碳排放履约下炼化企业热电机组运行调节优化研究

田 涛

(中石化炼化工程(集团)股份有限公司，北京 100101)

2017年12月18日国家发展改革委员会印发《全国碳排放权交易市场建设方案(发电行业)》，在发电行业(含热电联产，下同)率先启动全国碳排放交易体系，全国碳排放交易体系要求“发电行业年度排放达到26 kt二氧化碳当量(综合能源消费量约10 kt标准煤)及以上的企业或者其他经济组织”作为重点排放单位纳入全国统一碳市场，并要求重点排放单位“按实际排放清缴配额，按年向所在省级、计划单列市应对气候变化主管部门提交与其当年实际碳排放量相等的配额，以完成其减排义务，其富余配额可向市场出售，不足部分需通过市场购买。”炼化企业自备电站一般会消耗大量原煤、石油焦、天然气等能源，多数会达到重点排放单位标准，同时炼化企业自备电站主要满足炼化工艺装置的蒸汽、电需求，其负荷波动较大，经常需要进行生产运行调节以满足要求。长期以来，大量学者开展了炼化企业自备电站运行优化研究：罗向龙等[1]针对大型石化企业蒸汽动力系统特点，通过建立运营优化的混合整数线性规划(MILP)模型优化自备电站的运行参数；张国喜[2]、罗向龙等[3-4]针对石化企业工艺过程对蒸汽和电力不断变化的需要，建立了综合考虑设备启停费用等在内的蒸汽动力系统多周期和多工况的最优化线性规划模型，通过模型求解得到多周期和多工况下的最优运行数据；针对自备电站污染物排放量和碳排放量较大的问题，戴文智等[5-6]研究了环境约束条件下的蒸汽动力系统优化模型。上述研究均是在石化企业工艺装置蒸汽和电力需求一定的条件下，通过建立数学规划模型，求解蒸汽动力系统的最优运行条件。实际上，炼化企业蒸汽动力系统一般首先要满足炼化装置的蒸汽需求，不足或多余电力通过外电网调节，即“以汽定电”；当炼化装置的蒸汽需求变化时，自备电站的运行调节对碳排放量、碳配额量会产生重要影响，尤其随着全国碳排放交易体系的推进，研究碳排放履约条件下炼化企业自备电站运行调节对指导企业完成碳排放履约、降低履约成本具有重要意义。

1 研究方法

从碳排放权交易体系的运行机制看，影响企业履约成本的因素主要是自备电站的碳配额量和碳排放量，企业碳排放的履约成本取决于排放量和配额量比较：当企业实际排放量大于配额量时，需要购买缺口部分配额、完成履约；当配额量大于排放量时，企业则可以卖出部分剩余配额以获利。

1.1 配额分配方法

碳排放交易体系对电力行业的配额分配方法可采用基准线法[7]，其方法如下：

EAt=EAe+EAh

(1)

式中：EAt为配额分配总量，t；EAe为供电配额总量，t；EAh为供热配额总量，t。其中：EAh=供热量×供热基准值；EAe=供电量×排放基准值×冷却方式修正系数×供热量修正系数×燃料热值修正系数。冷却方式修正系数：水冷为1，空冷为1.05；供热量修正系数：燃煤电厂为(1-0.25×供热比)，燃气电厂为(1-0.6×供热比)；燃料热值修正系数：只存在于流化床IGCC机组的情况，其他机组可默认为1，对于流化床IGCC机组，燃料热值低于12.6 MJkg时此系数取1.03，燃料热值高于12.6 MJkg时此系数取1；排放基准值：分为供电基准值和供热基准值，根据压力、机组容量和燃料类型分为11个数值，同时考虑了冷却方式、供热方式、IGCC机组燃料热值的不同。

由上述分配方法可知，自备电站的配额分配总量主要取决于热电机组对外供出的电量和蒸汽量。

1.2 碳排放量

目前，核查企业碳排放量的方法主要按照排放源进行，炼化企业自备电站的碳排放量包括化石燃料燃烧的二氧化碳排放、脱硫过程的二氧化碳排放、企业净购入使用电力产生的二氧化碳排放。其中化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放占企业排放的绝大部分，该排放源通常按照消耗的燃料量和相应的排放因子进行计算，即：

E燃烧=∑ADi×EFi

(2)

式中:E燃烧为化石燃料燃烧的二氧化碳排放量，t；ADi为第i种化石燃料活动水平(以热值表示)，TJ；EFi为第i种燃料的排放因子，tTJ；i为化石燃料的种类编号。

因此，企业实现低成本履约可采用以下措施：一是通过优化能源结构、合理使用清洁低碳能源和节能降耗措施，降低企业碳排放量；二是通过优化发电量和供热量等产品以获取更多的配额。

相比于电力行业的大型热电联产机组，炼化企业热电机组的规模相对较小、机组参数等级较低；而且自备电站的能源结构复杂，燃料品种较多，包括原煤、水煤浆、柴油、天然气、石油焦、渣油等；同时，实际生产中热电联产机组的供热量、供电量等产品的生产负荷会发生变化，其碳排放量和配额量会随之变动。因此，影响企业履约策略和履约成本的因素较复杂[8]。

