2010 年第4卷第6期南方电网技术低碳电力 2010,Vol. 4,No. 6 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Low-Carbon Electricity 文章编号:1674-0629(2010)06-0007-06 中图分类号:TM715;F407.61 文献标志码:A 云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析* 郑外生 1 ,朱文涛 1 ,张立 1 ,周天睿 2 (1. 云南电网公司,昆明 650011;2. 清华大学 电机系电力系统国家重点实验室,北京 100084) 摘要:为了加速云南电网低碳化发展进程,建立了碳排放计算模型.基于云南省未来 10 年的电源规划方案,对云南省 内电力生产碳排放总量和排放强度的发展趋势进行计算和评估.结果表明:在3种(低、中、高)负荷增长模式下,云 南省电力生产带来的碳排放均呈现出明显相似的阶段特性.以中方案为例,碳排放轨迹可分为三个阶段:平稳阶段 (2010—2013 年) ,即使期间云南省电力负荷的年平均增长率达到 12.93%,云南省电力生产碳排放量平均增长率也只 有5.5%;上升阶段(2014—2015 年) ,该两年碳排放的增长量占"十二五"碳排放总量的 82%;下降阶段(2016—2020 年) ,碳排放开始缓慢下降并趋于平稳. 关键词:低碳经济;低碳电力;电力系统规划,电源结构;碳排放 Calculation and Analysis of the Low-Carbon Benefit of Power System Planning Scheme in Yunnan Province ZHENG Waisheng1 , ZHU Wentao1 , ZHANG Li1 , ZHOU Tianrui2 (1. Yunnan Power Grid Corporation, Kunming 650011, China; 2. State Key Lab of Power Systems, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: In order to promote low-carbon development process of Yunnan Power Grid, establishing a model for carbon emission calculation and based on the power planning scheme of Yunnan Province for the next decade, this paper accomplishes the calculation and trend analysis of carbon emission quantity and intensity of the province. According to the result, there is obviously a similarity of the carbon emission trajectories under different load growth rates (low, normal, high rates). As for the normal load growth rate scenario, the emission trajectory can be divided into three stages: stationary (2010-2013) stage in which the average rate of carbon emission is only 5.5% even that of power load of Yunnan Province up to 12.93% of year average increasement; upward stage (2014-- 2015) in which the increasement of carbon emission is up to 82% of the "Twelfth-Five Year" planning quantity; and downward stage (2016-2020) in which the carbon emission begins to decrease slowly and then smoothly. Key words: low-carbon economy; low-carbon electricity; power system planning; energy mix; CO2 emission ? 进入 21 世纪以来,全球气候变化和能源危机 的压力不断增大,低碳化的发展理念成为人类社会 实现长久发展的重要途径[1?4] . 实现低碳化的经济发 展模式,已成为我国实现可持续发展的必经之路 [5?6] . 我国的能源结构整体上以煤炭为主,占全国一 次能源总消费量的将近 70%,而以风、水、核为主 的清洁能源的消费比例不到 10%[7] .电力行业作为 我国重要的能源产业,是CO2 排放的大户,每年电 * 该文荣获中国电机工程学会第十一届青年学术会议(2010,北京) 一等奖. 力行业的碳排放量接近全国总碳排放量的一半[8] . 由于电力行业的碳排放基本全部来自于发电侧,所 以电源结构的发展规划将在很大程度上影响地区的 碳排放强度与特性,电力行业将是我国发展低碳经 济的主力军[9] . 云南作为国家第一批低碳试点省份之一,应分 析全省电源结构在规划期内 ( "十二五" 和 "十三五" 期间)低碳化特征和碳排放情况[10?11] ,响应国家能 源低碳化发展要求[12] ,充分利用本省的资源优势, 把握机遇,促进云南电网的快速、低碳化发展. 