CN108460244A - 一种火力发电行业环境效率监控系统及其核算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火力发电行业环境效率监控系统，包括环境效率数据采集模块，环境效率数据采集模块、环境效率数据核算模块、数据存储模块、监控查询模块与数据分析模块；通过步骤S1、数据采集，环境效率数据采集模块对各区域火电行业的基础数据进行采集，并将采集的数据发送给环境效率数据核算模块与数据存储模块；S2、数据核算，环境效率数据核算模块将数据以相应格式输入，并利用基于松弛方向距离函数模型进行核算；S3、数据存储与监控；S4、数据分析，可以准确及时采集各地区火力发电行业环境效率数据，通过创新提出的基于松弛方向距离函数，做到真实反映火力发电行业环境效率水平，制定不同的环境保护政策，缩减区域间火电行业环境效率差距。

Description

一种火力发电行业环境效率监控系统及其核算方法

技术领域

本发明涉及一种火力发电行业环境效率监控系统及其核算方法。

背景技术

近几年来，中国出现了大面积的雾霾天气，空气污染逐渐成为社会各界关注的焦点。这与中国的能源结构有关，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，消费的煤炭大约占全世界煤炭的一半，与石油、天然气等其他能源相比，煤炭是相对不清洁的能源，绝大多数二氧化硫、氮氧化物、烟尘等都是燃煤引起的。在中国消耗煤炭的部门中，火力发电是主要部门，大约消耗了一半的煤炭产量，也成为废气排放最严重的部门。

为了应对，中国逐步加强了对火力发电的排放限制，最早限制火力发电废气排放的文件是1973年颁布的《工业“三废”排放试行标准》(GBJ4-73)，而专门针对火力发电的文件是1991年颁发的《燃煤电厂大气污染物1991年排放标准》(GB13223-1991)。此后经历了数次修订，最新的标准是2012年实施的《火电厂大气污染物2011年排放标准》(GB13223-2011)。这是一个空前严格排放标准：烟尘排放限值下降到30mg/m³，重点区域的排放限值则下降为20mg/m³；二氧化硫的排放限值下降到200mg/m³，重点区域锅炉的排放限值下降为50mg/m³；氮氧化物的排放限值下降到100mg/m³等等。这一标准的苛刻程度堪比欧盟、美国和日本等发达国家，欧盟新建大型燃烧装置的氮氧化物排放限值为200毫克/立方米，美国约为135毫克/立方米，日本烟尘排放标准为50-100毫克/立方米，其二氧化硫、氮氧化物排放标准均为200毫克/立方米。为了满足《火电厂大气污染物2011年排放标准》(GB13223-2011)，相关的环保支出是巨大的，中国环保部估计，短期内对现役火电机组进行脱硫、脱硝和除尘改造的费用高达2000亿-2500亿元，除非大幅提高电价，否则将给发电企业带来沉重的负担。

严格的排放限制固然有利于迅速提高大气环境质量，但为所有地区制定一刀切式的标准并非最优选择，中国幅员辽阔，各地区火电厂生产和排放情况差异较大，排放政策的制定应该考虑到这种差异性，并能合理地引导环保投入在各种污染物中的分配。如果最终的目标是减少排放总量的话，较好的做法是找出火电厂的生产前沿曲线，根据各区域火电厂与前沿的距离计算出环境效率，再以此为基础制定定制化的减排标准。火电厂的污染物排放通常是多维的，如同时排放氮氧化物、二氧化硫和烟尘三种污染物，在趋向生产前沿的过程中，是等比例减排各种污染物，还是非等比例方式各种污染物，如果是非等比例方式减排，具体比例如何计算，就涉及到如何确定火电厂的最优减排方向问题。

为了评估中国火力发电行业的环境绩效，目前常常采用带非期望产出的方向距离函数，在方向向量的选择上，将方向向量选择为观察值，等比例最大化期望产出，同时等比例最小化投入以及非期望产出，这样设定的一个好处是可以保证“单位不变性”，同时可以解释为改进的比例，不足之处是方向向量设置存在主观性，其实方向向量的选择有很多种，设置为观察值并不总是恰当，这样会高估效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火力发电行业环境效率监控系统及其核算方法，可以准确及时采集各地区火力发电行业环境效率数据，将火力发电行业环境效率水平情况反馈到环境保护部门，真实反映火力发电行业环境效率水平。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种火力发电行业环境效率监控系统，包括：

