考虑空气质量改善的电能替代环境保护政策目标测算方法与流程

本发明涉及能源政策制定，具体涉及考虑空气质量改善的电能替代环境保护政策目标测算方法。

背景技术：

改革开放以来，在经济高度繁荣的同时，我国面临着日益严重的环境污染问题。2017年，我国能源消费总量达到44.9亿吨标准煤，且能源消费以煤炭为主，占比高达60.4％。与此同时，我国节能减排压力也逐渐加大，近年来雾霾天气频发，尤以京津冀地区最为突出，甚至多次出现超过6级的极重度污染天气。2013中国绿色电能高峰论坛上披露的一项研究成果表明，直燃煤(油)是造成环境污染的重要因素(pm2.5中的50％～60％源于燃煤，20％～30％来自燃油)，改进能源消费方式、缓解环境压力迫在眉睫。

电能替代能够通过大规模集中转化煤、油、气等常规终端能源，提高燃料使用效率、减少空气污染物排放(主要包括so2、nox和一次pm2.5的排放)，对改善终端能源消费结构、提升环境质量具有积极作用，是有效缓解大气污染、调整能源结构的重要方式。

与售电、电改类似，政策的支持是电能替代发展的最关键因素，而近几年行业的飞速发展也证明了这一点。电能替代政策可以分为中长期政策和短期政策，中长期政策包括环保类政策和规划类政策，短期政策包括价格类政策和补贴类政策。其中规划类政策主要是对能源领域各方面进行统筹规划的电能替代政策，环保类主要是有关环境保护、减少污染方面的电能替代政策，补贴类政策主要是有关财政补贴的电能替代政策，价格类政策主要是与价格有关(如供电服务价格、电动汽车充电服务价格)的电能替代政策。

但是目前没有科学的测算方法能够根据环境保护政策空气质量改善目标测算电能替代现有终端能源(如柴油、煤油、煤炭、汽油等)的替代电量，从而支撑政府部门科学制定环保政策，推进电能替代快速发展，更好地促进节能减排，推动生态文明建设。

有鉴于此，急需提供一种考虑空气质量改善目标的电能替代电量测算方法，使用电能替代终端能源，帮助中央及地方政府科学制定、落实电能替代终端能源相关环保政策。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种考虑空气质量改善的电能替代环境保护政策目标测算方法，包括以下步骤：

s1、根据世界卫生组织空气质量标准和过渡期目标，测算各地区pm2.5达标约束下空气污染物的环境容量；

s2、根据空气流动跨界输送矩阵，修正得到考虑空气污染物流动的各地区pm2.5达标约束下的环境容量；

s3、根据各地区废气中空气污染物排放值以及步骤s2中环境容量的差值，计算得各地区空气污染物需减排量；

s4、根据电力行业火电发电占比情况，确定电力代替终端能源的减排量；

s5、根据步骤s3中各地区空气污染物需减排量和步骤s4中电力替代终端能源的减排量，确定各地区电能主要替代方向以及替代目标。

在上述方法中，所述步骤s2的问题转化为最优化问题进行，具体为：

考虑地区空气污染物流动的环境容量修正，令xi,j为地区i排放的第j种空气污染物，yi,j为地区i的第j种空气污染物环境容量；xlbi,j为地区i计划排放第j种空气污染物下限，xubi,j为地区i计划排放第j种空气污染物上限；1≤i≤31，为全国31个地区；1≤j≤3，为so2、nox与一次pm2.5三种空气污染物；

1)、测算计划排放so2量

s.t.x1,1×0.66+x2,1×0.05+x3,1×0.05+x6,1×0.01+x15,1×0.01≤y1,1

x1,1×0.04+x2,1×0.56+x3,1×0.06+x6,1×0.01+x10,1×0.01+x15,1×0.02≤y2,1

x4,1×0.01+x5,1×0.03+x27,1×0.02+x28,1×0.04+x30,1×0.65≤y30,1

x31,1×1≤y31,1

xlbi,1≤xi,1≤xubi,11≤i≤31

2)、测算计划排放nox量

s.t.