本文将从电力规划、生产的角度出发,根据各 类发电机组的运行特性与能量流的转换过程建立相 8 南方电网技术 第4卷应的计算模型;在此基础上结合云南省的电源发展 规划数据和不同的负荷发展场景和低碳技术发展场 景, 利用模型对云南省未来 2010—2020 年的碳排放 轨迹进行计算与分析. 1 云南省电源结构概况 1.1 云南省自然资源概况 云南省具有独特的自然地理条件,很适于发展 低碳化的能源结构.省内水力资源优势显著,大小 河流分属六个水系,即金沙江、澜沧江、怒江、珠江、红河和伊洛瓦底江,水力资源分布相对集中, 主要集中在金沙江、澜沧江、怒江三大水系.云南 省水力资源的技术可开发容量为 107 000 MW,约 占全国水电技术可开发总量的 18.8%,居全国第三 位.全省风能资源总储量为 122 910 MW,其中风 能资源可利用区 (年平均风功率密度大于 50 W/m2 ) 面积为 45 200 km2 ,约占全省总面积的 11.5%,风 能资源储量为 28 320 MW,约占全省风能资源总储 量的 23%.此外,省内平均海拔高,空气洁净,光 质好,日照时间长,太阳能资源较为丰富,理论总 储量居全国第八位.年日照时数为 2 200~3 000 h, 年辐射量为 5 000~6 000 MJ/cm2 ,是我国太阳能资 源丰富或较丰富的地区之一. 1.2 云南省电源开发规划方案 以云南省发改委在云南电力战略发展研究中提 出的云南省电源开发方案、南方电网电力工业发展 "十二五" 及中长期规划及云南省电力工业发展 "十 二五"及中长期电网规划为参考,根据近期主要电 源项目的前期工作和开发进度的调研分析结果,可 得云南省"十二五"及中长期电源结构的发展方案 如图 1 所示. 图1云南省未来 10 年电源结构发展规划 Fig. 1 Power Mix Planning of Yunnan Province for the Next Decade 图1中"新能源"包括风电、光伏发电、生物 质、生活垃圾燃烧发电等电源.从图中可看出,云 南省电源结构以水电为主,装机比例占全省总装机 的65%以上,并且在"十二五"和"十三五"期间, 云南省三江干流水电还将进一步得到开发,水电装 机比重将稳步上升,火电装机比重则持续下降.至2020 年,水电比重接近 80%,水电为主的电力工业 的支柱产业地位得以确立. 另外,响应国家新能源发展政策,包括光伏、 风能、生物质和城市生活垃圾新能源发电装机也在 云南省得到发展. 新能源装机规模将从目前的 108.8 MW 提高到 2015 年的 1 215 MW、2020 年的 1 465 MW,占全省装机比重分别达到 1.7%、1.1%[13] . 2 发电侧碳排放计算模型的架构 为分析未来云南省电力行业的整体 CO2 排放轨 迹及相应的关键特征,并对现有的电源结构发展规 划进行评估,本文从电力生产的角度,建立了一个 可描述电力生产过程的 CO2 排放计算模型,以实施 对全省层面电力 CO2 排放的计算与分析. 模型的整体实施流程如图 2 所示.模型主要由 3 个子功能模块组成,分别实现数据处理、计算控 制、核心计算与结果分析的功能. 图2模型的整体流程框架图 Fig. 2 Framework and Schematic Flow for the Model 模型采用精细建模的思路,将建模单位细化到 单个机组层面;根据机组的运行特性与能量流的转 换过程,计算各类机组的 CO2 排放系数;在确保负 荷与电量平衡约束、满足机组运行工况的前提下, 将年发电量分配到所有机组.核心计算模块根据能 量转化的原理进行碳排放量计算和指标计算;并最 终对模型的计算结果进行评估和指标. 电力行业的碳排放基本全部来自于发电侧,电 力生产碳排放总量与碳排放强度是描述与电源结构 第6期郑外生,等:云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析 9 低碳化发展最为直接的两种指标,因此本文的计算 分析工作将围绕云南省发电环节的碳排放量和碳排 放强度展开. 3 发电侧碳排放总量计算方法 3.1 发电机碳排放模型 把握住各类机组的能源转化过程和效率,可得 到各类机组的碳排放模型,将发电量与碳排放量相 关联[14] . 3.2 各类机组需发电量的确定 根据各个地区不同机组需发电量的分配原则与 发电过程可得:在负荷预测得出了地区总的需发电 量之后,调度总是优先分配水电机组,风电机组与 核电机组等近零排碳的非化石能源机组,尽可能使 该类机组资源充分得到利用,在电网安全运行的情 况下尽量避免弃水、弃风等行为.分配完毕后剩余 的需发电量再分配给火电机组.由于只有火电机组 存在发电碳排放,因此计算思路就是在给定地区总 需发电量的情况下,根据数据统计出水电、风电和 核电的总容量和合理的利用小时数,从而得到该类 机组的需发电量, 剩余的便为火电机组的需发电量. 在传统"三公"调度模式下,火电中的燃油与 燃气机组主要用于调峰,年发电量相对固定.煤电 机组的利用小时数虽然在实际调度时会考虑充分利 用大机组的问题,但是在整体来看,小机组与大机 组之间的利用小时数差别不会太大,所以简化考虑 后认为:火电所有机组具有相同的利用小时数.即 是认为总的需发电量平均分配给每台机组,总的利 用小时数等于总需发电量除以总的容量. 4 发电侧碳排放强度计算方法 4.1 发电侧碳排放强度 发电侧碳排放强度定义为 gen all E e W ? . (1) 式中:Egen 为总碳排放量;W 为总发电量.式(1) 可体现地区电源结构的低碳特性. 4.2 火电碳排放强度 因云南省基本不含燃油、燃气等非燃煤火力发 电,因此火电碳排放强度定义为 gen coal coal E e W ? . (2) 式中:Egen 为总碳排放量;Wcoal 为总火电发电量. 式(2)用于表征地区火电机组结构的低碳特性. 5 规划期内云南省发电侧碳排放分析 应用上文构建的电力生产碳排放模型,若要计 算省内"十二五"及"十三五"内的电力生产碳排 放轨迹,除了总的电源规划数据外,还需对电力装 机规划细则,发电厂详细信息,全社会负荷预测, 西电东送等电源和电力电量的数据进行梳理.在对 云南省电力工业 "十二五" 规划报告和南方电网 "十 二五"规划报中的数据进行整理后,进行了如下的 计算和分析. 