姚順春 支嘉琦 付金杯 李崢輝 盧志民 卓俊玲?

（1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；2.廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化與工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012）

隨著社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類活動對環(huán)境造成的影響也愈發(fā)明顯，其中以CO2為主的溫室氣體的大量排放引起的溫室效應(yīng)是目前影響范圍最廣的環(huán)境問題，對人類的生存造成了嚴重威脅。為應(yīng)對氣候變化，世界各國對減少碳排放達成一致共識，并出臺一系列減排政策，其中碳排放權(quán)交易機制是世界各國應(yīng)用較為廣泛的碳減排手段［1］。中國作為負責任的大國，一直積極承擔著減排任務(wù)。自2013年開始，我國在北京、廣東、湖北等7個省市陸續(xù)開展碳交易市場的試點。我國始終在積極探尋綠色低碳的發(fā)展路線。在此目標下，碳交易市場作為重要控排手段而越來越受到重視。當前，我國碳排放仍然處在“總量高、增量高”的階段，其中電力是最主要的碳排放行業(yè)。2021年7月16日全國碳市場正式開市，電力行業(yè)是我國第一批納入全國碳市場的重點行業(yè)。準確、客觀、實時且具有公信力的碳排放數(shù)據(jù)是碳交易市場高效運行的重要基礎(chǔ)，也是國際互查、企業(yè)低碳生產(chǎn)管理以及實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標愿景的核心保障。

目前，我國碳核查的通用方法為核算法。2022年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施（2022年修訂版）》，其中規(guī)定了利用核算法進行碳核查的具體流程與方法。該指南的出臺確保了碳核查及碳交易的公平統(tǒng)一，但同時核算法還存在以下局限性：①核查環(huán)節(jié)易受人為因素影響；②需要頻繁處理多個不同來源的原始數(shù)據(jù)；③固體燃料特性復(fù)雜多變，采樣代表性不足以及燃料特性分析的誤差會造成核算結(jié)果不準確；④時效性較差?，F(xiàn)行核查法是基于第三方核查機構(gòu)，對納入碳市場企業(yè)的上一年度碳排放量進行核查，從而服務(wù)于碳交易市場。數(shù)據(jù)的時效性較差，使企業(yè)人員無法及時調(diào)整生產(chǎn)運行狀態(tài)，從而無法為清潔低碳生產(chǎn)提供支持。此外，國際上還存在基于排放端的在線監(jiān)測法。在線監(jiān)測設(shè)備安裝在排放源后，通過采集煙氣濃度、體積流量等數(shù)據(jù)獲得碳排放總量。Sur等［2］詳細分析總結(jié)了中國碳市場的結(jié)構(gòu)及碳排放監(jiān)測方法現(xiàn)狀，他們認為盡管目前核算法更普適于中國電廠，但在線監(jiān)測法依舊頗具前景。在線監(jiān)測法具有的優(yōu)點如下：①其數(shù)據(jù)采集的自動化程度較高，可以自動上傳系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)真實性；②數(shù)據(jù)分析處理簡單，節(jié)省人力；③無需區(qū)分燃料類型，較好地適配于我國大部分電廠燃煤摻配混燒的現(xiàn)實情況；④時效性好，可以實現(xiàn)分鐘級的監(jiān)測。為實現(xiàn)“雙碳目標”，我國電力行業(yè)未來預(yù)計將納入更多清潔能源，為保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，火電廠則要更多承擔起深度調(diào)峰責任，利用在線監(jiān)測法則可以更好地監(jiān)測碳排放和企業(yè)生產(chǎn)運行之間的關(guān)聯(lián)特性，為低碳生產(chǎn)優(yōu)化和電力調(diào)度提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2020年6 月，生態(tài)環(huán)境部公布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要（2020—2035年）》［3］提出遵循“核算為主、監(jiān)測為輔”的原則。生態(tài)環(huán)境部于2021年1月印發(fā)的《關(guān)于統(tǒng)籌和加強應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)工作的指導意見》指出，要推動監(jiān)測體系統(tǒng)籌融合，加強溫室氣體監(jiān)測。2021年9月，生態(tài)環(huán)境部聚焦重點行業(yè)、城市和區(qū)域啟動監(jiān)測評估試點，發(fā)現(xiàn)對火電行業(yè)等排放相對集中的企業(yè)在線監(jiān)測效果較好。2022年5月，生態(tài)環(huán)境部提出，我國將擴大火電行業(yè)碳監(jiān)測試點范圍，進一步完善碳監(jiān)測業(yè)務(wù)技術(shù)體系。由此可見火電企業(yè)碳排放在線監(jiān)測的推廣應(yīng)用勢在必行。然而，在全國推廣應(yīng)用碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，還需要對其存在的監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量等一系列問題進行研究和探討。