x1,2×0.63+x2,2×0.06+x3,2×0.05+x6,2×0.01+x15,2×0.01≤y1,2

x1,2×0.04+x2,2×0.58+x3,2×0.06+x6,2×0.01+x10,2×0.01+x15,2×0.02≤y2,2

x4,2×0.01+x5,2×0.03+x27,2×0.02+x28,2×0.04+x30,2×0.65≤y30,2

x31,2×1≤y31,2

xlbi,2≤xi,2≤xubi,21≤i≤31

3)、测算计划排放一次pm2.5量

s.t.

x1,3×0.63+x2,3×0.06+x3,3×0.05+x6,3×0.01+x15,3×0.01≤y1,3

x1,3×0.04+x2,3×0.58+x3,3×0.06+x6,3×0.01+x10,3×0.01+x15,3×0.02≤y2,3

x4,3×0.01+x5,3×0.03+x27,3×0.02+x28,3×0.04+x30,3×0.65≤y30,3

x31,3×1≤y31,3

xlbi,3≤xi,3≤xubi,31≤i≤31

在上述方法中，利用matlab最优化函数可求解3个优化问题，具体如下：

x1＝linprog(f1,a1,b1,aeq1,beq1,lb1,ub1)

x2＝linprog(f2,a2,b2,aeq2,beq2,lb2,ub2)

x3＝linprog(f3,a3,b3,aeq3,beq3,lb3,ub3)

考虑可行性，最优解x的下界xlbi,j取环境容量的30％，上界xubi,j取上一年度排放量的100％。

在上述方法中，所述步骤s4包括以下步骤：

s41、计算终端能源的等效电能值；

s42、计算终端能源的so2排放量折算值；

s43、计算终端能源的nox排放量折算值；

s44、计算终端能源的烟(粉)尘排放量折算值；

s45、计算发电的度电排放的空气污染物折算值，包括so2排放量折算值、nox排放量折算值与烟(粉)尘排放量折算值；

s46、根据步骤s45中发电的度电排放的空气污染物折算值与步骤s41-s43中排放的空气污染物折算值，计算1kw·h电能代替终端能源减排量；

其中，所述一次pm2.5排出量等于0.64～0.66倍所述烟(粉)尘排出量。

在上述方法中，所述计算终端能源的so2排放量折算值具体为如下公式：

式中，s表示1单位终端能源的so2排出因子，cso2表示产生1单位等效电能值的终端能源的so2排放折算值，e表示1单位终端能源的等效电能值；

计算终端能源的nox排放量折算值具体为如下公式：

式中，n表示1单位终端能源的氮氧化物排出因子，cnox表示产生1单位等效电能值的终端能源的nox排放折算值；

计算终端能源的烟(粉)尘排放量折算值具体为如下公式：

式中，d表示1单位终端能源的烟(粉)尘排出因子，csd表示产生1单位等效电能值的终端能源的烟(粉)尘排放折算值；

计算发电的度电排放的空气污染物折算值具体为如下公式：

度电空气污染物排放量(mg/kwh)＝烟气量(m³/h)×空气污染物排放浓度(mg/m³)/负荷(1000*kw)。

在上述方法中，所述步骤s5包括以下步骤：

将各个地区电能代替终端能源目标值测算问题分别转化为下列最优化问题：

s.t.zi,1×5.15923+zi,2×0.10583≥jpi,1×100

zi,1×0.44433+zi,2×1.38633≥jpi,2×100

zi,1×3.24≥jpi,3×100

zi,1≥0,zi,2≥0

式中，jpi,1、jpi,2、jpi,3分别为各地区计划减排so2量、计划减排nox量和计划减排烟(粉)尘；其中，

jpi,1＝xi,1,p－xi,1,x

jpi,2＝xi,2,p－xi,2,x

jpi,3＝xi,3,p－xi,3,x

式中，xi,j,p为各地区废气中主要空气污染物排放值，xi,j,x为步骤s2中的环境容量。

本发明通过分析对空气质量危害最大的so2、nox和一次pm2.5空气污染物的排放，结合世界卫生组织空气质量标准和过渡期目标，综合考虑空气污染物流动对各地区主要空气污染物排放的影响，科学测算满足环境保护政策目标下，电能替代其他终端能源电量，支撑政府部门科学制定电能替代环保政策，从源头上破解资源困境、环境难题，实现能源可持续发展。

