“雙碳”目標下燃煤機組碳排放配額淺析

史宣平， 劉金芳， 何磊， 房媛， 李煜

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

2020 年9 月22 日， 國家主席習近平提出中國“雙碳” 目標： 中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值， 努力爭取2060 年前實現碳中和。

2019 年中國能源系統碳排放量約98 億噸， 占全社會碳排放量的87%。 而能源活動領域中能源生產與轉換占其排放的47%； 能源轉換裝置中2020 年全口徑發電裝機容量為22 億千瓦， 燃煤裝機以56.59%的絕對優勢碾壓其他電源， 存量上燃煤機組仍占據主導地位。 可見能源消費是碳排放的最大來源， 而燃煤機組又是中國最大能源轉換過程中碳排放的最大來源； 因此 “雙碳” 目標的達成離不開燃煤機組的碳排放控制。

國家對燃煤機組實行碳排放配額制度， 并發布了碳排放配額分配計算公式， 對機組碳排放實行控制。 本文對配額分配計算公式進行分析和試算， 對燃煤300～1 000 MW 級電網主力機組排放現狀進行分析， 以期對燃煤機組在碳排放控制應對方面提供一些參考。

2 碳排放配額

國家發布2019～2020 年燃煤機組的 CO2排放配額分配計算公式，見式（1）。

式中： A 為機組 CO2配額總量， t； Ae為機組供電CO2配額總量， t； Ah為機組供熱 CO2配額總量，t。

可見燃煤機組的CO2排放配額由供電、 供熱兩部分配額組成， 下面對其進行分析。

2.1 機組供電CO2 配額總量

機組供電CO2配額總量計算公式見式（2）。

式中： Qe為機組供電量， MWh； Be為機組所屬類別的供電基準值， t/MWh； Fl為機組冷卻方式修正系數； Fr為機組供熱量修正系數； Ff為機組負荷（出力）修正系數。

Ae由5 個因子組成， 各因子分析如下：

（1）Qe代表機組供電量， 意味著供電量越多，則配額同比越多， 機組為獲得更多配額， 需在同等發電量下盡量降低廠用電損耗， 增加供電量。

（2）Be為機組所屬類別的供電基準值， 目前其規定見表1。

表1 2019-2020 年各類別機組碳排放基準值

由表1 可見機組所屬類別的供電基準值Be主要考慮了功率、 燃料2 個因素。

功率以300 MW 等級為界， 以上值為0.877、以下為0.979， 意味著相同燃料情況下， 300 MW等級附近機組的碳排放配額可能會有0.979/0.877=1.116 倍差異， 但規定中并未對300 MW 等級機組功率具體上下限進行明確， 故在機組選型時需特別注意盡量靠下限， 機組增容時更需重點關注；同時也說明機組在同等條件情況下， 如果機組效率差能少于11%， 碳排放配額300 MW 等級及以下常規燃煤機組單位供電量會獲得更多配額。 而目前300 MW、 600 MW 同參數和外部邊界條件下機組效率差在1.5%以內， 單純從每MWh 供電獲得更多機組供電CO2配額量角度出發， 機組功率優選300 MW 及以下。

燃料只是考慮了燃煤矸石、 水煤漿等非常規燃煤機組和含燃煤循環硫化床機組差異。

（3）Fl為機組冷卻方式修正系數， 如凝汽器冷卻方式為水冷則機組冷卻方式修正系數為1， 空冷則為1.05。 可知配額公式空冷比濕冷機組增加5%， 但并未對空冷和濕冷具體背壓差異作詳細說明， 故空冷機組可綜合廠用電率、 投資等因素，盡量降低機組背壓和廠用電率， 去獲得更低的實際碳排放。

（4）Fr為機組供熱量修正系數， 公式定義為：

式中： k 為機組供熱比； 當 k=0 時為純凝機組，供熱機組是供熱量越大， 機組供電量相應越小，對應供電部分碳配額也減少， 但供熱部分碳配額會相應增加； 因缺乏真實數據對比計算， 供熱是否會增加機組碳配額尚不明確， 降低機組實際碳排放也未有結論； 但目前電網機組普遍負荷不足，積極尋求對外供熱應是機組生存的主要辦法之一。

（5）《常規燃煤發電機組單位產品能源消耗限額》（GB 2158-2017）， 常規燃煤純凝發電機組負荷（出力） 系數修正系數Ff按表2 選取， 其他類別機組 Ff為 1。

