动力设备能耗 [ 16 ] 按公式(1)计算

E N = ∑ G i × C i (1)

式中：EN——动力设备能耗，千克标煤/小时(kgce/h)；G_i——工质消耗量，t/h或kW；C_i——能源折算值，kgce/t或kgce/(kW∙h)，见表1。

1) 化石燃料燃烧过程，二氧化碳排放量 [ 17 ] ，按公式(2)计算

E 燃 烧 = ∑ F C i × C a r × O F i × 44 12 (2)

表1. 能源折算值(标煤)

式中： E 燃 烧 ——燃料燃烧的碳排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂)； F C i ——燃料的消耗量，t或10⁴Nm³； C a r ——收到基含碳量，单位为吨碳/吨(tC/t)或吨碳/万标立(tC/10⁴Nm³)； O F i ——碳氧化率，%；相关参数见表2。

表2. 常用化石燃料相关参数缺省值

2) 标准煤燃烧过程，二氧化碳排放量 [ 18 ] ，按公式(3)计算

E 标 煤 = F C × Q a r × E F (3)

3) 购入电力或热力，二氧化碳排放量 [ 18 ] ，按公式(4)计算

E = A D × E F (4)

式中：FC——标准煤的消耗量，t；Q_ar——标煤收到基低位热值，GJ/t；EF——CO₂排放因子tCO₂/GJ (或tCO₂/MW∙h)；E——购入电量(或热量)产生的排放量，单位吨二氧化碳(tCO₂)；AD——购入的电量(或热量)，MW∙h (或GJ)；相关参数见表3。

表3. 各种燃料的CO₂排放因子

注1、数据来源于文献 [ 17 ] ；注2、数据来源于文献 [ 18 ] 。

随着我国碳交易市场的正式运行 [ 19 ] [ 20 ] ，年运行费用计算应考虑碳排放产生的费用，因此设备年运行费用包括：电费、燃料费、设备折旧维修费、碳排放费，计算公式为：

C = C d + C r + ( f i + f j ) K + C C (5)

式中：C_d——电能费用，元/年；C_r——燃料费用，元/年； ( f i + f j ) K ——设备折旧及维修费用；C_C——碳排放费用，元/年；f_i——折旧率占比，可取5%；f_j——维修费用占比，可取3%；K——工程投资，元。

某动力设备轴功率为N = 5000 kW，传动效率 η 为0.97。透平进汽参数3.5 MPa、420℃、排汽压力0.015 MPa，天然气热值为38.931 MJ/Nm³，标准煤热值为29.271 MJ/kg。

按以下方案计算及对比：方案一：电动机驱动；方案二：燃汽锅炉 + 凝汽透平；方案三：燃煤锅炉 + 凝汽透平。

1) 能耗计算

➢ 方案一： E N d = N / η × C d = 5000 / 0.97 × 0.315 = 1623.7   kgce / h

➢ 方案二或方案三：由透平耗汽量计算得5000 kW透平消耗3.5 MPa蒸汽24.21 t/h，能耗为： E N t = 24.21 × C t = 24.21 × 125.71 = 3043.4   kgce / h

➢ 凝汽透平驱动比电驱动增加能耗： ( 3043.4 − 1623.7 ) / 1623.7 = 87.4 %

2) 碳排放计算

➢ 方案一： E d = N / η × E F = 5000 / 0.97 / 1000 × 0.581 = 2.995   t / h

➢ 方案二：经燃烧计算得燃气耗量为2092.4 Nm³/h，自耗电按照轴功率的5%考虑，

E g = F C i × C a r × O F i × 44 12 + A D × E F = 2092.4 10 4 × 389.31 × 0.01532 × 99 % × 44 12 + 250 / 1000 × 0.581 = 4.675   t / h

➢ 方案三：按能耗计算燃煤耗量为3043.4 kgce/h， E C = F C × Q a r × E F = 3043.4 10 3 × 29.271 × 0.084 = 7.483   t / h

注：由于煤量是按照能耗折算的值，所以电耗不应该重复考虑了，下面运行费用，能量利用率均相同。

➢ 方案二比方案一增加碳排放： ( 4.675 − 2.995 ) / 2.995 = 56.1 %

方案三比方案一增加碳排放： ( 7.483 − 2.995 ) / 2.995 = 149.8 %

3) 年运行费用计算

单价按如下选取：电费0.57元/(kW∙h)，天然气3.5元/Nm³，煤价为850元/t，碳排放50元/t，年运行时间8000 h。

➢ 方案一：

C = C d + C r + f i + f j K + C C = 5000 0.97 × 0.57 × 0.8 + 0.05 + 0.03 × 1500 + 50 × 2.995 × 0.8 = 2350.5 + 120 + 119.8 = 2590.3 万 元 / 年

➢ 方案二：

C = C d + C r + f i + f j K + C C = 250 × 0.57 × 0.8 + 2092.4 × 3.5 × 0.8 + 0.05 + 0.03 × 3300 + 50 × 4.675 × 0.8 = 114 + 5858.7 + 264 + 187 = 6423.8 万 元 / 年

