一种考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法与流程

本发明属于火电机组发电技术领域，特别是涉及一种考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法。

背景技术：

当前我国碳交易试点对电力行业普遍采用基准法进行免费初始配额分配，但其对基准的选取是由各试点自行制定，分配方法差异是当前各试点配额无法实现跨区流通的原因之一。而我国即将启动全国碳排放权交易市场，当前试点以不同机组燃料类型和容量参数为划分的分配基准已无法更好地体现低碳火电机组的减排价值，且尚未有对于将不同燃料类型与容量参数火电机组纳入同一分配体系的统一基准。

因此，借鉴国内试点与euets第三阶段经验，有必要设置全国性统一的碳配额分配方法，并借助先进的减排手段在火电行业设计推行各类型各参数机组均适用的统一分配基准，通过对不同火电机组发电量的合理安排，煤电企业可以通过碳市场大幅降低总综合成本，以提高低碳火电电源竞争力。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法。

为了达到上述目的，本发明提供的考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)统计某地区电网第t-1年各火电机组的发电量，并计算第t-1年各火电机组的碳排放因子；

方法如下：

火电机组分为三类，即常规燃煤火电机组、燃气火电机组和碳捕集燃煤火电机组，碳捕集燃煤火电机组即配备了碳捕集系统的火电机组，三种火电机组的碳排放因子计算公式如下：

常规燃煤火电机组的碳排放因子ec.t的计算公式为：

ec.t＝γc.tρce(1)

其中，γc.t表示燃煤火电机组的折标煤供电煤耗，单位g/kwh；ρce为标煤的碳排放系数，取推荐值2.46kgco2/kgce；

燃气火电机组的碳排放因子eg.t的计算公式为：

eg.t＝0.7174γg.tρg(2)

其中，γg.t表示天然气发电气耗，单位m³/kwh；ρg为天然气的碳排放系数，取推荐值2.688kgco2/kgng；

碳捕集燃煤火电机组的碳排放因子eccp.t的计算公式为：

式中：βt为碳捕集率，qcc.t为碳捕集系统额外消耗的电能，单位kwh；qccp.t为碳捕集燃煤火电机组净发电量，单位kwh，其数值均由实测得出。

2)根据上述第t-1年各火电机组的碳排放因子和发电量计算第t年火电机组碳排放基准；

方法如下：

第t年火电机组碳排放基准eb.t的计算公式如下；

式中eb.t表示第t年火电机组碳排放基准，单位t/mwh；其取值与第t-1年各火电机组的发电量与碳排放因子有关；qm.t-1和em.t-1分别为第t-1年常规燃煤火电机组、碳捕集火电机组和燃气火电机组的净发电量与碳排放因子，其中m取c,ccp,g。

3)根据上述第t年火电机组碳排放基准以及第t年发电量qm,t计算第t年碳配额发放量，其中第t年的发电量qm,t通过对当地前几年的电力消耗、外部电力和水电预测得出；

计算第t年碳配额发放量ei,t的公式如下：

ei,t＝qm,teb,t(5)

4)根据上述第t年碳配额发放量、第t年火电机组碳排放基准以及第t年发电量qm,t确定第t年碳配额偏差，即需要购买的碳配额；

所述的确定第t年碳配额偏差δei,t的计算公式如下：

δei,t＝qm,t(ei,t-eb,t)(6)

5)以计及燃料成本和购买碳配额时的碳交易成本的综合成本为最小目标，以发电量、国家每年对于燃煤和燃气发电量的限制、碳补集能力等作为约束条件建立火电综合成本模型；

方法如下：

对于各火电机组，其燃料成本为用于发电的煤炭或天然气购置费用，用下式表示：

cf.m.t＝γm,tqm.tpm.t(7)

式中，γm,t表示供电煤耗或气耗；pm.t为对应的煤炭价格或天然气价格；显然，碳捕集燃煤火电机组的煤耗高于常规燃煤火电机组，根据供电煤耗的定义可得：

式中：γccp.t表示碳捕集燃煤火电机组供电煤耗；γc.t表示常规燃煤火电机组供电煤耗；δcc,t表示碳捕集燃煤火电机组捕集能耗占比；qccp.t和qcc.t分别表示碳捕集系统额外消耗的电能以及碳捕集燃煤火电机组净发电量；

碳捕集燃煤火电机组捕集能耗占比δcc,t的计算过程如下：

首先计算碳捕集系统功耗如下：

pcc.t＝(λβtec.tpccp.t+pcc.m.t)/(1-λβtec.t)(9)

假设碳捕集机组额定出力全部用于对外供电及碳捕集，即：

pnccp.t＝pccp.t+pcc.t(10)

则有：

式(11)表明碳捕集燃煤火电机组的捕集能耗占比δcc.t由碳捕集率βt、碳捕集系统维持能耗pcc.m.t和捕集单位co2所消耗的热功率λ共同决定；将计算出的碳捕集燃煤火电机组的捕集能耗占比δcc.t代入式(8)可计算碳捕集燃煤火电机组煤耗；

