林 琳 邊 疆 宋 莉 王中榮 劉 濤

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2. 國網(wǎng)天津市電力公司電力交易中心，天津 300010；3. 華北電力大學控制與計算機工程學院，北京102206)

火力發(fā)電不僅帶來巨大的能源消耗，同時還會造成嚴重的環(huán)境污染。2012年火電消耗煤炭18.55億t，占全國工業(yè)煤炭消費量的62.23%，二氧化硫(SO2)排放量達858.9萬t，氮氧化物(NOx)排放量達1 084.7萬t[1]。隨著我國節(jié)能減排力度的不斷加大，火力發(fā)電的節(jié)能調度也提上日程。節(jié)能調度在確保電力生產安全可靠運行的基礎上，改變以往平均分配發(fā)電量的傳統(tǒng)做法，優(yōu)先調度清潔高效的發(fā)電機組，限制能耗較高、污染較嚴重的機組發(fā)電。

目前，我國的南方電網(wǎng)、四川電網(wǎng)及江蘇等地試行節(jié)能調度，但只以供電煤耗來評價火電機組的節(jié)能效果。同時，大部分地區(qū)按照《排污費征收標準管理辦法》中的要求對機組征收排污費用[2]，而排污收費標準不能體現(xiàn)各個機組節(jié)能減排水平的差異性。另外，許多學者也對火電機組的節(jié)能減排評價標準進行了理論研究。王軍等考慮供電煤耗、污染排放、網(wǎng)損、耗水量和機組運行可靠性因素，利用因子分析法得到一個綜合指數(shù)來評價機組的節(jié)能減排效果，這種方法基于數(shù)據(jù)分析進行評價，并沒有表征具體的機理意義[3]。魏學好和周浩提出污染物的環(huán)境價值標準的估算方法，以此來促進火電機組的污染物減排[4]。Wang Y L和Hu C提出一種環(huán)境評估模型，并基于環(huán)境價值實施節(jié)能發(fā)電調度[5]。方韜等基于環(huán)境經濟學理論，提出了一種火電機組環(huán)境成本估算方法，以此來激勵火電企業(yè)增裝環(huán)保設施[6]。戴恩賢和張新銘基于參數(shù)來評價電站污染物排放對環(huán)境的影響程度[7]。以上這些方法都還尚處于理論研究階段，未見在實際生產中的應用。

由此可見，建立一套科學合理而又切實可行的評價體系，使得節(jié)能減排調度有據(jù)可循，對開展節(jié)能發(fā)電調度有著重要的意義。

影響火電機組節(jié)能減排的因素很多，只有選擇合理的指標、建立科學合理而且簡單易用的模型，才能保證評價的合理性和實用性?；鹆Πl(fā)電站的污染物排放主要包括鍋爐煙氣SO2、NOx、CO2及粉塵排放等參數(shù)。目前，天津地區(qū)大部分并網(wǎng)機組只裝有SO2和NOx兩種污染物的監(jiān)測設備，因此，筆者選擇供電煤耗、鍋爐煙氣SO2和NOx排放作為影響因素，來綜合評價機組的節(jié)能減排效果。

1.1 供電煤耗

供電煤耗是機組每向外提供1kWh電能所耗用的標準煤量。供電煤耗是火電企業(yè)生產水平的直接體現(xiàn)，是衡量能源消耗和機組經濟性的重要指標[8]。因此，對火電機組的綜合評價需要考慮供電煤耗因素，供電煤耗越小，表征機組的經濟性能越好。電站中并沒有供電煤耗的直接測點，但可通過計算得到：

(1)

式中bf——發(fā)電標準煤耗，g/kWh；

bg——供電標準煤耗，g/kWh；

Lfcy——發(fā)電廠用電率，%。

目前，大部分電站數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中都有供電煤耗的計算數(shù)據(jù)。

1.2 煙氣SO2排放

電站燃煤鍋爐排放的SO2是引起酸雨的主要污染物之一。2008年出臺的《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》中就指出要重點實施燃煤電廠二氧化硫的控制和改造工程[9]。降低SO2排放是火電機組開展減排工作的重要內容之一。目前，天津地區(qū)所有并網(wǎng)機組均裝有SO2監(jiān)測設備，而且其測量值通過專用網(wǎng)絡實時傳送給環(huán)保部門和電網(wǎng)調度中心。

1.3 煙氣NOx排放

燃煤電站鍋爐燃燒過程中排放的NOx主要包括NO、NO2及N2O等氮氧化物。隨著國家對環(huán)保要求的越來越嚴格，NOx也成為火電機組監(jiān)測的一個重要的污染物排放參數(shù)。最新的《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定從2012年1月1日起，我國所有新建火電機組NOx排放限值為100mg/m3[10]?，F(xiàn)有的電站機組均裝有NOx測量設備，并將測量值實時傳送給環(huán)保部和調度中心。

