“双碳”目标下燃煤机组碳排放配额浅析

史宣平， 刘金芳， 何磊， 房媛， 李煜

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

1 前言

2020 年9 月22 日， 国家主席习近平提出中国“双碳” 目标： 中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值， 努力争取2060 年前实现碳中和。

2019 年中国能源系统碳排放量约98 亿吨， 占全社会碳排放量的87%。 而能源活动领域中能源生产与转换占其排放的47%； 能源转换装置中2020 年全口径发电装机容量为22 亿千瓦， 燃煤装机以56.59%的绝对优势碾压其他电源， 存量上燃煤机组仍占据主导地位。 可见能源消费是碳排放的最大来源， 而燃煤机组又是中国最大能源转换过程中碳排放的最大来源； 因此 “双碳” 目标的达成离不开燃煤机组的碳排放控制。

国家对燃煤机组实行碳排放配额制度， 并发布了碳排放配额分配计算公式， 对机组碳排放实行控制。 本文对配额分配计算公式进行分析和试算， 对燃煤300～1 000 MW 级电网主力机组排放现状进行分析， 以期对燃煤机组在碳排放控制应对方面提供一些参考。

2 碳排放配额

国家发布2019～2020 年燃煤机组的 CO2排放配额分配计算公式，见式（1）。

式中： A 为机组 CO2配额总量， t； Ae为机组供电CO2配额总量， t； Ah为机组供热 CO2配额总量，t。

可见燃煤机组的CO2排放配额由供电、 供热两部分配额组成， 下面对其进行分析。

2.1 机组供电CO2 配额总量

机组供电CO2配额总量计算公式见式（2）。

式中： Qe为机组供电量， MWh； Be为机组所属类别的供电基准值， t/MWh； Fl为机组冷却方式修正系数； Fr为机组供热量修正系数； Ff为机组负荷（出力）修正系数。

Ae由5 个因子组成， 各因子分析如下：

（1）Qe代表机组供电量， 意味着供电量越多，则配额同比越多， 机组为获得更多配额， 需在同等发电量下尽量降低厂用电损耗， 增加供电量。

（2）Be为机组所属类别的供电基准值， 目前其规定见表1。

表1 2019-2020 年各类别机组碳排放基准值

由表1 可见机组所属类别的供电基准值Be主要考虑了功率、 燃料2 个因素。

功率以300 MW 等级为界， 以上值为0.877、以下为0.979， 意味着相同燃料情况下， 300 MW等级附近机组的碳排放配额可能会有0.979/0.877=1.116 倍差异， 但规定中并未对300 MW 等级机组功率具体上下限进行明确， 故在机组选型时需特别注意尽量靠下限， 机组增容时更需重点关注；同时也说明机组在同等条件情况下， 如果机组效率差能少于11%， 碳排放配额300 MW 等级及以下常规燃煤机组单位供电量会获得更多配额。 而目前300 MW、 600 MW 同参数和外部边界条件下机组效率差在1.5%以内， 单纯从每MWh 供电获得更多机组供电CO2配额量角度出发， 机组功率优选300 MW 及以下。

燃料只是考虑了燃煤矸石、 水煤浆等非常规燃煤机组和含燃煤循环硫化床机组差异。

（3）Fl为机组冷却方式修正系数， 如凝汽器冷却方式为水冷则机组冷却方式修正系数为1， 空冷则为1.05。 可知配额公式空冷比湿冷机组增加5%， 但并未对空冷和湿冷具体背压差异作详细说明， 故空冷机组可综合厂用电率、 投资等因素，尽量降低机组背压和厂用电率， 去获得更低的实际碳排放。

（4）Fr为机组供热量修正系数， 公式定义为：

式中： k 为机组供热比； 当 k=0 时为纯凝机组，供热机组是供热量越大， 机组供电量相应越小，对应供电部分碳配额也减少， 但供热部分碳配额会相应增加； 因缺乏真实数据对比计算， 供热是否会增加机组碳配额尚不明确， 降低机组实际碳排放也未有结论； 但目前电网机组普遍负荷不足，积极寻求对外供热应是机组生存的主要办法之一。

（5）《常规燃煤发电机组单位产品能源消耗限额》（GB 2158-2017）， 常规燃煤纯凝发电机组负荷（出力） 系数修正系数Ff按表2 选取， 其他类别机组 Ff为 1。

