特高压输电工程大气环境效益分析

姜雨泽，安久涛，洪景娥，赵汝祥，李方伟

特高压输电工程大气环境效益分析

姜雨泽1，安久涛2，洪景娥3，赵汝祥3，李方伟1

（1．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博250049；3.国网技术学院，济南250002）

特高压输电是我国消纳清洁能源，降低化石能源消费比重，控制温室气体排放的关键环节，也是治理中东部地区大气污染的重要举措，被列入国家大气污染防治计划。为量化评估特高压输电工程的环境效益，基于火力发电各污染物及其排放、传输特性分析，提出了大气污染物和温室气体减排效益的评估方法。烟尘、SO2、NOx是局部区域性污染物，其减排效益可以只计算受端区域的减排量。重金属汞的减排效益，只计算单质汞Hg0的减排量。单质汞和温室气体CO2是全局性污染物，其减排量等于特高压工程所输送的电力在受端生产和送端生产的排放量之差。受端区域CO2排放因子可依据CDM约定，采用电量边际排放因子OM和容量边际排放因子BM加权计算。送端区域排放因子依据上网电量中火电所占比例和送端区域火电机组基准线排放因子计算。给出前述各环境因子的减排量计算公式。计算了锡盟—山东1 000 kV特高压交流输电工程的环境改善效益，可以使山东区域减排烟尘3 156 t/a，SO213 413 t/a，NOx19 331 t/a，全国减排CO2905万t/a。

特高压输电工程；环境效益；大气污染物减排；温室气体减排；评估方法

0　引言

中国的能源需求与资源禀赋呈逆向分布，用电负荷约有2/3位于东部沿海和京广铁路以东的经济发达地区。而资源分布远离负荷中心，用于发电的煤炭资源有2/3左右分布在西北部的“三西”（山西、内蒙西部、陕西）和新疆，“三西”煤炭基地距离华中、华东负荷中心800～3 000 km。可开发的水电资源约有2/3分布在西南部的四川、云南、西藏三省区，距离华中、华东负荷中心1 500～2 500 km［1］。陆地风能与太阳能资源主要在西北部。这一基本国情决定了中国必须采用特高压输电工程进行远距离、大规模输电。而且，电力流向的基本格局必然是“西电东送”、“北电南送”。

我国电力生产以煤电为主，燃煤发电量占总发电量的70%以上，特高压远距离跨区输电使受端区域电力需求得到满足却不产生大气污染物，大气环境质量得到保护。把送端区域不能消纳的水电、风电、太阳能发电等输送到中东部负荷中心替代火电，因而具有大气环境改善效益。即便是输送火电，西部煤炭基地新建的大容量高参数火电机组，煤耗低于受端火力发电煤耗，也具有大气污染物和温室气体减排效益。

国家主席习近平在巴黎大会上提出，将于2030年左右使中国二氧化碳排放达到峰值，并争取尽早实现。2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右［2］。大规模清洁能源的利用必须以特高压输电为依托。2013年9月国务院提出《大气污染防治行动计划》，把“四交四直”特高压输电工程纳入其中，特高压输电还是大气污染防治的重要措施。一项特高压输电工程究竟具有多大的温室气体、大气污染物减排效益，能对国家排放控制目标的实现具有多大的贡献应该评估清楚。目前，虽然对特高压输电的环境改善效益有定性共识，已有文献提到特高压输电的环境效益［3-6］，但是，未见如何量化计算特高压输电工程环境效益的文献报道。开展特高压输电工程的环境效益量化评估方法研究十分必要。

1　　烟尘、SO2、NOx改善效益评估方法

燃煤烟气中的烟尘、SO2、NOx、重金属汞和温室气体CO2等对环境的作用、属性、扩散范围不同，对环境的影响不同，特高压输电的环境改善效益计算评估方法自然也不同。

烟尘是固体颗粒物，在重力作用下烟气中的大颗粒烟尘会很快降落地面。细微颗粒随气流扩散，最终作为雨滴的成核物质，或被雨滴捕获重新降落到地面；SO2、NOx是气态物质，经烟囱排放后扩散到大气中，经过扩散、迁移、化学转化、干、湿沉积等过程，最后以酸雨（含酸根离子降水）形态复归地面［7］。

