史宣平， 劉金芳， 何磊， 房媛， 李煜

（東方電氣集團(tuán)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(xí)近平提出中國“雙碳” 目標(biāo)： 中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值， 努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。

2019 年中國能源系統(tǒng)碳排放量約98 億噸， 占全社會碳排放量的87%。 而能源活動領(lǐng)域中能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換占其排放的47%； 能源轉(zhuǎn)換裝置中2020 年全口徑發(fā)電裝機容量為22 億千瓦， 燃煤裝機以56.59%的絕對優(yōu)勢碾壓其他電源， 存量上燃煤機組仍占據(jù)主導(dǎo)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(zhuǎn)換過程中碳排放的最大來源； 因此 “雙碳” 目標(biāo)的達(dá)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(fā)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(jìn)行分析和試算， 對燃煤300～1 000 MW 級電網(wǎng)主力機組排放現(xiàn)狀進(jìn)行分析， 以期對燃煤機組在碳排放控制應(yīng)對方面提供一些參考。

2 碳排放配額

國家發(fā)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(jìn)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(zhǔn)值， t/MWh； Fl為機組冷卻方式修正系數(shù)； Fr為機組供熱量修正系數(shù)； Ff為機組負(fù)荷（出力）修正系數(shù)。

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(fā)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(zhǔn)值， 目前其規(guī)定見表1。

表1 2019-2020 年各類別機組碳排放基準(zhǔn)值

由表1 可見機組所屬類別的供電基準(zhǔn)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(guī)定中并未對300 MW 等級機組功率具體上下限進(jìn)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(guān)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(guī)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(shù)和外部邊界條件下機組效率差在1.5%以內(nèi)， 單純從每MWh 供電獲得更多機組供電CO2配額量角度出發(fā)， 機組功率優(yōu)選300 MW 及以下。

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

（3）Fl為機組冷卻方式修正系數(shù)， 如凝汽器冷卻方式為水冷則機組冷卻方式修正系數(shù)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(xì)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(shù)， 公式定義為：

式中： k 為機組供熱比； 當(dāng) 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(yīng)越小，對應(yīng)供電部分碳配額也減少， 但供熱部分碳配額會相應(yīng)增加； 因缺乏真實數(shù)據(jù)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(jié)論； 但目前電網(wǎng)機組普遍負(fù)荷不足，積極尋求對外供熱應(yīng)是機組生存的主要辦法之一。

（5）《常規(guī)燃煤發(fā)電機組單位產(chǎn)品能源消耗限額》（GB 2158-2017）， 常規(guī)燃煤純凝發(fā)電機組負(fù)荷（出力） 系數(shù)修正系數(shù)Ff按表2 選取， 其他類別機組 Ff為 1。

由表2 規(guī)定可知：

表2 常規(guī)燃煤純凝發(fā)電機組負(fù)荷（出力）系數(shù)對應(yīng)修正系數(shù)，F(xiàn)f

Ff僅以純凝、 非純凝來區(qū)分機組類別， 非純凝機組統(tǒng)一按Ff=1 選取， 未再細(xì)分考慮實際供熱量、 發(fā)電量多少這些因素影響。

常規(guī)燃煤純凝發(fā)電機組負(fù)荷（出力）系數(shù)修正系數(shù)Ff按表2 公式計算，依據(jù)表2 規(guī)定對不同機組負(fù)荷（出力）系數(shù)F 對應(yīng)修正系數(shù)Ff計算，見表3。

表3 不同機組負(fù)荷（出力）系數(shù)F 對應(yīng)修正系數(shù)Ff 計算匯總表

由表 3 可見： Ff值為 1.00～1.26。

公式對負(fù)荷系數(shù)在85%以上均取1， 認(rèn)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(fù)荷機組寬負(fù)荷高效， 否則碳排放配額將不足。

目前機組以≤75%負(fù)荷系數(shù)居多， 這些機組應(yīng)力爭提升低負(fù)荷時效率， 使低負(fù)荷效率降低盡量少， 則可獲得更多的差值收益。 負(fù)荷越低對應(yīng)每MWh 碳排放配額值越大， 與機組負(fù)荷降低效率變差一致； 可使深度調(diào)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(shù)與目前機組經(jīng)濟(jì)性水平差值相當(dāng)； 50%時機組效率降低在4%以內(nèi)， 此時Ff的取值 1.093 相對較大， 同時 50%以下Ff的取值負(fù)荷越低越大， 對調(diào)峰機組碳排放配額進(jìn)行補償， 可提高機組參與低負(fù)荷深度調(diào)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(zhǔn)值， t/GJ； 具體值見表1， 對燃煤機組Bh=0.126， 不作細(xì)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(jìn)行碳排放配額計算， 年運行8 000 h；計算取值和結(jié)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(fù)荷）系數(shù)分別為 0.2、 0.5、 0.875時該機組年CO2排放配額A 對應(yīng)約為100.6 萬噸、230 萬噸、 368.3 萬噸 CO2， 每 MWh 供電對應(yīng) CO2排放配額分別為 1.049 t、 0.959 t、 0.877 t CO2； 可見機組負(fù)荷率在36%時基本上與 “1 度電對應(yīng)1 kg 二氧化碳排放配額” 說法一致， 負(fù)荷率越高則相應(yīng)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(shù) 2.75 倍計算，機組出力（負(fù)荷）系數(shù)為 0.200、 0.500、 0.875 時， 其對應(yīng)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(chǔ)數(shù)據(jù)匯編》 每燃燒一噸標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6 t計算，機組出力（負(fù)荷）系數(shù)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(jié)合目前國內(nèi)同類機組運行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)看，目前絕大多數(shù)機組的碳排放配額還基本夠用， 但經(jīng)濟(jì)性偏離設(shè)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(jié)能提效、 升級轉(zhuǎn)型。