本文針對火電企業(yè)碳排放在線監(jiān)測目前存在的問題，首先闡述了連續(xù)在線監(jiān)測的技術(shù)原理，其次對CO2濃度監(jiān)測、煙氣流量監(jiān)測和流量軟測量的技術(shù)應(yīng)用和適用條件進行分析說明，繼而對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法進行總結(jié)，最后提出擴大碳排放在線監(jiān)測試點應(yīng)用、建立不確定度分析模型及建立統(tǒng)一標準的建議，期望推動在線監(jiān)測法在全國碳監(jiān)測領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

1 碳排放在線監(jiān)測技術(shù)

1.1 在線監(jiān)測技術(shù)原理

在線監(jiān)測法的基本原理是通過對尾部煙道的CO2濃度、煙氣流速、溫度及壓力等參數(shù)進行在線監(jiān)測，來計算總的碳排放速率，其計算公式為

式中：M為碳排放速率，kg/h；Pct為煙氣壓力，Pa；Vs為煙氣體積流量，Nm3/h；w為煙氣濕度，%；R為標準摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為煙氣溫度，K；φ（CO2）為煙氣中CO2體積分數(shù)，%。其中，最為關(guān)鍵的兩個參數(shù)是碳濃度和煙氣流量［4］。

1.2 CO2濃度檢測技術(shù)

氣體檢測技術(shù)眾多.20世紀70年代普遍采用化學檢測技術(shù)，如氣相色譜檢測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于天然氣組分在線實時檢測、大氣溫室氣體濃度監(jiān)測等領(lǐng)域，電廠中常用該技術(shù)進行變壓器故障監(jiān)測，但因其系統(tǒng)復(fù)雜、維護量大等原因，在電廠碳排放連續(xù)在線監(jiān)測領(lǐng)域難以應(yīng)用［5］。光學檢測技術(shù)因其高靈敏性、探測目標廣的特點被廣泛重視和研究。常見光學檢測技術(shù)主要有差分光學吸收光譜技術(shù)（DOAS）、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）、非分散紅外檢測法（NDIR）、可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）和差分吸收激光雷達技術(shù)（DIAL）等。其中DIAL技術(shù)多用于大氣環(huán)境氣體監(jiān)測，因其系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂不適用于煙道環(huán)境監(jiān)測，所以在此節(jié)不作過多介紹。

1.2.1 差分吸收光譜

差分吸收光譜始于20世紀70年代［6］，主要利用氣體分子具有的窄帶吸收特性，來反演待測氣體濃度。DOAS主要應(yīng)用在紫外和可見波段，其技術(shù)的優(yōu)勢在于測量為非接觸式，設(shè)備相對簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)對煙道內(nèi)多種氣體的同時監(jiān)測。但其操作相對困難，對外部環(huán)境要求較高，且需根據(jù)氣體種類找出最佳光程及最優(yōu)波段［7］。也有學者將DOAS技術(shù)擴展到了CO2所在的紅外光譜區(qū)，并提出了參數(shù)反演算法［8］。此后，諸多學者基于DOAS開展了CO2濃度檢測研究。Wallin等［9］認為DOAS系統(tǒng)可以監(jiān)測從紫外到紅外波段的多種氣體濃度，適用于普通固定污染源和垃圾焚燒廠的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測。王汝雯［10］基于權(quán)重函數(shù)修正的DOAS技術(shù)（WFM-DOAS）設(shè)計了地基紅外遙測系統(tǒng)，可獲得燃煤電廠等點源排放的CO2、CH4等氣體的二維分布信息和通量信息。目前，國內(nèi)學者針對DOAS的研究仍多集中于紫外波段，對其紅外光譜區(qū)的應(yīng)用還有待深入探討。