a、环境效率数据采集模块，环境效率数据采集模块用于对各区域火电行业的基础数据进行采集、查询和检测；

b、服务器，服务器内置环境效率数据核算模块与数据存储模块；

环境效率数据核算模块采用基于松弛方向距离函数模型，对各区域火电行业的基础能源环境数据进行汇总，并对火电行业环境效率水平高低进行实时排序；

数据存储模块用于将环境效率数据核算模块得到的各火力发电行业环境效率数据进行实时存储；

c、监控查询模块，监控查询模块用于调用数据存储模块的数据；

d、工作站，工作站内置数据分析模块，数据分析模块用于分析汇总各火力发电行业环境效率历史数据，并对各区域优先减排环节进行分析；

所述环境效率数据采集模块分别连接环境效率数据核算模块与数据存储模块，环境效率数据核算模块与数据存储模块互连，所述数据存储模块还分别连接监控查询模块和数据分析模块。

本发明还提供一种上述监控系统的核算方法，包括以下步骤：

S1、数据采集，环境效率数据采集模块对各区域火电行业的基础数据进行采集，并将采集的数据发送给环境效率数据核算模块与数据存储模块；

S2、数据核算，环境效率数据核算模块将数据以相应格式输入，并利用基于松弛方向距离函数模型进行核算，所述模型为

S3、数据存储与监控，步骤S2的核算结果输出至数据存储模块与监控查询模块，通过监控查询模块结合历史信息来查看各火力发电行业环境效率数据，实时监控各区域当前环境效率水平情况；

S4、数据分析，数据分析模块对核算出的环境效率数据进行统计分析，并对各区域能源投入、非能源投入、期望产出和非期望产出过程进行分析，得出量化结果。

本发明的有益效果是，可以准确及时采集各地区火力发电行业环境效率数据，将火力发电行业环境效率水平情况反馈到环境保护部门，通过本发明创新提出的基于松弛方向距离函数，将与火电行业环境效率水平有关的数据、能源投入、非能源投入、期望产出和非期望产出涵盖在系统内，做到真实反映火力发电行业环境效率水平；并且时刻监控数据，对火电行业环境效率波动幅度较大的地区做重点关注，对各省依据自身情况制定不同的环境保护政策，缩减区域间火电行业环境效率差距，具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明实施例环境无效率得分结果示意图；

图3是本发明实施例各省份环境无效率排名柱状图；

图4是本发明实施例环境效率曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种火力发电行业环境效率监控系统，包括：

a、与各区域相对应的一组环境效率数据采集模块1，也即是与北京、天津、河北、山西……新疆全国30个省份和直辖市相对应的环境效率数据采集模块，环境效率数据采集模块用于对各区域火电行业的基础数据进行采集、查询和检测；

b、服务器2，服务器2内置环境效率数据核算模块3与数据存储模块4；

环境效率数据核算模块2采用基于松弛方向距离函数模型，对各区域火电行业的基础能源环境数据进行汇总，并对火电行业环境效率水平高低进行实时排序；

数据存储模块4用于将环境效率数据核算模块3得到的各火力发电行业环境效率数据进行实时存储；

c、监控查询模块5，监控查询模块5用于调用数据存储模块4的数据；

d、工作站6，工作站6内置数据分析模块7，数据分析模块7用于分析汇总各火力发电行业环境效率历史数据，并对各区域优先减排环节进行分析；

所述环境效率数据采集模块分别连接环境效率数据核算模块与数据存储模块，环境效率数据核算模块与数据存储模块互连，所述数据存储模块还分别连接监控查询模块和数据分析模块。

本发明还提供一种上述监控系统的核算方法，包括以下步骤：

S1、数据采集，环境效率数据采集模块对各区域火电行业的基础数据进行采集；

采集时确定各地区火电行业二氧化硫、氮氧化物和烟尘三种污染排放量，非能源投入指标、能源投入指标，期望产出以及非期望产出；

非能源投入指标包含火电行业就业人员数以及火电行业发电设备装机容量；

能源投入指标也即是火电行业消耗的煤炭数量；

期望产出包含火电行业发电量；

期望产出包含火电行业二氧化硫排放量、氮氧化物排放量和烟尘排放量；

采集的上述数据发送给环境效率数据核算模块与数据存储模块；

S2、数据核算，本发明提出一种基于松弛方向距离函数模型，根据本实施例的研究对象，投入分为能源投入和非能源投入，产出分为期望产出和非期望产出；那么假设x∈R^m为非能源投入向量，c∈R^s为能源投入向量，y∈R^p为期望产出向量，b∈R^q为非期望产出向量，生产可行集为P(x，c)＝{(y，b)∈R^p+q|(x，c)can produce(y，b)}，满足特征：