5.1 基本数据 5.1.1 云南省内需发电量 省内需发电量由省内负荷,外电送滇方案和滇 电外送方案共同决定,根据云南省的负荷增长预测 报告和送受电规划,本文设定了三种省内需发电量 增长场景,如图 3 所示. 图3不同场景下云南省内需发电量 Fig. 3 Total Generation Required of Yunnan Province in Different Scenarios 5.1.2 云南省火电机组数据 云南省内的火电机组基本全部为燃煤机组,即 电力生产碳排放来源于燃烧煤炭.由于燃煤机组发 电存在专门的能耗指标——发电煤耗,因此煤电机 组的碳排放强度可直接通过煤耗求得.将所有煤电 机组按照单机容量进行分档.根据机组的典型容量 段,单机容量在 600 MW 以上的机组为一档,300 MW 至600 MW 为一档,200 MW 至300 MW,100 MW 至200 MW 以及 100 MW 以下各自为一档,先 统计出各自容量范围内的总容量,再根据云南省火 电电厂的生产情况, 统计每个档位的供电标准煤耗. 根据云南省火电的运行数据,可得各类煤电机 组的碳排放强度,如表 1 所示. 2010 年以后的机组投运信息以云南省电力工 10 南方电网技术 第4卷表1云南省火电机组碳排放强度和装机容量 Tab. 1 Carbon Intensity and Capacity of Coal-Fired Units in Yunnan 发电机组容量区间 CO2 排放强度/ (kg·kW?1 h?1 ) 机组装机 容量/MW PG≥600 MW 0.838 4 3 600 300 MW≤PG < 600 MW 0.890 8 6 000 200 MW≤PG < 300 MW 0.956 3 400 100 MW≤PG < 200 MW 1.087 3 135 业"十二五"公布的数据为准. 为保证模型计算结果符合实际生产情况,需根 据火电运行特点对火电机组的利用小时数进行约 束. 以6500 h 作为云南省火电机组的年极限利用小 时,2 500 h 作为最小利用小时. 5.1.3 云南省非火电机组数据 云南省非火电装机以水电为主, 结合少量的风 力、光伏和生物质发电,2010 年的装机容量与参考 利用小时数如表 2 所示. 表2云南省非火电机组装机容量与利用小时数 Tab. 2 Capacity and Utilization Hours of Non-Coal-Fired Units in Yunnan Province 机组类型 装机容量/MW 参考年利用 小时数/h 水电 26 170 4 100 风电 228.75 2 000 光伏 20 2 000 生物质 50 2 000 参考利用小时数由发电技术和云南省自然条件 (来水、来风情况)综合决定,由于非火电机组运 行时不产生碳排放,这部分机组生产的电量为低碳 电量.2010 年以后的非火电机组投运信息以云南省 电力工业发展"十二五"及中长期电网规划公布的 数据为准. 5.2 云南省电力生产碳排放计算与分析 5.2.1 电力 CO2 排放发展趋势计算 根据以上整理过的机组运行数据和负荷增长数 据,结合计算模型可得到在既定装机规划,三种负 荷增长方案(低方案、中方案和高方案)下云南省 未来十年的电力生产碳排放变化与省内火电机组年 利用小时数,如图 4 所示. 从图 4 中可以看出,省内火电的年利用小时数 变化趋势与碳排放轨迹的变化趋势相近.在负荷增 长低方案中,为了保证全省火电平均利用小时数不 小于最低利用小时数,模型采取了相应的调整手段 以保证火电电量,付出的代价是水电部分弃水和碳 排放轨迹下降趋势的放缓,从图 5 中负荷增长低方 案的碳排放轨迹里可看出这一点. 图4不同场景下云南省内电力生产碳排放量 Fig. 4 CO2 Emission From Power Generation of Yunnan Province in Different Scenarios 图5不同场景下云南省火电机组年发电量 Fig. 5 Annual Energy Output of Coal-Fired Power Units of Yunnan Province in Different Scenarios 5.2.2 电力 CO2 排放强度计算 以中方案为例,云南省 2010 至2020 年的两项 碳排放指标如图 6 所示. 从图中可看出, 云南省 2010 —2020 年间的总碳排放强度变化趋势与总需发电 量的趋势基本一致. 从图 7 中可看出, 在2010—2020 年间火电单位电量碳排放强度不断下降,2020 年相 比2010 年排放强度下降了 2.5%,相当于发电标准 煤耗降低约 8.4 g / kWh.当年直接减排效益为 470 kt.体现了云南省火电机组效率的不断提升. 图6云南省未来 10 年电力生产总碳排放强度 Fig. 6 Carbon Intensity of Power Generation of Yunnan Province for the Next Decade 第6期郑外生,等:云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析 11 图7云南省未来 10 年电力生产火电碳排放强度 Fig. 7 Carbon Intensity of Coal-Fired Power Units of Yunnan Prov- ince for the Next Decade 6 云南省电力生产碳排放分析与电源结构 低碳化发展建议 6.1 云南省碳排放总量发展趋势分析与建议 由不同场景下云南省内电力生产碳排放轨迹可 看出, 云南省电力生产的碳排放量在短期内 ( "十二 五"期间)仍将保持稳中有升的发展趋势,在2015 年以后,碳排放量将会得到较好的控制.三种负荷 增长方案下,云南省电力生产带来的碳排放均呈现 出明显的、相似的阶段特性.以中方案的排放轨迹 为例,可分为如下三个阶段: 1) 平稳阶段 (2010—2013 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放量增速放缓,趋于平稳.