由表2 規定可知：

表2 常規燃煤純凝發電機組負荷（出力）系數對應修正系數，Ff

Ff僅以純凝、 非純凝來區分機組類別， 非純凝機組統一按Ff=1 選取， 未再細分考慮實際供熱量、 發電量多少這些因素影響。

常規燃煤純凝發電機組負荷（出力）系數修正系數Ff按表2 公式計算，依據表2 規定對不同機組負荷（出力）系數F 對應修正系數Ff計算，見表3。

表3 不同機組負荷（出力）系數F 對應修正系數Ff 計算匯總表

由表 3 可見： Ff值為 1.00～1.26。

公式對負荷系數在85%以上均取1， 認為效率等同， 機組實際運行效率降低， 能耗增加， 這點計算對機組配額不利， 就要求高負荷機組寬負荷高效， 否則碳排放配額將不足。

目前機組以≤75%負荷系數居多， 這些機組應力爭提升低負荷時效率， 使低負荷效率降低盡量少， 則可獲得更多的差值收益。 負荷越低對應每MWh 碳排放配額值越大， 與機組負荷降低效率變差一致； 可使深度調峰機組每MWh 可獲得更多碳排放配額。

對比100%工況， 75%時修正系數與目前機組經濟性水平差值相當； 50%時機組效率降低在4%以內， 此時Ff的取值 1.093 相對較大， 同時 50%以下Ff的取值負荷越低越大， 對調峰機組碳排放配額進行補償， 可提高機組參與低負荷深度調峰的積極性。

2.2 機組供熱CO2 配額總量

機組供熱CO2配額總量Ah計算公式見式（4）。

式中： Qh為機組供熱量， GJ； Qh與機組供熱 CO2配額總量成正比， Qh越大則Ah越大。

Bh為機組所屬類別的供熱基準值， t/GJ； 具體值見表1， 對燃煤機組Bh=0.126， 不作細分。

2.3 算例

以某純凝、 濕冷600 MW 燃煤機組為例， 按上述公式進行碳排放配額計算， 年運行8 000 h；計算取值和結果見表4。

表4 某純凝、 濕冷600 MW 燃煤機組碳配額計算表

由表4 可知：

機組出力（負荷）系數分別為 0.2、 0.5、 0.875時該機組年CO2排放配額A 對應約為100.6 萬噸、230 萬噸、 368.3 萬噸 CO2， 每 MWh 供電對應 CO2排放配額分別為 1.049 t、 0.959 t、 0.877 t CO2； 可見機組負荷率在36%時基本上與 “1 度電對應1 kg 二氧化碳排放配額” 說法一致， 負荷率越高則相應每度電配額減少。

碳燃燒變成CO2， CO2的實際排放重量為碳的2.5～3.0 倍， 若以中位數 2.75 倍計算，機組出力（負荷）系數為 0.200、 0.500、 0.875 時， 其對應機組供電煤耗約為 381 g/kWh、 348 g/kWh、 319 g/kWh；若以國家計委能源所于1999 年出版的 《能源基礎數據匯編》 每燃燒一噸標煤排放二氧化碳約2.6 t計算，機組出力（負荷）系數為 0.200、0.500、0.875 時其機組供電煤耗約為403 g/kWh、 369 g/kWh、 337 g/kWh。

結合目前國內同類機組運行經濟性指標看，目前絕大多數機組的碳排放配額還基本夠用， 但經濟性偏離設計值較大的600 MW 亞臨界濕冷機組有一定壓力， 需盡快實施節能提效、 升級轉型。

空冷機組相對濕冷機組在機組冷卻方式修正系數FL時考慮了5%增加量， 同比經濟性、 廠用電率的影響量大體相當， 因此600 MW 空冷純凝機組碳排放空額也應夠用， 同樣經濟性偏離設計值較大的亞臨界600 MW 空冷純凝機組也有一定壓力， 需盡快實施節能提效、 升級轉型。

300 MW 等級機組所屬類別的供電基準值Be為600 MW 機組的1.116 倍， 同邊界條件下兩者效率差一般在1.5%以內， 相比600 MW 機組， 300 MW 等級機組供電量每MWh 實際有多10%左右碳排放配額， 300 MW 機組應比600 MW 機組能更易滿足公式計算碳排放配額。

經濟性優于600 MW， 故1 000 MW 機組也能滿足公式計算碳排放配額。

供熱機組比純凝機組更節能， 其更能滿足公式計算碳排放配額。

綜上， 除經濟性與設計值偏差較大的亞臨界600 MW 機組外， 電網主力 300 MW 級、 600 MW級和1 000 MW 級燃煤機組絕大多數目前均能滿足碳排放配額， 壓力暫時都應不大。

