引言

在我国能源消费结构中，煤炭占比长期超过60%，远高于世界30%的平均水平，其中超过一半都用于发电。当前，可再生能源和新能源的普及使用仍受局限，因此，对传统能源的依赖仍是我国当前能源消费的特点之一。天然气因其清洁、便利、高效且供应充裕，近年来在我国得到快速普及应用，当前正迎来天然气发展的机遇期，在国家环境治理、清洁能源发展大环境下，天然气替代煤炭（简称“气代煤”）将是我国能源结构转型的重要路径之一。

研究表明，“气代煤”进行发电可有效降低散烧煤炭、小型煤电所带来的重度环境污染排放^[1-3]。然而，由于“气代煤”成本较高，从经济性角度和现有市场运行机制考量，我国“气代煤”发电仍存较多的约束，发展速度仍不明显。“十三五”我国将迎来天然气消费增长新的市场环境^[4-5]。预测显示，在此期间，我国“气代煤”市场潜力超过1 000亿立方米。因此，在相关环保政策、天然气价格机制不断完善的基础上，可借此机遇推动我国“气代煤”商业模式探索及实践，不断增强“气代煤”的可行性。

系统动力学自20世纪50年代被提出并发展至今，已经在社会、经济、军事、区域发展、环境治理、城市建设等多个领域得到长足的研究和发展^[6]。它依托计算机仿真技术，以反馈控制理论为基础，为复杂的社会经济问题进行系统建模和决策，被誉为“战略与策略实验室”^[7]。天然气替代煤炭发电这一问题涉及污染物排放、天然气及煤炭的替代性、电力需求、能源价格及政策干预等因素，这些因素复杂交织在一起，相互影响相互制约，应用系统动力学模型，可以很好地将这些因素通过因果和反馈建立关系，并通过一些关键因素的变动进行情景假设（敏感分析）和仿真模拟，以研究“气代煤”所产生的环境效益。

1 “气代煤”发电环境效益分析

煤炭发电造成的环境污染主要体现在硫化物排放、碳排放及氮化物的排放，以及在煤炭发电过程中产生的粉尘、灰渣污染上。笔者参照《燃煤电厂大气污染物排放标准》，结合国内外相关研究成果，进行4种主要排放物排放量测算及“气代煤”发电环境效益分析^[8]。

1.1 SO₂排放

煤炭中含有硫，燃烧时转化成为SO₂，排放量大小受含硫量及烟气硫的转化率影响，计算公式为：

$ {\mathit{G}_{S{{\rm{O}}_2}}} = \mathit{M} \times {\mathit{S}_{{\rm{ar}}}} \times {\mathit{K}_{S{{\rm{O}}_2}}} \times {\alpha _{S{{\rm{O}}_2}}} \times (1 - \delta ) $

(1)

G_SO2——SO₂排放量，kg；

M——燃煤质量，kg；

S_ar——燃煤应用基含硫率，%；

K_SO2——燃煤硫向烟气硫转化率，%；

α_SO2——SO₂与S摩尔质量比；

δ——燃煤工艺脱硫效率，%。

1.2 CO₂排放

CO₂也是燃煤重要污染物之一，其计算公式为：

$ {\mathit{G}_{\mathit{C}{{\rm{O}}_2}}} = \mathit{M} \times Q \times E \times {\mathit{K}_{C{{\rm{O}}_2}}} \times {\alpha _{C{{\rm{O}}_2}}} $

(2)

G_CO2——CO₂排放量，kg；

M——燃煤质量，kg；

Q——煤炭单位热值，MJ/kg；

E——单位热值下潜在碳排放量，kg；

K_CO2——燃煤碳氧化率，%；

α_CO2——CO₂与C摩尔质量比。

1.3 氮化物排放

燃煤的氮化物排放中，NO占绝大多数，国外学者经过实验研究，得出NO转化率公式为：

$ {C_R} = - 0.407 - 0.128 \times N + [3.34{V^2}(\gamma-1) + 5.5{T_{M{\rm{AX}}}} + 35{R_{{O_2}}}]{10^{ - 4}} $

(3)