火电企业碳配额由实际发电量与排放基准确定，由此可定义各火电机组碳交易成本如下：

ce.m.t＝pea.tqn.t(ei,t-eb,t)(12)

式中：pea.t为碳排放权交易价格，其值由碳交易市场决定；

火电综合成本模型的目标函数如下：

约束条件如下：

qc.t+qccp.t+qg.t＝qt(14)

qcoal.tmin≤qc.t+qccp.t≤qcoal.tmax(15)

qg.tmin≤qg.t≤qg.tmax(16)

(qccp.t-qccp.t-1)/qccp.t-1≤ζ(17)

式(14)表示每年火电发电总量应满足预测需求；式(15)中qcoal.tmin和qcoal.tmax分别为国家规定的每年燃煤发电量的最小值和最大值；式(16)中qq.tmin和qg.tmax分别为国家规定的每年燃气发电量的最小值和最大值，表示国家每年对于燃煤和燃气发电量的引导并留有一定调整空间；式(17)中ζ为碳捕集燃煤火电机组发电量年均增长率的上限值，这是根据碳捕集与封存年捕集能力限制、市场对于碳捕集与封存的预期水平以及政府对于低碳技术的推进力度与相应的市场监管而设定的。

6)求解上述火电综合成本模型，计算出满足发电需求时最小的火电综合成本，由此完成对火电机组发电量的合理分配。

利用单纯形法求解上述成本模型的线性规划，得到满足发电需求的最低火电综合成本。

本发明提供的考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法就在现有低碳技术与碳市场运行经验的基础上，提出了考虑常规燃煤、碳捕集燃煤和燃气火电机组排放强度的火电统一碳排放基准计算方法，将三类火电电源纳入统一的碳配额分配机制中的目的在于考虑不同燃煤和容量机组的排放特性差异，以保证配额发放的公平性。

附图说明

图1为本发明提供的考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的考虑碳交易成本的火电机组发电量分配方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)统计某地区电网第t-1年各火电机组的发电量，并计算第t-1年各火电机组的碳排放因子；

2)根据上述第t-1年各火电机组的碳排放因子和发电量计算第t年火电机组碳排放基准；

3)根据上述第t年火电机组碳排放基准以及第t年发电量qm,t计算第t年碳配额发放量，其中第t年的发电量qm,t通过对当地前几年的电力消耗、外部电力和水电预测得出；

4)根据上述第t年碳配额发放量、第t年火电机组碳排放基准以及第t年发电量qm,t确定第t年碳配额偏差，即需要购买的碳配额；

5)以计及燃料成本和购买碳配额时的碳交易成本的综合成本为最小目标，以发电量、国家每年对于燃煤和燃气发电量的限制、碳补集能力等作为约束条件建立火电综合成本模型；

6)求解上述火电综合成本模型，计算出满足发电需求时最小的火电综合成本，由此完成对火电机组发电量的合理分配。

在步骤1)中，所述的计算第t-1年各火电机组的碳排放因子的方法如下：

火电机组分为三类，即常规燃煤火电机组、燃气火电机组和碳捕集燃煤火电机组，碳捕集燃煤火电机组即配备了碳捕集系统的火电机组，可极大减少碳排放量，但碳捕集系统将消耗额外电能。三种火电机组的碳排放因子计算公式如下：

常规燃煤火电机组的碳排放因子ec.t的计算公式为：

ec.t＝γc.tρce(1)

其中，γc.t表示燃煤火电机组的折标煤供电煤耗，单位g/kwh；ρce为标煤的碳排放系数，取推荐值2.46kgco2/kgce；

燃气火电机组的碳排放因子eg.t的计算公式为：

eg.t＝0.7174γg.tρg(2)

其中，γg.t表示天然气发电气耗，单位m³/kwh；ρg为天然气的碳排放系数，取推荐值2.688kgco2/kgng；

碳捕集燃煤火电机组的碳排放因子eccp.t的计算公式为：

式中：βt为碳捕集率，qcc.t为碳捕集系统额外消耗的电能，单位kwh；qccp.t为碳捕集燃煤火电机组净发电量，单位kwh，其数值均由实测得出。

在步骤2)中，所述的根据上述第t-1年各火电机组的碳排放因子和发电量计算第t年火电机组碳排放基准的方法为：第t年火电机组碳排放基准eb.t＝f(em,t-1,qm.t-1)，参考国家发改委发布的“区域电网基准线排放因子”计算方法，设计出包含常规燃煤、碳捕集燃煤和燃气三种火电机组的火电行业统一碳排放基准如式(4)所示，由于燃油发电在我国火力发电中的份额很小，为简便计算在此忽略不计；

式中eb.t表示第t年火电机组碳排放基准，单位t/mwh；其取值与第t-1年各火电机组的发电量与碳排放因子有关；qm.t-1和em.t-1(m取c,ccp,g)分别为第t-1年常规燃煤火电机组、碳捕集火电机组和燃气火电机组的净发电量与碳排放因子。

