王 明，周志興，封明敏，佘國(guó)金，孫榮岳

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

2020年9月22日，中國(guó)鄭重向世界承諾：CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。2021年7月16日，全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)正式啟動(dòng)，這是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景的重要政策工具[2]。碳排放配額分配是碳市場(chǎng)的核心機(jī)制[3]，為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)的配額分配，需要充分掌握碳排放水平。上述一切的基礎(chǔ)，是客觀、準(zhǔn)確、具有公信力的碳排放數(shù)據(jù)。基于聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的《IPCC 2006國(guó)家溫室氣體清單指南》，目前被廣泛認(rèn)可的3種碳排放核算方法為排放因子法、質(zhì)量平衡法和實(shí)測(cè)法[4]。排放因子法又稱排放系數(shù)法，該法計(jì)算簡(jiǎn)單、權(quán)威性高、國(guó)際通用，是目前應(yīng)用最為廣泛的碳排放量核算方法[5]；但該法計(jì)算得到的碳排放量可靠性不高、數(shù)據(jù)收集效率較低、時(shí)效性嚴(yán)重滯后[6]。質(zhì)量平衡法也稱物料衡算法，方法簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確，既適用于整個(gè)生產(chǎn)過程總的碳排放量核算，也適用于局部過程的碳排放量核算[7]；該法要求完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄，我國(guó)目前的統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀很難滿足這一要求。實(shí)測(cè)法是通過連續(xù)計(jì)量設(shè)施測(cè)量CO2排放的濃度、流速以及流量，進(jìn)一步核算CO2排放量的方法[8]，該法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，中間環(huán)節(jié)少，適用于較連續(xù)穩(wěn)定的排放口的碳排放量的核算，近年來受到業(yè)內(nèi)青睞[9]。

火電機(jī)組是主要的CO2排放源之一[10]，通過連續(xù)排放監(jiān)測(cè)的方式對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化的CO2排放數(shù)據(jù)收集，可以有效縮短數(shù)據(jù)流路線、減少人工干預(yù)，為今后的數(shù)據(jù)整理和核查提供便利，提高CO2核算過程中的準(zhǔn)確性。本研究開發(fā)了一種可在線插拔的CO2實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)合江蘇省火電機(jī)組的實(shí)際情況，采用實(shí)測(cè)法建立了基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的火電機(jī)組CO2排放量計(jì)算模型；將模型計(jì)算結(jié)果與排放因子法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)而為相關(guān)部門切實(shí)掌握火電企業(yè)CO2排放情況以及開展碳交易、制定碳減排目標(biāo)、分配碳排放配額提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 火電機(jī)組碳排放實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

研究開發(fā)的可在線插拔的火電機(jī)組碳排放實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)是基于CEMS（火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[11]）建立的，由于火電機(jī)組脫硫過程也會(huì)產(chǎn)生CO2排放，而且CO2在脫硫系統(tǒng)中的變化量無法通過計(jì)算實(shí)時(shí)得出，因此碳排放監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在脫硫以后。江蘇省內(nèi)大型火電機(jī)組煙囪排口處均設(shè)CEMS系統(tǒng)，有流速、壓力、溫度、濕度測(cè)點(diǎn)，便于計(jì)算煙氣排放量。因此將CO2排放監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在煙囪排口位置，通過對(duì)煙囪排口CEMS預(yù)處理機(jī)柜內(nèi)部的氣路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，將CO2分析儀納入到預(yù)處理系統(tǒng)中。由于CEMS系統(tǒng)的煙囪排口預(yù)處理機(jī)柜較為緊湊，無法安裝CO2分析儀，因此為CO2分析儀單獨(dú)配置一個(gè)CO2儀表機(jī)柜。CO2濃度監(jiān)測(cè)儀表采用紅外分析儀表，采集的CO2濃度數(shù)據(jù)傳輸至CEMS系統(tǒng)和脫硫DCS系統(tǒng)中。

圖1 火電機(jī)組碳排放實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

CO2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝后，采用準(zhǔn)確標(biāo)定的煙氣分析儀和風(fēng)速儀等設(shè)備，通過預(yù)留采樣孔，人工測(cè)得24 h內(nèi)SO2、NOx和O2含量，與未安裝CO2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)無明顯差別。參照HJ 75—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》對(duì)SO2、NOx、O2、CO2、煙氣流速、煙氣濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果顯示各項(xiàng)性能指標(biāo)均合格，說明CO2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝未對(duì)CEMS系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