燃煤排放的烟尘、SO2、NOx其影响和扩散范围是局部区域性的，其两大呈现形式是酸雨（酸性降水）和雾霾。环保部发布的2014年《中国环境状况公报》数据显示，全国470个城市（区、县）酸雨城市比例为29.8%，酸雨频率平均为17.4%。2014年全国降水pH年均值等值线分布如图1所示［8］。环保部发布的数据资料表明，酸雨污染是分散的、局部区域性的。雾霾的范围小于酸雨区，多发生在城市，是范围更小的区域性污染。

图1　2014年全国降水pH年均值等值线分布

特高压输电的送端和受端相距数百到二千多公里，而烟尘、SO2、NOx的扩散和影响范围是局部区域性的，所以送端和受端区域的大气污染物互不影响，大气环境是相互独立的，特高压输电对送端区域和受端区域大气质量的影响应该分别评估。

特高压输电的送端往往是大型能源基地，采用大型发电机组。即便是输送火电，高参数大容量燃煤机组的煤耗明显低于中小机组，并且可以采取超低排放措施对燃煤烟气进行集中净化处理，可以大大降低污染物的排放因子。在环境容量容许的条件下，不会对送端区域造成环境危害。因此，评估特高压输电工程大气环境质量因子烟尘、SO2、NOx的改善效益可以只针对受端区域。

受端区域大气污染物烟尘、SO2、NOx的减排量等于受端区域生产从特高压线路所接受的电量会排放的污染物量，计算公式

式中：PER为污染物减排量，t；Ain为受端区域从特高输电压线路输入电量，万kWh；Pef为受端区域发电污染物排放因子，即单位发电量产生的污染物数量，g/kWh。

对于烟尘

对于SO2

对于NOx

2　重金属汞改善效益评估方法

汞是最具毒害性的重金属元素，具有挥发性高、化学性质稳定的特点，在自然环境中不易分解。单质汞可在大气中停留1年以上，能随着气流长距离输送而形成全球性的汞污染，是目前全球极为关注的大气污染物。在煤燃烧过程中汞与其他微量元素不同，有其独特的物理化学行为，迁移转化过程十分复杂。在炉膛内的高温下（800℃以上）几乎所有煤中的汞都转变成单质汞Hg0，而后，在烟气流经各受热面而不断降温的过程中，烟气中的汞会经历一系列物理和化学变化：有部分Hg0一直保持元素汞状态；有一部分Hg0与烟气中其他成分发生反应，主要是氯化反应，形成Hg2+的化合物；也有部分Hg0和Hg2+被飞灰吸附或凝结在飞灰颗粒表面上，形成了颗粒态的汞（Hgp）。因此，烟气中的汞总共有3种形态，气态的单质汞Hg0、Hg2+和颗粒态汞Hgp，三者之和总称为总汞（HgT）。烟气中汞的含量及其形态分布与煤的成分、烟气成分、飞灰及其组成、烟气降温过程等有关，变化范围很大。通常烟气中汞的含量为3～70 μg/m3，气相汞约占70%以上，Hg0比例范围约占气相汞的6%～85%，Hg2+占气相汞的15%～94%［9］。

烟气中的Hg2+易溶于水，容易被湿法脱硫装置WFGD高效脱除，在目前要求超低排放的形势下，几乎所有燃煤电厂都配备WFGD，烟气中的Hg2+被脱除进入脱硫废水中。因此，在分析特高压输电大气环境质量影响时对Hg2+可以不予考虑。

烟气中的Hgp可被燃煤电厂配备的除尘设备脱除，在超低排放要求下，燃煤电厂通常要配备3道烟尘净化装置，第一道为静电除尘器或袋式除尘器或电袋复合除尘器，除尘效率99.9%以上。第二道为湿法脱硫装置WFGD，通常有50%～70%的除尘效率。第三道为湿法电除尘，除尘效率80%～90%。经过三重除尘，烟气中的颗粒物99.95%，甚至是99.99%被脱除，烟气中的Hgp随烟尘一起被除尘装置脱除。因此，在分析特高压输电大气环境质量影响时Hgp也不用考虑。

与Hg2+和Hgp不同，烟气中的Hg0不溶于水，又是气态，所以，燃煤电厂配备的除尘、脱硫、脱硝设备对其没有净化作用，如果不采取技术措施将其转化为Hg2+就无法脱除。从烟囱排放后，Hg0扩散范围不局限于送端或受端区域。也就是说，Hg0在受端排放和在送端排放对大气环境的影响是一样的。因此，在分析特高压输电的大气环境效益时，应该比较受端就地发电和送端发电产生的Hg0排放量，Hg0减排量等于两者之差。