1.2.2 傅里葉變換紅外光譜

傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）是一種對干涉函數(shù)做傅里葉變換得到測量待測氣體分子紅外光譜的方法，是氣體濃度檢測的一種較為理想的手段。FTIR具有分辨率高、靈敏度高、量程范圍寬和測量氣體種類多等優(yōu)勢。其缺點是系統(tǒng)體積大、成本高，且響應(yīng)時間較長。同時儀器對工作環(huán)境的濕度較為敏感，因此在煙道環(huán)境中使用易產(chǎn)生誤差。李相賢等［11］改進了傅里葉變換紅外分析儀以實現(xiàn)溫室氣體及CO2碳同位素比值的多組分、高精度、連續(xù)自動測量，分析儀對CO2和δ13CO2的測量標準偏差分別為0.239×10-6和0.572%。Esler等［12］基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對大氣中的CO、CO2、CH4和N2O進行了探測。盛潤坤等［13］提出了一種基于FTIR和紫外差分吸收光譜（UV-DOAS）聯(lián)用技術(shù)的煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，可同時測量NO、NO2、SO2、CH4、CO2和CO等多種氣體，結(jié)果顯示測量技術(shù)零點漂移小于2% F.S.。高明亮［14］搭建了基于FTIR技術(shù)氣體定量分析的實驗系統(tǒng)，對CO、CO2、NO、NO2、SO2等8種組分進行檢測，通過偏最小二乘（PLS）回歸模型成功對氣體進出預(yù)測，精度達滿量程的±2%。目前FTIR技術(shù)在實驗室測量中達到了較好的效果，其在火電企業(yè)等現(xiàn)場環(huán)境下的應(yīng)用效果還需進一步的驗證。

1.2.3 非分散紅外光譜

非分散紅外檢測法（NDIR）基本原理是基于氣體分子對紅外線的選擇吸收性，將紅外光源的連續(xù)光照射到被測氣體上，根據(jù)譜線的衰減程度以及與組分濃度所呈現(xiàn)的線性關(guān)系來得到氣體的濃度信息［15］。NDIR系統(tǒng)簡單，價格便宜，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程監(jiān)測，但易受到煙道中碳氫化合物和水蒸氣的干擾。目前已有學者開展關(guān)于環(huán)境因素對傳感器影響的研究。張加宏等［16］針對環(huán)境溫濕度對CO2氣體傳感器的影響展開了抗干擾研究，設(shè)計了低濕控制模塊與恒溫控制模塊。結(jié)果顯示，在復(fù)雜溫濕度環(huán)境下，0～2×10-3濃度范圍內(nèi)測量平均相對誤差為8.38%。張珅等［17］對NDIR開放光路CO2/H2O分析儀在測量CO2濃度時環(huán)境壓強及其他氣體的影響進行了校準，校準后對CO2濃度測量的相對誤差在0.4%～2.1%之間，穩(wěn)定度為0.31%。趙勇毅［18］基于NDIR技術(shù)設(shè)計了一種CO2、CH4雙組分氣體傳感器，在0～2×10-3量程范圍內(nèi)相對誤差可控制在4.5%內(nèi)。國內(nèi)外公司研制出的部分NDIR紅外氣體傳感器如表1所示。目前國內(nèi)的CO2氣體傳感器相比國外還有一定差距，具體表現(xiàn)在穩(wěn)定性較差、體積較大、響應(yīng)速度較慢等［19］，還需要進一步改善。

表1 國內(nèi)外典型NDIR氣體分析儀［6］Table 1 Typical NDIR gas analyzer at home and abroad ［6］

1.2.4 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是一種使用可調(diào)節(jié)二極管激光器和激光吸收光譜法測量氣體濃度的技術(shù)，可通過調(diào)節(jié)電流大小控制激光二極管的發(fā)出激光掃描較窄的波長范圍。出射激光強度因氣體吸收而發(fā)生變化，通過檢測出射光強，利用朗伯比爾定律可計算被測氣體所包含的成分及其濃度［20］。該方法應(yīng)用最廣泛的信號處理方式有兩種：直接吸收光譜和波長調(diào)制光譜。直接吸收光譜物理概念明確、操作簡單且能直接測量。波長調(diào)制光譜技術(shù)則能夠有效降低背景信號在測量系統(tǒng)中的不利影響，提高檢測精度和靈敏度。TDLAS技術(shù)測量精度高、分辨率高、線寬窄、可實現(xiàn)非接觸測量且不需要采用預(yù)處理。國內(nèi)外均已有不少學者對應(yīng)用TDLAS技術(shù)檢測CO2展開研究。Wu等［21］利用QCL激光器，對700～1 200 K溫度范圍內(nèi)的靜態(tài)氣體池中的CO2和N2混合物進行測量，得到濃度測量精度為±5%。Li等［22］在1.578 μm波段對CO和CO2同時測量，分別實現(xiàn)了14 μL/L和7.5 μL/L的最低檢測限。朱曉睿［20］基于TDLAS技術(shù)，探究了CO2氣體濃度反演算法及數(shù)據(jù)優(yōu)化方法和處理過程，建立了溫度修正方法。崔海濱［23］研究了基于TDLAS技術(shù)并結(jié)合時分復(fù)用技術(shù)的CO、CO2同時在線檢測，在光程1 m的條件下，CO2濃度檢測限可達到6 μL/L，測量精度約為20 μL/L。多數(shù)學者認為TDLAS技術(shù)在火電企業(yè)在線監(jiān)測領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。

