上海能源结构优化与大气污染治理研究

周 伟， 宋晓伟， 谢胤喆

1. 国家电网上海市电力公司 上海 200122 2. 华东电力设计院有限公司 上海 200001



上海能源结构优化与大气污染治理研究

周 伟1， 宋晓伟2， 谢胤喆2

1. 国家电网上海市电力公司 上海 200122 2. 华东电力设计院有限公司 上海 200001

上海与国外发达国家城市相比，能耗水平仍然较高，污染物排放也较严重，迫切需要通过优化能源结构来治理大气污染、改善空气质量。调研了上海能源利用现状，分析了能源活动对空气质量的影响，根据上海能源消费结构变化趋势，提出了煤炭利用途径、电力生产方式等优化方向，并建议全面落实环境治理举措，以确保上海未来经济增长、能源消费和生态环境协调发展。

能源； 环境； 优化

作为我国经济最为发达、人口最为密集的特大城市之一，上海在经济持续快速发展的同时，所面临的资源环境约束也日益趋紧，城市环境压力逐渐加大。特别是2012年底至2013年初，受我国区域性大范围霾污染影响，以PM2.5(细颗粒物)为代表的大气污染给上海城市环境和居民生活带来了严重影响，污染程度之重、持续时间之长均为历史罕见，引发了社会各界对于上海经济发展方式和能源消费模式的集中反思[1]。

上海6000多km2的土地，每年要承载 6000 多万t煤炭、3000多万t石油的消费与排放，环境容量已近极限。控总量、调结构、升技术是保障上海能源可持续发展的必由之路，必须基于能源系统转型的长期性、复杂性，循序渐进，扎实落地，精打细算[2]。

1 能源利用现状

1.1 煤炭

2011年上海煤炭消费总量达到6141.95万t的历史高位，成为上海煤炭消费的饱和点，2012年上海煤炭消费迅速回落至5703.22万t[3]。

上海煤炭的用途一般分为发电、供热、炼焦、直接燃烧、制气和工业原料等六类。2012年上海发电、供热、炼焦、制气、直接燃烧和工业原料依次占全市煤炭消费总量的59.6%、5.7%、17.3%、0.2%、14.5%和2.8%。

从消费特征看，上海煤炭利用呈现出以下三个特点。

第一，重点用煤企业是消费主体。目前，上海煤炭消费集中于发电、钢铁和化工行业。

第二，钢铁行业煤炭消费用途多、结构复杂但总量基本稳定。

第三，用煤快速向先进燃煤发电机组集中。至2012年，上海高效燃煤机组(超临界、超超临界)[4-5]的用煤量增加至1875.9万t，占电力企业用煤量的51.43%，占全市用煤总量的32.55%。

1.2 石油

上海成品油消费量从2000年的1121.4万t增加到2012年的3297.9万t，年均增长率超过8%[6]。

按照《上海能源统计年鉴》的产业分类方法，2012年第三产业在上海油品消费中的占比最高，为1803.0万t标油，占54.7%；第二产业次之，为1173.8 万t标油，占35.6%；居民生活占8.7%；农业耗油最少，占比不足1%。

上海成品油消费按耗油部门分类，2012年交通部门油品消费量最大，达2007.8万t标油，占60.9%；其次为工业和建筑业，消费1092.0万t标油，占33.1%；商业和农业消费油品较少，分别占比5.6%和0.4%。

交通部门耗油可进一步分解为陆路交通、水运及航运，其中陆路交通及水运耗油约占交通部门成品油消费量的80%。2012年，上海陆路交通占交通用油的47.9%，水运占交通用油的31.6%，航运占交通用油的20.5%。可见，陆路交通是上海交通部门的主要耗油方式，也是未来控制上海石油消费的重点。

1.3 天然气

自1999年4月起，东海平湖天然气开始向上海供气，上海天然气发展实现了零的突破。上海天然气消费量从2000年的不足3亿m3，增加至2012年的65亿m3，年均增幅超过30%。

随着天然气发电和大工业用气的增加，上海用气结构从单一的城市燃气模式向多元化、均衡化模式转变。城市燃气用气占总用气量的比例由2010年的100%降至2012年的42.2%，而电厂用气则从无到有逐步提高至25.7%，大工业用气比例增加至27%，人工煤气用气近几年则下降至4.2%。