这是由于云 南省在"十二五"期间开始了三江干流水力资源的 大规模开发,水电电量的增长有效缓解了碳排放的 增长趋势,即使云南省在"十二五"期间负荷的年 平均增长率最高可达 12.93%, 但云南省电力生产碳 排放量并未如同负荷增长一样明显上升,平均增长 率只有 5.5%. 2) 上升阶段 (2014—2015 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放量迅速增加.由于省内电力消费量的 上升突然增速,带动三种方案下的碳排放量在这两 年有所上升,并在 2015 年达到峰值.据计算,该两 年碳排放的增长量占 "十二五" 碳排放总量的 82%. 3) 下降阶段 (2016—2020 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放开始缓慢下降,趋于平稳.这主要是 由于在"十三五"期间,云南省逐步加大引入缅甸 水电的力度,兼之省内水电开发力度进一步加大, 使得"十二五"末期碳排放量得到了很好的控制, 在这段时间内开始稳定下降,并趋于稳定. 根据不同场景下的谈排放轨迹特点,云南省应 根据负荷增长的实际情况来调整省内电源发展的指 导方针. 若省内负荷增长小于中方案预测的结果,云南 省应积极规划外送通道,加强省内富余电能的外送 力度,同时适当放缓火电机组的投运和规划,以确 保省内已投运电源的利用效率,保证火电机组的利 用小时数,减少弃水.若省内负荷增长接近高方案 预测的结果,云南省应加快省内电源开发的节奏, 优先开发省内水电,风电等低碳电源,并积极引入 外来水电,加大从缅甸等地购入的水电电量,以保 证省内用电和外送电量需求, 控制省内发电碳排放. 6.2 云南省碳排放强度发展趋势分析与建议 根据计算结果,2020 年相比 2010 年单位电量 碳排放下降了 43%,下降幅度很大,整体体现了云 南省在未来十年间大量投运水电为云南乃至南网的 电力生产带来的低碳化贡献. 云南省火电碳排放强度的不断下降整体体现了 云南电网不断实行"上大压小"带来的减排效果, "十三五"期间,虽然新投产的燃煤机组均为大容 量高效率的机组,但省内"上大压小"的余地已经 不大,以致这段时间内火电碳排放强度的下降并不 明显.但是不可否认:上大压小,提高火电运行效 率始终是云南省在电源侧实现低碳化发展的重要途 径之一. 虽然云南省的发电量仅占南网的一部分,但是 其碳排放的强度指标仍然可以同南网整体和全国平 均水平内进行横向比较,以了解云南省电源结构低 碳化程度在南网乃至全国层面中的位置.根据南网 的十二五规划报告以及国家能源局发展规划司发布 的国家能源战略报告,经由上文提到的计算方法, 可以计算得到南网整体乃至全国的碳排放强度,以2015 和2020 年作为目标年, 比较结果如图 8 和图 9 所示. 图8云南省、南网和全国范围内总碳排放强度比较 Fig. 8 Carbon Intensity Comparison of Power Generation in Different Power Grids 12 南方电网技术 第4卷从图 8 中可以看出,无论是 2015 年还是 2020 年,云南省电力生产的总碳排放强度始终明显低于 南网和全国的平均水平,这与云南省大规模水电资 源在该阶段的集中开发有着很大的关系,并且云南 省水电的大规模开发与外送对于南网总碳排放强度 的下降也有相当的贡献. 图9云南省、南网和全国火电碳排放强度比较 Fig. 9 Carbon Intensity Comparison of Coal-Fired Power Units in Different Power Grids 但是从图 9 的火电碳排放强度的比较结果来 看,云南省内火电结构以煤电为主,缺少燃气,燃 油等排放较低的非燃煤火电机组,所以云南省火电 碳排放强度要高于南网甚至全国的平均水平.所以 云南省应在现有电源结构的基础上进行火电结构优 化,加大"上大压小"的力度,进一步挖掘省内电 源结构低碳化的发展空间. 7 结语 本文建立了电源结构和电力生产的碳排放模 型, 计算了云南省电源结构在未来 10 年的低碳化特 征和碳排放轨迹.结果表明:在3种(低、中、高) 负荷增长模式下,云南省电力生产带来的碳排放均 呈现出明显的、相似的阶段特性.以中方案为例, 碳排放轨迹可分为三个阶段: 平稳阶段 (2010—2013 年) ,即使云南省在"十二五"期间负荷的年平均增 长率最高可达 12.93%, 但云南省电力生产碳排放量 平均增长率只有 5.5%; 上升阶段 (2014—2015 年) , 该两年碳排放的增长量占"十二五"碳排放总量的 82%;下降阶段(2016—2020 年) ,碳排放开始缓 慢下降并趋于平稳. 参考文献: [1] IPCC. 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CHEN Qixin, ZHOU Tianrui, KANG Chongqing, et al. Assessment Model of Low-Carbon Effect and Its Application to Energy Conser- vation Based Generation Dispatching [J]. Automation of Electric Power Systems,2009,33(16) :1?6. ? ? 收稿日期:2010-11-18 作者简介: 郑外生(1967),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力 系统规划,计划及工程管理等(e-mail)ws-zheng@163.com; 朱文涛(1970),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力 系统规划,计划管理等; 张立(1973),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力系 统规划,节能减排等.
