Environmental Cost Influencing Factors Analysis and Control of Coal-fired Generation in China Based on System Dynamics
Dong Jun1,Li Rong1,*,Xie Shiyan1,Liu Dongran1
1. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing, China
Abstract: Power generation as an energy conversion industry, not only consumes a lot of energy in the production process, but also produces large amounts of pollutants. In China, its development and environmental issues have attracted serious concern of the whole society.Particularly, thermal power dominates in China#39;s energy structure, and this pattern will not change in a short time.Whether from the status quo or in the long run, controlling power plant pollution is a top priority in the national environmental protection.Based on resent research of environmental cost, this article used systems dynamics model to analysis the factors affecting environmental cost in the thermal power generation#39;s manufacturing process. Aimed at characteristics of thermal power generation, the in-depth systematic research on combustion systemsin this paperfound the factors causing the extra environmental costs during the process of thermal power generation.By establishing a system dynamic (SD) model based on the causal feedback, the paper made a quantitative evaluation combined with G1 method and control scenarios analysis of the risk factors. The SD model can arrive at effective recommendations of control environmental cost in the power generation process and get a certain reference value to improve present coal-fired power enterprise#39;s environmental pollution.
Keywords: coal-fired power generation; environmental costs; system dynamics; factor analysis
Introduction
The economy of China developed rapidly since the reform and opening-up policy, the power industry, as the foundation of the national economy, has made remarkable achievements since 1978. However, power generation as the energy conversion characteristics of the industry not only consumes a large amount of energy, but also produces serious pollution in its production process. Coal-fired power generation has an absolute predominance in the energy structure of China#39;s energy, and this pattern will not change in the future for a long period of time. The control of coal-fired pollution is the most important national environmental protection whether it is based on the current or long-term perspective. How to clarify the influence factors of the environmental cost of coal-fired power generation enterprises from the production process, to take effective measures to reduce environmental pollution, reduce environmental costs, has become an important issue in the current social environment governance.
Environmental costs as a new research area, began in 1970s. United States Environmental Protection Agency (USEPA) divided the enterprise internal environment costs into four types, traditional costs, hidden costs, contingent costs and image and public relations costs [1]. Grudzinski, Z calculated the influence of parameters of coal on the environmental cost for coal fired generation [2].Bachmann, TM proposed a method to quantify changes of environmental costs for a coal fired power plant after Denitrification transformation [3]. And many other researches were focused on the content and classification,calculationandcontrolof environmental costs [4-6]. WangJ.M. defined the environmental cost and proposed three calculation methods [7]. Ding Shuying,et al. established the calculation model of power production environmental cost, which includes 9 types power generation modes suitable for China[8]. Cost analysis of coal-fired power generation enterprises can be started from variable cost and fixed cost, and the environmental costs are included in the variable cost [9]. Existing research shows that the total cost of coal-fired power generation in consideration of the cost of the environment is 0.8254 Yuan
/KWh, which is higher than nearly 0.5984 Yuan /KWh when there is no consideration of the environmental cost [10].
This paper makes the first attempt at applying the idea of system dynamics into the analysis of the influence factors of environmental cost, based on the current domestic and foreign definitions, classification and control methods of environmental cost, analyzes the production process of thermal coal fired power plant, and finds out the main factors affecting the environmental costs and their mutual relations.Based on seven control input situations, this paperfurther analyzes change of final environmental cost when taking effective control of the boundary factors. Finally,some effective control suggestions areput forward, which effect the environmental cost most for a coal fired power enterprise base on the analysis results from SD models.