附图说明

图1为本发明提供的流程图。

具体实施方式

本发明通过分析对空气质量危害最大的so2、nox和一次pm2.5空气污染物的排放，结合世界卫生组织空气质量标准和过渡期目标，综合考虑空气污染物流动对各地区主要空气污染物排放的影响，科学测算满足环境保护政策目标下，电能替代其他终端能源电量，支撑政府部门科学制定电能替代环保政策，从源头上破解资源困境、环境难题，实现能源可持续发展。下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种考虑空气质量改善的电能替代环境保护政策目标测算方法，包括以下步骤：

s1、根据世界卫生组织空气质量标准和过渡期目标，测算各地区pm2.5达标约束下空气污染物的环境容量，空气污染物包括so2、nox与一次pm2.5空气污染物的年排放量。其中，

世界卫生组织空气质量标准和过渡期目标(微克每立方米)如下：

空气质量指南：pm2.5<10，pm10<20，低于这一标准，没有证据证明心肺和肺癌死亡率增加与长期接触pm2.5有关。

过渡期目标-1：pm2.5<35，pm10<70，相对于最终指南而言，此标准将长期死亡率的风险提高了15％。

过渡期目标-2：pm2.5<25，pm10<50，相对于过渡期目标-1而言，此标准将过早死亡的风险平均约降低6％。

过渡期目标-3：pm2.5<15，pm10<30，相对于过渡期目标-2而言，此标准将过早死亡的风险平均约降低6％。

根据《环境宏观战略研究》、《大气污染防治行动计划》目标，中国政府承诺：在2030年城市空气质量要基本达标，pm2.5控制在35微克每立方米以内，即达到世界卫生组织过渡期目标-1的水平如下表1所示。

表1pm2.5达到世界卫生组织过渡期目标-1约束下的环境容量(万吨)

注：数据来源环境保护部环境规划院大气环境部

s2、根据空气流动跨界输送矩阵，修正得到考虑空气污染物流动的各地区pm2.5达标约束下的环境容量xi,j,x。具体包括以下：

空气污染物排放不但影响本地区空气质量，还有一部分排放会通过长距离大气输送对下游地区造成影响。由于气团、气流和风的作用，空气污染在不同城市、地区甚至更远的区域之间传输。2016年7月8日，环保部环境规划院发布2015年度全国pm2.5跨省输送矩阵，除新疆不存在pm2.5跨省输送外，其他省份都存在一定的输送比例，环保部环境规划院研究出的2015年度全国pm2.5跨省输送矩阵表明，pm2.5污染呈现典型的区域性特征，各行政单元之间均存在显著的跨区域输送规律，据图如下表。

表2跨界输送特性(％)

根据上面表格数据，考虑地区空气污染物流动的环境容量修正，令xi,j为地区i排放的第j种空气污染物，yi,j为地区i的第j种空气污染物环境容量；xlbi,j为地区i计划排放第j种空气污染物下限，xubi,j为地区i计划排放第j种空气污染物上限；1≤i≤31，为全国31个地区；1≤j≤3，为so2、nox与一次pm2.5三种空气污染物；如下表所示。

表3变量说明

需要说明的是，表3中，烟(粉)尘和一次pm2.5之间的关系估算值为0.64～0.66，且以下分析中都将分析烟(粉)尘排出量，具体的一次pm2.5排出量等于0.65倍烟(粉)尘排出量。

将步骤s2的问题转化为最优化问题进行求解，具体如下：

1)、测算计划排放so2量

s.t.x1,1×0.66+x2,1×0.05+x3,1×0.05+x6,1×0.01+x15,1×0.01≤y1,1

x1,1×0.04+x2,1×0.56+x3,1×0.06+x6,1×0.01+x10,1×0.01+x15,1×0.02≤y2,1

x4,1×0.01+x5,1×0.03+x27,1×0.02+x28,1×0.04+x30,1×0.65≤y30,1

x31,1×1≤y31,1

xlbi,1≤xi,1≤xubi,11≤i≤31

式中，各行系数对应表2中每列数值；

2)、测算计划排放nox量

s.t.