式中：PERHg0为Hg0减排量，kg；Aout为送端向特高压输电线路提供的上网电量，万kWh；Pefout，Hg0为送端生产上网电力时Hg0的排放因子，μg/kWh；Pefin，Hg0为受端区域发电Hg0排放因子，μg/kWh。

如果特高压工程输送的是水电、风电或者光伏发电等纯清洁能源发的电，送端Hg0排放因子为0，特高压输电工程的Hg0减排效益等于在受端生产所输入电量会发生的Hg0排放量，即

这里需注意，送端发电量≠受端输入电量，Aout= Ain/（1-ηA），ηA为线损率，公式（5）变形为

从公式（7）可知，只要

特高压输电工程就有汞减排效益。

特高压直流±800 kV输电工程通常设计选择输电距离800～3000km，输电线损率大约3.3%～9.5%［1］，1/（1-ηA）的数值范围为1.034～1.105，可以说，线损使送端区域污染物排放因子增加3.4%～10.5%。只要特高压输送的电力中清洁电所占比例超过10.5%，即便送端和受端火力发电的汞排放因子相同，特高压输电工程也具有汞减排效益。

事实上，送端和受端区域污染物排放因子是不可能相同的。受端区域是中国中东部经济发达地区，火电厂是伴随经济发展逐步建设的，火电机组容量和参数随着建设时序逐步提高，各个规格的机组都有。现在火电厂主力发电机组有300 MW、600 MW 和1 000 MW，还有部分200 MW及以下机组。送端区域是中国经济发展相对落后区域，用电需求少，火电装机容量很小，如果向受端区域输送的是火电，一定要新建机组，新建机组为600 MW超超临界以上大容量、高参数机组，发电煤耗较300 MW以下机组明显降低。根据近年来中国火电大机组指标竞赛统计数据，1 000 MW级别超超临界湿冷机组供电煤耗290.36 g/kWh，600 MW级别超超临界湿冷机组供电煤耗302.2 g/kWh，300 MW级别湿冷机组供电煤耗330.84 g/kWh［10］。1 000 MW超超临界机组供电煤耗比600 MW机组供电煤耗低8.97%，600 MW机组比300 MW机组低8.66%。因此，送端区域的Hg0排放因子低于受端区域的Hg0排放因子。所以，即便特高压输送的是纯火电，也具有Hg0减排效益。

3　温室气体CO2减排效益评估方法

燃煤排放的CO2对环境和人类身体健康没有直接危害，其影响在于温室效应，温室效应是全球性的，因此，CO2无论是在送端排放还是在受端排放，其温室效应影响是相同的。特高压输电工程的碳减排效益计算公式

式中：PERCO2为CO2减排量，t；Pefout，CO2为送端上网电力的CO2排放因子，t/MWh；Pefin，CO2为受端区域发电的CO2排放因子，t/MWh。

如果特高压工程输送的是水电、风电或者光伏发电等纯清洁能源发的电，那么，送端Pefout，CO2为0，特高压输电工程的CO2减排效益等于在受端生产所输入电量会发生的CO2排放量。

关于送端区域CO2排放因子，如果特高压工程输送的电力中含有火电，首先计算火电CO2排放因子，根据上网电量中各容量级别机组发电量所占比例和各容量级别机组CO2排放因子加权计算。各容量级别机组CO2排放因子采用国家发展和改革委员会应对气候变化司发布的 “中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子”数据。送端区域火电CO2排放因子计算计算公式

式中：i为容量级别机组序号；Bi为第i容量级别机组发电量在总上网电量中所占的比例；Peffire，i为第i容量级别机组CO2排放因子。

送端区域CO2排放因子计算公式

式中：Bfire为火力发电在总上网电量中所占的比例。

关于受端区域CO2排放因子，如果有受端区域电网机组发电的CO2排放因子直接统计数据，采纳直接统计数据值。如果没有直接统计数据，可以借鉴清洁发展机制CDM、自愿减排CCER的基准线排放因子数据。国家发展和改革委员会应对气候变化司发布的“中国区域电网的基准线排放因子”中包含电量边际排放因子OM和容量边际排放因子BM。对于受端区域来说，装机容量构成是既定的，理论上应该使用电量边际排放因子OM计算。由于电量边际因子数值较高，计算结果偏高，CDM项目约定风电、太阳能项目的排放因子取0.75 OM+0.25 BM，水电项目排放因子取0.5 OM+0.5 BM。这里可按照CDM项目的约定，按特高压输送电力的类别用OM、BM计算受端区域CO2排放因子。