1.2 基于氧量的火電機(jī)組CO2排放濃度異常監(jiān)測(cè)

參照HJ 75—2017，煙氣中CO2含量和O2含量應(yīng)存在如式(1)所示關(guān)系。

式中：φCO2、φO2分別是煙氣中的CO2和O2體積分?jǐn)?shù)，%；φCO2max是燃料燃燒產(chǎn)生的最大CO2體積分?jǐn)?shù)，%，其近似值如表1所示。

由表1可知，燃煤機(jī)組φCO2max在18.4%～20.2%，據(jù)此可設(shè)置警告閾值，設(shè)置時(shí)應(yīng)考慮一定裕量。利用CEMS系統(tǒng)測(cè)量得到的煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)和O2體積分?jǐn)?shù)，由式（1）可以在線實(shí)時(shí)計(jì)算φCO2max，對(duì)于超出閾值范圍的CO2濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行告警，進(jìn)一步提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

表1 φCO2max近似值%

2 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的火電機(jī)組碳排放核算

在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，只要設(shè)備沒有出現(xiàn)故障，1 h內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化不大，因此以1 h作為計(jì)算周期。目前，現(xiàn)場(chǎng)碳排放監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集頻率最快可以到秒級(jí)，最慢也在1 min左右。因此，1 h計(jì)算周期內(nèi)會(huì)有60～3 600條記錄，形成了機(jī)組小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)定故障剔除、超限數(shù)據(jù)剔除等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，得到干凈的小時(shí)預(yù)處理數(shù)據(jù)集，然后進(jìn)行碳排放量和排放強(qiáng)度的計(jì)算。

2.1 小時(shí)碳排放量的計(jì)算

2.1.1 小時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)均值

在干凈的小時(shí)預(yù)處理數(shù)據(jù)集上，按照式（2）計(jì)算排口煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的算數(shù)平均值，并作為CO2排放的小時(shí)均值。

式中：φCO2為CO2體積分?jǐn)?shù)的小時(shí)均值，%；φi是數(shù)據(jù)集中第i條記錄的CO2體積分?jǐn)?shù)，%；n是數(shù)據(jù)集中的記錄個(gè)數(shù)。

2.1.2 小時(shí)煙氣量

得到CO2體積分?jǐn)?shù)的小時(shí)均值和運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)后，通過式（3）計(jì)算機(jī)組小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)干煙氣量。

式中：Qgas,vent,N是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小時(shí)干煙氣排放量，萬m3；t是機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，s；S是煙囪排口的截面積，m2；Vgas,vent是煙囪排口處煙氣流速，m/s；Pgas,vent是煙囪排口處壓力，Pa；Tgas,vent是煙囪排口處煙氣溫度，℃；Xgas,vent是煙囪排口處煙氣濕度，%。

2.1.3 小時(shí)CO2排放量

根據(jù)機(jī)組CO2排放體積分?jǐn)?shù)小時(shí)均值和小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)干煙氣量，通過式（4）計(jì)算機(jī)組小時(shí)CO2排放量。

2.2 小時(shí)排放強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1 小時(shí)發(fā)電量

發(fā)電量是負(fù)荷在時(shí)間上的積分值，如式（5）所示。

式中：FDLh為機(jī)組小時(shí)發(fā)電量，MWh；FH為負(fù)荷時(shí)刻值，MW；Δt為時(shí)間間隔，min。

2.2.2 小時(shí)CO2排放強(qiáng)度

機(jī)組發(fā)電CO2排放強(qiáng)度是指機(jī)組每生產(chǎn)1 kWh的電能所排放的CO2質(zhì)量，計(jì)算公式如式（6）所示。

式中：EIhCO2是機(jī)組小時(shí)發(fā)電CO2排放強(qiáng)度，g/（kWh）。

2.3 碳排放指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

以機(jī)組小時(shí)碳排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過簡(jiǎn)單的求和運(yùn)算先得到發(fā)電量和排放量的匯總值，然后用匯總值計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)段的排放強(qiáng)度。以日為例，其統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式如式（7）～（9）所示。