x1,2×0.66+x2,2×0.05+x3,2×0.05+x6,2×0.01+x15,2×0.01≤y1,2

x1,2×0.04+x2,2×0.56+x3,2×0.06+x6,2×0.01+x10,2×0.01+x15,2×0.02≤y2,2

x4,2×0.01+x5,2×0.03+x27,2×0.02+x28,2×0.04+x30,2×0.65≤y30,2

x31,2×1≤y31,2

xlbi,2≤xi,2≤xubi,21≤i≤31

3)、测算计划排放一次pm2.5量

s.t.

x1,3×0.66+x2,3×0.05+x3,3×0.05+x6,3×0.01+x15,3×0.01≤y1,3

x1,3×0.04+x2,3×0.56+x3,3×0.06+x6,3×0.01+x10,3×0.01+x15,3×0.02≤y2,3

x4,3×0.01+x5,3×0.03+x27,3×0.02+x28,3×0.04+x30,3×0.65≤y30,3

x31,3×1≤y31,3

xlbi,3≤xi,3≤xubi,31≤i≤31

利用matlab最优化函数可求解上述3个优化问题，如下：

x1＝linprog(f1,a1,b1,aeq1,beq1,lb1,ub1)

x2＝linprog(f2,a2,b2,aeq2,beq2,lb2,ub2)

x3＝linprog(f3,a3,b3,aeq3,beq3,lb3,ub3)

考虑可行性，最优解x的下界xlbi,j取pm2.5达到世界卫生组织过渡期目标-1约束下的环境容量的30％，上界xubi,j取2016年(即上一年度)各分地区废气中主要空气污染物排放量的100％。下表为根据表1中的给出的环境容量，并根据空气流动跨界输送矩阵，修正得到考虑空气污染物流动的各省市pm2.5达标约束下的环境容量值。

表4空气污染物流动修正后的环境容量(万吨)

s3、根据各地区废气中空气污染物排放值xi,j,p以及步骤s2中环境容量xi,j,x的差值，计算得各地区空气污染物需减排量。其中，

如下表，为各地区废气中空气污染物排放情况以及步骤s2中环境容量的差值。

表5各地区废气中空气污染物排放情况(2016年，单位：万吨)

注：上述表格数据来源《中国能源统计年鉴2017》

根据考虑地区空气污染物流动的各地区环境容量和各地区实际排放情况(表5)可以得出各地区的减排任务，如表6所示，表中数据为0表示该空气污染物排放尚未达到环境容量，对空气质量不构成影响，表中数据为正数表示该空气污染物排放超过环境容量，对空气质量达标造成影响，需采取措施对该空气污染物减少排放。

表6分地区空气污染物需减排情况(2016年，单位：万吨)

s4、根据电力行业火电发电占比情况，确定电力代替终端能源的减排量。

具体包括以下步骤：

测算终端能源的so2排放量折算值、nox排放量及烟(粉)尘排放量折算值，分别比较电能消耗与其他终端能源消耗排放so2、nox及烟(粉)尘的排放量，进行电能替代环境影响的分析，包括如下步骤：

s41、计算终端能源的等效电能值；

e表示1单位某终端能源的等效电能值，即有ekw·h电能与1单位的终端能源能量值相等。

s42、计算终端能源的so2排放量折算值；

式中，s表示1单位某终端能源的so2排出因子，cso2表示产生1单位等效电能值的终端能源的so2排放折算值。

s43、计算终端能源的nox排放量折算值

式中，n表示1单位某终端能源的氮氧化物排出因子，cnox表示产生1单位等效电能值的终端能源的nox排放折算值。

s44、计算终端能源的烟(粉)尘排放量折算值；

式中，d表示1单位某终端能源的烟(粉)尘排出因子，csd表示产生1单位等效电能值的终端能源的烟(粉)尘排放折算值。如下表所示，为终端能源电能等效能折算值。

表7电能、终端能源等效能折算值

通过上面表格计算结果显示，煤炭和汽油的so2和nox折算值相对较高，所以将两者作为生活用能将会带来严重的环境污染。然而，我国拥有丰富的煤炭资源，天然气资源相对有限，在短时间内污染相对较小的能源无法替代煤炭资源。为了大幅度减少煤炭消耗带来的环境污染，可以将煤炭的直接消耗转换成煤电。

s45、计算发电的度电排放的空气污染物折算值，包括so2排放量折算值、nox排放量折算值与烟(粉)尘排放量折算值；

本实施例中，使用某一燃煤机组负荷(mw)下相应的烟气量(m³/h)及空气污染物排放浓度(mg/m³)，即可计算度电空气污染物排放量，如下：

度电空气污染物排放量(mg/kwh)＝烟气量(m³/h)×空气污染物排放浓度(mg/m³)/负荷(1000*kw)；

具体以一台实施了超低排放改造的600mw的机组为例进行计算：

度电烟(粉)尘排放量(mg/kwh)＝烟气量(2012030m³/h)×烟(粉)尘排放浓度(5mg/m³)/负荷(600×1000×kw)＝0.016767g/kwh。

