炼化企业自备电站热力产品碳排放因子研究

田涛

（中国石化炼化工程有限公司，北京100101）

1 背景介绍

炼化企业自备电站将原煤、石油焦、干气等一次能源转化为蒸汽、电力等二次能源，以满足炼化工艺装置生产需要。自备电站在将能源转化为蒸汽、电力的同时会排放大量CO2。2017年12月19日我国正式启动全国统一碳排放权交易市场，并明确将企业自备电站纳入全国统一碳市场之中，核算炼化企业自备电站能源产品碳排放因子对于企业对标先进水平、实施低碳生产运行具有重要意义。自备电站能源转化系统见图1。

炼化企业自备电站生产的蒸汽和电力供入炼化工艺装置使用，为准确计算炼化装置能源间接排放量也需要确定企业自备电站所产蒸汽和电力的排放因子。蔡宇[1]等利用物料平衡方法建立燃煤电厂的碳排放计算模型，并分析了机组发电的碳排放率影响因素；吴晓蔚[2]等实测了不同火力发电机组的CO2和N2O排放，并对比了IPCC排放因子；上述研究只针对燃煤电厂的CO2排放问题，并未对热电厂蒸汽和电力这两种能源产品的碳排放进行研究。

图1 炼化企业自备电站能源转化系统

一般地，炼化企业自备电站运行首先要满足工艺装置的蒸汽需求，蒸汽需求确定后汽轮机中间抽汽量随之确定，机组发电量则由汽轮机内部的蒸汽流量自行决定，企业不足或多余电力可以通过与外电网进行调节，即“以用定产、以汽定电”。因此相比于以发电为主的燃煤电厂，炼化企业自备电站的热电联产机组供热抽汽量往往较大（例如，某石化企业热电装置的汽轮机抽汽量占到进汽量的50%左右），而且随着工艺装置用汽需求的变化汽轮机中间抽汽量经常出现大范围波动。不同热电联产机组中间抽汽量不同，其中间抽汽的碳排放因子也会出现较大差异，合理确定热电力联产机组蒸汽的排放因子对企业实施低碳运行至关重要。

2014年国家发改委发布《中国石油化工生产企业温室气体核算方法与报告指南》（发改办气候[2014]2920号），对炼化企业购入热力的CO2排放因子规定“热力供应的CO2排放因子应优先采用供热单位提供的CO2排放因子，不能提供则按0.11吨CO2/GJ计。”由于炼化企业自备电站的热电联产机组供热抽汽量经常出现大范围波动，采用默认的固定排放因子计算炼化企业能源间接排放会带来较大误差，因此研究炼化企业自备电站蒸汽和电力的碳排放因子意义重大。

2 能源产品碳排放因子

由自备电站的CO2排放过程可知，自备电站的CO2排放量与电站运行中使用的原煤量、石油焦等能源数量密切相关[1]，而自备电站生产过程则会同时产生蒸汽和电力两种不同形式的能源品种，因此需要将自备电站的CO2排放总量在两种能源品种之间进行合理分摊。目前，关于热电联产机组（工艺流程见图2）生产成本和能源消耗量在蒸汽和电之间的分摊已存在多种方法，主要包括热量法、实际焓降法、热折扣法、加权法、㶲分析法等[3]，并且许多学者对热电联产机组的分摊方法仍在进行广泛的研究，杨豫森[3]等应用热量法研究了热电厂的厂用电准确分摊，使计算的供电煤耗成本更加符合实际；叶学民[5]等在研究现有热电分摊方法基础上，建立了考虑机组供热能量中可用能占机组可用能比例的折合用法，该模型物理意义明确，计算分摊比处于合理区域。

图2 热电联产过程

由于热电联产机组生产的特殊性，确定热电联产机组中CO2排放量的热电分摊比，将直接影响到热力产品碳排放因子的科学制定，合理的热电分摊比应能够较全面地反映热电联产过程中CO2的产生、排放效率。炼化企业自备电站的CO2排放绝大部分由于使用能源过程造成，因此按照蒸汽和电两种热力产品的能量数量（即热量分摊原则）进行CO2排放分摊可以体现CO2排放特点。热量分摊法也是目前我国统计热电联产机组供电标煤耗、发电成本等技术经济指标的通用标准方法，应用热量法进行CO2排放量分摊有利于结合目前热电联产机组的统计基础，易于企业统计人员接受、降低碳排放统计推广难度。

炼化企业自备电站的CO2排放量主要来源于锅炉系统燃用燃料导致，根据现有CO2排放量计算标准，自备电站的CO2排放量由燃料消耗量和燃料CO2排放因子决定，即：

其中，ET—自备电站的CO2排放总量；Mi—自备电站消耗的i种燃料的数量；Fi—i种燃料的CO2排放因子。

应用热量法进行CO2排放量分摊时，需要计算热电机组的供热比（αr），其含义为汽轮机组向外供出的热量与汽轮机组总热耗量的比值[7]，即：

其中，Qh—自备电站汽轮机的总热耗量，GJ；Qr—自备电站汽轮机组向外供出的热量，GJ。

自备电站发电、供热总耗热量与锅炉蒸发量和锅炉给水焓值相关，即：

自备电站的供热耗热量与供出蒸汽数量和蒸汽品质相关，即：

自备电站发电碳排放因子是机组每发1 kW·h电产生的CO2平均排放量，其计算式如下：

自备电站供热碳排放因子是机组对外每供热1 t蒸汽所产生的CO2排放量，其计算式如下：

供热CO2排放量；

发电CO2排放量：

以上各式中：D—计算期间，汽轮机主蒸汽消耗总量，t；i0—汽轮机入口主蒸汽焓，kJ/kg；Wg—计算期间，汽机高压加热器出口给水总量，t；ig—锅炉给水焓，kJ/kg；Qzh—计算期间，自减温减压器供出的热量，GJ；Dr—计算期间，机组供热蒸汽量，t；ir—供热蒸汽焓，kJ/kg；Wh—供热回水量，t；ih—回水焓，kJ/kg。