P(x)＝{(y,b)∈R^J+K|x can produce(y,b)} (1)

If(y,b)∈P(x)and 0≤θ≤1,then(θy,θb)∈P(x) (2)

If(y,b)∈P(x)and y′＜y,then(y′,b)∈P(x) (3)

If(y,b)∈P(x)and b＝0,then y＝0 (4)；

生产可行集满足式(2)～(4)的一个方向距离函数模型：

首先使用模型求得松弛值，因为考察的是环境效率，因此使用了产出导向的模型，最终线性规划模型为：

线性规划(7)的最优解为：β₁ ^*，…，β_p ^*，γ₁ ^*，…，γ_q ^*。

设方向向量g＝(g_yk,g_bh)，注意它的各个分量有自己的单位，与对应的观察值一致。如果它为已知，那么可以解以下线性规划得出无效率得分：

常情况下方向向量g＝(g_yk，g_bh)为未知，我们使用(9)中得到的松弛值信息，再施加一定的约束，就能解出这一方向向量。按照方向向量反映松弛的原则，令：

将式(9)中所有方程等式两边相加，再整理出无效率得分η的表达式：

如果分母是已知的，就能解出η，对方向向量施加如下约束：

一、如果某一决策单元的所有松弛值为0，说明该决策单元处于前沿面，不需要改进，方向向量可以设置为任何值；

二、如果某一决策单元既存在0松弛值，也存在非0松弛值，说明一些方向上没有改进空间，这些方向上的方向向量设置为0；而另一些方向上存在改进的空间，这些方向上的方向向量设置为：

集合E和F被定义为：

E＝{k|β_k ^*＞0},k∈{1,…,p} (12)

F＝{h|γ_h ^*＞0},h∈{1,…,q} (13)

式(11)的目的是将方向向量的范数约束为相应方向上的观测值范数，这样的好处是方向向量能够反映决策单元的规模。

结合式(9)，一共有p+q+1个方程，p+q+1个未知数，可以解出无效率得分η*和“最优的”方向向量g*＝(g_yk ^*,g_bh ^*)。采用本发明的模型保持了方向距离函数的基本特征，即要求决策单元同时扩张期望产出和压缩非期望产出外，此外还同时具备三个优点：

第一，方向向量的选择能够反映松弛值，从而避免了高估效率；

第二，由于方向向量的单位与投入产出的观察值单位一致，模型能够保持单位不变性；

第三，当决策单元没有处于前沿面时，其经济意义为“联合”改进的百分比，因此效率得分有更好的解释；

S3、数据存储与监控，步骤S2的核算结果输出至数据存储模块与监控查询模块，通过监控查询模块结合历史信息来查看各火力发电行业环境效率数据，实时监控各区域当前环境效率水平情况；

S4、数据分析，数据分析模块对核算出的环境效率数据进行统计分析，并对各区域能源投入、非能源投入、期望产出和非期望产出过程进行分析，得出量化结果。

下面，再以我国2006-2012年30个省域相关火电行业环境效率数据进行说明。

本发明实施例计算了我国30个省份和直辖市火力发电行业环境效率，可以直观看到各区域每年环境效率水平变化，同时演示了将本发明的环境效率核算方法运用于多区域对比，地理区划分为东、中、西部和东北。

结合图2所示，计算各省份的环境效率水平，得到2006～2012年期间的基于松弛方向距离函数模型的环境无效率得分结果。

观察期内平均无效得分为0.469，因此平均来讲环境效率可以提高47％，总体上偏低。此外还发现年份靠后的曲线集中在环形的外部，年份考前的曲线越集中在环形的内部，这说明随着时间的推移，中国发电行业环境效率有改进趋势。

结合图3所示，为了比较各省发电行业环境效率差异，各省按年份平均的环境无效率得分，可以看出环境效率的分布有一定规律，排名靠前的都是东部省份，排名靠后的都是中西部省份。

