“大气污染防治行动计划”特高压工程大气环境效益评估

周卫青1,吴华成1,李睿2,卢林2,李朋1,张子健3,汪美顺2  

1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司),北京市 西城区 100045;2.国家电网公司,北京市 西城区 100031;3. 国网冀北电力有限公司,北京市 西城区 100054

摘要

依据中国国家电网公司已建成的8条“大气污染防治行动计划”特高压工程,从受端区域减少燃煤机组发电量、受端地区减少散煤燃烧量,以及其相应的大气污染物、温室气体CO2排放量的角度,对特高压工程建成后对大气环境的减排效益进行了评价。同时,以锡盟—山东特高压工程为例,使用WRF-Chem模式,结合气象、地理条件,从该工程实施后使得受端区域电源点发电量减少的角度,计算工程实施后北京、济南地区的大气环境PM2.5浓度的降低值。

关键词 : 雾霾;特高压工程;环境效益;“煤改电”

国家电网公司科技项目“特高压跨区域输电对受端区域大气灰霾天气的改善影响研究”(52010115002P)。

0 引言

2012年以来,以PM2.5为首要污染物的雾霾天气在中国(尤其是京津冀地区)频现[1],引起了公众的极大关注。燃煤是引起京津冀地区雾霾天气的主要原因之一,燃煤消费污染物排放对大气PM2.5的贡献率在20%左右[2]。因此,从源头控制,减少燃煤使用,大力消减PM2.5以及其形成前的主要气态物SO2、NOx、CO和VOCS 的排放,是治霾的主要措施之一[3]。大力发展特高压工程,将有力推动清洁替代和电能替代,保障东中部地区电网安全和电力供应,治理大气污染[4]。2014年,中国制定了《大气污染防治行动计划》(国发〔2013〕37号),其中提到要“实施跨区送电项目,合理控制煤炭消费总量”,“四交四直”特高压工程列入了“大气污染防治行动计划”。截至2017年12月,国家“大气污染防治行动计划”特高压交直流工程全面竣工[5]。“四交四直”特高压输电通道,对于促进内蒙古、山西、陕西等能源基地开发,促进清洁能源消纳,改善大气环境质量,转变能源发展方式,推动能源革命,具有十分重要的意义。

1 “大气污染防治行动计划”特高压工程介绍

自2014年5月,国家能源局发布“大气污染防治行动计划”电网实施方案,计划建设含“四交四直”8项特高压工程在内的12条重点输电通道。2016年7月,锡盟—山东1000 kV特高压交流输电工程投运,至2017年12月,内蒙古上海庙—山东临沂±800 kV特高压直流输电工程建成,中国国家电网公司承建列入国家“大气污染防治行动计划”的“四交四直”8项特高压工程全部竣工。各项工程概况见表1。

表1 “四交四直”特高压工程概况
Table 1 Survey of “four cross four straight” UHV project

“四交四直”特高压输电通道建成后,华北电网初步形成了特高压交流网架,京津冀鲁新增受电能力 3600 万kW,华东电网形成特高压交流环网,长三角地区新增受电能力3200 万kW。内蒙古、山西、陕西等送端区域输出电能,京津冀鲁、长三角地区消纳外送电,减少了发电量以及相应的燃煤量,降低了大气污染物的排放,改善了大气环境质量,京津冀鲁、长三角地区年受电量分别达1880 亿kWh、1500 亿kWh。

2 受端地区大气污染物减排量估算

特高压输电的送端和受端相距数百到2000多km,而燃煤电厂排放的烟尘、SO2、NOx的扩散和影响范围是局部区域性的,所以送端和受端区域的大气污染物互不影响,大气环境是相互独立的[6]。而西部地区人口密度小、环境容量大,因此,本文论述的特高压工程环境效益,为工程对受端区域的环境效益,主要为受端区域受电后,减少的燃煤消耗量所带来的环境效益,本文阐述的燃煤主要包括电源点燃煤和散烧煤两大类别。

2.1 受端地区电源点燃煤减少的减排效益

受端地区接受外送电后,本地电源点将减少相应量的发电量、燃煤量,大气污染物排放量也将相应减少。燃煤电厂污染物的种类包括总烟尘、SO2、NOx、PM2.5(细颗粒物)、VOCS、CO等。

2.1.1 烟尘、SO2、NOx等污染物的减排评估

燃煤电厂烟气经过脱硝、除尘、脱硫等设施处理后,满足相应的排放标准后通过烟囱向大气排放,烟尘、SO2、NOx等污染物为火电厂日常监测的常规污染物燃煤电厂锅炉烟气污染物,采用排放绩效法计算污染物的减排量,计算公式如下

