基于能源结构调整的能源统计方法探讨

2015-02-18吴智泉张屹山刘明浩安连锁

统计与决策 2015年13期

吴智泉，张屹山，刘明浩，安连锁

(1.吉林大学数量经济研究中心,长春 130021；2.华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定 071003)

0 引言

不同品种的能源之间存在明显的差异。从热力学的角度出发，这些差异主要体现在能源总量和能源品质两个方面。在能源总量方面，单位不同品种能源的发热量不同；在能源品质方面，具有单位热量的不同品种的能源，其做功能力不同。通行的能源统计核算方法通常是不考虑能源的做功能力，而是按照不同品种能源的热值统一折算为标准煤或标准油来进行统计核算的。这种统计核算方法忽略了燃料品质上的差异，必然导致某种程度上的不公正，存在着明显的理论和实践上的缺陷。

实际上，能源利用的本质是能质的利用。也就是说，在能源利用的实际过程中，能的数量并未减少，而能的质量（品质或品位）却降低，也就是热力学价值减少。因此，在能源利用的过程中应最大限度减少能源品质的损失，在能够满足用能要求的前提下，应选取品位低的能源。吴仲华[1]提出“温度对口、梯级利用”的能源高效利用原则；吴智泉等[2]提出基于热力学第二定律的折算标准煤系数，这些都是基于能源品质利用的角度而提出的。在实际的生产与生活中，受能源需求与供应两者匹配结构的限制，能源在利用过程中存在着巨大的能质损失。对区域能源结构进行优化配置，减少能源需求与供应匹配过程中的能质损失，对于提高区域整体能源利用效率具有十分重要的意义。本文将从能质的角度分析区域能源需求与供应的统计核算方法，为区域能源结构优化提供理论基础。

1 能源的“当量电”折算

在各能源品种中，通常认为功和电的能质最高，适宜选取功或者电作为能源品位的量度。江亿院[3]士通过系统讨论当前能源统计核算方法中存在的现实性矛盾和问题，提出了“等效电法”的折算思路，即以高品位的电作为标准，将其它终端能源按一定的折算系数转化为电量。本文同样也选取电量作为能源品质的量度。通过分析各品种能源的物理化学特性和当前的技术水平，从能质的角度将各品种能源折算为“当量电”，以实现对不同品种能源的统计核算。

1.1 矿物燃料

通常采用矿物燃料的燃料火用衡量其做功能力，燃料火用包括物理火用和化学火用。由于在常规的能源动力系统中，矿物燃料通常是采用直接燃烧的方式将燃料的化学能转换成热能(物理火用)，并通过热力循环实现热功之间的转换。因此，根据矿物燃料物理火用的计算方法[4]以及火用与电的换算系数，可得到矿物燃料的理论当量电折算公式为：

式（1）中：Tbum表示矿物燃料的理论燃烧温度；T0表示环境温度，两者均为绝对温度；Q表示矿物燃料的低位发热量，单位kJ；E表示折算的当量电量，单位kWh。

由于矿物燃料在空气中燃烧的最高温度约为2000℃，因此，根据式（1）可知，矿物燃料的实际当量电折算公式应为：

式（2）中，Q表示单位矿物燃料的低位发热量，其中，标准煤、油品和天然气的低位发热量分别为29271kJ/kg、43070kJ/kg与38931kJ/m3；E表示单位矿物燃料的当量电量。

1.2 蒸气

蒸汽属于二次能源，是通过矿物燃料、电能或其它形式的能源转化而得到。所能提供与使用的能量可以用蒸汽的焓表示，做功能力为蒸汽的火用值，可以按照公式（3）计算[5]。根据火用与当量电的折算，单位焓值蒸汽的当量电可按照公式（4）计算。

式中，h''与s''分别表示对应温度或压力下的蒸汽的焓和熵。

1.3 电力与新能源

电力按照1比1的比例折算为当量电。目前绝大多数新能源都通过转换为电力的形式而被利用，例如风能、太阳能和生物质发电等。这些能源的折算按照其生产的电力折算为当量电。

2 区域能源的统计核算

2.1 能源需求的统计核算

能源需求的本质是对能质的需求，因此，只有从能质的角度出发才能实现对区域能源需求量的准确统计。下面将分能源品种讨论区域各行业对不同品种能源的当量电需求量，以期科学合理的统计各行业的能源需求情况。