1.3 热电机组运行调节

炼化企业自备电站将原煤、石油焦、天然气等一次能源转化为蒸汽、电力的过程是在汽轮机中联合生产，主蒸汽进入汽轮机推动叶片做功进行发电，同时压力降低的蒸汽从汽轮机特定位置抽出可以对外供热。

当热电机组的供热抽汽量变化时，汽轮机存在2种理想的调节方式：①保持进汽量恒定，增加汽轮机的中间抽汽量，此时汽轮机低压段蒸汽流量和凝汽量会降低，机组供热比增大，冷端损失降低，碳排放量不变，供电配额降低、供热配额增加；②保持凝汽量恒定，此时需要增加汽轮机进汽量以实现增加抽汽量的调节，增加进汽量意味着汽轮机高压段的蒸汽流量增加，发电量增加，燃料消耗量和碳排放量会增加，供电配额和供热配额均会增加。

由于中间抽汽和电力这两种产品在汽轮机中可以相关转化，分析热电机组不同调节方式对碳排放履约影响，需要建立中间抽汽量和发电量的转化关系，即蒸汽-电转化模型。从汽轮机的实际运行看，汽轮机各级段的微增汽耗率与级段的蒸汽流量有关，汽轮机级段的蒸汽流量偏离额定蒸汽流量越大，其汽耗率会越高，但流量变化不大时，可以近似认为微增汽耗率为常数。本研究忽略汽轮机级段的蒸汽流量对汽耗率影响因素，将汽机的做功能力简化为各段蒸汽流量和汽耗率的关系式，通过收集实际运行的汽轮机在不同工况下的生产数据，采用数学回归方法拟合出各级段的汽耗率等参数，进而用该模型预测汽轮机在变工况下的电功率。其方法如文献[4]所述。通过汽轮机的蒸汽-电转化模型可以计算汽轮机不同中间抽汽量对应的发电量、供热比、燃料消耗量等数据。同时，按照如图1所示的逻辑框架可计算热电机组碳配额履约情况。

图1 热电机组运行调节示意

图2中，由汽轮机的蒸汽-电转化模型计算不同抽汽量时自备电站的燃料消耗量，结合碳盘查过程检测的燃料排放因子可以计算自备电站的碳排放量；同时，根据蒸汽-电转化模型计算的不同抽汽量时的供电量、供热量、供热比等参数，按照配额分配方法即可计算热电机组的碳配额量；通过排放量与配额量的比较可研究供热负荷变化对配额缺口及履约成本的影响。

图2 研究方法逻辑框架

2 实施案例

本研究采用某炼化企业自备电站1号热电装置和2号热电装置的实际生产数据，按照前述方法计算中间抽汽量变化对碳配额履约的影响，相关基准数据如表1所示。1号热电装置设计发电能力为225 MW，包括4台汽轮发电机组(分别记作1号汽机、2号汽机、3号汽机和4号汽机)，其中1～3号汽机为C50单抽供热机组，4号汽机为CC50双抽供热机组。 2号热电装置设计发电能力为200 MW，包括2台汽轮发电机组(分别记作5号汽机、6号汽机)，均为CC100-8.833.81.47双抽机组。

表1 某石化企业热电站某月的运行成本统计

表1中，预测发电量是按照分段汽耗率建立的汽轮机蒸汽-电转化模型计算的发电量，与实际发电量相比，误差在0.18%以内，说明该模型预测精度较好，满足研究需要。

分别保持汽轮机进汽量为1.394 7 Mt或保持凝汽量为0.366 2 Mt不变，选取表2所示的6种低压抽汽量工况，分析恒定进汽量和恒定凝汽量2种调节方式下的1号热电装置和2号热电装置的碳排放和碳履约情况。

汽轮机的汽-电转化模型有其相应的适用范围，为了保证研究结果的可用，表2中抽汽量变化数据均在汽轮机的适用范围内。

表2 不同工况下各汽轮机组的低压抽汽量 th

表2 不同工况下各汽轮机组的低压抽汽量 th

工况1号热电装置2号热电装置1号汽机2号汽机3号汽机4号汽机合计5号汽机6号汽机合计总计172 98 128 76 374 29 50 79 453 290 114 143 85 431 38 77 115 546 3107 131 160 94 492 46 104 150 643 4125 149 178 102 554 54 132 186 740 5142 166 196 111 616 63 159 221 837 6160 184 213 120 677 71 186 257 934

2.1 恒定进汽量

在汽轮机进汽量一定时，中间抽汽量的变化会影响低压段蒸汽流量和凝汽量，增加中间抽汽量会减少冷端损失。本研究将热电机组中间抽汽供热折算为供热量，并考察不同供热量时的碳排放量和碳配额量的变化，结果如图3所示。