C_R——转化率，即NO浓度与假设全部转化为NO浓度之比；

N——燃煤中的氮含量，kg；

V——燃煤中挥发分含量，kg；

γ——氧与燃料化学当量比；

T_MAX——炉膛火焰最高温度，℃；

R_O2——空气中初始氧含量，kg。

粉尘、灰渣等悬浮物的排放受燃烧物质构成及燃烧充分程度的影响，笔者参照国内外研究现状，结合我国环境保护部文件及相关要求，对相关参数进行赋值，如表 1^①所示。

^①数据来源：《中国能源统计年鉴》、中国碳交易网（http://www.tanjiaoyi.com）。

天然气发电相比煤炭发电，其硫化物、二氧化碳、氮化物及粉尘灰渣的排放量将大幅减少。排放物的减少即意味着对环境改善的贡献值增加，为了进行“气代煤”发电的环境效益评估，笔者参照中国排污总量收费标准（PCS）、美国环境价值标准，进行污染物减排的环境价值评估，综合得出各污染物减排所产生的环境价值（表 2）^[9]。

2 “气代煤”发电环境效益系统动力学建模

系统动力学在处理复杂系统内因素间数量关系以及情景分析方面具有独特的优势。“气代煤”发电问题涉及天然气发电排放量、煤炭发电排放量、价格因素以及需要引入的补贴因素，其核心问题有两个：“气代煤”排放关系梳理、政府补贴要素。“气代煤”排放关系梳理需要引入减排依据、减排量标准，按照统一的衡量尺度进行数据统计和计算，得出因素间的数量关系。政府补贴要素是一个调节阀门，是做情景分析的核心要素，也是本研究的创新点。结合政策分析，将“政府补贴”与“天然气价格”进行关联，以政府补贴对天然气价格进行调节，达到情景分析的目的。

“气代煤”发电环境效益测算的核心在于通过天然气替代煤炭发电所带来的减排量这一关键要素，结合各排放物减排的经济效益，进行“气代煤”发电环境效益测算；同时，通过天然气发电政策补贴，将所产生的效益补贴于天然气价格中，提升天然气替代速率，形成良性循环，并通过“政府补贴力度”“电力需求增长率”这些关键要素进行多情景仿真模拟^[10]，建立的系统动力学模型如图 1所示。

模型采用VENSIM软件进行设计，整个模型具有29个要素，3个主流程，并引入“气代煤环境价值”及“天然气发电政策补贴额”两个关键要素，将“气代煤”发电环境效益与天然气发电量两个主流程进行结合，以“天然气发电补贴额”对“单位天然气价格”的影响，形成反馈控制路径；同时，以可变参数“政府补贴力度”作为模型情景设置及仿真效果分析的“遥控器”，整个系统的主回路如下：

回路1：天然气发电增长量→天然气发电量→天然气发电排放物排放量→气代煤环境损益价值→气代煤环境价值→天然气发电政策补贴额→单位天然气价格→天然气发电增长量；

回路2：天然气发电增长量→天然气发电量→煤炭发电量→煤炭发电排放物排放量→气代煤环境损益价值→气代煤环境价值→天然气发电政策补贴额→单位天然气价格→天然气发电增长量；

回路3：天然气发电增长量→天然气发电量→单位天然气价格→天然气发电增长量。

系统的关键路径（气代煤环境价值、天然气发电量）如图 2、3所示。图 2显示，气代煤环境价值与污染物的排放量直接相关。为了便于情景分析，系统假设在初始阶段设置了煤炭发电量及天然气发电量，此时煤炭发电量占比较大，初始阶段的环境污染程度也处于最大值状态；随着天然气发电占比的不断增加，环境污染程度逐渐降低，环境损益价值（环境污染程度折算出的价值）逐渐减少，为了与初期进行比较分析，引入“未替代排放环境损益价值”，它代表初始阶段的环境污染程度，也是环境污染损益价值最大值。图 3显示了天然气发电量复杂要素关系图。随着天然气发电量的增加，煤炭发电量相对减少，二者的CO₂、SO₂、悬浮物、氮化物排放量也会相应地变化，整体排放量即二者相加值，也会相应发生变化。同时，天然气发电量的变化对单位天然气价格也会产生影响，继而影响天然气发电成本，然后传导影响到天然气发电增长量，形成循环系统。