Environmental cost of coal fired power plant
-
- Definition andClassification ofEnvironmental Cost ofCoal Fired Power Generation Enterprises
According to the international general recognition of the United Nations Sustainable Development and Development Agency on the definition of corporate environmental costs, the sum total of corporate environmental spending can be expressed as [11]:
Enterprise environmental cost total = environmental protection expenditure (disposal of emissions and waste prevention) material flow cost (nonproductive use of materials, energy, capital and water costs)
Analysis ontheInfluencing Factors ofCoal Fired Power Generation Production Process andEnvironmental Cost
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- Production Process andEach Subsystem ofCoal Fired Power Generation
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The electric energy produced by coal-fired power plant needs to be transformed by many times, exp
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煤炭企业环境成本控制探究
基于系统动力学的中国燃煤发电环境成本影响因素分析与控制
摘 要
发电行业作为一种能源转换行业，在生产过程中不仅消耗了大量的能量，而且产生了大量的污染物。该行业在中国的发展问题和环境问题引起了全社会的密切关注。特别是火力发电在中国的能源结构中占主导地位，这种模式在短时间内不会改变。无论是从现状还是从长远来看，控制电厂污染是国家环境保护的重中之重。本文在对环境成本进行研究的基础上，运用系统动力学模型分析了火力发电过程中环境成本的影响因素。针对火力发电的特点，本文对燃烧系统进行了深入系统的研究，发现了火力发电过程中产生额外环境成本的因素。通过建立基于因果反馈的系统动态(SD)模型，本文结合G1方法和控制场景分析对风险因素进行定量评价。在发电过程中，SD模型可以有效地提出环境成本控制的建议，并为改善现有燃煤发电企业的环境污染问题提供借鉴意义。
关键词:燃煤发电;环境成本;系统动力学;因子分析
第1章 介绍
改革开放以来，中国经济迅速发展。自1978年以来，电力行业作为国民经济的基础取得了显著的成就。然而，发电行业能源转换的行业特性不仅消耗了大量的能源，还在生产过程中产生了严重的污染。燃煤发电在中国的能源结构中占有绝对优势，这一模式在未来很长一段时间内不会改变。无论从当前还是长远的角度看，燃煤污染的控制是我国环境保护的重中之重。如何明确生产过程中燃煤发电企业环境成本的影响因素，怎样采取有效措施减少环境污染、降低环境成本，已成为当前社会环境治理中的一个重要问题。
环境成本作为一个新的研究领域，始于20世纪70年代。美国环境保护署(USEPA)将企业内部环境成本分为四类:传统成本、隐性成本、或有成本、形象和公共关系成本[1]。Grudzinski.Z计算了煤的参数对燃煤发电环境成本的影响[2]。Bachmann.TN提出了一种将燃煤电厂反硝化改造后环境成本变化量化的方法[3]。许多其他的研究都集中在环境成本的内容和分类、计算和控制上[4-6]。WangJ.M.定义了环境成本，并提出了三种计算方法[7]。丁树英等建立了发电行业环境成本的计算模型，其中包括适合中国的9种发电方式[8]。燃煤发电企业的成本分析可以从可变成本和固定成本入手，环境成本也包括在可变成本中[9]。现有研究表明，考虑环境成本的燃煤发电总成本为0.8254元/KWh，在不考虑环境成本[10]的情况下，高于0.5984元/KWh。
