劉科，楊興森，王太，董信光，張利孟，張緒輝，袁森，辛剛，高嵩

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院動(dòng)力工程系，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250003）

電力行業(yè)為居民生活與經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)提供了基礎(chǔ)保障，但同時(shí)也是重要的碳排放部門。據(jù)世界資源研究所（WRI）統(tǒng)計(jì)，電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放約占中國2020 年碳排放總量的41.6%，相應(yīng)排放量約為40 億t[1-2]，且有增長趨勢[3]。由此可見，電力是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)，也是碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域，電力低碳轉(zhuǎn)型對實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有全局性意義[4-6]。而扎實(shí)做好燃煤機(jī)組的碳排放核算與監(jiān)測，是順利推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型和電力碳減排的基礎(chǔ)性工作[7-8]。只有做到碳排放的連續(xù)監(jiān)測才能研究掌握發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)碳排放規(guī)律和特性，進(jìn)而開展減碳優(yōu)化、低碳調(diào)度等方面的研究，全面支撐電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型。

目前燃煤機(jī)組的碳排放核算依據(jù)為《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求第1 部分：發(fā)電企業(yè)》（GB/T 32151.1—2015）和《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》[9-11]。2022 年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》[12]，對發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位的核算和報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，對省級主管部門開展數(shù)據(jù)核查的程序和內(nèi)容提出嚴(yán)格要求。

相比于發(fā)電企業(yè)碳排放核算方法的逐漸完善，碳排放的在線監(jiān)測方法仍在探索階段，目前主要有核算法和實(shí)測法2 種技術(shù)流派[13-21]。

實(shí)測法依托于煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（continuous emission monitoring system，CEMS），需要在當(dāng)前燃煤企業(yè)環(huán)保CEMS 基礎(chǔ)上添加CO2監(jiān)測以及煙氣流量實(shí)時(shí)測量模塊。這種方法要廣泛推廣最大的困難在于煙氣流量測量的準(zhǔn)確性難以長期保證[22]。

核算法常用于較長時(shí)間周期的碳排放核算，也有一些學(xué)者用核算法分析碳排放強(qiáng)度的影響因素[23-24]，但核算周期長難以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下碳排放特性的研究。此外，燃煤量的測量值與實(shí)時(shí)負(fù)荷存在時(shí)間差，從而無法得到實(shí)時(shí)負(fù)荷下的碳排放強(qiáng)度，給碳排放強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測研究帶來困難。

本文采用《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》要求的碳核算方法，通過能量平衡和物料守恒的方法對燃煤量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，避免了燃煤實(shí)測滯后性的問題，實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組碳排放量的實(shí)時(shí)在線核算和監(jiān)測；進(jìn)而對試點(diǎn)機(jī)組不同調(diào)峰工況下的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究機(jī)組調(diào)峰時(shí)的碳排放特性。

1 CO2 排放量監(jiān)測計(jì)算模型

《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》指出發(fā)電企業(yè)排放的CO2包含化石燃料燃燒排放、使用購入電力排放2 部分（脫硫系統(tǒng)碳排放不計(jì)算在內(nèi)）。由于電廠外購電量只有在所有機(jī)組都停機(jī)，需要使用電網(wǎng)電力進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)發(fā)生，占比極少，所以本文在進(jìn)行發(fā)電企業(yè)碳排放特性分析時(shí)只考慮化石燃料燃燒排放（Er）。其計(jì)算公式為：

式中：FC為監(jiān)測期燃煤的凈消費(fèi)量，t；Car,c為燃煤的收到基元素碳含量，%；OFC為燃煤的碳氧化率，%；44/12 為二氧化碳與碳的相對分子質(zhì)量之比。

燃煤量的計(jì)量裝置一般安裝在輸煤皮帶上或者磨煤機(jī)入口給煤機(jī)處。磨煤機(jī)入口測得的燃煤量經(jīng)磨煤機(jī)磨制再入爐燃燒。負(fù)荷變化時(shí)，由于控制方式的不同，燃煤量的變化存在滯后或超前，因此磨煤機(jī)入口的燃煤量測量值無法用于機(jī)組實(shí)時(shí)碳排放強(qiáng)度的計(jì)算。即便是直吹式制粉系統(tǒng)，輸煤皮帶上的煤也至少需要1～2 h 才能入爐燃燒，因此輸煤皮帶上測得的燃煤量更加無法用于實(shí)時(shí)碳排放強(qiáng)度的計(jì)算。鑒于此，本文依據(jù)能量守恒法，使用鍋爐有效吸熱量[25]來計(jì)算燃料實(shí)時(shí)消耗量：

