某燃气分布式能源站环境影响分析

2017-09-04姜东桥孙晓旭孔飞柳玉宾刘洁

综合智慧能源 2017年8期

关键词：环境效益燃煤烟气

姜东桥，孙晓旭，孔飞，柳玉宾，刘洁

(1.中国华电集团佛山能源有限公司，广东佛山 528000；2.中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京 100070)

某燃气分布式能源站环境影响分析

姜东桥1，孙晓旭2，孔飞2，柳玉宾2，刘洁2

(1.中国华电集团佛山能源有限公司，广东佛山 528000；2.中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京 100070)

以上海某工业园区的分布式能源站改造项目为例，研究了分布式能源系统污染物排放量的变化趋势，依据分布式能源系统的环境效益评估新模型，分析分布式能源站与传统燃煤电站的环境效益及环境成本。研究结果表明，相对传统电站，分布式能源系统的环保指标显著提高，环境成本仅为同等负荷燃煤电厂的1/13。通过定量分析分布式能源系统的环境效益，一方面为分布式能源系统的控制系统优化提供环境影响数据，另一方面也为分布式能源的发展提供数据支持。

分布式能源；燃煤电厂；环境效益；环境评价；成本核算

0 引言

分布式能源DES(distributed energy system)是指分布在用户端的能源综合利用系统，以天然气或可再生能源作为主要驱动能源，以冷、热、电联供技术为基础，实现直接满足用户多种需求的能源梯级利用，是以高效、清洁、灵活为特点的供能系统[1-2]。

天然气分布式能源系统在我国已经进入高速发展阶段。2011年国家发改委、财政部、住建部和国家能源局联合发布发改能源〔2011〕2196号《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，提出发展天然气分布式能源的指导思想，即以提高能源综合利用效率为首要目标，以实现节能减排任务为工作抓手，重点在能源负荷中心建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统。

多份研究报告称，分布式能源系统具有良好的经济效益、技术效益、社会效益以及环境效益。其中，技术指标和经济指标是投资人最为关注的指标，对比之下国内针对分布式能源系统环境效益的定量分析较少。环境效益评估不充分造成分布式能源系统的环境影响评价数据模糊，导致清洁能源与非清洁能源的不均衡发展，不利于分布式能源系统在国内的进一步推广。

本文基于上海某工业园区的分布式能源站，对分布式能源系统的环境效益进行量化分析，目的是通过分析分布式能源站的环境效应，提高广大电力工作者对分布式能源系统环保优越性的认可，推动我国分布式能源系统的发展。

1 研究对象概况

上海华电某工业区燃气热、电、冷三联供改造项目涵盖了发电、制冷、供热3种供能单元，属于典型的区域型燃气分布式能源系统。该项目具有负荷变化大、运行方式复杂、机组耦合性强、边界条件多等特点。

该工业区分布式能源站发电负荷为100 MW。一期建设有2套LM6000PF燃气-蒸汽联合循环供热机组。该能源站除去向本园区企业供电之后，还要负责向周围24家企业提供冷、热负荷，且高峰期热负荷可达71.8 t/h。

天然气燃烧后产生高温烟气推动燃气轮机做功发电，燃气轮机的排气送入余热锅炉产生水蒸气，余热锅炉的主蒸汽(次高压)进入汽轮机中做功，汽轮机抽汽用于供热，主蒸汽通过减温减压器补充供热。余热锅炉出来的低压蒸汽用于补入汽轮机做功、溴化锂机组的驱动蒸汽(夏季)、换热机组的热源(冬季)，满足空调冷、热负荷需求，达到“温度对口、梯级利用”目的，进一步提高联合循环机组的出力和效率。系统工艺流程如图1所示。

该工程以天然气为燃料，在系统运行过程中除产生较少的NOx之外，不产生SO2与烟尘，烟气中主要污染因子为NOx。燃气轮机在燃用天然气时，采用航改型燃气轮机将排放烟气中NOx的质量浓度控制在31 mg/m3，烟气经高度为40 m的烟囱排入大气。该能源站排放标准满足GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，烟气污染物测点的浓度满足GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级要求。该期工程烟气污染物排放状况及排放量见表1。

图1 工业园区工艺流程

项目单位数值烟气排放状况烟气量燃气锅炉m3/h740．2×103尖峰锅炉m3/h61．8×103大气污染物排放状况SO2小时排放量 kg/h—年排放量 t/a—排放质量浓度mg/m3—NOx燃气机组年排放量 t/a126．2排放质量浓度mg/m331．0尖峰锅炉年排放量 t/a2．0排放质量浓度mg/m390．0烟尘排放质量浓度mg/m3<5．0

