需求的前提下，采取何種運行方式，對于其二氧化碳排放影響較大。因此本文以滿足當前熱負荷需求為邊界條件，通過比較采暖期機組各種不同運行方式下的碳排放強度，提出采暖季低碳運行的最佳方式。

機組冬季供熱運行設計有抽凝、背壓、汽輪機全切三種工況。由于全切工況為事故緊急情況下的特殊、非常規運行工況，本文不做詳述。冬季供熱量除了受環境氣溫變化而變化外，基本保持穩定，因此，本文選擇滿足不同環境氣溫變化的供熱需求，以保供熱、保民生、降排放、提高外購電比例的能源供給原則，保持供熱量不變，分析背壓和抽凝兩種工況運行的經濟性。具體數據如表3所示。

表3中的供熱量、發電量是實際運行數據，并符合機組熱電負荷曲線，決定了一個運行工況。燃氣量是此工況下發電、供熱消耗的總的燃氣量，二氧化碳排放量是按照《北京市企業（單位）二氧化碳排放核算和報告指南》的方法計算出來的，其余各項指標都是在基礎數據和工況的基礎上計算而得。從以上表格可以看出，無論在供暖初期、中期還是晚期，在各種穩定的供熱需求下，背壓運行的供電碳排放強度、發電氣耗、單位燃氣量的盈利能力均優于抽凝供熱運行，因此機組背壓運行無論在能源消耗、二氧化碳排放還是單位燃氣量盈利能力方面，均表現出極高的低碳經濟運行優勢，因此冬季供熱，機組擬采用背壓供熱運行。

表3 相同供熱量不同供熱工況運行數據

3.2 非采暖季低碳經濟運行

機組年度利用小時設計為4 500小時，近年來，隨著北京綠色發展要求，利用小時將處于不斷壓降的趨勢，但非供暖期由于區域負荷支撐的需要，仍需運行，特別是在春、秋兩季，機組運行負荷率較低，經常處于“二拖一”低負荷和“一拖一”負荷重疊區域運行，電量相同，但由于運行方式的不同，其能耗水平和碳排放水平差別較大，研究這兩種方式下的低碳經濟運行具有較大的實際意義。

每年3月下旬到5月、9—11月上旬，是年度電力需求低迷階段。此階段，機組經常處于“二拖一”低負荷率（50%～60%）和“一拖一”運行的尷尬選擇中。下面通過實際運行數據（見表4），從氣耗水平、碳排放強度和單位供電量盈利能力等方面綜合分析低碳環境下非采暖季機組的經濟運行方式。

比較“二拖一”低負荷（50%負荷率——“二拖一”工況二）和“一拖一”（40%負荷率）運行，“二拖一”低負荷（50%負荷率）碳排放強度高、單位供電量盈利能力低，因此“二拖一”低負荷運行無論從能耗水平、碳排放強度還是單位供電量盈利能力方面均不及“一拖一”（40%負荷率）運行。

但就利潤而言，“二拖一”低負荷（50%負荷率——二拖一工況二）運行，優于“一拖一”（40%～45%負荷率），但這種優勢隨著碳排放成本的增加不斷降低，當碳排放成本升高至85元以上時，“二拖一”低負荷（50%負荷率）運行，產量高帶來的利潤優勢將不復存在。因此在爭取機組運行方式時，盡量“二拖一”較高負荷率（60%負荷率以上）運行，否則應權衡能耗水平、利潤和碳成本各面，平衡擇優。

3.3 機組年度低碳經濟運行

燃氣機組年度發電利用小時計劃是在核定電價時就確認的，年度利用小時計劃確定后，其發電量的節奏安排、熱電比的不同都將造成較大的二氧化碳排放強度和排放總量的不同。本文在機組核價利用小時保持不變的狀態下，繪制不同熱電比下的機組實際運行供電碳排放強度，結合北京市供電碳排放強度先進值[19]，通過分析，提出年度機組低碳經濟運行管理建議。