2 節(jié)能減排綜合指標構建

火電機組的節(jié)能減排與供電煤耗和污染物排放參數(shù)有關，即節(jié)能和減排兩方面因素。然而，降低污染物排放是以增加能源消耗為代價的，加裝的環(huán)保設備會增加廠用電，同時采用低污染物燃燒技術還會降低燃燒效率。因此，火電機組節(jié)能和減排具有一致性和互斥性，二者相互影響。筆者同時考慮機組供電煤耗和SO2、NOx等污染物排放量，并將污染物排放對環(huán)境帶來的損耗折算成煤耗，提出一種綜合供電煤耗指標?？梢钥闯觯C合供電煤耗包含兩部分：機組實際的供電煤耗和對環(huán)境損耗所折合成的煤耗。機組的綜合供電煤耗同時反映了機組本身運行的經濟性和對環(huán)境的影響，更加真實地體現(xiàn)了機組的節(jié)能減排水平。

2.1 污染物環(huán)境損耗計算

污染物環(huán)境損耗是以定量的形式評價污染物排放對環(huán)境所造成的危害和損失。我國實行的是污染物排放濃度達標和按污染物排放總量收費并行的環(huán)保政策，火力發(fā)電廠在達到污染物排放濃度標準的前提下，可以進行污染物排放，并依據(jù)排放總量交納排污費。然而，污染物的環(huán)境損耗并不等價于排污費，環(huán)境損耗是污染物排放對環(huán)境影響的表現(xiàn)形式，即所造成環(huán)境損失的價值量，而排污費只是環(huán)境價值的一定體現(xiàn)，并不能完全代表環(huán)境價值。按照目前的《排污費征收標準管理辦法》，排污所繳納的費用遠小于排污所造成的損失，因此，不能用排污費來計算環(huán)境損耗。在環(huán)境經濟學研究中，普遍認為用環(huán)境價值來衡量污染物排放給環(huán)境帶來的損失更為合理[11]。

由于環(huán)境影響評價的不確定性和復雜性，不同的計算標準導致污染物的環(huán)境價值評估結果也不一致。目前國內最常用的是以防護支出間接作為環(huán)境價值[12]，其中文獻[4]在參照排污總量收費標準的基礎上，對比美國環(huán)境價值標準，評估出中國火電機組SO2和NOx的環(huán)境價值標準(表1)。

表1 SO2和NOx環(huán)境價值標準

由表1中數(shù)據(jù)可計算出機組每生產一度電所排放的污染物引起的環(huán)境損耗ce(元/kWh)：

ce=(cSO2·VSO2+cNOx·VNOx)/Q

(2)

其中，VSO2和VNOx分別為機組生產Q電量時鍋爐煙氣中SO2和NOx排放總量，cSO2和cNOx分別為污染物SO2和NOx的環(huán)境價值。

2.2 節(jié)能減排綜合供電煤耗

可以看出，機組的綜合供電煤耗由兩部分組成：前者是機組的實際供電煤耗，表征機組的節(jié)能水平；后者是機組污染物排放損耗所折算的煤耗，表征機組的減排水平。污染物排放損耗折算煤耗越大，說明機組的脫硫脫硝設施運行效果越差。

3 應用實例分析

隨著霧霾天氣在華北地區(qū)大范圍、長時間的出現(xiàn)，國家和地方政府對企業(yè)環(huán)保要求越來越高，特別是火力發(fā)電企業(yè)。其中，天津作為華北地區(qū)直轄市之一，霧霾現(xiàn)象也十分嚴重，當?shù)貙痣姍C組節(jié)能減排越來越重視。為了深入貫徹執(zhí)行國家節(jié)能減排相關政策，天津市電力公司將陸續(xù)開展對并網(wǎng)機組的節(jié)能減排考核工作。這里以天津地區(qū)不同電廠的4臺機組(記作A、B、C、D)為例，利用筆者提出的方法對其節(jié)能減排水平進行綜合評價。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

所研究的各電廠均配備有DCS及SIS等數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，鍋爐尾部煙氣中SO2和NOx排放濃度由煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)測量得到。機組供電煤耗并沒有直接的測點，但可以通過式(1)求得，所有的運行參數(shù)測量值實時存儲在SIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。

從電站SIS系統(tǒng)中采集連續(xù)一段時間(一個月)的機組運行數(shù)據(jù)，包括以下參數(shù)測點：煙氣流量V(m3/s)、煙氣SO2濃度ρSO2(g/m3)、煙氣NOx濃度ρNOx(g/m3)、機組電負荷W(MW)和供電煤耗bg(g/kWh)，采樣時間為1min。由于強電磁干擾及傳感器故障等因素，這些數(shù)據(jù)中會存在噪聲和離群點，并不能直接使用。在進行計算之前，需對采集的原始數(shù)據(jù)進行有效性驗證和預處理，從中檢測和校正不良的數(shù)據(jù)樣本，并對空缺數(shù)據(jù)進行填補。詳細的數(shù)據(jù)預處理和校正方法可以參考文獻[13]。

