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能源统计中不同类型能源核算方法的探讨

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能源统计中不同类型能源核算方法的探讨

  • 分类:节能研究
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  • 发布时间:2013-11-03 14:38

能源统计中不同类型能源核算方法的探讨

 

  摘要:基于目前我国在能耗统计中广泛采用的发热煤耗计算法和电热当量计算法不能反映不同能源品位的差异,而且在水电、核电的折算、能源转换系统的评价等方面存在诸多矛盾,本文提出将能源的“质”“量”结合一起考虑的等效电的统计方法,不仅将解决现有统计方法的诸多矛盾,而且在能耗统计方面更加科学合理。

  关键词:发电煤耗;电热当量;能源转换;能源品位;等效电

  中图分类号: TK01 文献标识码:A 文章编号:1003-2355(2006)06-0005-04

  Abstract: Coal equivalent calculation and calorific value calculation is mainly used in resent energy statistics in China. But these two methods could not tell the difference in grade of different energy source, and have much trouble in converting method for hydropower and nuclear power, evaluating energy conversion system. This article presents the electricity equivalent calculation combining the quantity and quality of different energy source, which can overcome the trouble mentioned.

  Key words: coal equivalent calculation; calorific value calculation; energy conversion; energy grad; electricity equivalent calculation

  收稿日期:2006-05-22

  作者简介:江亿,男,中国工程院院士,清华大学教授。

  1 引言

  科学合理的能耗统计方法对于能源政策制定、项目的决策等非常重要,随着西气东输、三峡水利枢纽等大型工程的实施及投入使用,我国以煤炭为主的单一能源结构体系逐渐多元化发展,水电、核电、天然气等高品位的商品能源占商品能源的比重越来越大,我国传统的以标准煤为计量对象的能源消耗统计方法提供的数据是否科学合理,是否还适应现实的需要值得商榷;另一方面,终端能源种类,满足这些需求的能源转换系统也越来越多,尤其在暖通空调领域,水泵冷机的用电,空调的用冷、采暖的用热等高低品位的能源消耗都存在。科学地实现各种类型能源间的核算,对于正确地评价和比较各种用能方式,从而促进和推动真正节能的方式,就显得尤为重要。而现有的能耗统计方法能否合理评价这些系统在能耗之间的差异,转换方式的优劣中,不十分清晰。为此,本文将就能耗统计方法的问题进行探讨。

  2 我国能耗统计中的核算方法及存在的问题

  2.1 我国能耗统计中的核算方法

  目前我国能源消耗统计方法主要依据燃料的平均低位发热量进行简单折算。对水电、核电的折算又可分为发电煤耗计算法和电热当量计算法两种,区别在于对水电、核电的核算方法:发电煤耗计算法将水电、核电按当年平均火力发电煤耗换算成标准煤;而电热当量计算法中水电、核电仅按电的热功当量换算成标准煤,2003年部分能源折算系数见表1。

  2.2 目前能耗核算方法存在的问题

  不同能源有品位高低之分,电是最高品位能源,其次是天然气、煤等。以上无论是发电煤耗计算法还是电热当量计算法,除电的转换外,其他能源都只是简单的从“量”上考虑,将各种不同能源按低品位的热折算成标煤,忽略了能源之间“质”的差别,因此在计算能源消耗、评价能源转换系统必然存在不足。

  2.2.1 掩盖了天然气等高品位能源的做功能力

  从核算结果上看,1MJ发热量的天然气和1MJ发热量的原煤折成标煤在数量上没有区别,但二者的潜在做功能力显然不同,在现有的技术条件下,1MJ的天然气采用燃气蒸汽联合循环可以发0.55MJ的电,而1MJ的原煤则只能发0.34MJ的电,二者转换为高品位的电的能力(或者说做功能力)相差很大。因此,目前的核算结果掩盖了高品位能源的做功能力,贬低了其实质价值。这就容易造成只要消耗的一次能源热值一样,是什么能源没有区别的错觉,导致在能源利用时,经常出现“高级能干低级活”的不合理方式。

  2.2.2 电的能耗折算存在逻辑矛盾

  先看发电煤耗计算法,将水电、核电对照火电,统一按当年平均火力发电煤耗折算成标准煤,以2003年为例,考虑平均发电效率34%,则1kWh电按0.3619kgce折算,这种虚拟增值的方法是建立在多生产1kWh的水电(核电)可以少生产1kWh的火电的逻辑基础之上。但如果设想少生产1kWh的火电,可以减少0.3619kgce的消耗,直接燃烧可以供出10.588MJ的热量,而1kWh的水电(核电)全部转化为热也仅3.6MJ,显然水电(核电)直接比照火电转换,在逻辑上也存在不合理之处。