式中：FCC為鍋爐燃煤實(shí)時(shí)消耗量，t/h；Dgq為過熱蒸汽流量，t/h；hgq為過熱蒸汽焓，kJ/kg；hgs為鍋爐給水焓，kJ/kg；Dpw為鍋爐排污水量，t/h；hpw為排污水焓，kJ/kg；Dzq為鍋爐再熱蒸汽流量，t/h；hzq,c為再熱蒸汽出口焓，kJ/kg；hzq,r為再熱蒸汽入口焓，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，%；Qar,net為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

在得到燃煤實(shí)時(shí)消耗量之后，即可計(jì)算得到機(jī)組當(dāng)前負(fù)荷對應(yīng)的發(fā)電碳排放強(qiáng)度實(shí)時(shí)值Erc：

式中：Erc為機(jī)組實(shí)時(shí)發(fā)電碳（以CO2計(jì)）排放強(qiáng)度，t/(MW·h)；Pe為機(jī)組實(shí)時(shí)電功率，MW。

由于不同煤種的碳氧化率不同，為了客觀評價(jià)燃用無煙煤和燃用煙煤機(jī)組的碳排放特性，本文中的燃料碳氧化率不采用缺省值方案，而是采用GB/T 32151.1—2015 中的公式計(jì)算[26]：

式中：OFC為燃煤的碳氧化率，%；Gz為全年的爐渣產(chǎn)量，t；Cz為爐渣的平均含碳量，%；Gh為全年的飛灰產(chǎn)量，t；Ch為飛灰的平均含碳量，%；ηcc為除塵系統(tǒng)平均除塵效率，%；FCC為鍋爐燃煤消耗量，kg/h。

煤質(zhì)、飛灰爐渣含碳量等數(shù)據(jù)每8 h 更新1 次，由于同一機(jī)組入爐煤質(zhì)在8 h 內(nèi)較為穩(wěn)定，因此在計(jì)算模型中假定8 h 內(nèi)煤質(zhì)飛灰爐渣的數(shù)據(jù)不變，模型中其他運(yùn)行參數(shù)為機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，每分鐘更新1 次。

通過以上方式建立計(jì)算模型，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組發(fā)電碳排放強(qiáng)度的分鐘級更新，將機(jī)組碳核算的時(shí)間尺度精確到了分鐘級，進(jìn)而可以用來開展機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下碳排放特性監(jiān)測研究。

2 機(jī)組碳排放強(qiáng)度變化規(guī)律分析

2.1 監(jiān)測機(jī)組介紹

本文選擇國家能源FX1 號(hào)（FX#1）、大唐HD5號(hào)（HD#5）、華潤HZ2 號(hào)（HZ#2）、華電WF4 號(hào)（WF#4）等4 臺(tái)600 MW 等級機(jī)組和華電LZ2 號(hào)（LZ#2）1 000 MW 機(jī)組為研究對象開展碳（以CO2計(jì)）排放強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測分析。取8 月份相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及煤質(zhì)、灰渣含碳量等數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)組的碳排放情況。選取的機(jī)組8 月份均為純凝運(yùn)行方式。

5 臺(tái)機(jī)組的主要設(shè)備參數(shù)見表1；5 臺(tái)機(jī)組8 月份負(fù)荷運(yùn)行范圍、煤質(zhì)、飛灰爐渣含碳量等主要數(shù)據(jù)情況見表2。

表1 5 臺(tái)機(jī)組主要設(shè)備及參數(shù)Tab.1 Main equipment and parameters of five units

表2 5 臺(tái)機(jī)組8 月份主要數(shù)據(jù)Tab.2 Main data of five units in August

2.2 600 MW 等級監(jiān)測機(jī)組不同負(fù)荷下碳排放強(qiáng)度

在8 月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，取各負(fù)荷率下所有的實(shí)時(shí)碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值代表該機(jī)組在此負(fù)荷率下的發(fā)電碳排放強(qiáng)度。4 臺(tái)600 MW 監(jiān)測機(jī)組不同負(fù)荷率下平均碳排放強(qiáng)度對比如圖1 所示。

圖1 600 MW 監(jiān)測機(jī)組不同負(fù)荷率下平均碳排放強(qiáng)度對比Fig.1 Comparison of carbon emission intensity of 600 MW monitoring unit at different load rates

由圖1 可知，隨著負(fù)荷降低，機(jī)組的發(fā)電碳排放強(qiáng)度逐漸升高。HZ#2 和FX#1 機(jī)組額定負(fù)荷附近的碳排放強(qiáng)度下降明顯。經(jīng)查，這2 臺(tái)機(jī)組在額定負(fù)荷點(diǎn)附近會(huì)采取提前更換煤種等措施保證機(jī)組帶負(fù)荷能力，因此該負(fù)荷碳排放強(qiáng)度下降較多。