注：机组年运行小时数暂按5 500 h计，尖峰锅炉年利用小时数按360 h(15 d)计。

2 环保效益分析

2.1 污染物减排量

分布式能源系统实现了能量的梯级利用，使能源有效利用率高达80%以上。同时该工业园区的分布式能源站使用清洁的天然气作为燃料，燃烧后几乎不产生SO2和颗粒物；运行过程中燃气轮机采用低NOx燃烧方式，亦可以有效减少NOx的产生量。

为合理评估分布式能源系统的污染物排放水平，表2给出了上海某分布式能源站以及等负荷某燃煤电厂的污染物排放浓度。从减排量分析，分布式能源系统可以十分显著地降低烟气中的SO2、颗粒物以及NOx含量，相比燃煤电厂三者浓度分别降低了99.98%,99.80%和98.48%，有益于提高分布式能源系统的环保效益。但仅靠分析单一污染物的浓度指标来评判系统的环境效益是不够的。这是因为单一的浓度指标会掩盖污染物之间的差别，必然会导致稀释排放，与目前全球倡导的总量控制思想不符[3]。

表2 污染物减排情况[4-5] mg/m3

2.2 分布式能源系统的环境效益分析

为更深入地表征分布式系统的环境影响，引入排放强度来表征传统发电与分布式发电系统的污染排放数据。排放强度即单位发电量所排放的污染物，常表示为

式中：Ci为排放强度，g/(kW·h)；mi为第i种污染物的排放量，g/h；Wn为机组供电量，kW。

计算不同发电方式的排放强度见表3。分析数据可知，燃煤电厂排放的NOx，SO2与颗粒物都远远高于分布式发电系统，特别是颗粒物的排放强度是分布式系统的360倍。分布式发电系统中各类污染物的排放浓度极低，是一种十分绿色的发电方式，具有很大的发展潜力。

表3 不同发电方式的污染

2.3 环境成本核算

应用环境经济学理论计算我国的电力生产成本模型，也是分布式系统的研究重点之一。一般认为环境成本包括环境控制成本与环境保护成本，环境控制成本即为治理污染而消耗的资源，环境保护成本即为避免污染而消耗的成本。

计算天然气分布式能源站与燃煤电站的环境成本。针对天然气与燃煤发电的具体情况，浙江大学孙可等人基于环境价值标准[6]提出工程环境成本计算公式[7]

式中：C为环境成本，元；Vei为第i项污染物的环境价值，元/kg，常见的污染物类型及相应的环境价值见表4；n为污染物总数；Qi为第i项污染物的排放量，kg；V是为了减排污染物所付出的成本费用，元[8-9]。

表4 发电的环境价值标准[10-12] 元/kg

取值要求：(1)燃煤发电厂与天然气发电厂的装机容量为100MW，年利用小时数为7 000h，即年发电700GW·h；(2)煤炭热值Qnet,ar为18.509 MJ/kg，厂用电率8.5%，电厂效率37.0%；(3)分布式发电的热效率为40%，低温热值取35 MJ/m3，即年耗气量为1.8亿m3。

分布式发电与燃煤发电的环境成本核算见表5。可以看出，分布式发电的环境成本远远低于燃煤发电，其成本仅有燃煤发电的1/13，其环境效益的优势十分显著。

表5 天然气与燃煤电站的环境成本对比元/(kW·h)

3 结论

本文以上海某产业园分布式能源站为依托，定量对比分析了分布式能源站与燃煤电站的环境影响程度，分布式能源站表现出更显著的环境效益。与传统燃煤电站相比，分布式能源站NOx，SO2与颗粒物的排放量大幅度降低；通过计算分布式能源站与传统燃煤电站的排放强度与环境成本等环境评价指标，定量地验证了分布式能源系统可靠的环保效益，为同类工程提供参考，为推动分布式能源系统提供数据依托。目前，尽管我国针对电厂污染物排放制定了严格的国家标准，但针对发电系统的环境问题并未建立起统一的评价标准和评价机制。此外，笔者认为可以定期公布各个地区发电行业污染物的环境成本核算情况，使信息公开透明，以便互相参考。

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[3]钱科军,袁越,石晓丹,等.分布式发电的环境效益分析[J].中国电机工程学报,2008,28(29):11-15.

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[7]孙可.几种类型发电公司环境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(3):23-26.

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