3 应用案例

某石化企业热电站具有1#装置和2#装置，1#装置包括4台煤粉锅炉和4台抽凝式汽轮机，2#装置有3台CFB锅炉和2台双抽汽轮机，文章以该自备电站某月份数据为基础，应用热量分摊法计算蒸汽、电力碳排放因子。

根据自备电站能源消耗量计算CO2排放量，如表1所示。

由表1可以看出，该热电站该月份消耗能源折标煤14.3万t，排放CO2合计39.83万t；其中1#装置该月消耗能源折标煤9.97万t，排放CO2共27.56万t，平均排放因子2.76 t CO2/t标煤，2#装置该月消耗能源折标煤4.38万t，排放CO2共12.28万t，平均排放因子2.80 t CO2/t标煤，因此由于能源结构的差异导致2套热电装置单位能量的CO2排放量出现一定差异。

表1 某石化企业自备电站碳排放量计算

应用热量分摊法计算蒸汽、电力排放因子，相关计算见表2，其中1#装置汽机进热量2 561.6 TJ，2#装置汽机进热量1 144.6 TJ。

由表2可知，该自备电站合计供热2 030.9 TJ，供热产生的CO2排放量合计21.83万t。其中，1#装置合计供热156.2万GJ，供热CO2排放量为16.81万t，1#装置蒸汽的碳排放因子为0.107 6 t CO2/GJ。2#装置合计供热46.8万GJ，供热CO2排放量为5.02万t，1#装置蒸汽的碳排放因子为0.107 3 t CO2/GJ。该结果与《中国石油化工生产企业温室气体核算方法与报告指南》（发改办气候[2014]2920号）所规定的蒸汽排放因子0.11 t CO2/GJ接近，相差不超过2%，因此热量分摊法计算热电联产机组的蒸汽排放因子可行，尤其当燃料结构有较大差异时，应用热量分摊法计算相比默认数据更接近实际情况。

由热量分摊法计算该自备电站发电碳排放因子，如表3所示。

表2 某石化企业自备电站蒸汽排放因子计算

表3中，该自备电站合计发电量20 537万kW·h，发电合计排放CO2供18.00万t，平均发电碳排放因子为0.876 5 t CO2/MW·h，其中1#装置的发电碳排放因子为0.844 5 t CO2/MW·h，2#装置的发电碳排放因子为0.928 7 t CO2/MW·h。同时由于该自备电站外购12 351万kW·h电网电力，导致其能源间接排放量10.02万t CO2，电网电力的碳排放因子为0.811 2 t CO2/MW·h，略小于自发电。

需要指出的是，表3中发电量折合CO2排放量合计18.00万t，该电站当月厂用电3 526.54万kW·h，折合CO2排放量3.09万t。

表3 某石化企业自备电站发电排放因子计算

4 应用分析

计算热电联产机组蒸汽和电力的碳排放因子可以应用热量法对机组的碳排放量进行分摊，通过分摊并结合机组的生产运行数据可以计算热力产品的碳排放因子。在计算蒸汽、电力排放因子中，热量分摊法会将自备电站的CO2直接排放完全分配到蒸汽和电力产品当中，自备电站通过对炼化工艺装置供热、供电，将自身排放的CO2转移到炼化生产过程，体现了自备电站在炼化企业生产中的能源转化特点。通过计算蒸汽、电力的碳排放因子不仅可以对比热电联产机组碳排放效率水平，而且可以为炼化工艺装置的能源间接排放提供计算依据，避免CO2排放量的重复计算。

热量分摊法是目前热电联产机组分配生产成本、能源消耗等通用标准方法，用来对CO2排放量进行分摊可以利用现有的供热比计算结果、降低计算碳排放因子的工作量。

自备电站的一次能源构成和能源利用效率对自产蒸汽和电力的碳排放因子影响较大，高碳能源的排放因子较高，产生的CO2排放量较大，相应产出的蒸汽、电力的碳排放因子会较高。自备电站能源利用效率的高低不仅取决于一次能源转化为蒸汽、电力的热力循环过程（如供热比、进汽参数等），同时自备电站的用电设备（锅炉鼓、引风机、给水泵、循环冷却泵）能效水平、管道机组的保温等生产运行因素也至关重要，这些因素可以通过电站的厂用电量和厂用电率反映，该指标集中体现了燃料—蒸汽—电转化过程的能耗因素。因此用热量法进行CO2排放量分摊时，应以发电量为分摊基准，自备电站对外供电量会抵扣电站的CO2直接排放量，中间相差部分即为厂用电、厂用热等产生的CO2排放量，即“3 计算案例”的3.09万t CO2排放。

5 结论

1）炼化企业自备电站将原煤、石油焦等一次能源转化为蒸汽、电力的过程会排放大量CO2，蒸汽和电力在热电联产机组中联合生产，因此计算这两种不同品质能源的碳排放因子需要对自备电站的碳排放量进行合理分摊。

2）应用热量法对炼化企业自备电站的CO2进行分摊，即按照蒸汽和电力两种产品的能量数量进行分摊，可以计算蒸汽、电力的碳排放因子，不仅可以对比热电联产机组碳排放效率水平，而且可以为炼化工艺装置的能源间接排放提供计算依据，避免CO2排放量的重复计算。

3）热量分摊法是目前我国统计热电联产机组供电标煤耗、发电成本等技术经济指标的通用方法，应用热量法进行CO2排放量分摊有利于结合目前热电联产机组的统计基础，易于碳排放统计的推广。