4　　特高压输电工程减排效益实例计算

锡盟—山东1 000 kV特高压输电线路工程为同塔双回架空输电线路 （局部为两个单回路架设方案），线路路径全长730.9 km，由锡盟站—承德串补站—北京东站（358.4 km）、北京东站—济南站（372.5 km）两段1 000 kV交流特高压输电线路组成，向山东输送功率5 000～6 500 MVA［11］，向山东可输送电量394.52亿kWh/a［12］。

4.1大气污染物烟尘、SO2、NOx减排效益计算

根据山东省火力发电厂2015年环保监督会提供的数据［13］，山东电网电厂2014年烟尘排放因子 Pefdust为0.06～0.30 g/kWh，平均0.08 g/kWh；SO2排放因子PefSO2为0.2～0.81 g/kWh，平均0.34 g/kWh；NOx排放因子PefNOx0.22～1.6g/kWh，平均0.49g/kWh。

锡盟—山东1 000 kV特高压交流输电工程使山东电网区域少排放大气污染物：

重金属汞排放控制刚开始启动监测和治理试点工作，尚未有排放因子统计数据，暂时无法计算。

4.2温室气体CO2减排效益计算

受端区域山东每年获得输入电量Ain=3 945 200 万kWh，送端区域锡盟向特高压线路提供的上网电量Aout=3 997 861.2万kWh。

锡盟能源基地煤电前期开发容量4 492万kW，2020年风电装机容量达到1 284万kW［11］。因此，按照 CDM 约定受端区域 CO2排放因子 Pefin，CO2= 0.75 OM+0.25 BM，山东所在华北区域2014年电量边际因子OM=1.058 t/MWh，容量边际因子BM= 0.541 t/MWh［14］，可以计算出Pefin，CO2=0.928 8 t/MWh。

关于送端区域CO2排放因子，依据火电、风电的可开发容量和最新全国火电机组、风电年利用小时数，计算火电比例，然后再计算火电排放因子和总排放因子。2015年内蒙古火力发电机组利用小时数为4 979 h，风电机组利用小时数1 865 h［15］。火电在总供电量中所占的比例：

锡盟能源基地在建火电机组单机容量600 MW，锡盟所在华北区域电网2015中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子为0.757 0 t/MWh［16］。

锡盟—山东1 000 kV特高压交流输电工程温室气体CO2减排效益，依据式（9）可以计算出：

5　　结语

提出特高压输电工程对大气环境质量因子烟尘、SO2、NOx的改善效益可以只评估受端区域减排量，给出了计算公式。

特高压输电工程对重金属汞排放的影响，提出只评价单质汞Hg0的减排量，不分受端和送端区域，单质汞Hg0整体减排量等于特高压工程所输送电力在受端区域生产和在送端区域生产的排放量之差。

提出特高压输电工程的温室气体减排效益计算方法，温室气体CO2的减排量等于特高压工程所输送电力在受端区域生产和在送端区域生产的排放量之差。受端区域CO2排放因子可依据CDM约定，采用电量边际排放因子OM和容量边际排放因子BM的加权计算。送端区域CO2排放因子，输送清洁能源生产的电力时为0；输送电力含有火电时，首先根据上网电量中各容量级别火电机组发电量所占比例和各容量级别火电机CO2排放因子加权计算火电CO2排放因子，各容量级别机组CO2排放因子采纳国家发展和改革委员会发布的 “中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子”数据。送端区域CO2排放因子为火电在总上网电量中所占的比例与上网火电CO2排放因子之积。

评估锡盟—山东1000kV特高压交流输电工程的环境改善效益，该输电工程投运后，可以使山东区域减排烟尘3 156 t/a，SO213 413 t/a，NOx19 331 t/a。全国减排温室气体905.0万t/a。

［1］ 周浩，丘文千，孙可，等.特高压交直流输电技术［M］.杭州：浙江大学出版社，2014.