1.2.5 小結(jié)

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，光學檢測技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展提高，各類技術(shù)的性能與應(yīng)用對比如表2所示。目前國際上普遍認為電廠中CO2濃度檢測精度可達到的較好水平應(yīng)在2%以內(nèi)［24］，可以滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的濃度監(jiān)測要求。面向電廠煙道檢測的實際應(yīng)用需求，我國的光學檢測技術(shù)仍與國外有一定差距，需要加快發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)設(shè)備，在檢測精度、檢測范圍、現(xiàn)場適應(yīng)性、經(jīng)濟性等方面不斷提高。目前我國電廠中現(xiàn)場運行的碳排放監(jiān)測系統(tǒng)還不多，二氧化碳濃度監(jiān)測的長時間穩(wěn)定性、重復(fù)性還需進一步進行現(xiàn)場驗證和提升。因此建議盡快出臺國家規(guī)范，規(guī)范監(jiān)測測點布置及施工要求，增加碳濃度監(jiān)測的現(xiàn)場投放，并在同一電廠安裝不同型號設(shè)備進行對比研究，進一步進行長期的運行觀察，從而發(fā)現(xiàn)在長期運行過程中設(shè)備易出現(xiàn)的問題。

表2 不同光學檢測技術(shù)性能及應(yīng)用對比Table 2 Comparison of performance and application of different optical detection techniques

1.3 流量監(jiān)測技術(shù)

火電機組的煙氣流量測量存在以下難點。

（1）由于鍋爐燃燒工況的變化和大尺寸煙道結(jié)構(gòu)的影響，煙道內(nèi)流場分布不均勻，存在不規(guī)則的湍流現(xiàn)象。大部分火電企業(yè)煙道口徑較大，流量測量方式與中小型口徑煙道流量測量存在較大不同，同時需合理布置測點才能準確反映截面流速的真實大小。

（2）測量裝置的性能易受煙氣含塵、高溫高濕環(huán)境的影響。燃燒產(chǎn)生的氣體成分復(fù)雜且具有腐蝕性，嚴重影響測量的準確性和穩(wěn)定性。這些原因使得煙道中氣體流量通常難以準確測量，其不確定度通常在3%～50%，極端情況可以超過50%［25］。對于流量的測量誤差仍在被廣泛討論，有些學者認為其典型誤差在10%～20%之間［26］。本節(jié)對比分析3類常用的工業(yè)流量計：超聲波流量計、熱式質(zhì)量流量計、壓差式流量計的適用條件，并對現(xiàn)場應(yīng)用提出合理建議。

1.3.1 超聲波流量計

超聲波流量計是一種非接觸速度式流量計，已經(jīng)在天然氣貿(mào)易和傳輸方面得到了廣泛的研究應(yīng)用。超聲波流量計通過感知流體中超聲波的傳播特性來實現(xiàn)流量的測量［27］，以超聲波傳播速度和流體流速矢量疊加為基礎(chǔ)，順流和逆流的時間差與流速成正比，工作原理圖如圖1所示。由于邊緣效應(yīng)，管道內(nèi)的流場分布不均，使得單聲路的超聲流量計測量準確度并不理想。因此，有學者提出多聲路超聲流量計［28］，即在煙道被測段布置兩條以上的聲路，之后通過各聲路權(quán)重系數(shù)加權(quán)求出截面流量。在測量大管徑流量時，該方法可以綜合多個聲道的流場信息，補償流速分布不均勻造成的誤差［29］。李海洋等［30］選取河南某燃煤電廠開展煙氣流量測量研究，在同一直管段分別安裝插入式多聲道超聲流量計與S型皮托管。結(jié)果顯示，多聲道超聲流量計的測量重復(fù)性為0.8%左右，皮托管為1.5%左右，認為皮托管更適合對測量準確度和重復(fù)性要求較低的場合。一些學者采用非實流校準技術(shù)來提高超聲流量計的測量精度，這是以流量計的測量原理和數(shù)學模型為基礎(chǔ)，通過計算流量方程各個影響因素的不確定度，最終合成流量計的總不確定度來實現(xiàn)流量計的標定。如Drenthen等［31］研究了尺寸公差對測量結(jié)果的影響，并利用非實流校準技術(shù)來提高大口徑流量計標定的準確性。樊潔云［32］從幾何參數(shù)、時間參數(shù)和流量積分方法準確性3個方面對大口徑煙道超聲流量計進行非實流校準的研究，對超聲信號在煙氣中傳播時間的測量值校準后測量不確定度可達0.2%，并實現(xiàn)了對積分誤差、軸向流動的橫流影響誤差和橫向流動投影誤差的修正。超聲流量計無活動部件和壓力損失，結(jié)構(gòu)簡單且安裝維修方便，因此其應(yīng)用于中等流速的大口徑管道時有獨特優(yōu)勢和良好前景。但也存在自身局限性，一方面目前國內(nèi)還沒有對大口徑煙氣超聲流量計進行實流校準的裝置，另一方面超聲流量計更適用于純凈液體的測量，若其表面附著污物則嚴重影響測量。此外，若壓力波動引起密度的變化，則聲阻抗和聲波透射率易發(fā)生變化，也會使得測量結(jié)果不穩(wěn)定［33］。因此將其安裝在煙氣管道內(nèi)的測量精度還需進一步驗證。