2.1.1 煤炭

由于行业差异，煤炭在不同行业中的用途和使用环境各异。在石油加工、炼焦和核燃料加工业中，煤炭主要被用做原材料，使用设备以炼焦炉为主；在电力、热力的生产与供应业中，煤炭主要被用于发电和生产蒸汽，使用设备以大型燃煤锅炉为主；在化工行业中，小部分煤炭被用做原材料，大部分煤炭被用做提供热量，使用设备以工业锅炉为主；在其它行业中，煤炭则主要被用做提供热量，使用设备以工业锅炉、供暖锅炉和普通炉为主。针对各行业使用煤炭的实际情况，可按照以下方法统计各行业对煤炭的当量电需求量。

对于电力、热力的生产与供应业，首先统计燃煤电厂所生产的电力和热力，然后将这部分电力和热力折算为当量电，即可得到该行业对煤炭的当量电需求量。

对于石油加工、炼焦和核燃料加工业，由于煤炭被当作原材料，而并不是以能源的形式被消耗，在能源结构调整中将不考虑这部分煤炭的影响。

对于化工行业，被用做原材料的部分煤炭同样也不考虑。而对于用于提供热量的部分煤炭，首先统计这部分煤炭的消耗量，然后根据化工行业使用煤炭的温度和煤炭的燃烬率将这部分煤炭折算为在该使用温度下的当量电，即可得到该行业对煤炭的当量电需求量。其中，煤炭的燃烬率主要受燃烧温度、与空气的接触面积以及过量空气系数的影响，一般对于工业行业，煤炭的燃烬率约为90%，对于居民和工商业，煤炭的燃烬率约为80%。[6]

对于其它行业，煤炭主要以热量的方式被利用，因此根据这些行业使用煤炭的温度、煤炭的燃烬率和煤炭的终端消耗量，运用煤炭当量电折算公式，即可计算出这些行业对煤炭的当量电需求量。

2.1.2 油品

在实际生产中，各行业使用油品主要用于提供动力，通常是驱动内燃机。当前，重型内燃机热效率约为40%，普通内燃机的热效率约为35%，在交通运输业中油品的热效率约为35%，其它行业约为33%。[7]但在电力、热力的生产与供应业中，油品则主要用于发电，使用设备以燃油锅炉和燃煤锅炉为主，该行业对油品的当量电需求量的计算方法可参照该行业对煤炭的当量电需求量的计算方法。由于油品的燃料火用与热量几乎相等，因此，对于其它行业可根据行业使用油品的平均热效率和油品的使用量计算该行业在使用油品过程中所需求的火用量，将电与火用的换算系数折算为当量电，即得到这些行业对油品的当量电需求量。

2.1.3 天然气

天然气与煤炭类似，除少量用于工业原料外，主要通过燃烧的方式提供热量。因此，各行业对天然气的当量电需求量的统计方法与煤炭类似。需要注意的是，由于天然气属于气体燃料，除少部分泄露外，一般都能够充分燃烧，因此天然气的燃烬率通常认为是1。

2.1.4 电力

在电力消耗中，大部分用于提供动力，也有少部分用于提供热量。因此，统计各行业对电力的当量电需求量时，需分两种情况考虑。对于提供动力的部分，当量电需求量即为消耗的电量；对于提供热量的部分，则需要根据热量需求侧的温度计算被有效利用的当量电。

2.1.5 热力

热力全部用于供热，供热过程中的不可逆损失主要取决于传热过程中的温差，因此，可以根据蒸汽的温度和传热温差统计各行业对蒸汽的当量电需求量。

综合上述分析，可根据相应的公式计算各行业对不同品种能源的当量电需求量。再根据当量电的等价性，通过求和的方式即可计算各行业对当量电的需求总量以及整个区域对当量电的需求总量。

2.2 能源供应的统计核算

区域能源供应的统计核算方法相对简单，主要包括以下几个步骤：

（1）统计各行业不同品种能源的实物供应量；

（2）将不同品种能源的实物供应量折算为当量电量；

（3）分行业求和得到各行业的当量电供应量，整体求和得到区域的当量电供应量。

其中，能源实物供应量取决于终端能源消耗量、能源储运损失与能源库存变化量，通常能源库存的变化量较小，尤其是电力和热力，库存几乎一直维持为零，因此，可以近似用各行业的终端能源消耗量与储运损失之和代替能源的实物供应量。

对于区域的能源统计，各行业的终端能源消耗量相对容易统计，而储运损失则难以精确到行业。能源的储运损失是指能源在运输和储存过程中因泄漏、自耗等导致的损失，这部分损失主要取决与能源的储运方式。在同一技术水平下，能源的储运方式主要决定于能源品种，例如电力主要通过电网运输，煤炭主要通过铁路、公路和水路交通运输。因此，可以粗略的以区域内各品种能源的平均储运损失率代替各行业对应能源品种的储运损失率。