本文首次尝试应用系统动力学的概念分析环境成本的影响因素,基于当前国内外的定义、环境成本的分类和控制方法,本文分析了火电厂的生产过程,发现环境成本的主要影响因素及其相互关系。本文在七项控制输入情况的基础上，通过对边界因素的有效控制，进一步分析了最终环境成本的变化。最后提出了一些有效的控制建议，从SD模型的分析结果出发，对燃煤发电企业的环境成本效益进行了分析。
第2章 燃煤电厂环境成本
2.1 燃煤发电企业环境成本的定义与分类
根据联合国可持续发展机构对企业环境成本的国际通用定义，企业环境支出总额可以表示为[11]:
企业环境成本总额=环境保护支出(排放物处理和废物防治) 材料流动成本(材料、能源、资本和水费的非生产性使用)
2.2 燃煤发电影响因素及环境成本分析
2.2.1 燃煤发电的生产过程和子系统
燃煤电厂产生的电能需要多次转化，经历燃烧系统、蒸汽系统和电力系统。首先，将煤送到锅炉内燃烧，燃烧后释放的化学能被水加热、蒸发和加热，转化为热能;其次，在涡轮膨胀后，高温高压蒸汽进入汽轮机，涡轮将热能转化为旋转动力，驱动发电机输出功率，最后将电能送入电网。其具体的生产过程及其对环境的影响如图1所示。
图1 火力发电厂生产过程
2.2.2 影响环境成本的因素分析
通过对燃煤发电企业生产过程的分析，可以看出在整个生产过程中燃烧系统对环境的影响最大。它包括煤的储存、煤的混合、煤的运输、煤的磨削、煤的燃烧、除尘系统和烟道气体的排放，在这个过程中产生了最大的环境成本，因此需要详细的设计。与燃烧系统相比，蒸汽系统和电力系统的环境成本相对较小，大部分是由于转换过程中的能量损失产生的。只有提高机组运行的可靠性，才能在能量转换过程中降低损耗。因此，本文并没有详细描述这两个环节的环境成本。
燃烧系统主要包括煤的燃烧和烟尘的排放。在煤燃烧过程中，会产生二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和粉尘等对环境有重大影响的物质，并产生灰和其他固体废物。煤的种类和质量直接决定了硫和氮含量，进而决定了燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物的排放。在燃煤电厂废气治理中，一氧化碳排放也不容忽视。它主要是由锅炉的不完全燃烧引起的。影响锅炉燃烧效率的因素包括事故发生的频率、煤的质量、洗煤的程度等。影响火电厂环境成本的因素不仅包括废气排放，还包括粉尘和废渣的处理。煤炭燃料应通过卸煤、煤炭机械、带式运输、多段破碎、筛分、犁等多种选煤机设备，然后被送入燃煤锅炉的煤仓。煤处理系统在卸载、破碎、操作过程中会产生大量的粉尘，严重污染了工作场所和周围环境。同时还降低了电气设备的绝缘水平，影响了电厂的正常生产，同时造成了严重的煤炭资源浪费。煤炭处理系统中的粉尘主要产生于卸煤机、带走廊、煤场、煤炭装卸斗。此外，锅炉和洗煤的燃烧效率在一定程度上影响了粉尘的产生。
第3章 基于系统动力学的火电企业环境成本
3.1 环境成本因素识别的系统动态模型
基于第二节火力发电厂三个主要子系统的分析，本文利用系统动态仿真软件，建立了环境成本因子的因果反馈模型，如图2所示。
图2 燃烧系统因果反馈示意图
根据图2的结果树，一氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫和粉尘的排放对火力发电厂的环境成本影响最大。而燃煤锅炉燃烧效率、氮和硫的含量、储存、洗涤和加工的效率都能影响这些排放。
3.2 燃煤发电过程中环境成本因素的系统动态评价模型
这部分将介绍G1加权法，该方法绘制SD图，并根据燃烧系统的反馈图，定义所有因素之间的功能关系。
3.2.1 系统流程图模型
对燃煤电厂环境成本影响因素的反馈图模型如图2所示。因此，在确定环境成本的影响因素时，可以使用系统动态法。本文基于反馈图，建立了流程图模型，如图3所示。
图3 燃烧系统系统动力流程图
3.2.2 基于功能驱动的G1加权方法
建立系统动力流程图评价模型后，就要划分系统边界点并确定权重系数。本文采用专家评价方法对边界点进行划分，利用G1加权法确定基于“功能驱动”原则的权重系数。G1加权方法包含三个步骤。
（1）确定序列。
定义1:如果评价指标xi相对于xj相对更重要(或同等重要)，则根据评价标准，记录为xi＞xj。
定义2:如果基于评价标准x1 x2hellip;xm之间满足......的关系，则建立 ......的关系。
（2）按重要性来比较xk-1和xk。
