煉化企業(yè)自備電站熱力產(chǎn)品碳排放因子研究

田濤

（中國石化煉化工程有限公司，北京100101）

1 背景介紹

煉化企業(yè)自備電站將原煤、石油焦、干氣等一次能源轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力等二次能源，以滿足煉化工藝裝置生產(chǎn)需要。自備電站在將能源轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力的同時會排放大量CO2。2017年12月19日我國正式啟動全國統(tǒng)一碳排放權(quán)交易市場，并明確將企業(yè)自備電站納入全國統(tǒng)一碳市場之中，核算煉化企業(yè)自備電站能源產(chǎn)品碳排放因子對于企業(yè)對標(biāo)先進(jìn)水平、實施低碳生產(chǎn)運行具有重要意義。自備電站能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)見圖1。

煉化企業(yè)自備電站生產(chǎn)的蒸汽和電力供入煉化工藝裝置使用，為準(zhǔn)確計算煉化裝置能源間接排放量也需要確定企業(yè)自備電站所產(chǎn)蒸汽和電力的排放因子。蔡宇[1]等利用物料平衡方法建立燃煤電廠的碳排放計算模型，并分析了機(jī)組發(fā)電的碳排放率影響因素；吳曉蔚[2]等實測了不同火力發(fā)電機(jī)組的CO2和N2O排放，并對比了IPCC排放因子；上述研究只針對燃煤電廠的CO2排放問題，并未對熱電廠蒸汽和電力這兩種能源產(chǎn)品的碳排放進(jìn)行研究。

圖1 煉化企業(yè)自備電站能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)

一般地，煉化企業(yè)自備電站運行首先要滿足工藝裝置的蒸汽需求，蒸汽需求確定后汽輪機(jī)中間抽汽量隨之確定，機(jī)組發(fā)電量則由汽輪機(jī)內(nèi)部的蒸汽流量自行決定，企業(yè)不足或多余電力可以通過與外電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即“以用定產(chǎn)、以汽定電”。因此相比于以發(fā)電為主的燃煤電廠，煉化企業(yè)自備電站的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽量往往較大（例如，某石化企業(yè)熱電裝置的汽輪機(jī)抽汽量占到進(jìn)汽量的50%左右），而且隨著工藝裝置用汽需求的變化汽輪機(jī)中間抽汽量經(jīng)常出現(xiàn)大范圍波動。不同熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中間抽汽量不同，其中間抽汽的碳排放因子也會出現(xiàn)較大差異，合理確定熱電力聯(lián)產(chǎn)機(jī)組蒸汽的排放因子對企業(yè)實施低碳運行至關(guān)重要。

2014年國家發(fā)改委發(fā)布《中國石油化工生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體核算方法與報告指南》（發(fā)改辦氣候[2014]2920號），對煉化企業(yè)購入熱力的CO2排放因子規(guī)定“熱力供應(yīng)的CO2排放因子應(yīng)優(yōu)先采用供熱單位提供的CO2排放因子，不能提供則按0.11噸CO2/GJ計?！庇捎跓捇髽I(yè)自備電站的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱抽汽量經(jīng)常出現(xiàn)大范圍波動，采用默認(rèn)的固定排放因子計算煉化企業(yè)能源間接排放會帶來較大誤差，因此研究煉化企業(yè)自備電站蒸汽和電力的碳排放因子意義重大。

2 能源產(chǎn)品碳排放因子

由自備電站的CO2排放過程可知，自備電站的CO2排放量與電站運行中使用的原煤量、石油焦等能源數(shù)量密切相關(guān)[1]，而自備電站生產(chǎn)過程則會同時產(chǎn)生蒸汽和電力兩種不同形式的能源品種，因此需要將自備電站的CO2排放總量在兩種能源品種之間進(jìn)行合理分?jǐn)偂Ｄ壳埃P(guān)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（工藝流程見圖2）生產(chǎn)成本和能源消耗量在蒸汽和電之間的分?jǐn)傄汛嬖诙喾N方法，主要包括熱量法、實際焓降法、熱折扣法、加權(quán)法、?分析法等[3]，并且許多學(xué)者對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的分?jǐn)偡椒ㄈ栽谶M(jìn)行廣泛的研究，楊豫森[3]等應(yīng)用熱量法研究了熱電廠的廠用電準(zhǔn)確分?jǐn)?，使計算的供電煤耗成本更加符合實際；葉學(xué)民[5]等在研究現(xiàn)有熱電分?jǐn)偡椒ɑA(chǔ)上，建立了考慮機(jī)組供熱能量中可用能占機(jī)組可用能比例的折合用法，該模型物理意義明確，計算分?jǐn)偙忍幱诤侠韰^(qū)域。

