煤电循环经济资源与环境效应及系统仿真优化研究

发布时间：2020-07-29 15:02

【摘要】：“资源节约、环境保护、经济发展”是当今人类社会发展面临的三大主题,燃煤发电与这三大主题紧密相关。鉴于我国能源资源禀赋特点和燃煤发电成本技术优势,决定了未来一段时期内,煤电作为我国电源主体的地位难以改变。因此,如何处理好上述三大主题的关系,煤电产业向循环经济转型成为必然趋势。循环经济作为燃煤发电行业实现清洁高效生产和可持续发展的重要方式,能引导燃煤发电企业减少生产过程的资源投入量,提高废弃物的回收利用率,减少污染物和废弃物的排放量,具有明显的资源节约和环境保护效应。然而,在我国当前国民经济核算体系下,煤电循环经济带来的资源环境效应尚未得到科学界定与计量,不能发挥循环经济综合效益对企业生产模式改进和经营管理决策的调节作用,而且相关产业市场机制限制了循环经济产品生产规模和产量的扩大。这直接导致煤电循环经济产业链出现“只循环不经济”的问题,企业节能减排与废弃物再利用工程更多地仅仅体现在“示范”意义上,不利于我国煤电循环经济事业的发展,也不符合可持续发展战略的目标要求。鉴于此,本文以煤电循环经济企业为分析对象,针对产业链“只循环不经济”的现实问题,利用代际公平、环境外部性、系统动力学和协同学等理论,研究了煤电循环经济资源节约与环境保护效应的内涵与计量、煤电循环经济复杂系统演化机理、煤电循环经济系统优化发展路径和运营状态预警等问题,提出了应用于煤电循环经济行业的资源环境效应计量及其复杂系统仿真优化分析的理论和方法体系,并对某煤电循环经济示范项目进行了实证研究,主要研究内容如下:第一,研究了煤电循环经济资源与环境效应内涵及其系统复杂特性。从能源战略地位、政策支持和可持续发展三个角度,论述了我国煤电循环经济发展的比较优势,梳理了煤电循环经济的发展模式;结合煤电循环经济发展的现实问题,从资源代际成本节约的角度阐述了煤电循环经济资源效应的基本内涵,从清洁生产和废弃物再利用等方面分析了煤电循环经济环境效应的基本内涵;论述了煤电循环经济系统开放性、动态性、多层次性和非线性性等复杂特性。第二,研究了资源代际公平判别、代际成本测算和煤电循环经济资源效应的计量。根据煤电循环经济资源效应的基本内涵,建立了基于可持续发展公平—效率的资源代际公平判别和基于代际公平判别的使用者成本计量模型,提出了煤电循环经济资源效应的计量分析框架,弥补了传统代际公平判别和代际成本计量方法在代内公平和资源使用效率方面描述的不足;测算了2001-2014年以来我国煤炭、水资源的代际公平度和代际成本,在此基础上计量分析了煤电循环经济示范工程清洁生产和海水淡化产业链的资源效应,结果表明:清洁生产的度电煤炭资源效应为0.0017元/千瓦时,海水淡化产业链的煤炭资源效应为0.175元/吨,淡化水的水资源效应为0.135元/吨。第三,研究了大气环境改善支付意愿和煤电循环经济环境效应的计量。根据煤电循环经济环境效应的基本内涵,结合煤电循环经济环境效应的外部性特征和不完备市场条件的特点,提出了基于选择实验模型的煤电循环经济环境效应计量模型,弥补了我国煤电循环经济环境保护效应计量相关研究的缺失。设计了大气环境改善支付意愿调查问卷,基于多项logit模型分析了大气环境改善的支付意愿,得到居民对重度污染天气数减少、PM2.5下降以及酸雨天数减少的边际支付意愿和总支付意愿,分别为1.400~1.708元/月、0.901~0.923元/月、0.628~0.736元/月和2.929~3.367元/月;结合燃煤发电大气污染物减排潜力的分析结果,测算了满足超低排放标准的煤电循环经济企业度电环境效应为0.0146元/千瓦时。第四,在复杂系统因果关系分析的基础上,利用系统动力学理论构建了煤电循环经济系统动力学模型,揭示了煤电循环经济复杂系统内部的演化机理。明确了煤电循环经济系统动力学建模目的、系统边界和关键影响因素;结合煤电循环经济系统功能价值分析,将煤电循环经济企业划分为电力经济、资源再利用和环境发展三个子系统;基于系统内部及子系统间的相互作用关系分析,设计了煤电循环经济系统内部因果关系回路;在此基础上,运用系统动力学理论建立了煤电循环经济复杂系统动力学模型;确定了系统内各变量间的方程式关系及关键变量的参数取值。第五,针对煤电循环经济产业链“只循环不经济”等现实问题,分析了计及资源与环境效应对煤电循环经济系统运营的影响,利用前述系统动力学模型,通过多情景仿真探究了煤电循环经济系统生产运营的优化发展路径。利用历史数据对模型参数赋值并验证了模型的有效性,通过仿真模拟识别出初始情景下煤电循环经济示范工程的海水淡化和固体废弃物利用产业链存在“只循环不经济”等现实问题;设置了计及资源与环境效应、改变企业生产规模以及综合调控方案三种发展情景,研究了解决当前煤电循环经济系统生产运营问题的优化发展路径;构建了基于万元产值能源消耗序参量的煤电循环经济系统运营状态预警模型,实现了系统运营状态的识别预警;结果表明:2017-2020年煤电循环经济示范工程运营处于“低效率”状态;若解决循环经济产业链“只循环不经济”的问题,应通过上网电价、淡化水价和建材价格补贴等方式对煤电循环经济系统资源与环境效应进行补偿,并建立健全水务和建材产品市场机制,提高循环经济产品的销售配额,改善循环经济产业链生产规模较小导致的经营亏损问题。本文提出的煤电循环经济系统资源环境效应内涵、计量和系统仿真优化研究体系,拓展了循环经济系统研究的广度和深度,为今后循环经济综合效益计量分析及其复杂系统运营机理相关的研究奠定了理论和技术基础。同时,相关研究成果也为政府部门建立和完善相关管理体制和产业政策、企业制定循环经济发展战略提供决策依据,这对促进燃煤发电行业节能减排和循环经济产业可持续发展具有深远意义。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：F426.61;F426.21
【图文】：