1.4 电力

随着上海经济的发展，全社会用电量继续增加。2012年上海全社会用电量达到1353亿kWh，“十五”期间年均增长10.47%，高出“九五”期间年均增长率3.47个百分点；“十一五”期间年均增长7.05%，较“十五”期间的年均增长率低3.42个百分点。

2012年上海发电结构如图1所示，由图1可知，区外来电占比为28.4%，市内发电占比为71.6%，其中燃气占比6%，燃煤占比63.4%，其它占比2.2%。在市内发电中，随着近年来对天然气使用的进一步增加，天然气发电量呈现大幅度增长，但整体占比依旧比较小，燃煤发电量依然占市内发电的近90%。

图1 2012年上海发电结构

1.5 能源活动对空气质量的影响

对污染物来源进行分析，上海污染物排放已呈现多源化趋势，能源、工业、交通、城建、农业及生活源都影响着上海空气环境质量，但主要内因还在于上海一次能源的高强度消耗和污染物的高强度近地排放，尤其是能源消费结构不合理，对煤炭、石油消费依赖度高[7]。

与北京相比，上海煤炭、汽柴油单位面积消耗强度分别是北京的7倍和4倍，工业和人口聚集，大量一次能源的使用使上海污染物排放量高居不下。经测算，2012年上海SO2、NOx、PM10(可吸入颗粒物)、PM2.5和VOCs(挥发性有机物)的排放总量依次达到19.1万t、32.5万t、22.3万t、9.5万t和49万t，见表1。

表1 2012年上海大气污染源排放清单 万t

根据2012年上海大气污染源排放清单、近年PM2.5组分监测和模型模拟分析，综合考虑一次排放和二次生成，初步得出上海环境空气中PM2.5的本地人为污染排放贡献占到近八成。

收集相关资料，进一步分析可知，PM2.5来源中交通和工业领域是最主要部分，如图2所示。由图2可知，机动车船等流动源、工业工艺过程、工业锅炉与炉窑合计占50%以上，其它分别为建筑工地、道路和堆场等扬尘占10.4%，电厂占7.3%，民用涂料和餐饮等生活源占5.4%，秸秆燃烧[8]、化肥使用和禽畜养殖等农业及生物质占3%，海盐、植被等自然源影响占1%，外部传输和区域影响占21.5%。

图2 2012年上海PM2.5来源解析

2 能源消费结构变化趋势

在以往强调能源供应安全的大背景下[9]，上海高度重视一次能源的调入保障和二次能源的生产供应，由此也基本锁定了上海能源消费的模式与结构。

2.1 一次能源消费结构变化趋势

未来虽然低碳清洁的天然气，以及外来电会持续增加，但受制于天然气资源、价格，以及外来电供应的不确定性，在可以预计的时间内，就上海一次能源消费而言，其构成仍旧难以发生颠覆性变化，到2030年仍将形成石油45%、煤炭25%、天然气15%、外来电15%的格局。图3所示为2000～2030年一次能源消费结构变化趋势。

图3 2000～2030年一次能源消费结构变化趋势

2.2 全口径终端能源消费结构变化趋势

从全口径终端能源消费角度而言，预计到2030年，上海煤品占比将低于10%，油品、电力占比将分别达到40%左右，天然气占比超过10%。上海全口径终端能源消费结构变化趋势如图4所示。

2.3 扣除非能源利用的终端能源结构变化趋势

图4 上海全口径终端能源消费结构变化趋势

从扣除化工原料用煤、用油和高炉喷吹用煤之后的非能源利用终端能源消费角度来看，2020年前后，煤品将彻底退出能源利用的终端能源消费领域，上海的终端能源将主要来源于电力、热力、天然气和成品油，且可以进一步清洁化、高效化。上海扣除非能源利用的终端能源消费结构变化趋势如图5所示。

图5 上海扣除非能源利用的终端能源消费结构变化趋势

纵观上海一次能源消费结构和终端能源消费结构的变化趋势，特别是终端消费的能源利用和非能源利用，可以清楚地看到，煤炭、石油的利用途径和管控措施对上海能源结构的优化水平和进程起着决定性的作用与影响。