环境效率得最高的是北京，其火力发电行业的平均无效率得分为0.049，在7年中只有2007年和2011年的无效率得分不为0。与北京最接近的是上海，上海的平均无效率得分为0.053，同样上海在7年中仅有2年的无效率得分不为0，分别是2006年和2008年。

广东火电行业的环境效率排在第3，平均无效率得分为0.109，北京、上海和广东代表着中国经济发展的最高水平，火电行业环境效率与其一致。海南、福建、江苏和天津的火电行业平均环境效率得分排在第4、第5位、第6位和第7位，它们的平均环境无效率得分都在0.2以下。

在这7年中，海南和福建分别有3年的环境无效率得分为0，江苏有2年的环境无效率得分为0，天津有1年的无效率得分为0。

但也有一些东部省份表现得不理想，典型省份为辽宁，它的平均无效率得分为0.66，排名倒数第7，此外东部省份河北也落后于中部省份安徽，实际上尽管辽宁和河北属于传统的东部省份，但是辽宁的特征更接近东北省份，而河北更接近中部省份。

西部和东北部发电行业环境效率相对较低，如新疆、重庆、云南、四川、黑龙江和吉林等平均无效率得分都大于0.65，平均环境效率最差是吉林，环境无效率得为0.88，表明西部和东北地区仍然有较大的环境效率改进潜力。

东部和西部的效率差异可用库兹涅茨曲线理论解释，该理论认为经济发展到一定程度，政府有将能力投入更多的资源加强环境的管理，这样随着经济发展水平的提高，环境状况将会逐步得到改善。

结合图4所示，为了进一步考察发电行业环境效率的区域差异，也为了观察其随时间的动态变化，将全国分成东、中、西部和东北，计算了区域内按省份平均的无效率得分。由图4可以看出，东部地区环境效率始终最高，其环境无效率得分在2006年大约在0.4以下，到2012年下降到0.1左右；东北地区的环境始终效率最差，其环境无效率得分在2006年在大于0.8，到2012年下降为0.7左右。

中部和西部地区的环境效率较为接近，其环境无效率在2006年在0.7和0.8之间，到2012年下降为0.3到0.5左右。在随时间变化的动态上，四大区域的环境效率都存在改善，但区域间改善速度分化明显。

由于环境效率较高地区的改善速度高于环境效率低的地区，环境效率在区域间具有发散趋势，各区域的排名格局也在变化，如2009年之前中部地区的环境效率水平低于西部地区，2009年后则开始高于西部地区。

制定火力发电行业的排放标准，应能合理地引导环保投入在各种污染物中的分配，这就需要了解不同区域火电环境效率改进的重点方向。

通过基于松弛的方向距离函数模型计算得到的方向向量后，数值上较大的分量自然应是该地区效率改进的重点方向。但由于较大的经济体被赋予了较大的范数，直接比较方向向量受到规模因素的影响，这里将它们除以发电量。

将各省按年平均的经过发电量调整的方向向量统计成表1，可以看出每个省的污染物减排方向都各不相同。以天津为例，在污染物减排方向选择上，单位发电量应该减排二氧化硫25.502千克，氮氧化物13.355千克，烟尘710.747千克。

	SO2	NOx	Soot
				内京	7.672	0	218.46
天津	25.502	13.355	710.747
				河北	34.415	16.934	791.127
山西	40.982	3.07	1494.52
				内蒙古	38.249	4.594	948.971
辽宁	30.896	7.517	1304.358
				吉林	23.758	17.643	2819.731
黑龙江	27.326	7.401	3195.835
				上海	36.029	16.354	326.591
江苏	28.605	3.852	856.565
				浙江	53.075	2.07	977.695
安徽	18.995	5.171	1181.538
				福建	16.727	8.482	247.438
江西	52.646	6.194	984.086
				山东	43.859	0	823.929
河南	37.81	11.975	1546.913
				湖北	42.034	11.492	1063.72
湖南	31.863	13.865	1633.352
				广东	68.614	14.176	532.616
广西	126.998	0.87	856.444
				海南	7.735	3.45	660.109
重庆	103.822	13.216	1649.722
				四川	82.228	7.7	1705.83
贵州	71.734	4.702	225.205
				云南	39.116	8.502	949.426
陕西	87.673	20.621	1086.536
				甘肃	31.528	6.722	855.833
青海	50.717	12.348	1290.758
				宁夏	41.849	5.77	1195.879
新疆	38.693	10.832	1584.629