圖1 超聲流量計工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of ultrasonic flowmeter

1.3.2 熱式質(zhì)量流量計

熱式質(zhì)量流量計利用了流體與熱源之間的熱量交換關(guān)系來測量氣體流量。熱式質(zhì)量流量計在測量煙道氣體時不會因溫度或壓力的波動而失準；其準確度高，一般可達0.5～1.0級，重復(fù)性一般在0.2%～0.5%范圍內(nèi)。且熱式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)緊湊，其使用、安裝、維護都比較簡單，操作方便；更適用于大口徑小流量的準確測量，最低上限流量僅為0.5 m/s。該種流量計已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學、汽車工業(yè)等行業(yè)。Nam等［34］針對惠斯頓電橋溫度補償產(chǎn)生誤差的問題，提出了一種基于數(shù)學方法的傳感器補償方法。Horning等［35］設(shè)計了一種低功耗的熱擴散式空氣質(zhì)量流量傳感器，采用數(shù)字比例積分控制器調(diào)節(jié)被加熱元件溫度，該傳感器在測量氣體流量時的抗干擾能力增強。趙偉國［36］針對熱式流量測量現(xiàn)有的溫度補償電路的缺點，提出了基于溫補型熱膜探頭和溫控型鉑電阻的熱式氣體質(zhì)量流量測量方法；針對單傳感器不適用于大管徑的問題，提出了多傳感器信息融合的方法，流程分布紊亂程度較大時測量誤差可保持在±0.5%內(nèi)。左家翰［37］采用基于多點獨立熱線探頭測點流速的速度面積法測量矩形管道氣體流量，測得平均流速相對誤差由5.46%減小為1.29%，提高了測量準確度。但熱式質(zhì)量流量計易臟污，且當氣體溫度和流量計本身有較大溫差時會產(chǎn)生誤差。

1.3.3 差壓式流量計

差壓式流量計通過測量流體流動過程中產(chǎn)生的差壓來測量流量。皮托管是最常見的差壓式流量計，也是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的煙道測量儀器。皮托管流量計主要分為二維皮托管和三維皮托管兩類。皮托管流量計量程寬，適用范圍廣，可以在DN2.5～DN6000管徑范圍內(nèi)，測量流速在2～150 m/s的氣體，尤其適合測量低流速、小流量、大管徑的流體。GB/T16157中規(guī)定可以使用L型皮托管進行速度面積法管道流量測量，使用S型皮托管進行煙道流速測量。三維皮托管又稱為五孔探針，利用了氣流的圓球繞流原理。三維皮托管在流速測量中有3種使用方法［38］，分別為非對向測量法、對向測量法和半對向測量法，目前更多使用的為非對向測量法。隨著對三維皮托管研究的不斷深入，我國對三維皮托管的應(yīng)用也逐漸增多。如楊俊等［39］設(shè)計了一種三維皮托管測速系統(tǒng)方案，利用伺服電機作為驅(qū)動部件，有效避免了煙道中氣體紊流等因素帶來的干擾。