式中,EI为某种污染物减排量,t;A为活动水平,本小节中为年受电量,kWh;EFI为燃煤机组某种污染物的排放绩效,g/kWh。

自2015年起,京津冀鲁、长三角等地区燃煤火电机组大气污染物均达到“超低排放”限值要求,即烟尘、SO2、NOx等烟气污染物的排放浓度分别为10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3。依据2016年五大发电集团超低排放燃煤机组烟气污染物排放状况,烟尘、SO2、NOx的平均排放绩效分别为0.02 g/kWh、0.08 g/kWh、0.166 g/kWh,计算结果见表2。

2.1.2 PM2.5、PM10减排量的计算

PM2.5、PM10分别指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm、10 μm的颗粒物,排放量主要根据其在烟气总颗粒物中占的比例计算,具体公式如下

式中,为PM2.5、PM10的减排量,t;A为年受电量,kWh;EFdust为燃煤机组烟尘的排放绩效,g/kWh;为PM2.5、PM10占总尘的比例。

截至2017年,京津冀鲁、长三角等地区燃煤机组均完成了超低排放改造,根据几台超低排放机组的实测结果,超低排放改造后烟气排放细颗粒物排放平均值分别为52%、69%左右[7-8],结合相关数据,污染物减排量计算结果见表2。

2.1.3 VOCS等污染物排放量的计算

大型燃煤发电机组燃烧过程都可以进行燃料供给以及空气量配比的精确控制,燃烧过程相对稳定,燃烧产生的VOCs含量较低,可使用排放因子法计算燃煤电厂VOCs的减排量

式中,代表VOCs的减排量,t;A为年受电量,kWh;Q为机组供电煤耗,g/kWh;为煤锅炉燃烧时VOCs的排放因子,g/t。

供电煤耗取2016年全国煤电机组平均值312 g/kWh,取15 g/t[9],依据京津冀鲁、长三角地区的年受电量,计算减排量,污染物减排量结果见表2。

表2 受端地区污染物减排量
Table 2 Air pollutant emission reduction in the power-receiving region

2.1.4 受端地区火电厂温室气体(CO2)减排估算

燃煤排放的CO2对环境和人类身体健康没有直接危害,其影响在于温室效应,CO2的计算公式如下

式中,代表CO2的减排量,t;A为年受电量,kWh;为排放因子,g/t。

根据国家发展和改革委员会发布的“中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子”数据,华北区域电网、华中区域电网2015年中国低碳技术化石燃料CO2排放因子分别为0.7570 t/MWh、0.7357 t/MWh[10]。根据京津冀鲁、长三角地区的年受电量,两个区域CO2的减排量分别为1.42 亿t、1.1 亿t。

2.2 受端地区散烧煤减少减排效益估算

依据《大气污染防治行动计划》《重点地区煤炭消费减量替代管理暂行办法》等政策,京津冀、长三角等重点地区煤炭减量,到2017年,北京市、天津市、河北省等地区煤炭消费量要比2012年分别减少1300 万t、1000 万t、4000 万t,因此,特高压工程受端地区接纳的电量,不仅用于替代本地电源点的发电量,也有部分电量用于替代散烧煤[11]。本文以京津冀鲁等受端区域为例,在假设散煤均由特高压输入的电量替代的前提下,依据2017年各地区“煤改电”情况,估算特高压工程的环境效益。

2.2.1 京津冀鲁地区“煤改电”情况

在《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》等文件指导下,2017年京津冀鲁地区完成“煤改电”工作情况见表3。实施电能替代的减排效益核算以等效能值为基础,计算得出原煤的等效电能值约为3.07,即1 kg原煤约等于3.07 kWh的电能,计算替代散煤的电量[12]

表3 2017年各地区散烧“煤改电”实施计划
Table 3 Implementation plan of “the alternative of scattered coal to electric energy” in various regions in 2017