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2010 年第4卷第6期南方电网技术低碳电力 2010,Vol. 4,No. 6 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Low-Carbon Electricity 文章编号:1674-0629(2010)06-0007-06 中图分类号:TM715;F407.61 文献标志码:A 云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析* 郑外生 1 ,朱文涛 1 ,张立 1 ,周天睿 2 (1. 云南电网公司,昆明 650011;2. 清华大学 电机系电力系统国家重点实验室,北京 100084) 摘要:为了加速云南电网低碳化发展进程,建立了碳排放计算模型.基于云南省未来 10 年的电源规划方案,对云南省 内电力生产碳排放总量和排放强度的发展趋势进行计算和评估.结果表明:在3种(低、中、高)负荷增长模式下,云 南省电力生产带来的碳排放均呈现出明显相似的阶段特性.以中方案为例,碳排放轨迹可分为三个阶段:平稳阶段 (2010—2013 年) ,即使期间云南省电力负荷的年平均增长率达到 12.93%,云南省电力生产碳排放量平均增长率也只 有5.5%;上升阶段(2014—2015 年) ,该两年碳排放的增长量占"十二五"碳排放总量的 82%;下降阶段(2016—2020 年) ,碳排放开始缓慢下降并趋于平稳. 关键词:低碳经济;低碳电力;电力系统规划,电源结构;碳排放 Calculation and Analysis of the Low-Carbon Benefit of Power System Planning Scheme in Yunnan Province ZHENG Waisheng1 , ZHU Wentao1 , ZHANG Li1 , ZHOU Tianrui2 (1. Yunnan Power Grid Corporation, Kunming 650011, China; 2. State Key Lab of Power Systems, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: In order to promote low-carbon development process of Yunnan Power Grid, establishing a model for carbon emission calculation and based on the power planning scheme of Yunnan Province for the next decade, this paper accomplishes the calculation and trend analysis of carbon emission quantity and intensity of the province. According to the result, there is obviously a similarity of the carbon emission trajectories under different load growth rates (low, normal, high rates). As for the normal load growth rate scenario, the emission trajectory can be divided into three stages: stationary (2010-2013) stage in which the average rate of carbon emission is only 5.5% even that of power load of Yunnan Province up to 12.93% of year average increasement; upward stage (2014-- 2015) in which the increasement of carbon emission is up to 82% of the "Twelfth-Five Year" planning quantity; and downward stage (2016-2020) in which the carbon emission begins to decrease slowly and then smoothly. Key words: low-carbon economy; low-carbon electricity; power system planning; energy mix; CO2 emission ? 进入 21 世纪以来,全球气候变化和能源危机 的压力不断增大,低碳化的发展理念成为人类社会 实现长久发展的重要途径[1?4] . 实现低碳化的经济发 展模式,已成为我国实现可持续发展的必经之路 [5?6] . 我国的能源结构整体上以煤炭为主,占全国一 次能源总消费量的将近 70%,而以风、水、核为主 的清洁能源的消费比例不到 10%[7] .电力行业作为 我国重要的能源产业,是CO2 排放的大户,每年电 * 该文荣获中国电机工程学会第十一届青年学术会议(2010,北京) 一等奖. 力行业的碳排放量接近全国总碳排放量的一半[8] . 由于电力行业的碳排放基本全部来自于发电侧,所 以电源结构的发展规划将在很大程度上影响地区的 碳排放强度与特性,电力行业将是我国发展低碳经 济的主力军[9] . 云南作为国家第一批低碳试点省份之一,应分 析全省电源结构在规划期内 ( "十二五" 和 "十三五" 期间)低碳化特征和碳排放情况[10?11] ,响应国家能 源低碳化发展要求[12] ,充分利用本省的资源优势, 把握机遇,促进云南电网的快速、低碳化发展. 