3 能源消费结构优化方向分析

3.1 化石能源

就煤炭而言，优化上海能源结构的方法一方面是控制消费总量，另一方面是改变利用途径，主要任务在于削减分散中、小型燃煤锅炉窑炉的耗煤量，通过发电技术、冶炼技术的更新换代，在改善煤炭质量、提高煤炭利用率的同时，从根本上隔断燃煤与大气污染排放的联系，彻底实现煤炭的清洁利用[9]。

预计到2030年，上海煤炭消费总量将控制在5000 万t以下，所消耗煤炭全部集中在发电及钢铁两大行业，其中，发电用煤占比进一步提升至80%以上。

针对目前城市机动车船排放的结构型污染，就石油而言，优化上海能源系统的主要任务是近期控制汽车保有量、降低使用强度、建设公共交通设施，中期改进油品质量、提高燃油效率、更新炼化技术与设备，远期则使居民出行方式发生自觉、自主、自利性变化及大规模商业化运营新能源汽车。

在可以预见的时间内，汽车保有量会持续增长且难以有效控制，若要保持汽油、柴油消费量的稳定增长，关键在于公共交通设施的建设。便利、舒适的公共交通能够最大限度降低汽车使用强度，而现代物流运输的普及，则是减少柴油消费量的关键。

天然气作为较为清洁的能源品种，在未来能源结构优化、调整过程中将发挥重要作用。就未来天然气替代其它能源品种的用途而言，考虑到天然气在上海的稀缺性及价格因素，应首先确保完成替代散烧煤[10]。

3.2 电力生产方式

电力作为最重要的二次能源品种，未来在终端能源消费品种中占比将逐步提升至40%左右。未来，上海最高用电负荷将达到50GW，年用电量将达到2200亿kWh，从转换形式上看，未来上海新增电力需求可以通过区内煤电、燃机、新能源及区外来电来满足。上海发电结构预测见表2。

表2 上海发电结构预测 亿kWh

从区内电源建设、减轻环保压力来看，未来上海将更加注重对风能、太阳能等清洁能源的开发利用，传统燃煤电厂将作为战略储备成为次选方案。从争取区外优质电力资源来看，除直流接收区外水电外，未来上海可利用交流网架接收更多的区外来电，进而满足新增电力需求。

通过电源结构优化，提高区内燃气装机比例和区外来电比例，未来非燃煤机组发电量合计可达1400 亿kWh，可有效控制燃煤电厂的发电量，燃煤机组发电量占比将降低至40%以下，天然气发电量占比将提高至20%左右，区外来电比例进一步提升至40%左右，新能源发电量占比也将进一步提升。

未来进一步优化电力生产方式的重点除了调整发电结构、降低燃煤机组发电比例、提升清洁能源发电比例外，还可以对燃煤机组进行技术升级，这对于减小上海电力生产过程对空气环境质量的影响同样重要[11]。

从替代进度而言，2020年前安排六台300MW 机组改建，至2030年完成所有16台300MW机组的升级改建工作。

4 空气质量改善效果分析

4.1 环保措施运用展望

为了让人民群众切身感受到空气质量明显改善，上海已制定《上海市清洁空气行动计划(2013—2017)》，立足当前、谋划长远，突出重点、协同控制，源头预防、强化治理，政府主导、全民参与，下更大决心，采取更有效措施，大幅度削减污染物排放，尽快减少霾污染天数，降低高污染日主要污染物浓度，分阶段改善空气质量，并逐步实现空气质量全面达标，让人民群众呼吸上清洁空气。所采取的主要环保措施包括： ① 提高工业污染物排放标准;② 提高工业污染防治水平;③ 加大移动源污染治理力度;④ 深化拓展扬尘污染控制;⑤ 减少农业源污染排放;⑥ 加大社会生活领域大气环境治理力度。

4.2 模拟结果分析

选用美国第三代环境空气质量模型CMAQ4.6开展环境空气质量预测。从上海环境空气质量模拟结果(表3)来看，通过能源结构优化及相应终端污染物控制措施的提升，上海在能源消费总量增加的情况下，各主要污染物排放量均大幅下降，这主要得益于分散燃煤的削减、机动车船成品油消费的结构性优化、电厂脱硝装置的全面投运等因素。

表3 上海环境空气质量模拟结果 μg/m3

预计到2020年，上海SO2、NOx、PM10浓度均可达到国家二级标准，其中，SO2、NOx年均浓度还能达到世界卫生组织(WHO)标准的准则值，PM2.5和PM10年均浓度则较WHO标准仍有较大距离。