圖2 熱電聯(lián)產(chǎn)過程

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組生產(chǎn)的特殊性，確定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中CO2排放量的熱電分?jǐn)偙龋瑢⒅苯佑绊懙綗崃Ξa(chǎn)品碳排放因子的科學(xué)制定，合理的熱電分?jǐn)偙葢?yīng)能夠較全面地反映熱電聯(lián)產(chǎn)過程中CO2的產(chǎn)生、排放效率。煉化企業(yè)自備電站的CO2排放絕大部分由于使用能源過程造成，因此按照蒸汽和電兩種熱力產(chǎn)品的能量數(shù)量（即熱量分?jǐn)傇瓌t）進(jìn)行CO2排放分?jǐn)偪梢泽w現(xiàn)CO2排放特點。熱量分?jǐn)偡ㄒ彩悄壳拔覈y(tǒng)計熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電標(biāo)煤耗、發(fā)電成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的通用標(biāo)準(zhǔn)方法，應(yīng)用熱量法進(jìn)行CO2排放量分?jǐn)傆欣诮Y(jié)合目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的統(tǒng)計基礎(chǔ)，易于企業(yè)統(tǒng)計人員接受、降低碳排放統(tǒng)計推廣難度。

煉化企業(yè)自備電站的CO2排放量主要來源于鍋爐系統(tǒng)燃用燃料導(dǎo)致，根據(jù)現(xiàn)有CO2排放量計算標(biāo)準(zhǔn)，自備電站的CO2排放量由燃料消耗量和燃料CO2排放因子決定，即：

其中，ET—自備電站的CO2排放總量；Mi—自備電站消耗的i種燃料的數(shù)量；Fi—i種燃料的CO2排放因子。

應(yīng)用熱量法進(jìn)行CO2排放量分?jǐn)倳r，需要計算熱電機(jī)組的供熱比（αr），其含義為汽輪機(jī)組向外供出的熱量與汽輪機(jī)組總熱耗量的比值[7]，即：

其中，Qh—自備電站汽輪機(jī)的總熱耗量，GJ；Qr—自備電站汽輪機(jī)組向外供出的熱量，GJ。

自備電站發(fā)電、供熱總耗熱量與鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐給水焓值相關(guān)，即：

自備電站的供熱耗熱量與供出蒸汽數(shù)量和蒸汽品質(zhì)相關(guān)，即：

自備電站發(fā)電碳排放因子是機(jī)組每發(fā)1 kW·h電產(chǎn)生的CO2平均排放量，其計算式如下：

自備電站供熱碳排放因子是機(jī)組對外每供熱1 t蒸汽所產(chǎn)生的CO2排放量，其計算式如下：

供熱CO2排放量；

發(fā)電CO2排放量：

以上各式中：D—計算期間，汽輪機(jī)主蒸汽消耗總量，t；i0—汽輪機(jī)入口主蒸汽焓，kJ/kg；Wg—計算期間，汽機(jī)高壓加熱器出口給水總量，t；ig—鍋爐給水焓，kJ/kg；Qzh—計算期間，自減溫減壓器供出的熱量，GJ；Dr—計算期間，機(jī)組供熱蒸汽量，t；ir—供熱蒸汽焓，kJ/kg；Wh—供熱回水量，t；ih—回水焓，kJ/kg。

3 應(yīng)用案例

某石化企業(yè)熱電站具有1#裝置和2#裝置，1#裝置包括4臺煤粉鍋爐和4臺抽凝式汽輪機(jī)，2#裝置有3臺CFB鍋爐和2臺雙抽汽輪機(jī)，文章以該自備電站某月份數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用熱量分?jǐn)偡ㄓ嬎阏羝?、電力碳排放因子?/p>

根據(jù)自備電站能源消耗量計算CO2排放量，如表1所示。

由表1可以看出，該熱電站該月份消耗能源折標(biāo)煤14.3萬t，排放CO2合計39.83萬t；其中1#裝置該月消耗能源折標(biāo)煤9.97萬t，排放CO2共27.56萬t，平均排放因子2.76 t CO2/t標(biāo)煤，2#裝置該月消耗能源折標(biāo)煤4.38萬t，排放CO2共12.28萬t，平均排放因子2.80 t CO2/t標(biāo)煤，因此由于能源結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致2套熱電裝置單位能量的CO2排放量出現(xiàn)一定差異。

表1 某石化企業(yè)自備電站碳排放量計算

應(yīng)用熱量分?jǐn)偡ㄓ嬎阏羝㈦娏ε欧乓蜃?，相關(guān)計算見表2，其中1#裝置汽機(jī)進(jìn)熱量2 561.6 TJ，2#裝置汽機(jī)進(jìn)熱量1 144.6 TJ。

由表2可知，該自備電站合計供熱2 030.9 TJ，供熱產(chǎn)生的CO2排放量合計21.83萬t。其中，1#裝置合計供熱156.2萬GJ，供熱CO2排放量為16.81萬t，1#裝置蒸汽的碳排放因子為0.107 6 t CO2/GJ。2#裝置合計供熱46.8萬GJ，供熱CO2排放量為5.02萬t，1#裝置蒸汽的碳排放因子為0.107 3 t CO2/GJ。該結(jié)果與《中國石油化工生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體核算方法與報告指南》（發(fā)改辦氣候[2014]2920號）所規(guī)定的蒸汽排放因子0.11 t CO2/GJ接近，相差不超過2%，因此熱量分?jǐn)偡ㄓ嬎銦犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組的蒸汽排放因子可行，尤其當(dāng)燃料結(jié)構(gòu)有較大差異時，應(yīng)用熱量分?jǐn)偡ㄓ嬎阆啾饶J(rèn)數(shù)據(jù)更接近實際情況。