3 “气代煤”发电环境效益仿真模拟与情景分析

按照单位煤炭与天然气发电量折算出单位发电千瓦时的煤炭、天然气消费量，继而计算出污染物排放量。所有参数都做量纲化处理，保持单位一致，煤炭、天然气发电效能均按照国家能源统计年鉴所规定的转化系数进行测算。“气代煤”发电环境效益系统动力学模型参数间数量关系主要为：

（1）CO₂排放量=天然气发电CO₂排放量+煤炭发电CO₂排放量；

（2）FINAL TIME= 10；

（3）INITIAL TIME= 0；

（4）SAVEPER = TIME STEP；

（5）SO₂排放量=天然气发电SO₂排放量+煤炭发电SO₂排放量；

（6）TIME STEP = 1；

（7）单位发电成本=发电成本（天然气发电量/ +煤炭发电量）；

（8）单位天然气价格=IF THEN ELSE（Time＜=1, 2.9, 天然气基础价格−（天然气发电政策补贴额/天然气发电量）/2）；

（9）单位煤炭价格=0.74；

（10）发电成本=单位天然气价格×天然气需求量+单位煤炭价格×煤炭需求量；

（11）天然气发电CO₂排放量=天然气发电量×0.436；

（12）天然气发电SO₂排放量=天然气发电量×2.52e−006；

（13）天然气发电悬浮物排放量=天然气发电量×5.17e−005；

（14）天然气发电政策补贴额=政府补贴力度×气代煤环境价值；

（15）天然气发电氮化物排放量=天然气发电量×0.001 345；

（16）天然气发电量= INTEG (天然气发电量增长量，10)；

（17）天然气发电量增长量=电力需求量×(0.05+0.2/单位天然气价格)；

（18）天然气基础价格=2.95+SIN(10×3.14×Time/2)；

（19）天然气需求量=天然气发电量×0.217；

（20）悬浮物排放量=天然气发电悬浮物排放量+煤炭发电悬浮物排放量；

（21）政府补贴力度=0.5；

（22）未替代排放环境损益价值=电力需求量×(0.588 54×0.023+0.006 12×6+0.002 72×238+0.000 136×8)；

（23）气代煤环境价值=未替代排放环境损益价值−环境损益价值；

（24）氮化物排放量=天然气发电氮化物排放量+煤炭发电氮化物排放量；

（25）煤炭发电CO₂排放量=煤炭发电量×0.588 54；

（26）煤炭发电SO₂排放量=煤炭发电量×0.006 12；

（27）煤炭发电悬浮物排放量=煤炭发电量×0.000 136；

（28）煤炭发电氮化物排放量=煤炭发电量×0.002 72；

（29）煤炭发电量=电力需求量−天然气发电量；

（30）煤炭需求量=煤炭发电量×0.34；

（31）环境损益价值=CO₂排放量×0.023+SO₂排放量×6+悬浮物排放量×238+氮化物排放量×8；

（32）电力需求量= INTEG (电力需求量变化量，200)；

（33）电力需求量变化量=电力需求量×需求增长率；

（34）需求增长率=0.06

基础情景按照以上参数间的函数关系式进行模拟运行。为了分析天然气替代煤炭的环境改善效果、政府补贴对减排的影响，本研究设置了5种情景，如表 3所示。

按照表 3中5种情景仿真模拟，以“政府补贴力度”及“需求增长率”进行敏感性分析，得出不同情景下的天然气/煤炭发电量、气代煤环境价值/天然气发电政策补贴额及4种排放物排放量的变化趋势。

3.1 天然气/煤炭发电量

从图 4中可以看出，随着发电需求的增长，天然气发电量逐渐增长，在政府补贴力度一致情况下，需求增长率在0.02，0.05，0.08时所对应的天然气年均增长率分别为0.265，0.285，0.305，剔除政府补贴力度的影响，可以得出：天然气替代煤炭发电的增长率分别达到：0.240，0.223，0.208，即在此模式下运行，天然气对煤炭有着较快的替代速度，煤炭发电量相应降低。在需求率和增长率都一致的情况下，随着政府补贴力度的不断提升，天然气发电量也相应增加，说明政府补贴通过降低单位天然气价格对天然气发电量的提升具有促进作用：当政府补贴力度从0.5增至0.75，再从0.75增加到1，天然气发电量年均增长率皆提高了约0.5%，而煤炭发电量相应降低，政府补贴激励效果明显。