设wk-1/wk的合理判断为xk-1与xk的重要性之比:wk-1/wk=rk, k=m, m-1, m-2，......3,2，1。rk值参考文献[12]。
（3）计算权重参数 k
定理:如果有专家合理分配的rk值满足x1＞x2＞x3......＞xm的关系，当rk-1 gt; 1 / rk的时候,有 k/ =(1 -1，k - 1 = rk， k=m, m-1，hellip;，3,2,Eqs (1)
第4章 相关示例
4.1 环境成本影响因素的实例分析
本部分以华北地区燃煤电厂为例，利用上述系统动态模型对其环境成本影响因素进行了分析。
4.1.1边界点影响因素的估计值
根据第三章第一节的流程图，根据电厂的具体情况，采用专家评分法对边界点进行取值。为了使评分结果和分配结果具有可比性和一致性，所有值都应在0-1范围内分配，其中“0”表示该因子的影响程度为0，不会增加环境成本;而“1”则表示该因子的影响程度为1，对环境的影响极为严重。然后根据专家评分对数据进行处理，采用假设的案例方法。以下是5位专家的假设评分，得分汇总在表2中。
表2 专家计分表
|
因素 |
专家A (a,m,b) |
专家B (a,m,b) |
专家C (a,m,b) |
专家D (a,m,b) |
专家E (a,m,b) |
|
煤炭质量(X1) |
(0.3,0.4,0.5) |
(0.2,0.2,0.4) |
(0.3,0.4,0.5) |
(0.3,0.4,0.5) |
(0.3,0.4,0.5) |
|
翻车机(X2) |
(0.1,0 2 0.2) |
(0.1,0.1,0.1) |
(0,0.1,0.2) |
(0.1,0.2,0.2) |
(0,0.1,0.2) |
|
皮带走廊(X3) |
(0.1,0.1,0.1) |
(0.1,0.1,0.3) |
(0.1,0.1,0.2) |
(0.1,0.2,0.3) |
(0.1,0.2,0.3) |
|
斗轮机装卸(X4) |
(0.1,0.2,0.2) |
(0.1,0.1,0.2) |
(0.1,0.1,0.2) |
(0.1,0.1,0.2) |
(0.1,0.1,0.1) |
|
洗煤(X5) |
(0.3,0.4,0.5) |
(0.2,0.3,0.3) |
(0.2,0.2,0.3) |
(0.2,0.4,0.5) |
(0.2,0.2,0.4) |
|
关闭锅炉事故(X6) |
(0.1,0 2 0.2) |
(0.1,0.1,0.2) |
(0,0.1,0.2) |
(0.1,0.2,0.2) |
(0.1,0.2,0.2) |
|
煤炭自燃(X7) |
(0.1,0.1,0.1) |
(0,0.1,0.2) |
(0.1,0.2,0.2) |
(0.1,0.2,0.2) |
(0,0.1,0.2) |
注:a为最小值，m表示最可能值，b表示最大值。
我们用公式xi=(a 4 m b)/ 6计算每个专家的评分,并以平均值为每个影响因素赋值， =然后 1 = 0.37, 2 = 0.13, 3 = 0.15, 4 = 0.13, 5 = 0.32, 6 = 0.15, 7 = 0.13。在软件Vensim绘制的流程图模型中输入 ，这样便完成了所有的作业。
4.2.2 系统的方程
在完成所有边界点的分配后要分配其他因素。利用G1方法可以估算煤的储运损耗。系统的方程如下所示:
公式（1）：煤的硫含量=WITH LOOKUP（煤质，（[(0,0)-(10,10)],(0,0.6),(2,0.4),(5,0.3),(7,0.2),(9,0.08),(10,0.05))）
公式（2）：锅炉燃烧效率=吹除*0.22 洗煤*0.38 煤质*0.4
公式（3）：运输损失=斗轮机装卸*0.216 煤灰*0.259 带走廊*0.311 煤粉*0.216
公式（4）：氮氧化合物排放= INTEG(煤的含氮量，0)
公式（5）：二氧化硫排放= INTEG(煤的硫含量，0)
公式（6）：一氧化碳排放= INTEG(锅炉燃烧效率，0)
公式（7）：粉尘排放=储运损失*0.59 洗煤*0.41
公式（8）：污染处理成本=一氧化碳排放*0.13 氮氧化合物排放*0.32 二氧化硫排放*0.35 粉尘排放*0.2
公式（9）：燃烧系统环境成本= INTEG(污染处理成本率，0)
4.2.3影响环境成本的因素的评价
根据上述环境成本评价模型，随着时间的变化，燃烧系统的环境成本趋势如图4所示。表3表示随时间变化的燃烧系统环境成本的累积值。
图4
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