保定市电力行业碳排放计量与预测

徐杰

（1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206；2.河北大学 管理学院，河北 保定 071002）

众所周知，化石燃料的使用是导致全球气温上升的主要原因.中国是全球最主要的温室气体排放国之一.为了应对气候的不断变化，实现经济可持续发展，中国就确定了国内生产总值碳排放水平到2020年比2005年减少40%～45%的目标，在“十二五规划纲要”中进一步提出，到2015 年能源和碳排放强度要比2010年分别减少16%和17%.同时提出了“探索建立低碳产品标准、标识和认证制度，建立完善温室气体排放统计核算制度，逐步建立碳排放交易市场.推进低碳试点示范”等工作内容及要求.

保定市作为首批“中国低碳城市发展项目”2 个试点城市中的1 个，也是中国低碳试点城市之一，创建低碳城市十佳之一.电力部门是国民经济中最大的CO2排放部门，其排放量占全国化石能源利用碳排放的比例高达38.76%［1］.其中又以火电中的燃煤发电最为主要.保定市亦是如此，市区内有2座热电厂进行供电供热，是碳排放的主要贡献者.因此，对保定市发电侧的碳排放进行计量分析并对未来几年的碳排放进行预测研究，一方面可以核算出热电厂直接排放的CO2量，另一方面可预测其对市区环境和空气质量的影响，找到节能减排的路径，因为电力行业的CO2减排对于实现2020年CO2下降目标有非常重要的意义.

1 燃煤电厂碳排放计量模型

电力生产过程会排出大量的CO2.燃煤发电厂排放的CO2主要来源于煤炭的燃烧，因此电厂利用的燃料类型决定了CO2的排放系数和排放量.本文构建的燃煤电厂碳排放的计量模型为

式中，MCO2为电厂排出的CO2总量；M′CO2为发电（供热）产生的CO2量；M″CO2为脱硫产生的CO2总量.

1.1 燃煤电厂发电（供热）环节的CO2 排放量

1.1.1 燃煤电厂消耗的碳总量计算

设P 为燃煤电厂每年的发电总量，B 为发电消耗的煤炭量，H 为供热量，G 为发热用煤量，按照发电效率和发热效率就可以折算每度电的标准煤耗率和每千焦热量的标准煤耗率.煤炭中碳的含量只是各种元素的一部分，通过对工业元素的分析，均以收到基为基准.在计算其碳含量时必须除去煤中所含的全水分、挥发分、灰分、硫元素等以后才得出碳元素的含量.但因为氢、氮、氧等元素含量都较低，为分析简便可以忽略其影响，得出公式如下［2］：

式中，wCar—煤中碳的质量分数（收到基）；wMar—煤中水分的质量分数（收到基）；wAar—煤中灰质量分数的百

分数（收到基）；wVar—挥发分的百分数（收到基）；wS—为煤中的硫质量分数（收到基）.

1.1.2 产生的CO2量

根据燃烧理论，碳的完全燃烧反应式为C＋O2→CO2，即12kg碳将产生质量为44kg的CO2.

1.1.3 修正不完全燃烧热的损失

煤炭在锅炉中燃烧时存在不完全燃烧的热损失［3］.碳元素在锅炉中由于氧化燃烧的不完全，不能完全充分地转换为CO2，有一部分以碳颗粒的形式被烟气带出到炉膛或排入冷灰斗，所以直接按照机组耗用碳元素的量计算出的CO2排放量存在一定的不准确性，在实际计量中应去除这部分.

首先计算炉灰中未燃尽的碳总量.

煤中理论含灰量应为

式中，MA为煤中灰的理论总含量；mAar为煤中灰分的质量分数.

根据灰平衡理论可知：飞灰和灰渣中的灰量之和等于进入炉膛中燃料的总灰量.根据实际测量的经验数据可知锅炉燃烧后产生的飞灰量占总灰量的90%（Af），产生的灰渣含量占总灰量的10%（Az）.飞灰含碳、灰渣含碳应是纯碳，而飞灰与灰渣量之和应为煤中灰的总含量，即

其中，MAf为飞灰量；MAZ为灰渣量.

飞灰含碳量为

灰渣含碳量为

式中，m1z为灰渣含碳总量；m1f为飞灰中的含碳总量.

灰中的总含碳量为

1.1.4 燃烧中修正后的碳排放总量的计算

根据式（2）和式（7）可得入炉煤量中实际烧掉的碳量mC2为

所产生的CO2质量为

单位电量下CO2的排放量为

电厂供热产生的CO2排放量的计算与发电用煤量产生CO2同理.