度电so2排放量(mg/kwh)＝烟气量(2012030m³/h)×二氧化硫排放浓度(35mg/m3)/负荷(600×1000×kw)＝0.11737g/kwh。

度电nox排放量(mg/kwh)＝烟气量(2012030m³/h)×氮氧化物排放浓度(50mg/m3)/负荷(600×1000×kw)＝0.16767g/kwh。

s46、根据步骤s45中发电的度电排放的空气污染物折算值与步骤s41-s43中排放的空气污染物折算值，计算1kw·h电能代替终端能源减排量；

1kw·h电能等效的某终端能源如so2、nox、烟(粉)尘排出量(表7中的数值)减去超低排放燃煤电厂生产1kw·h电能排出的so2、nox、烟(粉)尘的量(步骤s45计算所得)，得到1kw·h电能代替其他终端能源减排量，具体如下表所示。

表8、1kw·h电能代替其他终端能源减排量

从上表可以看出，电能替代柴油、煤油、煤炭、汽油都能获得减排效果，其中电能替代煤炭减排二氧化硫、烟(粉)尘效果最好，电能替代汽油减排氮氧化物效果最好。

本步骤中，分别通过步骤s41、s42、s43、与步骤s44计算终端能源产生1kw·h电能等效能需要排放的so2、nox、烟(粉)尘的量，再通过步骤s45计算生产1kw·h电能需要排放的so2、nox、烟(粉)尘的量，再通过步骤s41-s44计算所得终端能源产生1kw·h电能等效能需要排放的so2、nox、烟(粉)尘的量减去步骤s45计算生产1kw·h电能需要排放的so2、nox、烟(粉)尘的量，既得到等量情况下电能替换其他终端能源减少排放的so2、nox、烟(粉)尘的量。

s5、根据步骤s3中各地区空气污染物需减排量和步骤s4中电力替代终端能源的减排量，确定各地区电能主要替代方向以及替代目标。具体包括以下步骤：

各地区计划减排so2量、计划减排nox量和计划减排烟(粉)尘分别为jpi,1、jpi,2、jpi,3。

jpi,1＝xi,1,p－xi,1,x

jpi,2＝xi,2,p－xi,2,x

jpi,3＝xi,3,p－xi,3,x

各地区计划减排so2量、计划减排nox量和计划减排烟(粉)尘变量设置具体如下表：

表9变量说明

在二氧化硫、烟(粉)尘排放超标地区大力推广“煤改电”，在氮氧化物排放超标地区大力推广“油改电”。根据各地区主要空气污染物需减排量以及1kw·h电能代替终端能源减排量，即可计算出各地区电能替代政策目标值。

以下“煤改电”与“油改电”分别具体分析终端能源中煤炭改为电能，和柴油、煤油及汽油改为电能，及替代目标量。

可将各个地区电能代替终端能源(即“煤改电”“油改电”)目标值测算问题分别转化为下列最优化问题进行求解，且根据表8中，电能代替其他终端能源减排量即cso2、cnox及c烟(粉)尘减排量减排效果最好的替代方式进行计算分析，优化问题具体如下式：

s.t.zi,1×5.15923+zi,2×0.10583≥jpi,1×100

zi,1×0.44433+zi,2×1.38633≥jpi,2×100

zi,1×3.24≥jpi,3×100

zi,1≥0,zi,2≥0

求解31个上述最优化问题，得到各地区电能主要替代方向(“煤改电”“油改电”)以及替代目标。具体如下表所示。

表10分地区“煤改电”“油改电”目标及年度目标(亿千瓦时)

表10的结果可作为电能替代环境保护政策目标帮助地方政府及中央政府科学制定电能替代相关环保政策。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。