由圖1 還可發(fā)現(xiàn)，燃用貧煤的WF#4 機(jī)組碳排放強(qiáng)度比同等級燃用煙煤的其他3 臺(tái)機(jī)組要高。由表2 可見，WF#4 機(jī)組的飛灰、爐渣含碳量月度均值分別為5.87%、10.98%，遠(yuǎn)高于煙煤機(jī)組。在其他系統(tǒng)能耗相同的情況下，貧煤機(jī)組的機(jī)械不完全燃燒熱損失更大，從而導(dǎo)致了貧煤機(jī)組相比煙煤機(jī)組更高的碳排放強(qiáng)度。

2.3 監(jiān)測機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷下的碳排放強(qiáng)度

以上在研究機(jī)組不同負(fù)荷率下碳排放規(guī)律時(shí)，未區(qū)分機(jī)組是否處在穩(wěn)定工況中。為進(jìn)一步研究燃煤機(jī)組平穩(wěn)負(fù)荷段（每個(gè)平穩(wěn)工況時(shí)長15 min 以上）的發(fā)電碳排放特性，選取WF#4 機(jī)組42 個(gè)平穩(wěn)運(yùn)行工況、HZ#2 機(jī)組39 個(gè)平穩(wěn)工況進(jìn)行分析，相同負(fù)荷分別有2～15 個(gè)工況點(diǎn)；選取LZ#2 機(jī)組22個(gè)平穩(wěn)負(fù)荷段，相同負(fù)荷分別有2～3 個(gè)工況點(diǎn)，計(jì)算發(fā)電碳排放強(qiáng)度：結(jié)果如圖2 所示。

圖2 機(jī)組負(fù)荷與碳排放強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between unit load and carbon emission intensity

由圖2 可見：在相同負(fù)荷點(diǎn)，機(jī)組的發(fā)電碳排放強(qiáng)度都集中分布在一定區(qū)間內(nèi)；WF#4 與HZ#2 機(jī)組相比，相同負(fù)荷點(diǎn)發(fā)電碳排放強(qiáng)度的分布范圍更小，偏差范圍為[-1.30%，1.99%]；HZ#2 機(jī)組相同負(fù)荷點(diǎn)發(fā)電碳排放強(qiáng)度的偏差范圍為[-2.20%，2.61%]；LZ#2 機(jī)組雖然在每個(gè)負(fù)荷的工況點(diǎn)較少，但這些工況點(diǎn)分布非常集中。在歷史相同負(fù)荷點(diǎn)機(jī)組的碳排放強(qiáng)度波動(dòng)范圍越小，說明機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)越穩(wěn)定，在相同負(fù)荷下的碳排放強(qiáng)度也就越集中。因此也可認(rèn)為，相同負(fù)荷下碳排放強(qiáng)度分布范圍越小的機(jī)組，碳排放特性越穩(wěn)定。

為進(jìn)一步分析不同容量等級機(jī)組在不同穩(wěn)定負(fù)荷點(diǎn)的碳排放特性，將以上機(jī)組相同負(fù)荷段的碳排放強(qiáng)度平均，結(jié)果如圖3 所示。3 臺(tái)機(jī)組各負(fù)荷下的主要運(yùn)行參數(shù)平均值見表3。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，3 臺(tái)機(jī)組碳排放強(qiáng)度隨負(fù)荷的變化規(guī)律一致，負(fù)荷越高，碳排放強(qiáng)度越低。

圖3 600、1 000 MW 機(jī)組負(fù)荷與碳排放強(qiáng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between load and carbon emission intensity of 600 MW and 1 000 MW units

不同機(jī)組之間碳排放情況各不相同。以HZ#2機(jī)組為例，其在60%～100%負(fù)荷時(shí)，碳排放強(qiáng)度變化較為平緩；負(fù)荷降至50%負(fù)荷時(shí)，機(jī)組碳排放強(qiáng)度明顯增大，碳排放強(qiáng)度相比60%負(fù)荷增加7.76%。

由表3 可知，HZ#2 機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)的再熱蒸汽溫度比60%負(fù)荷時(shí)下降22 ℃，而WF#4 機(jī)組50%負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度相比其他負(fù)荷并沒有明顯下降。因此，提高低負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度是HZ#2機(jī)組節(jié)能降碳需要改進(jìn)的方向。與600 MW 等級的HZ#2、WF#4 機(jī)組相比，1 000 MW 等級的LZ#2 機(jī)組在低負(fù)荷段仍能保持在設(shè)計(jì)參數(shù)附近運(yùn)行，因此碳排放強(qiáng)度在低負(fù)荷段增長幅度相對較小。如何保持低負(fù)荷段的主要運(yùn)行參數(shù)，是大多數(shù)機(jī)組尤其是老舊機(jī)組節(jié)能減碳優(yōu)化需要重點(diǎn)研究的方向。從低碳調(diào)度角度出發(fā)，在電網(wǎng)需要機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)用大容量高參數(shù)的煙煤機(jī)組；在需要機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰吸納新能源時(shí)，相同條件下應(yīng)優(yōu)先選擇低負(fù)荷碳排放強(qiáng)度增加較少機(jī)組。