  再看电热当量计算法,与发电煤耗计算法的差别在于,将水电、核电直接按自身的热功当量换算成标准煤,即1kWh的电折合标煤0.1229kgce,这种方法虽然避免了发电煤耗计算法的逻辑矛盾,但我们在实际的终端能源统计中很难直接获得水电、核电和火电分别的消耗数据,因此在其分别按不同系数转换为标准煤时存在困难。另外,这种方法在统计电的输配损失时也无法分清火电、水电、核电,统一按发电煤耗计算法0.3619kgce/kWh对待,这种初端电热当量计算法计算,中间损失按发电煤耗计算法不可避免的会出现初端统计和终端统计无法平衡的矛盾。

  我国水电、核电增长迅速,由1980年的582.1亿kWh,增长到2003年的3270.2亿kWh,随着三峡电站的投入实施,以及大批核电站的论证立项,水电核电将进一步增加,采用目前的能耗核算方法的矛盾将逐渐突出。

  2.2.3 能源转换系统的评价出现争议

  由于在以上两种能耗核算方法中,不同的能源,只是简单按其发热值折算成标煤的,这就在评价能源转换系统存在诸多争议,分别以建筑热电冷联供(BCHP)、热电联产系统和热泵系统的评价为例。

  (1)热电冷联供(BCHP)系统评价

  若BCHP的发电效率25%,产热50%,由图1所示能源转换方式,1MJ的天然气与0.4MJ的电相当。按照热量法计算,取平均发电效率为34%,即1MJ的天然气只能发出0.34MJ的电,如图2所示,因此采用BCHP不仅可以减轻电网峰值,而且能源利用率从34%提高到40%,节约了能源。但另有观点认为天然气在纯发电时不是和燃煤发电厂一样的低效,而多是采用燃气蒸汽联合循环系统,发电效率可达55%,即1MJ的天然气相当于0.55MJ的电,这样BCHP系统的能源利用率仅为40%,低于大型燃气蒸汽联合循环发电厂的55%,因此在能源利用率上是不合适的。同样的一个系统得出两个截然不同的结论。而不管是发热煤耗法还是电热当量法,具有

  1MJ热值的天然气都只是折算成0.03412kgce。

  (2)热电联产系统评价

  目前评价热电联产系统时,常用的评价方法有基于电热当量法的按热量分摊、基于发电煤

  耗法的好处归热以及好处归电法3种,具体如表2所示。

  如果从以上3种方法出发,在评价热电联产系统时很难统一结论。例如评价图3所示的两个热电比不同的热电联产系统。

  从表3可以看出,若按基于电热当量法的按热分摊评价,热电联产系统Ⅱ产电产热效率均要高于系统Ⅰ,系统Ⅱ好;而如果从基于发电煤耗法的好处归热评价,由于产电效率一样,系统Ⅰ的产热效率高,系统Ⅰ好。再看好处归电法,两个系统效率相同。同样两个系统比较,采用现有的两种能耗核算方法,结论完全不一样。因此现有能耗核算方法在评价热电联产系统时,

  很容易引起争论并给项目决策者带来困扰。

  (3)热泵系统的评价

  现有的能源核算方法在评价热泵系统时,同样存在不足,例如评价一个COPH=2.0的热泵系统在冬季运行的节能性,由于直接电热的COPH仅为1,这样看热泵是节能的;但是如果依据发电煤耗核算方法,1MJ电折算2.95MJ的标煤,如果将这样大热量的能源直接燃烧(效率按75%),可以产出2.2MJ的热,大于热泵的2MJ,热泵不节能。两种核算方法,结论完全相反。

  2.2.4 新型能源折算困扰

  随着太阳能、风能等新型能源的广泛利用,对于它们所产生的电能,在能耗核算时,如果还按热值进行折算,就会低估了这些可再生能源的作用,因此也需要找到一个合适的方法。

  3 新的不同类型能源间的换算方法:等效电法

  3.1 换算方法

  因为所有一次能源(煤、天然气、油、水力、核、太阳能、风能等)都可以用来发电,如果以高品位的电作为标准,将其他终端能源按照一定的折算系数转化为电,就不仅考虑了不同能源之间“量”的差异,还体现出“质”的不同。