3 探討

按 “先立后破” 原則， 該配額計算公式是初次提出。 配額公式目前設計較粗放， 主要因子設計相對較少， 僅以公平原則在同等條件下給予每MWh 同等配額， 鼓勵電廠自發進行機組節能提效， 降低機組的實際碳排放值， 同時隨著中國碳交易市場化， 節約的碳排放指標可變成企業實實在在的價值收益， 這樣可提高企業投資高效新機或存量機組節能提效的積極性， 同時也將加快自然淘汰低效能燃煤機組步伐。

通過純凝發電機組負荷（出力）系數修正系數Ff差異化設計， 使不同機組短期內可滿足碳排放配額。 高效率機組去帶高負荷， 機組滿足相對較低的單位MWh 碳排放配額要求， 同時機組獲得高效發電收益； 低效率機組去帶低負荷， 積極參與調峰， 補償性設計Ff使低效機組可獲得較多的單位MWh 碳排放配額， 供電量雖少， 但可獲得調峰補償， 機組收益也有一定保障； 這樣既滿足電網用電需求， 也分別為高效、 低效機組都暫時找到生存之路， 尤其給低效率機組留出一定時間去實施節能提效、 升級轉型， 不至于立刻無法生存。

現在碳配額計算公式設計對300 MW 等級及以下機組每MWh 供電量給予的碳配額相對較高，這意味著若后續碳價持續升高， 分布式能源建設推進， 區域電源點燃煤機組建設高效300 MW 級機組值得關注。

國家 2014 年 9 月， 發改委、 環保部、 能源局三部委印發的2014【2093】《燃煤節能減排升級與改造行動計劃》 的目標要求： 到2020 年， 現役燃煤發電機組改造后平均供電煤耗低于310 g/kWh， 其中現役600 MW 及以上機組 （除空冷機組外）改造后平均供電煤耗低于300 g/kWh。 可見現役燃煤機組面臨的供電煤耗壓力遠遠大于碳排放配額壓力。

2021 年8 月31 日國家能源局發布貫徹落實中央生態環境保護督察報告反饋問題方案， 提出了64 項整改措施， 其中明確提出做好能源領域碳達峰碳中和， 研究出臺 《能源碳達峰實施方案》， 細化能源領域落實舉措和配套政策， 要求在2021 年12 月完成。 細化后機組每MWh 供電量給予的碳配額應會減少， 逐漸與供電煤耗要求同步， 留給電廠時間不會太多。

為最終確保實現 “雙碳” 目標， 目前燃煤機組碳排放配額充足情況只是暫時的， 按 “先立后破、 避免運動式減碳” 方針， 機組碳排放配額后續應會與供電煤耗要求滯后一點或逐漸同步降低，從碳排放配額、 供電煤耗兩個指標同時逼迫機組去實施節能提效、 升級轉型， 降低機組的實際碳排放。

推測配額公式最有可能調整因子有：

機組所屬類別的供電基準值Be， 加大小功率機組系數， 鼓勵小型高效、 熱電冷多聯產的分布式能源建設配套燃煤機組。

機組冷卻方式修正系數Fl， 加大空冷機組系數，鼓勵節約水資源、北方坑口燃煤聯產空冷機組。

機組供熱量修正系數Fr， 加大 Fr， 鼓勵機組熱電聯產。

機組負荷（出力）系數修正系數Ff， 繼續拉大高負荷和低負荷差值， 鼓勵機組追求高效靈活和參與電網深度調峰； 同時整體減小修正系數， 使總配額減少， 逐步實現碳達峰碳中和。

機組所屬類別的供熱基準值Bh， 加大Bh， 鼓勵機組熱電聯產。

4 小結

“雙碳” 目標的達成離不開燃煤機組的碳排放控制， 國家對燃煤機組實行碳排放配額制度，并已發布了配額計算公式， 對機組碳排放實行控制。 本文通過對配額計算公式各因子進行分析和假設計算， 除經濟性偏離設計值較大的亞臨界600 MW 機組外， 其余電網現役主力燃煤機組的碳排放配額目前應暫時夠用、 壓力相對較小； 2021 年12 月前， 國家能源局將完成細化能源領域 “雙碳”目標的落實舉措和配套政策， 應會調整配額計算公式， 配額會逐漸降低、 壓力漸增， 要求機組盡快實施節能提效、 升級轉型； 功率分界點（300 MW 等級及以下） 的常規燃煤機組每MWh 獲得的碳排放配額相對較多， 在碳排放配額緊張或價高時更值得關注； 負荷（出力）系數修正系數設計要求電網高負荷機組須高效、 鼓勵所有機組積極參與調峰。