3 北京市能源的统计核算

在北京市统计局公布的数据中，拥有完整统计数据的最近年份为2013年，因此，本文以北京市2013年的数据为案例，通过统计核算分行业不同品种能源的需求量和供应量，详细介绍区域能源需求和供应的统计核算方法以及统计核算的具体步骤。

3.1 行业的划分

本文在北京市统计局对社会经济行业划分的基础上，结合不同行业消耗能源的特征将行业整合为表1中的12个行业。

表1 北京市社会经济行业划分

3.2 分行业能源需求与供应统计核算

3.2.1 环境参数

在各品种能源的当量电折算中，首先需要确定环境参数。根据北京市气象局的数据，全年参考温度为12.7℃(285.85K)，环境压力变化甚微，可以近似的看作为标准大气压[8]。将环境参数代入式（1）-式（4），即可得到北京市环境参数下不同品种能源的当量电折算公式。

3.2.2 终端能源统计

首先从北京市统计局获取2013年分行业主要能源的终端消耗量数据，由于行业划分差异，需将获取的初步数据按照表1中的行业划分进行整合。然后根据北京市环境参数下各品种能源的当量电折算公式，计算各行业所消耗主要能源的当量电量，结果见表2。

3.2.3 能源需求统计

根据上述分析可知，在统计各行业对煤炭、天然气和部分电力的当量电需求量时，需已知能源需求侧的温度。鉴于统计各行业不同品种能源需求侧的温度工作量巨大，而且北京市没有相关的统计数据。通过查阅相关文献发现，一些学者针对美国和南非主要行业热力需求的温度平均温度进行了研究，本文参考美国和南非的数据。[9,10]

在统计各行业对电力的当量电需求量时，由于电力不仅提供动力还提供热量，且这两种用能方式的当量电折算存在较大的差异，因此，需统计各行业消耗的电力中用于提供动力和热量的比例。同样，鉴于统计这项数据的工作量巨大，本文参考希腊等国家的数据。[11]

表2 北京市2013年分行业消耗主要能源的当量电量 (单位：亿千瓦时)

综合上述分析，根据各行业需求热量的平均温度、油品的热效率、电力消耗中用于提供动力和提供热量的比例等，计算得到北京市2013年分行业对不同品种能源的当量电需求量见表3。

需要说明的是，在我国无法查找到的数据在欧美和南非等国家却有研究，更加说明我国的能源统计方法和基础工作需要进一步加强。

3.2.4 能源供应统计

上文计算了分行业主要能源的终端消耗量，因此，再确定北京市2013年各品种能源的平均储运损失率即可统计出北京市分行业能源的供应量。根据北京市统计局的数据[8]，2013年各主要品种能源的储运损失率分别为：煤炭，3.15%；油品，4.29%；天然气，5.42%，电力，5.80%；热力，6.36%。

根据表2中的数据以及各主要品种能源的储运损失率计算得到北京市2013年分行业主要能源的供应量见表3。

比较表3中各行业的能源需求和供应数据，可以发现同一行业对同种能源的供应量明显大于需求量，这说明北京市在能源利用过程中存在着巨大的能质损失。同时，从表3中能源需求量占能源供应量的比例来看，不同能源品种之间存在较大的差异，同种能源不同行业之间也存在明显的差异，这说明区域各行业在使用能源时，能源之间不仅存在绝对优势，还存在行业间的比较优势，通过利用这两方面的优势，对区域能源结构进行合理配置，将可以挖掘出大量的节能潜力，实现区域能源的节约利用。

4 结论

能源统计核算是区域能源评价和能源规划的基础条件之一，只有在科学合理的统计能源需求量和供应量的基础上，才能全面评价区域的能源利用现状和能源政策，从而制定出最优的能源规划方案。本文从热力学第二定律的角度出发，提出了基于能源结构调增的能源统计核算方法，该方法在反映能源的“量”和“质”的同时，还结合了当前的技术水平和行业用能特征，使得能源统计核算更贴近实际。同时，通过比较区域各行业对不同品种能源的需求量和供应量，还可以得到各行业在使用不同品种能源过程中的能量损失情况。最后，本文以北京市为例详细介绍了区域能源需求和供应统计核算的具体步骤。案例分析结果表明，能源消耗中被有效利用的比例不仅存在能源品种间的差异，还存在行业间的差异，这为区域能源结构的调整提供了良好的理论基础，通过充分挖掘能源品种之间的绝对优势和行业间的比较优势，优化配置能源的需求与供应结构，可减少能源损失，实现能源节约。