3.2 綜合供電煤耗的計算

經數(shù)據(jù)處理后，采用文中提出的方法對綜合供電煤耗進行計算，具體的計算步驟如下：

a. 計算時間段T(這里考慮一個月)內發(fā)電總量Q=W·T；

b. 分別求出NOx和SO2的排放總量VNOx和VSO2，VSO2=ρSO2·V,VNOx=ρNOx·V；

c. 計算發(fā)每度電產生的污染物排放價值損耗ce；

d. 求得綜合供電煤耗bz。

3.3 結果與分析

3.3.1單臺機組分析

考慮某電廠機組A一個月的運行狀況，該機組容量為328.5MW，已完成脫硫脫硝改造。所用動力煤折算成標煤價格為0.63元/kg，依照上述方法進行計算，得出該機組的綜合供電煤耗為348.7g/kWh，環(huán)境損耗為0.005 5元/kWh，供電煤耗為339.8g/kWh，環(huán)境損耗折算煤耗8.9g/kWh。

比較供電煤耗和綜合供電煤耗可以得出排污所增加的折算煤耗(環(huán)境損耗折算煤耗)相當于供電煤耗的2.7%，相對較小，表明機組完成脫硫脫硝設備改造后環(huán)境成本相對較低。事實上該臺機組SO2平均排放濃度20.0mg/m3，NOx平均排放濃度80.5mg/m3，遠低于國家環(huán)保要求的標準。

根據(jù)排污政策，可計算該機組發(fā)每度電所繳納的SO2和NOx排污總費用(0.001 6元/kWh)與機組對應的環(huán)境損耗(0.005 5元/kWh)，可以看出對該機組所征收的排污費僅為環(huán)境損失的29.1%，不足彌補所帶來的環(huán)境損失，不利于激勵電站的節(jié)能減排運行。

3.3.2機組節(jié)能減排對比

綜合考慮天津地區(qū)不同電廠的機組A、B、C、D的節(jié)能減排情況，利用某月的運行數(shù)據(jù)進行計算，得到的環(huán)境損耗折算煤耗和綜合煤耗如圖1、2所示。

圖1 各發(fā)電機組環(huán)境損耗折算煤耗

圖2 各發(fā)電機組綜合供電煤耗

從圖1可以看出，環(huán)境損耗從低到高依次是機組A、C、D、B，如果以環(huán)境損耗最低作為目標，那么電網(wǎng)調度應該按照以上次序優(yōu)先分配負荷，但是這樣沒有考慮發(fā)電的經濟性，顯然不符合市場經濟運行的規(guī)律。

從圖2可以看出，供電煤耗從低到高依次是機組C、B、A、D，但是綜合供電煤耗從低到高是機組C、A、D、B。單從發(fā)電經濟性角度來說，機組C、B、A、D依次最好，但是綜合考慮發(fā)電成本和環(huán)境損耗，機組C、A、D、B依次最好。電網(wǎng)調度可直接按機組C、A、D、B次序分配負荷，或者依照此順序多分配負荷，從而使火力發(fā)電綜合效益最大化。因此，綜合考慮環(huán)境損耗后得到的調度結果更科學，綜合供電煤耗可以為電網(wǎng)實施節(jié)能調度決策提供依據(jù)。

4 火電機組綜合評價系統(tǒng)開發(fā)

在上述研究的基礎上，筆者還開發(fā)了火電機組節(jié)能減排綜合評價系統(tǒng)，作為機組脫硫脫硝數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的一個子功能模塊，并應用在天津電科院對火電機組的節(jié)能減排綜合評價之中。

整個系統(tǒng)采用B/S結構，其中該子模塊的主要實現(xiàn)方法為：從各電廠DCS及SIS等系統(tǒng)取出相關監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過電力信息網(wǎng)直接傳送到電科院服務器，在本地數(shù)據(jù)庫上備份存儲；然后對數(shù)據(jù)樣本進行預處理和有效性驗證；最后計算出并網(wǎng)各機組的綜合供電煤耗的折算成本值，并以圖形界面輸出顯示，系統(tǒng)功能結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構

該系統(tǒng)已經成功應用于天津電科院對各電廠機組的考核評價之中，為電網(wǎng)進一步實施節(jié)能調度提供了依據(jù)。系統(tǒng)對天津地區(qū)并網(wǎng)機組的綜合評價結果如圖4所示，圖中將各機組的綜合供電煤耗折合成供電成本。

圖4 綜合節(jié)能減排評價界面

5 結束語

筆者同時考慮火電機組運行的供電煤耗和SO2、NOx污染物排放水平，提出了綜合供電煤耗來評價火電機組節(jié)能減排能力。利用該指標對天津地區(qū)不同電廠的4臺機組進行評價和比較，結果表明綜合供電煤耗可以為電網(wǎng)調度決策提供科學依據(jù)?；谠撛u價方法開發(fā)子模塊，并應用于天津電網(wǎng)的脫硫脫硝數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，實現(xiàn)對天津地區(qū)并網(wǎng)機組的考核評價。

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