由表2 规定可知：

表2 常规燃煤纯凝发电机组负荷（出力）系数对应修正系数，Ff

Ff仅以纯凝、 非纯凝来区分机组类别， 非纯凝机组统一按Ff=1 选取， 未再细分考虑实际供热量、 发电量多少这些因素影响。

常规燃煤纯凝发电机组负荷（出力）系数修正系数Ff按表2 公式计算，依据表2 规定对不同机组负荷（出力）系数F 对应修正系数Ff计算，见表3。

表3 不同机组负荷（出力）系数F 对应修正系数Ff 计算汇总表

由表 3 可见： Ff值为 1.00～1.26。

公式对负荷系数在85%以上均取1， 认为效率等同， 机组实际运行效率降低， 能耗增加， 这点计算对机组配额不利， 就要求高负荷机组宽负荷高效， 否则碳排放配额将不足。

目前机组以≤75%负荷系数居多， 这些机组应力争提升低负荷时效率， 使低负荷效率降低尽量少， 则可获得更多的差值收益。 负荷越低对应每MWh 碳排放配额值越大， 与机组负荷降低效率变差一致； 可使深度调峰机组每MWh 可获得更多碳排放配额。

对比100%工况， 75%时修正系数与目前机组经济性水平差值相当； 50%时机组效率降低在4%以内， 此时Ff的取值 1.093 相对较大， 同时 50%以下Ff的取值负荷越低越大， 对调峰机组碳排放配额进行补偿， 可提高机组参与低负荷深度调峰的积极性。

2.2 机组供热CO2 配额总量

机组供热CO2配额总量Ah计算公式见式（4）。

式中： Qh为机组供热量， GJ； Qh与机组供热 CO2配额总量成正比， Qh越大则Ah越大。

Bh为机组所属类别的供热基准值， t/GJ； 具体值见表1， 对燃煤机组Bh=0.126， 不作细分。

2.3 算例

以某纯凝、 湿冷600 MW 燃煤机组为例， 按上述公式进行碳排放配额计算， 年运行8 000 h；计算取值和结果见表4。

表4 某纯凝、 湿冷600 MW 燃煤机组碳配额计算表

由表4 可知：

机组出力（负荷）系数分别为 0.2、 0.5、 0.875时该机组年CO2排放配额A 对应约为100.6 万吨、230 万吨、 368.3 万吨 CO2， 每 MWh 供电对应 CO2排放配额分别为 1.049 t、 0.959 t、 0.877 t CO2； 可见机组负荷率在36%时基本上与 “1 度电对应1 kg 二氧化碳排放配额” 说法一致， 负荷率越高则相应每度电配额减少。

碳燃烧变成CO2， CO2的实际排放重量为碳的2.5～3.0 倍， 若以中位数 2.75 倍计算，机组出力（负荷）系数为 0.200、 0.500、 0.875 时， 其对应机组供电煤耗约为 381 g/kWh、 348 g/kWh、 319 g/kWh；若以国家计委能源所于1999 年出版的 《能源基础数据汇编》 每燃烧一吨标煤排放二氧化碳约2.6 t计算，机组出力（负荷）系数为 0.200、0.500、0.875 时其机组供电煤耗约为403 g/kWh、 369 g/kWh、 337 g/kWh。

结合目前国内同类机组运行经济性指标看，目前绝大多数机组的碳排放配额还基本够用， 但经济性偏离设计值较大的600 MW 亚临界湿冷机组有一定压力， 需尽快实施节能提效、 升级转型。

空冷机组相对湿冷机组在机组冷却方式修正系数FL时考虑了5%增加量， 同比经济性、 厂用电率的影响量大体相当， 因此600 MW 空冷纯凝机组碳排放空额也应够用， 同样经济性偏离设计值较大的亚临界600 MW 空冷纯凝机组也有一定压力， 需尽快实施节能提效、 升级转型。

300 MW 等级机组所属类别的供电基准值Be为600 MW 机组的1.116 倍， 同边界条件下两者效率差一般在1.5%以内， 相比600 MW 机组， 300 MW 等级机组供电量每MWh 实际有多10%左右碳排放配额， 300 MW 机组应比600 MW 机组能更易满足公式计算碳排放配额。

经济性优于600 MW， 故1 000 MW 机组也能满足公式计算碳排放配额。

供热机组比纯凝机组更节能， 其更能满足公式计算碳排放配额。

综上， 除经济性与设计值偏差较大的亚临界600 MW 机组外， 电网主力 300 MW 级、 600 MW级和1 000 MW 级燃煤机组绝大多数目前均能满足碳排放配额， 压力暂时都应不大。