空冷機組相對濕冷機組在機組冷卻方式修正系數(shù)FL時考慮了5%增加量， 同比經(jīng)濟(jì)性、 廠用電率的影響量大體相當(dāng)， 因此600 MW 空冷純凝機組碳排放空額也應(yīng)夠用， 同樣經(jīng)濟(jì)性偏離設(shè)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(jié)能提效、 升級轉(zhuǎn)型。

300 MW 等級機組所屬類別的供電基準(zhǔn)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(nèi)， 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(yīng)比600 MW 機組能更易滿足公式計算碳排放配額。

經(jīng)濟(jì)性優(yōu)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(jié)能， 其更能滿足公式計算碳排放配額。

綜上， 除經(jīng)濟(jì)性與設(shè)計值偏差較大的亞臨界600 MW 機組外， 電網(wǎng)主力 300 MW 級、 600 MW級和1 000 MW 級燃煤機組絕大多數(shù)目前均能滿足碳排放配額， 壓力暫時都應(yīng)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(shè)計較粗放， 主要因子設(shè)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(fā)進(jìn)行機組節(jié)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(jié)約的碳排放指標(biāo)可變成企業(yè)實實在在的價值收益， 這樣可提高企業(yè)投資高效新機或存量機組節(jié)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(fā)電機組負(fù)荷（出力）系數(shù)修正系數(shù)Ff差異化設(shè)計， 使不同機組短期內(nèi)可滿足碳排放配額。 高效率機組去帶高負(fù)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(fā)電收益； 低效率機組去帶低負(fù)荷， 積極參與調(diào)峰， 補償性設(shè)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(diào)峰補償， 機組收益也有一定保障； 這樣既滿足電網(wǎng)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(jié)能提效、 升級轉(zhuǎn)型， 不至于立刻無法生存。

現(xiàn)在碳配額計算公式設(shè)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(xù)碳價持續(xù)升高， 分布式能源建設(shè)推進(jìn)， 區(qū)域電源點燃煤機組建設(shè)高效300 MW 級機組值得關(guān)注。

國家 2014 年 9 月， 發(fā)改委、 環(huán)保部、 能源局三部委印發(fā)的2014【2093】《燃煤節(jié)能減排升級與改造行動計劃》 的目標(biāo)要求： 到2020 年， 現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310 g/kWh， 其中現(xiàn)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(xiàn)役燃煤機組面臨的供電煤耗壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳排放配額壓力。

2021 年8 月31 日國家能源局發(fā)布貫徹落實中央生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和， 研究出臺 《能源碳達(dá)峰實施方案》， 細(xì)化能源領(lǐng)域落實舉措和配套政策， 要求在2021 年12 月完成。 細(xì)化后機組每MWh 供電量給予的碳配額應(yīng)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(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)， 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(xù)應(yīng)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(biāo)同時逼迫機組去實施節(jié)能提效、 升級轉(zhuǎn)型， 降低機組的實際碳排放。

推測配額公式最有可能調(diào)整因子有：

機組所屬類別的供電基準(zhǔn)值Be， 加大小功率機組系數(shù)， 鼓勵小型高效、 熱電冷多聯(lián)產(chǎn)的分布式能源建設(shè)配套燃煤機組。

機組冷卻方式修正系數(shù)Fl， 加大空冷機組系數(shù)，鼓勵節(jié)約水資源、北方坑口燃煤聯(lián)產(chǎn)空冷機組。

機組供熱量修正系數(shù)Fr， 加大 Fr， 鼓勵機組熱電聯(lián)產(chǎn)。

機組負(fù)荷（出力）系數(shù)修正系數(shù)Ff， 繼續(xù)拉大高負(fù)荷和低負(fù)荷差值， 鼓勵機組追求高效靈活和參與電網(wǎng)深度調(diào)峰； 同時整體減小修正系數(shù)， 使總配額減少， 逐步實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和。

機組所屬類別的供熱基準(zhǔn)值Bh， 加大Bh， 鼓勵機組熱電聯(lián)產(chǎn)。

4 小結(jié)

“雙碳” 目標(biāo)的達(dá)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(fā)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(jìn)行分析和假設(shè)計算， 除經(jīng)濟(jì)性偏離設(shè)計值較大的亞臨界600 MW 機組外， 其余電網(wǎng)現(xiàn)役主力燃煤機組的碳排放配額目前應(yīng)暫時夠用、 壓力相對較小； 2021 年12 月前， 國家能源局將完成細(xì)化能源領(lǐng)域 “雙碳”目標(biāo)的落實舉措和配套政策， 應(yīng)會調(diào)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(jié)能提效、 升級轉(zhuǎn)型； 功率分界點（300 MW 等級及以下） 的常規(guī)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(guān)注； 負(fù)荷（出力）系數(shù)修正系數(shù)設(shè)計要求電網(wǎng)高負(fù)荷機組須高效、 鼓勵所有機組積極參與調(diào)峰。