表4 不同供熱工況運行數據

北京市現行的二氧化碳配額發放原則為：產量乘以碳排放強度先進值，碳排放強度先進值[9]由國家發改委發布，對于供熱機組，其與熱電比密切相關，具體如表5所示。

表5 電力行業碳排放強度先進值

根據機組年度運行數據，冬季發電利用小時占全年60%左右，本文擬合出企業年度不同熱電比下的碳排放強度曲線，結合北京市發布的碳排放強度先進值，得出圖1。

圖1 供電碳排放強度與熱電比關系

圖1中，平行于橫軸的直線，為北京市發布的供電碳排放強度先進值，曲線為企業實際運行供電碳排放強度與熱電比關系曲線，為了二氧化碳不超標排放，即實際碳排放強度需控制在先進值以下，機組熱電比必須控制在一定范圍，機組運行存在不連續的安全區域，即熱電比為0.126～0.30以及0.37以上。當熱電比在0.3～0.37時，或者低于0.126時，機組實際供電碳排放強度曲線處于北京市發布的供電碳排放強度先進值曲線上方，按照產量乘以供電碳排放強度計算出的二氧化碳排放量將超出北京市發放的排放配額，超標排放，因此是不安全運行區域。如果冬季利用小時降低，運行安全區域將向右上方移動；如果夏季負荷率提高，運行安全區域將向左下方移動。

3.4 循環水冷端優化低碳運行管理

循環水冷端包括冷卻塔、循環水泵、凝汽器等，其冷卻介質—循環水，受環境因素的影響較大，不同季節的水溫差異可以超過20℃，而機組的負荷率也會影響循環水泵的電耗。因此，如何在循環水泵的電耗與機組供電氣耗之間找到平衡點，即冷端優化，是火力發電廠低碳、經濟運行調整控制的一個重要工作。

冷端優化的一個重要方面是求取凝汽器壓力的最佳值，當凝汽器壓力降低時，機組功率增加，供電氣耗降低，碳排放強度降低，二氧化碳排放總量降低；凝汽器壓力升高時，機組功率下降，供電氣耗升高，碳排放強度升高，二氧化碳排放總量降低。所以，在給定機組參數下，凝汽器壓力與汽輪機組發電功率、汽輪機微增功率關系密切，而運行中的機組真空是由諸如冷卻水參數（流量和入口溫度）和汽輪機負荷所決定的。在給定機組負荷和冷卻水入口溫度時，真空由循環水量決定，循環水量增大則循環水泵耗功也增大。然而循環水泵是廠用電大戶，過分地增加循環水量，可能使得汽輪機真空提高而多發的電無法彌補循環水泵多耗費的電，當汽輪機功率的增量與泵耗功增量差值最大時，對應的凝汽器壓力為最佳真空，對應最佳循環水量值。

圖2是某“二拖一”燃氣機組，其循環水系統配置兩臺流量分別為21 600m3/h、揚程26m的夏季循環水泵和兩臺流量分別為4 896m3/h，揚程26m的冬季循環水泵、10臺機力冷卻風機、冷卻面積24 500m2的凝汽器，通過冷端優化，得出在不同環境溫度、相對濕度和不同機組負荷下循環水泵運行方式的最優選擇曲線。

圖2 循環水泵最佳運行方式參考曲線

4 結語

如上所述，由于燃氣供熱機組多種不同的運行方式、供電碳排放強度先進值制定的原則不同、碳配額在市場上價格的不同，燃機機組的低碳運行管理更加多維化。隨著2017年12月19日全國碳市場的啟動，京內燃氣電廠作為參與北京市碳市場多年的發電企業來說，通過近年來的運行實踐，在低碳運行方面積累了一定的運行管理經驗，為燃氣供熱機組參與全國碳市場提供了一定的思路：

（1）機組采暖季運行最好采用背壓工況，同樣供熱量和發電量下，背壓運行的二氧化碳排放總量低于抽凝運行75～101t/h，而且隨著供熱量和發電量的提高，兩種運行工況的二氧化碳排放差值增大。

（2）非采暖季的運行淡季（每年的3月下旬到5月份、9月至11月上旬），機組“二拖一”和“一拖一”運行均能滿足電負荷需求時，要盡量采取“一拖一”方式運行，此時的二氧化碳排放強度低于“二拖一”低負荷運行 16kgCO2/（MW ·h）。

（3）考慮北京市燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組配額先進值，熱電聯產機組運行熱電比要盡量高，但全年熱電比應盡量避開0.3～0.37區域運行，此區域的二氧化碳排放總量將超配額，此安全區域隨著采暖季利用小時和非采暖季負荷率的不同而有所變化，需要根據機組特性和運行方式確定。

（4）通過對燃氣電廠循環水冷端優化研究，確定循環水系統最佳運行方式，提高機組效率，降低供電氣耗和碳排放總量。

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