3 探讨

按 “先立后破” 原则， 该配额计算公式是初次提出。 配额公式目前设计较粗放， 主要因子设计相对较少， 仅以公平原则在同等条件下给予每MWh 同等配额， 鼓励电厂自发进行机组节能提效， 降低机组的实际碳排放值， 同时随着中国碳交易市场化， 节约的碳排放指标可变成企业实实在在的价值收益， 这样可提高企业投资高效新机或存量机组节能提效的积极性， 同时也将加快自然淘汰低效能燃煤机组步伐。

通过纯凝发电机组负荷（出力）系数修正系数Ff差异化设计， 使不同机组短期内可满足碳排放配额。 高效率机组去带高负荷， 机组满足相对较低的单位MWh 碳排放配额要求， 同时机组获得高效发电收益； 低效率机组去带低负荷， 积极参与调峰， 补偿性设计Ff使低效机组可获得较多的单位MWh 碳排放配额， 供电量虽少， 但可获得调峰补偿， 机组收益也有一定保障； 这样既满足电网用电需求， 也分别为高效、 低效机组都暂时找到生存之路， 尤其给低效率机组留出一定时间去实施节能提效、 升级转型， 不至于立刻无法生存。

现在碳配额计算公式设计对300 MW 等级及以下机组每MWh 供电量给予的碳配额相对较高，这意味着若后续碳价持续升高， 分布式能源建设推进， 区域电源点燃煤机组建设高效300 MW 级机组值得关注。

国家 2014 年 9 月， 发改委、 环保部、 能源局三部委印发的2014【2093】《燃煤节能减排升级与改造行动计划》 的目标要求： 到2020 年， 现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310 g/kWh， 其中现役600 MW 及以上机组 （除空冷机组外）改造后平均供电煤耗低于300 g/kWh。 可见现役燃煤机组面临的供电煤耗压力远远大于碳排放配额压力。

2021 年8 月31 日国家能源局发布贯彻落实中央生态环境保护督察报告反馈问题方案， 提出了64 项整改措施， 其中明确提出做好能源领域碳达峰碳中和， 研究出台 《能源碳达峰实施方案》， 细化能源领域落实举措和配套政策， 要求在2021 年12 月完成。 细化后机组每MWh 供电量给予的碳配额应会减少， 逐渐与供电煤耗要求同步， 留给电厂时间不会太多。

为最终确保实现 “双碳” 目标， 目前燃煤机组碳排放配额充足情况只是暂时的， 按 “先立后破、 避免运动式减碳” 方针， 机组碳排放配额后续应会与供电煤耗要求滞后一点或逐渐同步降低，从碳排放配额、 供电煤耗两个指标同时逼迫机组去实施节能提效、 升级转型， 降低机组的实际碳排放。

推测配额公式最有可能调整因子有：

机组所属类别的供电基准值Be， 加大小功率机组系数， 鼓励小型高效、 热电冷多联产的分布式能源建设配套燃煤机组。

机组冷却方式修正系数Fl， 加大空冷机组系数，鼓励节约水资源、北方坑口燃煤联产空冷机组。

机组供热量修正系数Fr， 加大 Fr， 鼓励机组热电联产。

机组负荷（出力）系数修正系数Ff， 继续拉大高负荷和低负荷差值， 鼓励机组追求高效灵活和参与电网深度调峰； 同时整体减小修正系数， 使总配额减少， 逐步实现碳达峰碳中和。

机组所属类别的供热基准值Bh， 加大Bh， 鼓励机组热电联产。

4 小结

“双碳” 目标的达成离不开燃煤机组的碳排放控制， 国家对燃煤机组实行碳排放配额制度，并已发布了配额计算公式， 对机组碳排放实行控制。 本文通过对配额计算公式各因子进行分析和假设计算， 除经济性偏离设计值较大的亚临界600 MW 机组外， 其余电网现役主力燃煤机组的碳排放配额目前应暂时够用、 压力相对较小； 2021 年12 月前， 国家能源局将完成细化能源领域 “双碳”目标的落实举措和配套政策， 应会调整配额计算公式， 配额会逐渐降低、 压力渐增， 要求机组尽快实施节能提效、 升级转型； 功率分界点（300 MW 等级及以下） 的常规燃煤机组每MWh 获得的碳排放配额相对较多， 在碳排放配额紧张或价高时更值得关注； 负荷（出力）系数修正系数设计要求电网高负荷机组须高效、 鼓励所有机组积极参与调峰。