1.2 脱硫产生的CO2 的计算

电厂脱硫主要有3种方式：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、烟气脱硫，其中燃烧中脱硫和烟气脱硫是产生CO2排放的主要原因.电厂脱硫的主要过程可以看作将固硫剂中的CO2置换为SO2的过程.本文采用循环流化床锅炉脱硫工艺，该工艺适用于任何含硫量煤种的烟气脱硫，脱硫效率可达到95%以上.

具体的计算公式为

2 保定市电厂近3年的基础数据和碳排放量的计算

2.1 基础数据

保定市区内有2座电厂M 和N，根据调研取得相关技术资料，得到了2008—2010年进行碳排放计量的相关活动数据如表1所示.

表1 热电厂机组用煤参数Tab.1 Coal parameters in power plant unit

2.2 碳排放计量结果

根据上述计量方法，对2008—2010年保定市区2个热电厂的CO2排放情况进行了计量，计算结果如表2和表3所示.

表2 2008—2010发电（发热）和脱硫产生的CO2 计算表Tab.2 Calculation table of CO2in generation（heat）and desulfurization in 2008—2010

表3 2008—2010年保定市区发电侧CO2 排放量统计表Tab.3 Statistical tables of CO2emissions from power generation side in 2008—2010Baoding

3 碳排放预测模型的建立

通过对预测数据的分析，考虑到各项数据的特点，采用总量人均电量预测法、产值单耗法和总量人均生活用电量法对保定市中长期电力负荷进行预测.根据预测结果和相应的电力碳排放计算公式得到2010—2020年保定市的预测碳排放量.

表4 保定市电力负荷预测原始数据Tab.4 Original data of electrical load forecasting in Baoding

续表4Continue tab.4

3.1 综合产值单耗法

计算公式为

式中，K—用电量，kWh；a—GDP产值，万元；g—GDP单耗电量，kWh／万元.

3.2 人均用电量法

通过对保定市人均用电量2001—2009的数据进行分析，可知其增长规律符合线性回归预测模型：

由极值原理，

整理后可得标准方程组

型为

3.3 人均生活用电量预测

通过对保定市2001－2009人均生活用电量数据进行分析，可知其增长符合二次多项式的增长规律，因此建立二次多项式预测模型：

用最小二乘法求解二次多项式的系数，可得标准方程组

将表4的数据代入公式，可得二次多项式预测模型为

3.4 预测结果

通过对保定市历年GDP单耗的分析，从2001—2009年年均降幅约为1.51%，因此在预测时取GDP增幅为10%，GDP单耗降幅为1.5%.在人均用电量法预测中，总电量与人均用电量的关系式为

其中，W 为电力部门碳排放总量，P 为电力负荷，γ 为火电机组比例，β为网损率，E 为发电侧单位电量的碳排放量.设2010—2020 年煤电链碳排放量保持不变，为902.782g CO2当量每kWh［8］，火电机组比例取73.68%，网损率取3.9%，由此得到保定市2010—2020年的电力系统的碳排放量如表5所示.

表5 保定市2010—2020年电力负荷及碳排放预测结果Tab.5 Forecasting results of 2010—2020electric load and carbon emissions in Baoding

4 结论

从上述的计算结果可以看出，保定市区的2个电厂生产单位电能的CO2排放强度略高于全国的平均水平0.82kg／kWh，但是远高于全球与发达国家的平均水平.同时，由于发电机组通常具有较长的服务年限，就使得电力行业具有很强的锁定效应，即在未来相当长的一段时间里行业的CO2排放将被现有的电源结构所“锁定”［4］.尽管如此，电力节能减排仍然大有可为，对电力企业而言，要提高电能生产的清洁度、狠抓每个技术环节以提高能效，降低碳排放.电力企业的能耗主要是发电煤耗，在预测中使用的煤耗指标是目前的水平，随着新型发电技术的应用，每度电的发电煤耗还有很大的下降空间.以A 电厂2010年为例，如果发电煤耗降低1g／kWh，就可以降低CO2的排放量303.484 8kg.由此看来节能减排的潜力是巨大的.从以电力负荷预测得到的2010－2020年的碳排放数据中可以看出，2个电厂的发电能力不能完全满足保定市的用电需求，这就使得我市的碳排放不仅包括直接排放，还包括其他电厂的间接排放.为进一步减少CO2的排放，可从以下几方面入手：

1）大力发展清洁发电技术.传统能源的清洁利用主要包括以超临界、超超临界为代表的高效发电技术，以及增压流化床联合循环、热电联产等等.

2）大力发展CDM 项目，实现低碳技术与资金的引入.

3）从长远看，要调整区域电力战略规划和电源结构，优先发展以水能、风能、太阳能为主的可再生能源发电.逐渐降低火电比例，这对CO2的减排能起到至关重要的作用.

4）实行差别电价制度.对于CO2排放量低的电源给予更优惠的电价，以鼓励使用绿色电力.

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