本文将从电力规划、生产的角度出发,根据各 类发电机组的运行特性与能量流的转换过程建立相 8 南方电网技术 第4卷应的计算模型;在此基础上结合云南省的电源发展 规划数据和不同的负荷发展场景和低碳技术发展场 景, 利用模型对云南省未来 2010—2020 年的碳排放 轨迹进行计算与分析. 1 云南省电源结构概况 1.1 云南省自然资源概况 云南省具有独特的自然地理条件,很适于发展 低碳化的能源结构.省内水力资源优势显著,大小 河流分属六个水系,即金沙江、澜沧江、怒江、珠江、红河和伊洛瓦底江,水力资源分布相对集中, 主要集中在金沙江、澜沧江、怒江三大水系.云南 省水力资源的技术可开发容量为 107 000 MW,约 占全国水电技术可开发总量的 18.8%,居全国第三 位.全省风能资源总储量为 122 910 MW,其中风 能资源可利用区 (年平均风功率密度大于 50 W/m2 ) 面积为 45 200 km2 ,约占全省总面积的 11.5%,风 能资源储量为 28 320 MW,约占全省风能资源总储 量的 23%.此外,省内平均海拔高,空气洁净,光 质好,日照时间长,太阳能资源较为丰富,理论总 储量居全国第八位.年日照时数为 2 200~3 000 h, 年辐射量为 5 000~6 000 MJ/cm2 ,是我国太阳能资 源丰富或较丰富的地区之一. 1.2 云南省电源开发规划方案 以云南省发改委在云南电力战略发展研究中提 出的云南省电源开发方案、南方电网电力工业发展 "十二五" 及中长期规划及云南省电力工业发展 "十 二五"及中长期电网规划为参考,根据近期主要电 源项目的前期工作和开发进度的调研分析结果,可 得云南省"十二五"及中长期电源结构的发展方案 如图 1 所示. 图1云南省未来 10 年电源结构发展规划 Fig. 1 Power Mix Planning of Yunnan Province for the Next Decade 图1中"新能源"包括风电、光伏发电、生物 质、生活垃圾燃烧发电等电源.从图中可看出,云 南省电源结构以水电为主,装机比例占全省总装机 的65%以上,并且在"十二五"和"十三五"期间, 云南省三江干流水电还将进一步得到开发,水电装 机比重将稳步上升,火电装机比重则持续下降.至2020 年,水电比重接近 80%,水电为主的电力工业 的支柱产业地位得以确立. 另外,响应国家新能源发展政策,包括光伏、 风能、生物质和城市生活垃圾新能源发电装机也在 云南省得到发展. 新能源装机规模将从目前的 108.8 MW 提高到 2015 年的 1 215 MW、2020 年的 1 465 MW,占全省装机比重分别达到 1.7%、1.1%[13] . 2 发电侧碳排放计算模型的架构 为分析未来云南省电力行业的整体 CO2 排放轨 迹及相应的关键特征,并对现有的电源结构发展规 划进行评估,本文从电力生产的角度,建立了一个 可描述电力生产过程的 CO2 排放计算模型,以实施 对全省层面电力 CO2 排放的计算与分析. 模型的整体实施流程如图 2 所示.模型主要由 3 个子功能模块组成,分别实现数据处理、计算控 制、核心计算与结果分析的功能. 图2模型的整体流程框架图 Fig. 2 Framework and Schematic Flow for the Model 模型采用精细建模的思路,将建模单位细化到 单个机组层面;根据机组的运行特性与能量流的转 换过程,计算各类机组的 CO2 排放系数;在确保负 荷与电量平衡约束、满足机组运行工况的前提下, 将年发电量分配到所有机组.核心计算模块根据能 量转化的原理进行碳排放量计算和指标计算;并最 终对模型的计算结果进行评估和指标. 电力行业的碳排放基本全部来自于发电侧,电 力生产碳排放总量与碳排放强度是描述与电源结构 第6期郑外生,等:云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析 9 低碳化发展最为直接的两种指标,因此本文的计算 分析工作将围绕云南省发电环节的碳排放量和碳排 放强度展开. 3 发电侧碳排放总量计算方法 3.1 发电机碳排放模型 把握住各类机组的能源转化过程和效率,可得 到各类机组的碳排放模型,将发电量与碳排放量相 关联[14] . 3.2 各类机组需发电量的确定 根据各个地区不同机组需发电量的分配原则与 发电过程可得:在负荷预测得出了地区总的需发电 量之后,调度总是优先分配水电机组,风电机组与 核电机组等近零排碳的非化石能源机组,尽可能使 该类机组资源充分得到利用,在电网安全运行的情 况下尽量避免弃水、弃风等行为.分配完毕后剩余 的需发电量再分配给火电机组.由于只有火电机组 存在发电碳排放,因此计算思路就是在给定地区总 需发电量的情况下,根据数据统计出水电、风电和 核电的总容量和合理的利用小时数,从而得到该类 机组的需发电量, 剩余的便为火电机组的需发电量. 在传统"三公"调度模式下,火电中的燃油与 燃气机组主要用于调峰,年发电量相对固定.煤电 机组的利用小时数虽然在实际调度时会考虑充分利 用大机组的问题,但是在整体来看,小机组与大机 组之间的利用小时数差别不会太大,所以简化考虑 后认为:火电所有机组具有相同的利用小时数.即 是认为总的需发电量平均分配给每台机组,总的利 用小时数等于总需发电量除以总的容量. 4 发电侧碳排放强度计算方法 4.1 发电侧碳排放强度 发电侧碳排放强度定义为 gen all E e W ? . (1) 式中:Egen 为总碳排放量;W 为总发电量.式(1) 可体现地区电源结构的低碳特性. 4.2 火电碳排放强度 因云南省基本不含燃油、燃气等非燃煤火力发 电,因此火电碳排放强度定义为 gen coal coal E e W ? . (2) 式中:Egen 为总碳排放量;Wcoal 为总火电发电量. 式(2)用于表征地区火电机组结构的低碳特性. 5 规划期内云南省发电侧碳排放分析 应用上文构建的电力生产碳排放模型,若要计 算省内"十二五"及"十三五"内的电力生产碳排 放轨迹,除了总的电源规划数据外,还需对电力装 机规划细则,发电厂详细信息,全社会负荷预测, 西电东送等电源和电力电量的数据进行梳理.