注:数据来自中国国家电网公司各省(市)公司“煤改电”工作方案

2.2.2 燃煤污染物和温室气体排放量计算方法

散煤燃烧产生的大气污染物包括烟尘、SO2、NOx、CO、VOCs,其中总烟尘中包含了PM2.5,各污染物以及温室气体CO2的减排量计算公式如下

式中,EI为减排量,t;As为排放源活动水平,即散煤燃烧量,t;EFsI为散煤的排放系数,kg/t;I为某一种大气污染物或CO2

散烧煤污染物排放因子的大小跟煤种、燃烧方式等有关,根据京津冀地区各自污染物排放因子和煤炭使用量加权计算的平均值,得到该地区散烧煤烟尘、SO2、NO、PM2.5、CO、VOCs以及CO2的排放因子分别是9.99 kg/t、20.72 kg/t、2.39 kg/t、6.99 kg/t、65.24 kg/t、1.1 kg/t、1977.9 kg/t[13-14],依据表3各地区2017年替代的散煤量,计算各地区的大气污染物减排量,结果见表4,其中CO2减排量约231.41 万t。

表4 京津冀鲁地区2017年“煤改电”污染物减排量
Table 4 Air pollution emission reduction of“the alternative of scattered coal to electric energy” project in Beijing, Tianjin, Hebei,Shandong regions in 2017

相比之下,用于替代散烧煤的电量虽然较少,但由于各地散煤品质不易控制、污染物排放因子更高,因此,特高压外送电用于受端地区“煤改电”的环境效益更大。

3 对受端区域大气PM2.5浓度的影响

雾霾天气的发生与气象条件、烟粉尘等一次来源及硫酸盐、硝酸盐等二次来源等因素均有密切关系[15]。本文以锡盟—山东1000 kV特高压交流工程为例,使用WRF-Chem模式[16],计算该工程实施后消减的污染物排放量对北京、济南地区大气PM2.5浓度的影响情况。

模型气象资料使用美国大气环境预测中心(NCEP)提供的全球再分析资料FNL,地理数据使用美国地质勘探局(USDS)的geog数据,基础人为排放清单使用清华大学主持研发的华北区域 0.1°×0.1°格点化清单[17]。选择2015年12月作为计算周期,该时段空气质量包含了从优到重度污染等不同的等级,具有代表性。

3.1 北京、济南地区大气PM2.5浓度变化情况

在不同的气象条件下,输出计算时段内北京、济南地区大气PM2.5浓度的降低值,具体见图1、图2,浓度降低值由小至大分别由绿、黄、红等颜色表示,图中横、纵坐标分别为经度、纬度。

图1 不同气象条件下北京地区大气PM2.5降低情况
Fig. 1 The reduction of PM2.5 concentration in Beijing

模拟计算结果显示,锡盟—山东特高压工程实施后,在不同的气象条件下,北京、济南地区不同区域大气环境PM2.5浓度都将有不同程度的降低,燃煤电厂烟气排放的大气污染物经过污染物治理设施严格的治理后,排放浓度量相对比较稳定,各区域大气PM2.5浓度的变化主要是因为气象条件的差异。

图2 不同气象条件下济南地区大气PM2.5降低情况
Fig. 2 The reduction of PM2.5 concentration in Jinan

3.2 城市中心点的大气环境质量影响

选择北京、济南市城中心环境监测点为参照点,计算工程实施后该位置大气PM2.5浓度的降低情况,具体结果(部分有代表性的时间段)见图3、图4。

图3 北京城中心点大气PM2.5降低情况
Fig. 3 The reduction of PM2.5 concentration in central monitoring point of Beijing

由计算结果可以看出,仅考虑替代受端地区电源点发电量的前提下,锡盟—山东特高压工程实施后,北京、济南城中心的大气环境PM2.5浓度最高可降低1.5 μg/m3、0.5 μg/m3左右,如考虑替代散烧煤,大气环境PM2.5浓度的降低幅度将明显增大,大气环境效益更显著。

4 结论及展望

(1)“大气污染防治行动计划”特高压工程环境效益,体现在受端地区减少相应能源的消费所带来的大气污染物排放量的减少,在仅考虑外送电量替代本地电源点发电量的前提下,京津冀鲁、长三角等受端地区每年总烟尘的减排量分别为3760 t和3000 t,SO2减排量分别为15040 t和12000 t,NOx减排量分别为31208 t和24900 t,PM10减排量分别为2594 t和2070 t,PM2.5减排量分别为1955.2 t和1560 t,VOCs减排量分别为879.84 t和702 t,CO2的减排量分别为1.42亿t、1.1亿t。

图4 济南城中心点大气PM2.5降低情况
Fig. 4 The reduction of PM2.5 concentration in central monitoring point of Jinan