對于皮托管在煙道中的應(yīng)用，美國環(huán)境保護署（EPA）有專門制定的標準。我國則規(guī)定皮托管在正式使用前，需在中國計量科學研究院或國家認可的校準風洞中完成相關(guān)校準工作。但校準是在理想風洞環(huán)境下進行的，而煙道內(nèi)氣流存在速度及方向的波動性，流速攻角及橫向流動等因素會帶來誤差。針對皮托管應(yīng)用性能及精度提高等方面，諸多學者也有了一定的研究成果。鄧千封［40］通過煙道現(xiàn)場測試對S型皮托管和球型皮托管應(yīng)用特性進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S型皮托管非對向測量得到煙道流量的示值誤差達到了33.8%；球型皮托管非對向測量的示值誤差為-6.2%。球形皮托管準確性更高，但更依賴于復(fù)雜的校準過程，S型皮托管操作更為簡便，作者認為可以通過對S型皮托管改進結(jié)構(gòu)以提高性能。孫志強等［41］設(shè)計了類S型皮托管，其相對誤差為±4%。李德林［42］選取了十二根皮托管模型，對不同幾何結(jié)構(gòu)的皮托管對校準系數(shù)的影響進行了測試研究，發(fā)現(xiàn)常規(guī)皮托管校準系數(shù)的一致性比菱形更好；菱形皮托管差壓更大，靈敏度更高。Wecel等［43］利用計算流體動力學（CFD）設(shè)計了不同形式的均速管模型，對比發(fā)現(xiàn)圓形截面的均速管壓損更小。

1.3.4 流量軟測量

除了提升各類流量計傳感器的精確程度，流量軟測量作為重要的輔助手段也可以提升流量監(jiān)測結(jié)果準確度。軟測量技術(shù)的核心是構(gòu)建難測主導變量與易測二次變量的數(shù)學關(guān)系［44］，從而實現(xiàn)主導變量值的預(yù)測。目前，軟測量技術(shù)在熱工測量領(lǐng)域如煤質(zhì)在線軟測量、煙氣含氧量和飛灰含量軟測量、磨球機負荷軟測量等都得到了應(yīng)用，而煙氣流量軟測量方面還有待深入研究。軟測量模型主要分為傳統(tǒng)機理模型和單純的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。機理模型適用于研究對象的工藝機理比較清晰，能夠分析出模型參數(shù)之間的關(guān)系的過程。然而，大的工業(yè)系統(tǒng)對象較多，過程機理分析較為困難。數(shù)據(jù)驅(qū)動模型適用于不清楚系統(tǒng)內(nèi)部情況的“黑箱建?！保诠I(yè)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，應(yīng)用比較廣泛的建模方法有多元線性回歸、偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機等。隨著電站鍋爐信息化發(fā)展不斷成熟，依托分布式控制系統(tǒng)（DCS）和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），熱工過程中的運行數(shù)據(jù)得以記錄、儲存，形成了比較完善的熱工過程廠級數(shù)據(jù)庫，這為流量軟測量提供了大量的變量采集數(shù)據(jù)。目前，已有諸多學者對軟測量在火力發(fā)電廠熱工參數(shù)方面的應(yīng)用進行了研究。如姜萬錄等［45］設(shè)計了基于徑向基函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）的圓形管道內(nèi)動態(tài)流量軟測量模型，預(yù)測曲線與實際曲線的對比，表明該模型具有較高的逼近精度。呂夢雅等［46］提出一種經(jīng)神經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的反向傳播算法（BP）網(wǎng)絡(luò)進行軟測量建模，對動態(tài)流量進行測量，結(jié)果表明該方法在模型的訓練速度和精度上有了較大改善。佟純濤等［47］采用前向搜索篩選輔助變量，并基于最小二乘支持向量機方法建立煙氣流量測量模型，結(jié)果表明模型可以較為準確地預(yù)測煙氣流量。