3 實(shí)測(cè)法碳排放數(shù)據(jù)與排放因子法的比較

以1臺(tái)額定負(fù)荷為1 000 MW的某燃煤機(jī)組（測(cè)試機(jī)組）為例，利用實(shí)測(cè)法監(jiān)測(cè)CO2排放濃度。燃煤機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠和ALSTOM公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，型號(hào)為SG-3098/27.46-M539。

3.1 小時(shí)碳排放數(shù)據(jù)

以該燃煤機(jī)組2019年全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，剔除機(jī)組停機(jī)及機(jī)組啟停階段數(shù)據(jù)，記錄了排口煙氣中小時(shí)CO2濃度和機(jī)組功率隨時(shí)間變化情況，并計(jì)算得到了小時(shí)CO2排放量和排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，CO2排放量與機(jī)組發(fā)電量變化趨勢(shì)基本一致，機(jī)組發(fā)電量高時(shí)，燃煤消耗量和排煙量增加，所以CO2排放量也應(yīng)增大。2019年全年CO2排放強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，在CO2排放量變化較大區(qū)域即變負(fù)荷階段，會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。

表2 2019年某1 000 MW燃煤機(jī)組小時(shí)碳排放數(shù)據(jù)

3.2 碳排放統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

以小時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)電量、CO2排放量進(jìn)行求和，得到每日和每月的碳排放數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 某1 000 MW機(jī)組2019年全年日CO2排放數(shù)據(jù)

圖3 某1 000 MW機(jī)組2019年全年月CO2排放數(shù)據(jù)

由圖2可知，與小時(shí)排放數(shù)據(jù)類似，日CO2排放量隨著發(fā)電量變化而同步變化，CO2排放強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，在平均值880 g/(kWh)上下波動(dòng)。對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，碳排放強(qiáng)度與發(fā)電量存在一定的負(fù)相關(guān)，發(fā)電量越高，CO2排放強(qiáng)度越低。例如，6月和7月發(fā)電量較少，說明機(jī)組負(fù)荷率較低，整臺(tái)機(jī)組效率較高負(fù)荷時(shí)有所下降，導(dǎo)致CO2排放強(qiáng)度有所上升，所以CO2排放強(qiáng)度一定程度上能反映鍋爐效率的變化情況。

對(duì)測(cè)試機(jī)組2019年全年的月CO2排放量和月發(fā)電量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖4所示，擬合結(jié)果R2達(dá)0.978，顯示二者之間存在良好的正相關(guān)，表明該實(shí)測(cè)法監(jiān)測(cè)碳排放結(jié)果能直接反映鍋爐產(chǎn)出能量的變化情況。

圖4 測(cè)試機(jī)組月發(fā)電量與月CO2排放量的線性擬合

3.3 實(shí)測(cè)法與排放因子法計(jì)算碳排放數(shù)據(jù)結(jié)果比較

采用排放因子法計(jì)算得到了測(cè)試的1 000 MW機(jī)組2019年全年CO2排放量，與實(shí)測(cè)法計(jì)算得到的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)法與排放因子法計(jì)算測(cè)試1 000 MW機(jī)組的CO2排放量對(duì)比

由表3可知，兩種方法計(jì)算得到結(jié)果相差不多，偏差率為5.91%，證明本研究提出的基于實(shí)測(cè)法的火電機(jī)組CO2排放量計(jì)算模型具有較高準(zhǔn)確性，為電力行業(yè)碳排放總量核算由排放因子法向?qū)崪y(cè)法過渡提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

4.1 研究開發(fā)了一種可在線插拔的CO2實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，可以準(zhǔn)確測(cè)量煙氣中的CO2濃度，實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組碳排放過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過O2含量對(duì)CO2排放濃度進(jìn)行異常檢測(cè)，提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

4.2 基于實(shí)測(cè)法的火電機(jī)組CO2排放量計(jì)算模型具有較高準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)法計(jì)算結(jié)果與排放因子法計(jì)算結(jié)果偏差較小，為電力行業(yè)碳排放總量核算由排放因子法向?qū)崪y(cè)法過渡提供了數(shù)據(jù)支撐。