在对 云南省电力工业 "十二五" 规划报告和南方电网 "十 二五"规划报中的数据进行整理后,进行了如下的 计算和分析. 5.1 基本数据 5.1.1 云南省内需发电量 省内需发电量由省内负荷,外电送滇方案和滇 电外送方案共同决定,根据云南省的负荷增长预测 报告和送受电规划,本文设定了三种省内需发电量 增长场景,如图 3 所示. 图3不同场景下云南省内需发电量 Fig. 3 Total Generation Required of Yunnan Province in Different Scenarios 5.1.2 云南省火电机组数据 云南省内的火电机组基本全部为燃煤机组,即 电力生产碳排放来源于燃烧煤炭.由于燃煤机组发 电存在专门的能耗指标——发电煤耗,因此煤电机 组的碳排放强度可直接通过煤耗求得.将所有煤电 机组按照单机容量进行分档.根据机组的典型容量 段,单机容量在 600 MW 以上的机组为一档,300 MW 至600 MW 为一档,200 MW 至300 MW,100 MW 至200 MW 以及 100 MW 以下各自为一档,先 统计出各自容量范围内的总容量,再根据云南省火 电电厂的生产情况, 统计每个档位的供电标准煤耗. 根据云南省火电的运行数据,可得各类煤电机 组的碳排放强度,如表 1 所示. 2010 年以后的机组投运信息以云南省电力工 10 南方电网技术 第4卷表1云南省火电机组碳排放强度和装机容量 Tab. 1 Carbon Intensity and Capacity of Coal-Fired Units in Yunnan 发电机组容量区间 CO2 排放强度/ (kg·kW?1 h?1 ) 机组装机 容量/MW PG≥600 MW 0.838 4 3 600 300 MW≤PG < 600 MW 0.890 8 6 000 200 MW≤PG < 300 MW 0.956 3 400 100 MW≤PG < 200 MW 1.087 3 135 业"十二五"公布的数据为准. 为保证模型计算结果符合实际生产情况,需根 据火电运行特点对火电机组的利用小时数进行约 束. 以6500 h 作为云南省火电机组的年极限利用小 时,2 500 h 作为最小利用小时. 5.1.3 云南省非火电机组数据 云南省非火电装机以水电为主, 结合少量的风 力、光伏和生物质发电,2010 年的装机容量与参考 利用小时数如表 2 所示. 表2云南省非火电机组装机容量与利用小时数 Tab. 2 Capacity and Utilization Hours of Non-Coal-Fired Units in Yunnan Province 机组类型 装机容量/MW 参考年利用 小时数/h 水电 26 170 4 100 风电 228.75 2 000 光伏 20 2 000 生物质 50 2 000 参考利用小时数由发电技术和云南省自然条件 (来水、来风情况)综合决定,由于非火电机组运 行时不产生碳排放,这部分机组生产的电量为低碳 电量.2010 年以后的非火电机组投运信息以云南省 电力工业发展"十二五"及中长期电网规划公布的 数据为准. 5.2 云南省电力生产碳排放计算与分析 5.2.1 电力 CO2 排放发展趋势计算 根据以上整理过的机组运行数据和负荷增长数 据,结合计算模型可得到在既定装机规划,三种负 荷增长方案(低方案、中方案和高方案)下云南省 未来十年的电力生产碳排放变化与省内火电机组年 利用小时数,如图 4 所示. 从图 4 中可以看出,省内火电的年利用小时数 变化趋势与碳排放轨迹的变化趋势相近.在负荷增 长低方案中,为了保证全省火电平均利用小时数不 小于最低利用小时数,模型采取了相应的调整手段 以保证火电电量,付出的代价是水电部分弃水和碳 排放轨迹下降趋势的放缓,从图 5 中负荷增长低方 案的碳排放轨迹里可看出这一点. 图4不同场景下云南省内电力生产碳排放量 Fig. 4 CO2 Emission From Power Generation of Yunnan Province in Different Scenarios 图5不同场景下云南省火电机组年发电量 Fig. 5 Annual Energy Output of Coal-Fired Power Units of Yunnan Province in Different Scenarios 5.2.2 电力 CO2 排放强度计算 以中方案为例,云南省 2010 至2020 年的两项 碳排放指标如图 6 所示. 从图中可看出, 云南省 2010 —2020 年间的总碳排放强度变化趋势与总需发电 量的趋势基本一致. 从图 7 中可看出, 在2010—2020 年间火电单位电量碳排放强度不断下降,2020 年相 比2010 年排放强度下降了 2.5%,相当于发电标准 煤耗降低约 8.4 g / kWh.当年直接减排效益为 470 kt.体现了云南省火电机组效率的不断提升. 图6云南省未来 10 年电力生产总碳排放强度 Fig. 6 Carbon Intensity of Power Generation of Yunnan Province for the Next Decade 第6期郑外生,等:云南省电力系统规划方案低碳效益计算与分析 11 图7云南省未来 10 年电力生产火电碳排放强度 Fig. 7 Carbon Intensity of Coal-Fired Power Units of Yunnan Prov- ince for the Next Decade 6 云南省电力生产碳排放分析与电源结构 低碳化发展建议 6.1 云南省碳排放总量发展趋势分析与建议 由不同场景下云南省内电力生产碳排放轨迹可 看出, 云南省电力生产的碳排放量在短期内 ( "十二 五"期间)仍将保持稳中有升的发展趋势,在2015 年以后,碳排放量将会得到较好的控制.三种负荷 增长方案下,云南省电力生产带来的碳排放均呈现 出明显的、相似的阶段特性.