1.3.5 流量測點布局

由于煙道中煙氣存在流場分布不均等問題，因此煙氣流量測量中，采樣截面的選擇及測點布局設(shè)計至關(guān)重要。測點位置選擇的不合理，會導致煙氣排放流量出現(xiàn)較大的波動，降低測量精度，嚴重時甚至會出現(xiàn)長時間無法測出流量值的情況，因此有必要根據(jù)實際情況合理設(shè)計測點布局。若采用界面的流場過于復(fù)雜則難以測量；測點過少不能代表截面流速水平，測點過多經(jīng)費投入加大，且設(shè)備污損堵塞風險增大，有可能增大誤差。美國環(huán)保部建議方法EPA［48］中規(guī)定至少在煙囪高度三分之一處的圓截面上進行污染物采樣和煙氣參數(shù)測量。2018年起施行的《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)檢測技術(shù)規(guī)范》［49］中規(guī)定對于圓形煙道，在流速測量裝置的上游4倍煙道直徑和下游2倍煙道直徑內(nèi)，不應(yīng)設(shè)置彎頭、閥門、變徑管部件。各國對采樣位置的規(guī)定都是為了保證流速在采樣截面上能夠均勻分布。而不少電廠的煙道條件并不能滿足流量測量要求，針對此情況不少學者展開了研究。王毓丹等［50］的研究表明，當采樣截面不能滿足要求時，按照相鄰兩個測點的煙氣流速差小于20%的原則布點即可得到較為準確的測量。董鴻霖等［51］基于自動模型化理論，考慮二次流影響，選擇在距離煙囪進口1 m處截面布置測點。馮真禎［52］提出對于標準斷面采樣點總數(shù)可以控制在20個以內(nèi)的優(yōu)化方案，實例驗證表明與原有布點的相對誤差控制在±10%；并提出在非標準采樣截面時，相對均方根值≤0.30時可以增加測點，否則需根據(jù)實際考慮更換斷面。

電廠煙道流動情況通常較為復(fù)雜，選取截面后還要考慮合適的測點布置。傳統(tǒng)的單點測量往往不能真實反映煙氣的流量情況，韓亞軍等［53］提出一種新型多點式火電廠煙氣排放流量自動測量方法，與傳統(tǒng)單點式測量相比測量準確性提高13.94%，自動測量還使時間縮短了6.8 s。目前國際上通用速度面積法來進行測點布置［54］。速度面積法的原理是通過將測量截面等分得到小截面，依據(jù)不同的數(shù)值積分方法選取特征點的流速代表小截面流速，通過算術(shù)平均值求得截面平均流速。工程上常用的速度面積法有對數(shù)線性法（Log-Linear）、對數(shù)切比雪夫法（Log-Chebyshev）和高斯勒讓德法（Gauss-Legendre）等。郭虎林等［55］對比分析了在煙道彎管上游0.5倍至2.3倍當量直徑的4個測量截面上應(yīng)用4種不同積分方法進行體積流量測量的相對誤差，結(jié)果如表3所示，發(fā)現(xiàn)對數(shù)線性法的測量誤差遠低于其他方法。但速度面積法基于數(shù)值積分原理，測點位置需嚴格參照積分原理的計算要求，在實際操作中有一定困難；且該方法僅從數(shù)學角度出發(fā)，一定程度上忽略了煙氣流動的實際情況。錢叢昊等［56］提出采用多線法進行測點布局，采用CFD模擬顯示對于不同的進口煙氣流速，該模型有良好的適應(yīng)性。

表3 不同積分方法相對誤差對比［55］Table 3 Comparison of relative errors of different integration methods［55］

綜上所述，各國的流量監(jiān)測標準或規(guī)范對采樣截面的選取皆做出了相關(guān)規(guī)定，但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，實際中往往空間位置有限，因此學者們通常首先進行煙道流場的數(shù)值模擬分析，根據(jù)煙道中流量情況選擇流速均勻的采樣截面。而傳統(tǒng)的單點測量方法存在無法全面反映煙道情況、測量效率低等問題，因此多點測量被提出及應(yīng)用?；痣娖髽I(yè)內(nèi)煙道情況復(fù)雜是主要的問題，如何提高測點布局的通用性、適應(yīng)性，以及提出適應(yīng)我國工業(yè)過程特點的布局邏輯是接下來主要的發(fā)展方向。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法

如何對碳排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估及設(shè)立統(tǒng)一的評價標準是該方法推廣中面臨的一大問題。測量不確定度即測量結(jié)果變化的不確定，是表征被測量的真值在某個量值范圍的一個估計，用以表示被測量的分散性。目前常用的測量不確定度評估方法有誤差傳遞法（GUM）和蒙特卡洛法（MCM）。GUM法是評定不確定度的常規(guī)方法，評定主要參照JJF1059.1—2012《測量不確定度與表示》［57］，流程如圖2所示。MCM法則是采用概率分布傳播的一種“隨機數(shù)”計算方法，評定參照JJF1059.2—2012《用蒙特卡洛法評定測量不確定度》［58］，流程如圖3所示。兩種方法相比GUM適用范圍更廣，MCM則可以使復(fù)雜模型簡單化。