(2)从外送电量用于替代散烧煤的角度考虑,特高压外送电用于受端地区“煤改电”的环境效益更显著。以京津冀鲁受端区域为例,2017年完成“煤改电”替代电量约360亿kWh,在假设特高压输入的电量均用于替代散煤的前提下,区域内烟尘、SO2、NO、PM2.5、CO、VOCs、CO2的减排量分别为11688.3 t、24242.4 t、2796.3 t、8178.3 t、76330.8 t、1287 t、231.41 万t。

(3)锡盟—山东1000 kV特高压交流输电工程实施后,如只考虑替代受端地区电源点发电量,北京、济南城中心的大气环境PM2.5浓度最高可降低1.5 μg/m3、0.5 μg/m3左右,如考虑替代散烧煤,大气环境PM2.5浓度的降低幅度将明显增大,大气环境效益更显著。

(4)受端区域燃煤发电量减少、散煤燃烧替代,只是特高压输电工程环境效益的一部分,除此之外,特高压工程外送电,也在受端地区的工农业生产制造、交通运输、电力供应与消费等领域实施电能替代项目。2017年,中国国家电网公司累计在居民采暖、工农业生产制造、交通运输、电力供应与消费、家庭电气化等五大重点领域实施电能替代项目9 万余个,在能源终端消费环节减少1.3 亿t标准煤消耗,完成替代电量近3200 亿kWh,“十三五”期间中国国家电网公司要完成电能替代电量5800 亿kWh的目标,历时,特高压输电工程的环境效益将明显改善雾霾天气。

参考文献

[1] 吴萍,余文周. 雾霾成因、危害、公众反应及治理对策的探讨[J].中国公共卫生管理,2014,30(3):453-454.Wu Ping, Yu Wenzhou. Discussion on Causes, Hazards, Public Reactions and Countermeasures of Fog and Haze [J]. Chinese Journal of Public Health Management, 2014, 30(3): 453-454(in Chinese).

[2] 李云燕,葛畅. 我国三大区域PM2.5源解析研究进展 [J]. 现代化工,2017,37(4):1-5.Li Yunyan, Ge Chang. Research Progress of PM2.5 Source Analysis in Three Main Regions of China[J]. Modern Chemical Industry, 2017, 37(4): 1-5(in Chinese).

[3] 王跃思,姚利,吉东生,等. 京津冀大气霾污染及控制策略思考[J]. 中国科学院院刊,2017,28(3):353-362.Wang Yuesi, Yao Li, Ji Dongsheng, et al. Formation Mechanism and Control Strategies of Haze in China[J].Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2017, 28(3):353-362(in Chinese).

[4] 吴宜萍. 发展特高压电网 根治大气污染问题[N]. 国家电网报,2015-03-04(4).

[5] 刘俊. 电网列入大气污染防治行动计划“四交四直”输电通道全面竣工[J]. 国家电网,2018(1):36-37.Liu Jun. Power Grid is Included in the Action Plan for the Prevention and Control of Air Pollution and Completion of“Four AC and Four DC” UHV Transmission Lines[J]. State grid, 2018(1): 36-37(in Chinese).

[6] 姜雨泽,安久涛,洪景娥,等. 特高压输电工程大气环境效益分析[J]. 山东电力技术,2016,43(6):5-9.Jiang Yuze, An Jiutao, Hong Jing’e, et al. Atmospheric Environment Benefit of UHV Transmission Project[J].Shandong Electric Power, 2016, 43(6): 5-9(in Chinese).

[7] 易玉萍,李小龙. 撞击分离法测定燃煤电厂烟气PM2.5的试验研究[J]. 环境工程,2017,35(增刊):130-133.Yi Yuping, Li Xiaolong. Experimental Study of PM2.5 from Coal-Fired Power Plants by the Method of Impact Separation[J]. Environmental Engineering, 2017, 35(supplement): 130-133(in Chinese).

[8] 赵磊,周洪光. 超低排放燃煤火电机组湿式电除尘器细颗粒物脱除分析[J]. 中国电机工程学报,2016,36(2):468-473.Zhao Lei, Zhou Hongguang. Particle Removal Efficiency Analysis of WESP in an Ultra Low Emission Coal-fired Power Plant [J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(2): 468-473(in Chinese).

[9] 环境保护部. 关于发布《大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南(试行)》等5项技术指南的公告[EB/OL].(2014-8-19). http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201408/t20140828_288364.htm.

[10] 国家发展和改革委员会应对气候变化司. 2015中国低碳技术化石燃料并网发电自愿减排项目区域电网基准线排放因子[R]. 2016.