以中方案的排放轨迹 为例,可分为如下三个阶段: 1) 平稳阶段 (2010—2013 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放量增速放缓,趋于平稳.这是由于云 南省在"十二五"期间开始了三江干流水力资源的 大规模开发,水电电量的增长有效缓解了碳排放的 增长趋势,即使云南省在"十二五"期间负荷的年 平均增长率最高可达 12.93%, 但云南省电力生产碳 排放量并未如同负荷增长一样明显上升,平均增长 率只有 5.5%. 2) 上升阶段 (2014—2015 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放量迅速增加.由于省内电力消费量的 上升突然增速,带动三种方案下的碳排放量在这两 年有所上升,并在 2015 年达到峰值.据计算,该两 年碳排放的增长量占 "十二五" 碳排放总量的 82%. 3) 下降阶段 (2016—2020 年) . 这一阶段的特 点是,碳排放开始缓慢下降,趋于平稳.这主要是 由于在"十三五"期间,云南省逐步加大引入缅甸 水电的力度,兼之省内水电开发力度进一步加大, 使得"十二五"末期碳排放量得到了很好的控制, 在这段时间内开始稳定下降,并趋于稳定. 根据不同场景下的谈排放轨迹特点,云南省应 根据负荷增长的实际情况来调整省内电源发展的指 导方针. 若省内负荷增长小于中方案预测的结果,云南 省应积极规划外送通道,加强省内富余电能的外送 力度,同时适当放缓火电机组的投运和规划,以确 保省内已投运电源的利用效率,保证火电机组的利 用小时数,减少弃水.若省内负荷增长接近高方案 预测的结果,云南省应加快省内电源开发的节奏, 优先开发省内水电,风电等低碳电源,并积极引入 外来水电,加大从缅甸等地购入的水电电量,以保 证省内用电和外送电量需求, 控制省内发电碳排放. 6.2 云南省碳排放强度发展趋势分析与建议 根据计算结果,2020 年相比 2010 年单位电量 碳排放下降了 43%,下降幅度很大,整体体现了云 南省在未来十年间大量投运水电为云南乃至南网的 电力生产带来的低碳化贡献. 云南省火电碳排放强度的不断下降整体体现了 云南电网不断实行"上大压小"带来的减排效果, "十三五"期间,虽然新投产的燃煤机组均为大容 量高效率的机组,但省内"上大压小"的余地已经 不大,以致这段时间内火电碳排放强度的下降并不 明显.但是不可否认:上大压小,提高火电运行效 率始终是云南省在电源侧实现低碳化发展的重要途 径之一. 虽然云南省的发电量仅占南网的一部分,但是 其碳排放的强度指标仍然可以同南网整体和全国平 均水平内进行横向比较,以了解云南省电源结构低 碳化程度在南网乃至全国层面中的位置.根据南网 的十二五规划报告以及国家能源局发展规划司发布 的国家能源战略报告,经由上文提到的计算方法, 可以计算得到南网整体乃至全国的碳排放强度,以2015 和2020 年作为目标年, 比较结果如图 8 和图 9 所示. 图8云南省、南网和全国范围内总碳排放强度比较 Fig. 8 Carbon Intensity Comparison of Power Generation in Different Power Grids 12 南方电网技术 第4卷从图 8 中可以看出,无论是 2015 年还是 2020 年,云南省电力生产的总碳排放强度始终明显低于 南网和全国的平均水平,这与云南省大规模水电资 源在该阶段的集中开发有着很大的关系,并且云南 省水电的大规模开发与外送对于南网总碳排放强度 的下降也有相当的贡献. 图9云南省、南网和全国火电碳排放强度比较 Fig. 9 Carbon Intensity Comparison of Coal-Fired Power Units in Different Power Grids 但是从图 9 的火电碳排放强度的比较结果来 看,云南省内火电结构以煤电为主,缺少燃气,燃 油等排放较低的非燃煤火电机组,所以云南省火电 碳排放强度要高于南网甚至全国的平均水平.所以 云南省应在现有电源结构的基础上进行火电结构优 化,加大"上大压小"的力度,进一步挖掘省内电 源结构低碳化的发展空间. 7 结语 本文建立了电源结构和电力生产的碳排放模 型, 计算了云南省电源结构在未来 10 年的低碳化特 征和碳排放轨迹.结果表明:在3种(低、中、高) 负荷增长模式下,云南省电力生产带来的碳排放均 呈现出明显的、相似的阶段特性.以中方案为例, 碳排放轨迹可分为三个阶段: 平稳阶段 (2010—2013 年) ,即使云南省在"十二五"期间负荷的年平均增 长率最高可达 12.93%, 但云南省电力生产碳排放量 平均增长率只有 5.5%; 上升阶段 (2014—2015 年) , 该两年碳排放的增长量占"十二五"碳排放总量的 82%;下降阶段(2016—2020 年) ,碳排放开始缓 慢下降并趋于平稳. 参考文献: [1] IPCC. 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CHEN Qixin, ZHOU Tianrui, KANG Chongqing, et al. Assessment Model of Low-Carbon Effect and Its Application to Energy Conser- vation Based Generation Dispatching [J]. Automation of Electric Power Systems,2009,33(16) :1?6. ? ? 收稿日期:2010-11-18 作者简介: 郑外生(1967),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力 系统规划,计划及工程管理等(e-mail)ws-zheng@163.com; 朱文涛(1970),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力 系统规划,计划管理等; 张立(1973),男,云南昆明人,高级工程师,研究方向为电力系 统规划,节能减排等.