由熱量分?jǐn)偡ㄓ嬎阍撟詡潆娬景l(fā)電碳排放因子，如表3所示。

表2 某石化企業(yè)自備電站蒸汽排放因子計算

表3中，該自備電站合計發(fā)電量20 537萬kW·h，發(fā)電合計排放CO2供18.00萬t，平均發(fā)電碳排放因子為0.876 5 t CO2/MW·h，其中1#裝置的發(fā)電碳排放因子為0.844 5 t CO2/MW·h，2#裝置的發(fā)電碳排放因子為0.928 7 t CO2/MW·h。同時由于該自備電站外購12 351萬kW·h電網(wǎng)電力，導(dǎo)致其能源間接排放量10.02萬t CO2，電網(wǎng)電力的碳排放因子為0.811 2 t CO2/MW·h，略小于自發(fā)電。

需要指出的是，表3中發(fā)電量折合CO2排放量合計18.00萬t，該電站當(dāng)月廠用電3 526.54萬kW·h，折合CO2排放量3.09萬t。

表3 某石化企業(yè)自備電站發(fā)電排放因子計算

4 應(yīng)用分析

計算熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組蒸汽和電力的碳排放因子可以應(yīng)用熱量法對機(jī)組的碳排放量進(jìn)行分?jǐn)?，通過分?jǐn)偛⒔Y(jié)合機(jī)組的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)可以計算熱力產(chǎn)品的碳排放因子。在計算蒸汽、電力排放因子中，熱量分?jǐn)偡〞⒆詡潆娬镜腃O2直接排放完全分配到蒸汽和電力產(chǎn)品當(dāng)中，自備電站通過對煉化工藝裝置供熱、供電，將自身排放的CO2轉(zhuǎn)移到煉化生產(chǎn)過程，體現(xiàn)了自備電站在煉化企業(yè)生產(chǎn)中的能源轉(zhuǎn)化特點。通過計算蒸汽、電力的碳排放因子不僅可以對比熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組碳排放效率水平，而且可以為煉化工藝裝置的能源間接排放提供計算依據(jù)，避免CO2排放量的重復(fù)計算。

熱量分?jǐn)偡ㄊ悄壳盁犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組分配生產(chǎn)成本、能源消耗等通用標(biāo)準(zhǔn)方法，用來對CO2排放量進(jìn)行分?jǐn)偪梢岳矛F(xiàn)有的供熱比計算結(jié)果、降低計算碳排放因子的工作量。

自備電站的一次能源構(gòu)成和能源利用效率對自產(chǎn)蒸汽和電力的碳排放因子影響較大，高碳能源的排放因子較高，產(chǎn)生的CO2排放量較大，相應(yīng)產(chǎn)出的蒸汽、電力的碳排放因子會較高。自備電站能源利用效率的高低不僅取決于一次能源轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力的熱力循環(huán)過程（如供熱比、進(jìn)汽參數(shù)等），同時自備電站的用電設(shè)備（鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)冷卻泵）能效水平、管道機(jī)組的保溫等生產(chǎn)運行因素也至關(guān)重要，這些因素可以通過電站的廠用電量和廠用電率反映，該指標(biāo)集中體現(xiàn)了燃料—蒸汽—電轉(zhuǎn)化過程的能耗因素。因此用熱量法進(jìn)行CO2排放量分?jǐn)倳r，應(yīng)以發(fā)電量為分?jǐn)偦鶞?zhǔn)，自備電站對外供電量會抵扣電站的CO2直接排放量，中間相差部分即為廠用電、廠用熱等產(chǎn)生的CO2排放量，即“3 計算案例”的3.09萬t CO2排放。

5 結(jié)論

1）煉化企業(yè)自備電站將原煤、石油焦等一次能源轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力的過程會排放大量CO2，蒸汽和電力在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中聯(lián)合生產(chǎn)，因此計算這兩種不同品質(zhì)能源的碳排放因子需要對自備電站的碳排放量進(jìn)行合理分?jǐn)偂?/p>

2）應(yīng)用熱量法對煉化企業(yè)自備電站的CO2進(jìn)行分?jǐn)?，即按照蒸汽和電力兩種產(chǎn)品的能量數(shù)量進(jìn)行分?jǐn)?，可以計算蒸汽、電力的碳排放因子，不僅可以對比熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組碳排放效率水平，而且可以為煉化工藝裝置的能源間接排放提供計算依據(jù)，避免CO2排放量的重復(fù)計算。

3）熱量分?jǐn)偡ㄊ悄壳拔覈y(tǒng)計熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電標(biāo)煤耗、發(fā)電成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的通用方法，應(yīng)用熱量法進(jìn)行CO2排放量分?jǐn)傆欣诮Y(jié)合目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的統(tǒng)計基礎(chǔ)，易于碳排放統(tǒng)計的推廣。