图3 恒定进汽量调节方式下供热量对碳排放量和配额量的影响◆—供电配额量； ■—供热配额量； ▲—碳排放量； ●—配额总量。图5同

由图3可以看出：在恒定进汽量调节方式下，随着汽轮机中间抽汽量增加(即供热量增加)，供热配额量会增加，供电配额量会降低，配额总量会增加；同时由于进汽量不变，锅炉燃料消耗不变，此时碳排放量不变。当供热量由1 792 TJ增加到2 875 TJ时，配额总量由376.76 kt增加到434.68 kt，同时配额相比碳排放由缺少31.64 kt变为富余26.26 kt，其排放配额的盈亏平衡点在2 406 TJ，这主要是由于供热量增加使得机组循环效率提高，配额量会相应增加。

图3中供热量增加导致供电配额量降低不仅仅是由供电量减小所致，同时也是由发电的配额基准值减小所致(如图4所示)。

图4 供热比对发电基准值的影响

图4中的发电基准值是热电机组的供电配额量与机组发电量的比值，反映机组不同运行状态下单位发电量可以获取的配额量。由图4可以看出：随着机组供热比增加，发电基准值会降低；当供热比由0.476增加到0.767时，其发电配额基准值由0.746 kg(kW·h)降低至0.623 kg(kW·h)，因此供热比增加将不利于机组获得较多的供电配额，但此时供热获得的配额会增加，其总配额量依然是增加的。因此，在燃料投入一定的情况下，多产汽将有利于降低热电联产机组的碳排放履约成本。

2.2 恒定凝汽量

在保持汽轮机凝汽量不变时，增加中间抽汽量需要提高锅炉产汽量和汽轮机进汽量，此时汽轮机高压段的蒸汽流量增加，发电量会增加，本研究将热电机组中间抽汽供热折算为供热量，并考察其碳配额量及碳排放量的变化，结果如图5所示。

图5 恒定凝汽量调节方式下供热量对碳排放量和配额量的影响

由图5可以看出:在恒定凝汽量调节方式下，随着机组供热量增加，其供热配额量、供电配额量和配额总量均增加，当供热量由1 792 TJ增加到2 875 TJ时，配额总量由355.98 kt增加到502.76 kt；同时，由于燃料量增加，其碳排放量也由381.98 kt增加到486.10 kt，相应地其配额量相比碳排放量由缺少26.99 kt变为富余16.66 kt，其排放配额盈亏平衡点为2 463 TJ。图4中，随着供热量增加，供电配额量增加的主要原因是由于发电量增加，导致其实际发电配额的基准值如同图3的恒定进汽量调节方式一样，也是减小的。因此，通过提高锅炉产汽负荷满足热电机组抽汽量增加的需求时，由于机组供热比增加，对其碳排放履约也是有利的。

2.3 供电配额

由上述分析可知，无论是在恒定进汽量调节方式下还是在恒定凝汽量调节方式下，当机组的供热量增大时，其配额缺口量都会减小，图6对比了两种调节方式对配额缺口量的影响。

图6 不同调节方式对配额缺口量的影响◆—恒定进汽量； ■—恒定凝汽量

图6中，两曲线交点即为基准数据状态点。由图6可以看出：无论是在恒定进汽量调节方式下，还是在恒定凝汽量调节方式下，配额缺口量均随着供热量的增加而减小，直至配额盈余；相比恒定凝汽量调节方式而言，恒定进汽量调节方式下的供热量对配额缺口量的影响更加敏感。为了降低企业履约成本，应该按照两种调节方式中配额缺口量较小的方式进行调节，即：当供热量增大时，按照恒定进汽量调节，热电机组配额缺口量减少更快；当供热量减少时，按照恒定凝汽量调节，热电机组配额缺口量增加更慢。

需要说明的是，图6仅是机组运行调节对碳排放履约成本的影响，实际上热电机组的运行调节对发电量、燃料消耗量、供汽成本等均会有影响，这需要结合热电机组发电发汽成本、自发电与外购电成本比较做出权衡。

3 结 论

(1)碳排放交易体系下，炼化企业自备电站的碳排放履约成本取决于排放量和配额量比较：当自备电站的实际排放量大于配额量时，需要购买缺口部分配额；反之，则可以卖出部分剩余配额以获利。

(2)通过建立汽轮机分段汽耗率的汽-电转化模型，可以预测热电机组6种低压抽汽量工况下的运行数据，并结合碳配额量和碳排放量的计算为企业完成碳履约提供决策支持。

(3)当热电机组的中间抽汽量增加时，汽轮机存在2种理想的调节方式：一是保持进汽量恒定，此时，机组供热比增大，发电量降低，供电配额降低、供热配额增加；二是保持凝汽量恒定，此时，需要增加汽轮机进汽量以实现增加抽汽量的调节，汽轮机的发电量增加，燃料消耗量和碳排放量会增加，供电配额和供热配额均会增加。

(4)无论在恒定进汽量调节方式下，还是在恒定凝汽量调节方式下，热电机组的配额缺口量均随着供热量的增加而减小，直至配额盈余；为降低企业履约成本，应该按照2种调节方式中配额缺口量较小的方式进行调节。