圖2 GUM法評定不確定度流程圖Fig.2 Flow chart of uncertainty assessment by GUM method

圖3 MCM法評定不確定度流程圖Fig.3 Flow chart of uncertainty evaluation by MCM method

關(guān)于不確定度評價已有不少學者在各種領(lǐng)域展開研究，馬福強等［59］基于GUM法，結(jié)合測試數(shù)學模型并考慮測試中的主要誤差來源，給出了測試系統(tǒng)設(shè)計頻率范圍內(nèi)的不確定度評價具體方法和流程。位恒政等［60］利用基于球列的坐標測量機21項幾何運動誤差分離方法和蒙特卡洛模擬算法實現(xiàn)坐標測量機面向任務(wù)測量不確定度評價，且該方法將在數(shù)字校正證書中得到應(yīng)用。隨著在線監(jiān)測的發(fā)展，對于煙氣排放監(jiān)測的不確定度研究也逐漸受到重視。鄧程薏等［61］從歐盟碳排放核算方法及不確定度方面進行分析，提出我國應(yīng)加強對碳排放量核算的不確定度評價體系建設(shè)。楊美昭［62］對企業(yè)的燃料端和排放端碳核查數(shù)據(jù)進行了不確定度評定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)電企業(yè)實測法不確定度均值最小，為5.06%。Bryant等［54］對煙氣流速的測量不確定度進行了研究，確定了隨機誤差和系統(tǒng)誤差的來源，結(jié)果顯示平均流速的相對擴展不確定度估計在1.4%和9.3%之間。郭振等［63］搭建了碳排放在線監(jiān)測實驗平臺，分析其不確定度為5.68%，包含因子k=2，置信水平為95%，不確定度主要來源于環(huán)境溫度引入的系統(tǒng)誤差，但平臺煙氣流動較為平穩(wěn)，實際中情況要更為復(fù)雜。采用以上兩種方法進行不確定度評價，可以有效對在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估，并進一步找到其不確定度引入的較大影響因素，從而有針對性地提升碳排放在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 結(jié)語

在碳市場背景下，碳排放在線監(jiān)測技術(shù)因其時效性好、無需區(qū)分煤種、可實現(xiàn)高度自動化等優(yōu)點而得到人們的廣泛關(guān)注，但目前在線監(jiān)測法在國內(nèi)的推廣應(yīng)用依然存在許多問題。

（1）缺乏相應(yīng)的支撐體系。自2013年起我國7個碳交易試點陸續(xù)上線，各試點地區(qū)均有各自的報告指南，雖然在各地的報告指南中有提及在線監(jiān)測法，但缺乏具體的標準和監(jiān)測要求。為確保在線監(jiān)測本身的數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證碳交易市場的公平性，必須制定相應(yīng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)報告指南。

（2）在線監(jiān)測法的數(shù)據(jù)質(zhì)量尚不能保證，與核算法的可比性也存在爭議。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題不能解決，則在線監(jiān)測技術(shù)難以直接應(yīng)用于碳排放量的結(jié)算和交易。而影響其數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大因素則是CO2濃度監(jiān)測技術(shù)和煙氣流量監(jiān)測技術(shù)。其中國際上普遍認為CO2濃度精度可以滿足監(jiān)測要求，但流量監(jiān)測技術(shù)還需要進一步的研究。

（3）煙氣流量監(jiān)測的不確定度還有待研究，流量不確定性是影響碳排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素，其測點布置、設(shè)備選型都需要與現(xiàn)場相適應(yīng)，研制具備自主知識產(chǎn)權(quán)、適用范圍廣、精度高的煙道流量計對我國的準確碳核查事業(yè)來說勢在必行。

因此提出以下建議：①設(shè)立不同碳排放在線監(jiān)測試點，選取不同類型及容量的機組分別研究。根據(jù)現(xiàn)場具體條件在其中安裝不同的流量計用以對比分析，研究更適用的流量計類型及現(xiàn)場測點布置。長期跟蹤系統(tǒng)的運行狀況，定期維護，研究系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性和準確性。②建立碳排放在線監(jiān)測不確定度分析模型，量化分析其中引入較大不確定度的因素，完善數(shù)據(jù)評價體系。③構(gòu)建碳排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與核查數(shù)據(jù)的綜合對比體系。若在碳市場中在線監(jiān)測方法與核算法并存，則要確保不同數(shù)據(jù)的一致性，保障碳市場的公平性。④盡快建立碳排放連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的配套機制，建立相應(yīng)的國家標準，確保報告數(shù)據(jù)有據(jù)可依。