［2]新华通讯社.习近平在巴黎气候变化大会上发表讲话［EB/OL］. （2015-11-30）［2016-02-14］.http：//news.ifeng.com/a/20151130/ 46458895_0.shtml.

［3］ 白建华.特高压输电能源经济环境效益巨大［J］.国家电网，2014（6）：29-31.

［4]陈维江.特高压输电是环境友好型技术［N］.中国电力报，2006-09-05（5）.

［5]张超义，姚雷.我国特高压发展再提速全面步入快车道［N］.西南电力报，2014-05-15（1）.

［6］ 张超义.发展特高压输电是治理雾霾的重要举措［EB/OL］（2014-05-14）［2016-02-14］.http：//news.bjx.com.cn/html/ 20140515/510991.shtml.

［7]凌琪.酸雨的形成机制研究进展［J］.安徽建筑工业学院学报：自然科学版，1995，3（1）：55-58.

［8]中华人民共和国环境保护部.2014年中国环境状况公报［R］. 2015.

［9］ 姜雨泽.利用现有烟气污染治理设备脱汞技术研究［R］.国网山东省电力公司电力科学研究院，2012.

［10］杨勇平，杨志平，徐钢，等．中国火力发电能耗状况及展望［J］.中国电机工程学报，2013，33（23）：1-11．

［11］电力规划设计总院，国网北京经济技术研究院，中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，等．锡盟—山东1000千伏特高压交流输变电工程线路工程初步设计［R］．2014．

［12］中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，中国电力工程顾问集团华东电力设计院，国核电力规划设计研究院，等.锡盟—南京1000千伏特高压交流输变电工程节能评估报告［R］．2014．

［13］山东电力研究院.山东省发电企业2014年度环保技术监督工作总结汇编［R］．2015．

［14］国家发展和改革委员会应对气候变化司．2014年中国区域电网基准线排放因子［R］．2015．

［15］国家能源局．2015年6 000 kW及以上电厂发电设备平均利用小时同比增减情况［N］．电信息，2016-02-05（3）．

［16］国家发展和改革委员会应对气候变化司．2015中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子［R］．2016．

Atmospheric Environment Benefit of UHV Transmission Project

JIANG Yuze1，AN Jiutao2，HONG Jing’e3，ZHAO Ruxiang3，LI Fangwei1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.College of Resources and Environment Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 250049，China；3.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）

The ultra-high voltage（UHV）power transmission is the key link of using green power，decreasing the proportion of fossil energy consumption and controlling the emission of greenhouse gas，and it is also an important measure to control air pollution in the mid-east region of China，which has been listed to the national plan for air pollution prevention and control. For making quantitative evaluation on environmental benefits of UHV power transmission project，the assessment method for emission reduction benefits of air pollutants and greenhouse gas has been proposed based on the analysis of emission and transmission characteristics of each pollutant generated during thermal power generation.Smoke，SO2and NOxare regional pollutants，their emission reduction benefits could be only calculated in the receiving end area.Emission reductions of elemental mercury（Hg0）could be only calculated for emission reduction benefits of total Hg.Hg0and greenhouse gas CO2are global pollutants，their emission reduction is the emission difference between the production of the receiving end and the sending end for UHV power transmission.According to the stipulations of CDM，the CO2emission factor of receiving end area could be calculated by adopting the weighting of electric quantity marginal emission factor OM and capacity marginal emission factor BM.Emission factor of sending end area shall be calculated according to the proportion of thermal power in the on-grid power and datum line emission factor of thermal power unit of sending end area.The calculation formula is given to the reduction of environmental factors.Environmental benefit of Ximeng-Shandong 1 000 kV UHV AC transmission project has been calculated.According to the calculated result，after the project，emissions of Shandong province could reduce 3 156 t/a，13 413 t/a and 19 331 t/a for smoke，SO2and NOxemission，respectively.It would make the greenhouse gas CO2emission load reduce 9.05 million t/a for China.

UHV transmission project；environmental benefit；atmospheric pollutant emission reduction；greenhouse gas emission reduction；assessment method

TM722；X511

A

1007-9904（2016）06-0005-05

2016-03-31

姜雨泽（1965），男，教授，从事大气污染治理、温室气体减排、输变电工程电磁环境等科研、技术咨询与服务工作。