表3 各負(fù)荷下機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)平均值Tab.3 Average value of main operating parameters of the unit at different load rates

3 負(fù)荷波動(dòng)對碳排放的影響

由于風(fēng)光等新能源發(fā)電的波動(dòng)性較大，往往需要燃煤機(jī)組頻繁升降負(fù)荷來進(jìn)行新能源消納。為分析頻繁調(diào)峰對機(jī)組碳排放強(qiáng)度的影響，選取HZ#2機(jī)組14 個(gè)30 min 平均負(fù)荷為480 MW 的時(shí)間段，用這些時(shí)段內(nèi)機(jī)組負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)差來表征負(fù)荷波動(dòng)程度，相應(yīng)的碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表4。由表4 可知，當(dāng)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差增大時(shí)，HZ#2 機(jī)組碳排放強(qiáng)度有所增加，即當(dāng)平均負(fù)荷相同時(shí)，負(fù)荷波動(dòng)幅度越大、頻率越高，機(jī)組的碳排放強(qiáng)度也越大。

表4 HZ#2 機(jī)組頻繁調(diào)峰時(shí)段機(jī)組碳排放強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of carbon emission intensity of HZ#2 unit during frequent peak shaving

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有機(jī)組的碳排放強(qiáng)度都對負(fù)荷波動(dòng)反應(yīng)敏感，例如WF#4 機(jī)組。同樣取WF#4 機(jī)組11 個(gè)30 min 平均負(fù)荷為480 MW 的時(shí)間段，這些時(shí)段內(nèi)機(jī)組負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差和碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表5。由表5 可知，負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差變化時(shí)，碳排放強(qiáng)度并沒有明顯增長。產(chǎn)生這種分歧的原因與不同機(jī)組之間運(yùn)行控制方式和運(yùn)行水平不同有關(guān)。

表5 WF#4 機(jī)組頻繁調(diào)峰時(shí)段機(jī)組碳排放強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of carbon emission intensity of WF#4 unit during frequent peak shaving

機(jī)組碳排放強(qiáng)度對負(fù)荷波動(dòng)的不同反應(yīng)可以為低碳調(diào)度提供新的策略。在新能源出力波動(dòng)頻繁、需要一部分機(jī)組通過頻繁升降負(fù)荷來消納時(shí)，為了不增加或少增加因負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的碳排放量，可以選擇碳排放強(qiáng)度對負(fù)荷波動(dòng)反應(yīng)不敏感的機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰。

4 結(jié)論與建議

1）監(jiān)測的4 臺(tái)600 MW 等級中，燃用貧煤的WF#4 機(jī)組比同容量、同參數(shù)等級燃用煙煤的機(jī)組碳排放強(qiáng)度要高。1 000 MW 等級的LZ#2 機(jī)組的碳排放強(qiáng)度與600 MW 等級機(jī)組相比，在低負(fù)荷段增長幅度相對較小。

2）不同運(yùn)行負(fù)荷下每臺(tái)機(jī)組的碳排放變化規(guī)律不同。WF#4 機(jī)組在50%～100%負(fù)荷時(shí)，碳排放強(qiáng)度變化較為平緩，但整體排放強(qiáng)度較高；HZ#2 機(jī)組在全部負(fù)荷段整體碳排放強(qiáng)度較低，但在50%負(fù)荷時(shí)機(jī)組碳排放強(qiáng)度突增7.76%。掌握這些機(jī)組的碳排放變化規(guī)律可以為不同場景下的低碳調(diào)度策略提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3）部分燃煤機(jī)組的碳排放強(qiáng)度對負(fù)荷波動(dòng)反應(yīng)敏感，機(jī)組負(fù)荷變化幅度越大、頻率越高，機(jī)組的碳排放強(qiáng)度越大；還有一些機(jī)組對負(fù)荷波動(dòng)反應(yīng)不敏感，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，碳排放強(qiáng)度的變化沒有明顯增長。因此在電網(wǎng)需要機(jī)組頻繁升降負(fù)荷調(diào)峰時(shí)，相同條件下可優(yōu)先調(diào)用碳排放強(qiáng)度對負(fù)荷波動(dòng)不敏感的機(jī)組。