3.2 气代煤环境价值/天然气发电政策补贴额

在图 5中，在政府补贴力度一致的情况下，随着天然气发电量的增长，“气代煤”的环境价值不断增长，即随着天然气发电量的增加，对环境的改善效果是正向的，发电需求增长率在0.02，0.05，0.08时所对应的气代煤环境价值增长率分别达到0.036，0.068，0.101，增长效果明显；对应的天然气发电政策补贴额也相应的增加，该部分补贴用于降低天然气价格，降低天然气发电成本，对解决与天然气相比煤炭发电成本高的现状具有良好的促进作用。

3.3 各排放物排放量

如图 6所示，在整体发电需求增长为0.02的情况下，天然气对煤炭的替代所减排的CO₂超过了发电量增加导致的CO₂排放的增加量，使总体CO₂排放逐渐降低；同样，SO₂、氮化物、悬浮物的减排效果也较为明显。当政府补贴力度一致的情况下，需求增长率在0.02，0.05，0.08时所对应的CO₂排放量增长率分别为−0.016，0.023，0.061，剔除政府补贴力度的影响，可以得出“气代煤”产生的CO₂减排率（年均减排减少率）分别为0.036，0.027，0.019，同样得出其他3种排放物“气代煤”减排率（年均减排减少率）如表 4^①所示。

^①注：1.剔除政府补贴的影响，在发电需求增长率不断增大时，排放物的减排率都大于零，即意味着“气代煤”产生了正向的减排效果；2.随着发电需求增长率的增大，整体排放量随之增加，通过“气代煤”可以降低排放速度，但难以整体降低排放量，因此仍需从源头降低对发电量的需求。

可以看出，发电量增长率的增加导致了各污染物排放量的增加，因此可以根据环境要求的减排标准对增长率进行约束，将发电增长率作为减排的参考因素之一，在源头进行有效控制。按照同样的计算方法，在保持发电增长率不变的情况下，剔除需求增长率的影响，得出政府补贴力度分别为0.5，0.75和1，这3种情景下4种污染物减排率，如表 5^②所示。

^②注：1.在剔除需求增长率的影响下，政府补贴对减排产生了正向的积极作用，意味着政府补贴对“气代煤”具有促进作用；2.随着补贴力度的增加，对“气代煤”的促进作用不断增加，减排效果提升。可以看出，政府补贴力度的增加有效地提升了各污染物的减排速率，对环境治理产生正向的促进作用，因此，可以结合政府财政补贴计划及环境减排要求进行综合考量。

4 结论及思考

本研究依托系统动力学理论和VENSIM软件，构建了“气代煤”发电环境效益系统模型，引入“将减排产生的环境效益补贴于发电天然气价格中”这一理念，以降低天然气发电成本，形成良性发展模式。在所建立的模型基础上，进行“发电需求增长率”及“政府补贴力度”两个关键因素的敏感分析，并设置了5种情景进行仿真，得出以下结论：

（1）天然气替代煤炭发电的环境效益明显。在发电需求增长率处于低位水平下，通过合理的激励和补贴，提升天然气替代速率，可以在整体发电量增长的前提下，实现整体减排量的降低，达到经济发展和环境治理兼顾的目标。在当前电力需求不断增长、环境保护要求不断提高的现实背景下，进行减排环境治理时，可综合考虑政府补贴、发电需求增长率、减排要求（标准）3个因素进行多要素的目标优化决策。

（2）政府补贴力度可以产生正向的减排效益，有助于天然气发电量的增加，由此产生的减排环境效益通过财政补贴方式扶持天然气发电企业，可以形成良性循环，达到持续提升天然气发电比例、降低污染物排放的目标。

（3）在当前天然气发电成本较高的现实背景下，需主动进行相关产业扶持，对煤炭发电企业进行逐步的替代，在气煤发电产业上进行结构性调整，共同推动我国清洁能源持续健康发展。