  等效电的折算标准:式中:

  Wee-某形式能源折合的等效电数值(kWh);

  Q -该种形式能源的总能量(kWh);

  η -该类型能源转换电的最大效率,其值直接反映出各种不同能源的品位,可以由热力学第二定律推出。

  (1)天然气、油品、煤炭及其制品的等效电转换效率计算公式:

  式中:T0 -参考温度(K);

  T -天然气(油、煤)的完全燃烧温度(K)。

  (2)热水和蒸汽的等效电转换效率计算公式

  其中:T0为能源使用地点的参考温度,暖通空调领域夏季可以选取当地的夏季空调室外日平均温度,冬季选取当地的采暖室外日平均温度。对于其他领域可以分春夏秋冬四季选取当地室外日平均温度作为计算依据。Tg、Th分别为市政热水的供回水温度,Tsteam是蒸汽压力所对应的饱和温度(单位均为K)。以北京冬季为例,95℃/70℃的市政热水转换效率23.6%,0.4MPa的蒸汽转换效率34.8%。

  当能耗核算方法改为等效电法后,以上的诸多问题迎刃而解。由于不同能源在折算成等效电时考虑了转换成电的最大能力,这种“质”“量”一体的核算方法真实反映出了能源的品位高低。而且,由于此方法对电不作转换,因此水电核电的折算不存在任何问题。

  3.2 应用实例

  再看等效电法评价上述三个能源转换系统的结果:

  建筑热电冷联供(BCHP)系统 由于1MJ热值的天然气等效电为0.661MJ,而1MJ热值的天然气通过图1所示BCHP系统转换后仅等效0.4MJ的电,如果不考虑BCHP系统的电力调峰作用,仅从节能角度看,该工况的BCHP系统是不节能的。

  热电联产系统 如图3所示,1MJ热值的煤通过热电联产系统Ⅰ,可产出0.25MJ的电和0.5MJ的热,折算成等效电0.368MJ(100%×0.25MJ(电)+ 23.6%×0.5MJ(热)),而1MJ热值的煤通过热电联产系统Ⅱ,可产出0.2MJ的电和0.6MJ的热,折换成等效电0.342MJ(100%×0.2MJ(电)+23.6%×0.6MJ(热)),小于系统Ⅰ的0.368MJ,显然系统Ⅰ要优于系统Ⅱ。

  热泵评价 若冬季热泵的供回水温度60℃/55℃,取北京的冬季室外温度-1.6℃为参考温度,计算出热水的等效电转换效率为17.9%。当热泵COPH=2时,消耗1MJ的电可产出2.0MJ的热,但这2.0MJ的热折合成等效电只有0.358MJ,远小于投入的1MJ,因此在北京冬季用COPH=2的热泵产热是不节能的。

  从另一个角度我们也可以看到由于热水的品位较低,因此等效电的数值很小,如果采用锅炉燃烧直接供热,即使燃烧效率较高也是不合适的。比如,假设燃煤锅炉效率达到100%,1MJ的热(95℃/70℃/-1.6℃)也只折成等效电0.236MJ,显然直接燃煤供热是让“高级能”干“低级活”,能源利用不合理。这样的能耗核算方法就可根据用能的品位需求来选择采用合适的能源转换方式,改变传统“只要能源转换效率高就是好系统”的看法,有利于对新型的能源转换系统合理评价,从而避免盲目推广。

  对于水电、核电,由于都是电,就不必再作区别。而当终端需要热时,就可以区别用燃料产热、用电直接产热、用热泵产热以及热电联产产热各自区别。

  对于新型能源的能耗核算只要按照上述方法,很容易得到其等效电核算系数。因此采用等效电的能耗核算方式更适合现实的需要,在能耗核算方面更加科学合理。

  4 结论

  (1)目前的能耗核算方法简单地将不同能源按低品位的热折算成标煤,不能反映能源之间品位的差异,掩盖了高品位能源的做功能力,因而在水电、核电的折算、能源转换系统的评价等方面存在诸多矛盾。

  (2)以高品位的电作为标准的等效电法从“质”和“量”上科学地反映不同能源消耗之间的差异,有效解决目前能耗核算方法中存在的诸多问题,在能耗核算方面更加科学合理。

  (3)建议现在开始试行用“等效电”方式核算能源生产、输送和消耗。

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