突变过程,复杂系统

图 2-6 复杂系统突变过程Fig.2-6 Mutation process of complex systems系统由 o a b演化；当参数到达1 临cod方向演化，系统的演化路径发生突变由c变为 c '，系统再次突变。由此可见，在系会使得系统的性质发生质变，控制变量的变否演化到临界状态并发生突变。状态分为稳定状态和不稳定状态，并可以采态。当系统稳定时，描述系统状态的势函数定状态时,该组参数会在一定范围内波动,由个极值[124]。因此，可以通过研究系统状态于稳定状态。目前，突变理论已被广泛应用之中，在社会科学中的应用也逐步增加，可行为。

大气污染物,排放浓度

和烟尘排放浓度限值，并设置了两年半的达标排放过渡期。2014 年 7 月 1 日后，我国已对所有燃煤电厂执行了史上最严格的排放限值，现有燃煤电厂 S排放浓度限值为 200 毫克/立方米，NOx 排放浓度限值为 100 毫克/立方米，烟排放浓度限值为 30 毫克/立方米。此外，针对重点地区，设置了特别排放限值其排放限值达到国际先进或领先水平[129]。与此同时，为进一步缓解电力需求与环境压力日益增长的矛盾，2015 年月 2 日国务院常务会议决定，在 2020 年前，对燃煤机组全面实施超低排放和能改造，即在基准氧含量 6%条件下，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于毫克/立方米、35 毫克/立方米、50 毫克/立方米，所有现役电厂每千瓦时平均耗低于 310 克/千瓦时、新建电厂平均煤耗低于克/千瓦时，对落后产能和不符相关强制性标准要求的坚决淘汰关停，东、中部地区要提前至 2017 年和 2018 达标[130]。该标准全面实施后，烟尘、SO2、NOx排放要求仅为《火电厂大气污物排标准》（GB13223-2011）中重点地区排放限值的 25%、50%和 70%，全煤电行业减排效果将十分显著。图 3-2 为国内外大气污染物排放限值对比，可我国现行标准已严于美国和欧洲。

生产流程图,燃煤电厂,生产流程,煤电厂

华北电力大学博士学位论文机、排粉机、给粉机进入锅炉系统进行燃烧，燃烧后的煤粉一部分转化为煤渣，部分转化为烟尘、SO2和 NOx 等。在不同的生产工艺条件下，水资源的消耗不同的。其中，直流冷却的煤电厂，其汽轮机和凝汽器的用排水量达全厂用水的 90%；循环冷却的煤电厂，由于水的蒸发、风吹、排污等需要补充新水，新补给量占全厂用水量的 60%。此外，湿法除灰渣、湿法排灰等，也会消耗水资。

【参考文献】