➢ 方案三：

C = C r + f i + f j K + C C = 3.0434 × 850 × 0.8 + 0.05 + 0.03 × 3300 + 50 × 7.483 × 0.8 = 2069.6 + 264 + 299.3 = 2632.9 万 元 / 年

➢ 方案二比方案一增加运行费： ( 6423.8 − 2632.9 ) / 2632.9 = 148.0 %

方案三比方案一增加运行费： ( 2632.9 − 2590.3 ) / 2590.3 = 1.6 %

4) 能量利用率计算

➢ 方案一：

发电厂及电力传输总效率按39%考虑，电动机传动效率按97%考虑。

总输入能量为： E N d = N / η / 0.39 = 5000 / 0.97 / 0.39 = 13217   kW

能量利用率为： U d = 5000 / 13217 = 37.83 %

➢ 方案二：

总输入能量为： E N g = F C × Q a r / 3600 + N / 0.39 = 2092.4 × 38931 / 3600 + 250 / 0.39 = 23269   kW

能量利用率为 U g = 5000 / 23269 = 21.49 %

➢ 方案三：

总输入能量为： E N C = F C × Q a r / 3600 = 3043.4 × 29271 / 3600 = 24745   kW

能量利用率为： U C = 5000 / 24745 = 20.21 %

➢ 方案二比方案一能量利用率低： 37.83 % − 21.49 % = 16.34 %

方案三比方案一能量利用率低： 37.83 % − 20.21 % = 17.62 %

对于不同功率的动力设备，仍按以上三种方案进行计算，方案一：电动机驱动；方案二：燃汽锅炉 + 凝汽透平；方案三：燃煤锅炉 + 凝汽透平。计算结果汇总见表4~表7所示。

表4. 能耗计算结果

注：表中对比项为高于或低于电动机方案的比值，蒸汽耗量来自透平厂家样本。

表5. 碳排放量计算结果

注：表中对比项为高于或低于电动机方案的比值，燃料消耗量来自锅炉厂商资料。

表6. 年运行费用计算结果

注：表中对比项为高于或低于电动机方案的比值。

表7. 能源利用效率计算结果

注1：表4~表6中，对比项为高于或低于方案一的比值；注2：表7中，对比项为低于方案一的值。

从图1中可以看出，电动机驱动方案能耗较低，凝汽透平驱动方案能耗较高，由表4中可以看出，凝汽透平驱动方案能耗高于电驱动方案的比例，随设备功率的增加而降低。

图1. 能耗对比

从图2中可以看出，燃煤锅炉方案碳排放最大，燃气锅炉方案碳排放次之，电驱动碳排放最小，由表5可以看出，燃煤锅炉的碳排放量比电驱动碳排放量多120%~240%，燃气锅炉的碳排放量比电驱动碳排放量多40%~110%。燃煤锅炉、燃气锅炉方案碳排放量超出电驱动方案的比例，随设备功率的增加而降低。

图2. CO₂排放量对比

从图3中可以看出，燃气锅炉方案运行费用最高；当设备功率小于5000 kW时，燃煤锅炉方案运行费用高于电驱动，当功率大于5000 kW时，燃煤方案运行费用略低于电动机方案。从表6中可以看出，燃气锅炉、燃煤锅炉年运行费用超出电驱动方案的比例，随着设备功率的增加而降低。

图4、表7是对三种驱动方式能源利用率进行对比，发电厂及电力传输总效率按39%考虑，电动机传动效率按97%考虑。从图4中可以看出，电驱动方案能源利用率约为38%，不随设备功率而变化。燃气方案的能量利用率略高于燃煤方案，且随设备功率的增加而增加。

图3. 年运行费用对比

图4. 能源利用率对比

根据国家标准、行业标准中的公式，对不同功率的设备从能耗、碳排放量、运行费用、能源利用率4个方面，对电驱动方案与蒸汽驱动方案进行了对比，基于对计算结果的分析，可以得到如下结论：

1) 能耗：电驱动方案能耗较低，凝汽透平方案能耗较高，凝汽透平方案能耗较电驱动方案高70%~150%。

2) 碳排放量：电驱动方案碳排放量最少，燃气锅炉方案碳排放量稍大，高出电驱动方案40%~110%，燃煤锅炉方案碳排放量最大，高出电驱动方案120%~240%。

3) 运行费用：考虑了碳排放的成本后，电力驱动方案和燃煤锅炉方案运行费用相当，燃气锅炉方案运行费用最高。

4) 能量利用率：电力驱动方案能量利用率最高，约为38%；燃煤锅炉、燃气锅炉的能量利用率较低，约为15%~24%。

通过上述分析可以看出：电力驱动方案与凝汽透平方式相比，电力驱动能耗较少、碳排放最少、运行费用较低、能量利用率最高，推荐动力设备蒸汽驱动向电力驱动转变。燃煤锅炉相对与燃气锅炉方案，运行费用较低，碳排放较高，能量利用率相当。

当蒸汽管网有大量蒸汽放空时采用凝汽透平方案，除此情况之外，动力设备驱动均建议采用电力驱动方案，并加快已有设备凝汽透平驱动向电力驱动改造。