表1各地区方向向量平均值(单位：千克/亿千瓦时)

应将二氧化硫作为重点减排方向的省份包括广西、重庆、陕西、四川、贵州、广东、浙江、江西、青海、山东，从经济发展水平上讲，它们大部分为经济不发达省份，少数为经济发达省份，显然发达省份的脱硫装置比不发达省份要完善；

从地理位置上看，长江以南省份多于长江以北省份，西南省份多于其他南方省份，究其原因是中国各产煤区的含硫量存在差异，实际计算结果除了反映各省市脱硫水平差异之外，还反映了各省市发电用煤的含硫量差异，煤炭含硫量最高的是西南地区，最低的是东北地区，两者全硫含量相差数倍，因此经济较发达的广东依然需要将二氧化硫作为改进的重点方向，而经济相对不发达的东北地区则不需要。

另外两种污染物的情况是，陕西、吉林、河北、上海、广东、湖南、天津、重庆、青海、河南应将氮氧化物作为重点减排方向。

可以发现部分较发达地区如上海等仍需要重视氮氧化物排放，类似的还包括广东和天津，这是因为相比二氧化硫，中国对氮氧化物排放的管制较晚，长期以来，无论是较发达地区还是较不发达地区，很少有电厂采取氮氧化物的减排措施，直到2003年中国才对所有火电厂的氮氧化物排放提出要求，尽管如此排放标准制定仍过于原则，缺乏可操作性。

黑龙江、吉林、四川、重庆、湖南、新疆、河南、山西、辽宁和青海应将烟尘作为重点减排方向，这些省份除了大部分位于中西部，没有太多共同特征和规律性，与氮氧化物类似，中国对烟尘的排放的重视也较晚。

将所得火力发电行业环境效率数据结果输入数据存储模块和数据分析模块，数据分析模块结合各地区火力发电行业环境效率水平的当前和历史时期数据，进行分析汇总比对，最后通过服务器终端显示出各火力发电行业环境效率水平对比情况。

将各省份火电行业的环境效率数据、能源投入、非能源投入、期望产出和非期望产出及设备运行状态及时反馈，用于监控设备运行和火电行业的减排趋势。

由本实施例结果可以验证，本发明的火力发电行业环境效率监控系统及其核算方法，可以准确计算出各火力发电行业环境效率水平，监控系统可以及时将不同时期内火力发电行业环境效率水平异常波动情况反映出来，对环境保护部门及时作出应对措施、开展工作提供了有力数据支持。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种火力发电行业环境效率监控系统，其特征在于，包括：

a、环境效率数据采集模块，环境效率数据采集模块用于对各区域火电行业的基础数据进行采集、查询和检测；

b、服务器，服务器内置环境效率数据核算模块与数据存储模块；

环境效率数据核算模块采用基于松弛方向距离函数模型，对各区域火电行业的基础能源环境数据进行汇总，并对火电行业环境效率水平高低进行实时排序；

数据存储模块用于将环境效率数据核算模块得到的各火力发电行业环境效率数据进行实时存储；

c、监控查询模块，监控查询模块用于调用数据存储模块的数据；

d、工作站，工作站内置数据分析模块，数据分析模块用于分析汇总各火力发电行业环境效率历史数据，并对各区域优先减排环节进行分析；

所述环境效率数据采集模块分别连接环境效率数据核算模块与数据存储模块，环境效率数据核算模块与数据存储模块互连，所述数据存储模块还分别连接监控查询模块和数据分析模块。

2.一种权利要求1所述监控系统的核算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、数据采集，环境效率数据采集模块对各区域火电行业的基础数据进行采集，并将采集的数据发送给环境效率数据核算模块与数据存储模块；

S2、数据核算，环境效率数据核算模块将数据以相应格式输入，并利用基于松弛方向距离函数模型进行核算，所述模型为

S3、数据存储与监控，步骤S2的核算结果输出至数据存储模块与监控查询模块，通过监控查询模块结合历史信息来查看各火力发电行业环境效率数据，实时监控各区域当前环境效率水平情况；

S4、数据分析，数据分析模块对核算出的环境效率数据进行统计分析，并对各区域能源投入、非能源投入、期望产出和非期望产出过程进行分析，得出量化结果。