[11] 段心鑫. 电能替代散烧煤 国网推特高压治霾[N]. 21世纪经济报道,2014-03-14.

[12] 王振宇,王冰,吴培肇,等. 基于煤炭消费视角的北京市以电代煤减排效益研究[J].中国环境科学,2017,37(5):1995-2000.Wang Zhenyu, Wang Bing, Wu Peizhao, et al. Research on Reduction Benefits of Substituting Electricity for Coal in Beijing-Based on the Perspective of Coal Consumption[J]. China Environmental Science, 2017, 37(5): 1995-2000(in Chinese).

[13] 支国瑞,杨俊超,张涛,等. 我国北方农村生活燃煤情况调查、排放估算及政策启示[J]. 环境科学研究,2015,28(8):1179-1185.Zhi Guorui, Yang Junchao, ZhangTao, et al. Rural Household Coal Use Survey, Emission Estimation and Policy Implications[J]. Research of Environmental Sciences, 2015,28(8): 1179-1185(in Chinese).

[14] 徐钢,王春兰,许诚,等. 京津冀地区散烧煤与电采暖大气污染物排放评估[J]. 环境科学研究,2016,29(12):1735-1742.Xu Gang, Wang Chunlan, Xu Cheng, et al. Evaluation of Air Pollutant Emissions from Scattered Coal Burning and Electric Heating in Beijing-Tianjin-Hebei Region [J]. Research of Environmental Sciences, 2016, 29(12): 1735-1742(in Chinese).

[15] 赵秀勇,朱法华,尤一安,等. 基于大气环境容量的火电发展规模研究—以浙江省火电发展规模研究为例[J].2013中国环境科学学会学术年会论文集(第五卷):1176-1179.Zhao Xiuyong, Zhu Fahua, YouYian, et al, Research on Development Scale of Thermal Power Based on Atmospheric Environmental Capacity — A Case Study of Thermal Power Development Scale in Zhejiang Province[J]. 2013 Proceedings of the Annual Conference of Chinese Society for Environmental Science (Vol 5): 1176-1179(in Chinese).

[16] 章国材. 美国 WRF 模式的进展和应用前景[J]. 气象,2004,30(12):27-31.Zhang Guocai. Progress of Weather Research and Forecast(WRF) Model and Application in the United States[J].Meteorological Monthly, 2004, 30(12): 27-31(in Chinese).

[17] 张强,Zbigniew Klimont, David G. Streets,等. 中国人为源颗粒物排放模型及2010年排放清单估算[J]. 自然科学进展,2006,2(16):223-231.Zhang Qiang, Zbigniew Klimont, David G. Streets, et al.Anthropogenic Particulate Matter Emission Model and Emission Inventory Estimation of China in 2010[J]. Progress in Natural Science, 2006, 2(16): 223-231(in Chinese).

Environment Benefit Evaluation on UHV Transmission in China’s Air Pollution Prevention and Control Action Plan

ZHOU Wei-qing1, WU Hua-cheng1, LI Rui2, LU Lin2, LI Peng1, ZHANG Zi-jian3, WANG Mei-shun2
( 1. State Grid Jibei Electric Power Research Institute, North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Xicheng District,Beijing 100045, China; 2. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China;3. State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100054, China)

Abstract: Based on eight UHV (ultra-high voltage) projects of “air pollution prevention and control plan” established by State Grid of China, this paper evaluated the Environment Benefit of the UHV projects according to the reduction of coalfired unit power generation, coal combustion, and the amount of the corresponding atmospheric pollutants and greenhouse gas emission in the power-receiving region. At the meantime,“Ximeng-Ji’nan” UHV project was selected as an example,the WRF-Chem model combined with the meteorological and geographical conditions was used to calculate the reduction of atmospheric PM2.5 concentration in Beijing, Ji’nan area after the implementation of the project from the perspective of the reduction of coal-fired unit power generation in the powerreceiving region.

Keywords: Fog and Haze; UHV transmission project;environment benefit;coal to electricity


Project Supported by Scinece and Technology Foundation of SGCC ‘the In fl uence of Trans-regional Ultra-high Voltage (UHV)Transmission on the Improvement of Haze Weather in the Powerreceiving Region’ (52010115002P).


作者简介:

周卫青

周卫青(1981),高级工程师,研究方向为火电行业污染物排放与控制、电网环保及环境影响评价,E-mial:22265229@qq.com。

吴华成(1972),高级工程师,研究方向为电网环境保护。

(责任编辑 赵杨)

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