分析原因，主要是由于空气环境质量并非简单地只由污染物排放总量所决定，还取决于污染物的输送、扩散、转化等各种因素。

总体而言，能源结构优化调整对上海空气质量提升意义重大，针对目前上海结构型污染的主要特点，为进一步提升上海空气质量，更需要强化多因子多源协同控制，即对空气质量造成影响的多方面因素及源头都要落实相应的控制措施。

5 相关建议

未来实施空气清洁行动计划，控制能源消费总量是基础，调整能源消费结构是核心，提升能源利用技术和设备水平是关键与根本。为进一步优化能源结构，改善空气质量，具体建议如下。

(1) 提高优质、清洁能源比例，进一步优化能源结构。这一点具体而言就是要做到一降两提高。一降是降低能源强度、控制消费总量。严格执行国家有关能源、环境等方面的政策法规，加大产业结构调整力度，坚决淘汰低效、高耗能、高污染的用能方式，这是改善上海环境空气质量的根本性措施，应成为上海转型驱动、创新发展的重要内涵。目前，上海这方面的工作正在有序推进。

两提高是逐步提高天然气与电力在能源消费结构中的比重，减少煤炭和成品油的消费。目前上海天然气占一次能源消费比重不足8%，而纽约、伦敦等国际大都市天然气占能源消费比重在30%以上，建议通过增加天然气发电，近期大量替代终端用煤，中期大力推广分布式供能系统，远期在水运和陆路交通全面应用，进一步提升天然气在能源消费中的比重。

电力作为一种清洁的终端能源消费品种，目前占终端能源消费比重不足40%，而世界发达地区普遍为45%～50%，建议将目前大量分散低效的煤炭消费以电替代，未来进一步提高工业、交通、商业、居民等不同领域能源消费的电气化水平，电力占终端能源消费比重应至少提高至40%。同时通过积极调整电源结构，增加天然气发电、区外来电及新能源发电，争取将燃煤机组发电比例由目前的高于60%，降低至50%以下，减小电力生产过程对环境空气质量的影响。

(2) 加大能源技术创新，提高能源利用效率，降低排放。

建议积极鼓励传统能源利用和高效节能的关键技术创新，在智能电网、分布式能源、洁净煤发电等先进能源装备技术攻关和示范应用方面给予积极支持，同时加快油品及燃油技术的提升。

建议积极鼓励终端能源消费替代技术的开发利用，工业上积极推进以电代煤、以气代煤技术的应用，交通领域上推进电动汽车、液化天然气车船相关技术研发，以期达到以电代油、以气代油的目标。建筑用能上鼓励能源阶梯利用技术的开发和应用，提高能源利用效率。

(3) 完善能源政策配套机制，确保能源结构优化顺利实现。

建议市政府积极向国家反映上海城市环保压力和能源资源困难，同时加强与国内外能源行业领域的合作，落实市外来电和天然气发电，保障上海能源供应安全。

建议在现有措施下进一步深化研究，理顺能源资源价格体系，以经济杠杆促进上海能源供给和消费结构的优化。

建议市政府相关部门利用苏浙皖沪三省一市能源平台建设的契机，加强长三角核心区域的能源与环境合作，将这一区域的环境保护控制纳入相对统一的框架内。

[1] 周敏,陈长虹,乔利平,等.2013年1月中国中东部大气重污染期间上海颗粒物的污染特征[J].环境科学学报,2013,33(11)： 3118-3126.

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(编辑： 小 前)

Compared with the developed countries, the energy consumption level in Shanghai is still high and the pollutant emission is more serious. It is urgent to control the air pollution and improve the air quality by optimizing the energy structure. Investigated the current situation of energy utilization in Shanghai and analyzed the impact of energy activities on air quality. According to the changing trend of energy consumption structure in Shanghai, the optimization direction of coal utilization and power production mode was put forward. The initiatives for full implementation of environmental governance were proposed to ensure coordinated development of economic growth, energy consumption and ecological environment in future Shanghai.

Energy Source； Environment； Optimization

2016年11月

周伟(1974— )，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统规划管理工作， E-mail： zhou-w@ec.sgcc.com.cn

TM-9；X513

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1674-540X(2017)02-058-06