以发电量加权平均方式求取的统一碳排放基准，可以保证在高碳排放的常规燃煤发电量占优的初期，计算出的统一碳排放基准不会大幅偏离现行燃煤机组平均碳排放基准，从而给予常规燃煤机组一定的减排改造时间；同时对低碳电源给予高于现行以机组燃料类型和容量划分标准的减排收益；逐年滚动更新的基准也有助于推动火电行业低碳化。

在步骤3)中，所述的根据上述第t年火电机组碳排放基准以及第t年发电量qm,t计算第t年碳配额发放量ei,t的公式如下：

ei,t＝qm,teb,t(5)

在步骤4)中，所述的确定第t年碳配额偏差δei,t的计算公式如下：

δei,t＝qm,t(ei,t-eb,t)(6)

在步骤5)中，根据上述交易机制，分配给控排企业的碳排放配额是免费的，超出配额的排放量需要在碳交易市场中购买，未使用完的碳排放配额则可以出售。因此，在全国碳交易市场建成后，火电机组的减排压力将增加，火电机组的碳排放量将会有所降低，有助于推动火电行业低碳化。下面将建立综合成本模型，以计及燃料成本和碳交易成本的综合成本最小为目标，分析火电行业对不同机组发电量的分配策略。

对于各火电机组，其燃料成本为用于发电的煤炭或天然气购置费用，用下式表示：

cf.m.t＝γm,tqm.tpm.t(7)

式中，γm,t表示供电煤耗或气耗；pm.t为对应的煤炭价格或天然气价格。显然，碳捕集燃煤火电机组的煤耗高于常规燃煤火电机组，根据供电煤耗的定义可得：

式中：γccp.t表示碳捕集燃煤火电机组供电煤耗；γc.t表示常规燃煤火电机组供电煤耗；δcc,t表示碳捕集燃煤火电机组捕集能耗占比；qccp.t和qcc.t分别表示碳捕集系统额外消耗的电能以及碳捕集燃煤火电机组净发电量。

碳捕集燃煤火电机组捕集能耗占比δcc,t的计算过程如下：

首先计算碳捕集系统功耗如下：

pcc.t＝(λβtec.tpccp.t+pcc.m.t)/(1-λβtec.t)(9)

假设碳捕集机组额定出力全部用于对外供电及碳捕集，即：

pnccp.t＝pccp.t+pcc.t(10)

则有：

式(11)表明碳捕集燃煤火电机组的捕集能耗占比δcc.t由碳捕集率βt、碳捕集系统维持能耗pcc.m.t和捕集单位co2所消耗的热功率λ共同决定。将计算出的碳捕集燃煤火电机组的捕集能耗占比δcc.t代入式(8)可计算碳捕集燃煤火电机组煤耗。

火电企业碳配额由实际发电量与排放基准确定，由此可定义各火电机组碳交易成本如下：

ce.m.t＝pea.tqm.t(ei,t-eb,t)(12)

式中：pea.t为碳排放权交易价格，其值由碳交易市场决定。

从火电行业整体利益出发，以计及燃料成本和碳交易成本的综合成本最小为目标，分析火电行业对不同火电机组发电量的分配策略，其火电综合成本模型的目标函数如下：

约束条件如下：

qc.t+qccp.t+qg.t＝qt(14)

qcoal.tmin≤qc.t+qccp.t≤qcoal.tmax(15)

qg.tmin≤qg.t≤qg.tmax(16)

(qccp.t-qccp.t-1)/qccp.t-1≤ζ(17)

式(14)表示每年火电发电总量应满足预测需求；式(15)中qcoal.tmin和分别为国家规定的每年燃煤发电量的最小值和最大值；式(16)中qg.tmin和qg.tmax分别为国家规定的每年燃气发电量的最小值和最大值，表示国家每年对于燃煤和燃气发电量的引导并留有一定调整空间；式(17)中ζ为碳捕集燃煤火电机组发电量年均增长率的上限值，这是根据ccs(碳捕集与封存)年捕集能力限制、市场对于ccs的预期水平以及政府对于低碳技术的推进力度与相应的市场监管而设定的。

在步骤6)中，求解上述火电综合成本模型的最优决策的方法是：利用单纯形法求解上述成本模型的线性规划，得到满足发电需求的最低火电综合成本。

具体实施方式

以2015年为基准，以2016～2030年为规划期，将上述步骤应用所提方法对火电低碳电源电量进行分配。部分输入参数如表1所示。

表1输入参数简表

假设碳捕集燃煤火电机组发电量年均增长率的上限值ζ为30％，初始取t＝2016年，即从2016年起，使用步骤1～6逐年滚动计算最优成本，得到规划期内最优总成本为15.05万亿元，其中燃料成本为15.150万亿元，碳排放成本为-0.0999万亿元，即碳排放配额有富余，可从碳交易市场中盈利，碳捕集燃煤火电机组总发电量为4.376万亿千瓦时，火电碳排放量为496.11亿吨。