燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量量化方法比較

張 寧, 張紫禾, 張景奇, 康 磊, 張海濱, 陳 穎, 賈 睿

1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 天津 300191 2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司, 天津 300191 3.中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測中心， 天津 300457

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量量化方法比較

張 寧1,2, 張紫禾1,2, 張景奇3, 康 磊1, 張海濱3, 陳 穎1, 賈 睿1,2

1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 天津 300191 2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司, 天津 300191 3.中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測中心， 天津 300457

為探究排放因子法與監(jiān)測法兩類量化方法對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放源排放量量化的差異和影響因素，采用《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求第1部分：發(fā)電企業(yè)》(下稱《核算報(bào)告要求》)和《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(下稱《IPCC指南》)兩種排放因子法，以及一種基于紅外吸收光譜原理的排放源監(jiān)測法，對某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放源排放量進(jìn)行4次量化，分別得出監(jiān)測法、《核算報(bào)告要求》以及《IPCC指南》下限值、缺省值和上限值5組量化值. 結(jié)果表明：①采用監(jiān)測法得出的CO2排放源排放量量化值明顯小于兩種指南排放因子法量化結(jié)果；②采用《核算報(bào)告要求》得出的CO2排放源排放量量化值介于《IPCC指南》缺省值和下限值的量化值之間；③《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》中的天然氣排放因子值分別超出此次監(jiān)測法量化值折算出的天然氣排放因子值的22%、19%、23%和28%，證明存在因高估排放因子導(dǎo)致高估CO2排放量的可能；④裝置運(yùn)行負(fù)荷率越高，采用排放因子法得出的量化值越趨近于監(jiān)測法量化值. 研究顯示，在監(jiān)測條件良好的情況下，宜采用監(jiān)測法對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放源排放量進(jìn)行量化，可避免燃料燃燒特性值和裝置負(fù)荷率對排放因子法量化準(zhǔn)確性的干擾，能更好地支撐企業(yè)和管理部門的統(tǒng)計(jì)量化工作.

CO2排放; 監(jiān)測法; 排放因子法; 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

溫室氣體排放加劇帶來的日益嚴(yán)峻的全球氣候變暖態(tài)勢是目前人類面臨的最重要的全球性環(huán)境與發(fā)展問題. 為應(yīng)對氣候變化對全球帶來的威脅，2016年4月，包括中國在內(nèi)的170多個(gè)成員國簽署了《巴黎協(xié)定》，共同承諾將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2 ℃范圍內(nèi)，盡快使溫室氣體排放達(dá)峰，并實(shí)現(xiàn)凈零排放[1]. 根據(jù)《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報(bào)》[2]，CO2排放量占中國溫室氣體排放總量的80%，CO2排放主要由能源活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、土地利用變化和林業(yè)以及廢棄物處理五大類排放領(lǐng)域構(gòu)成[3]，其中由化石燃料燃燒為核心環(huán)節(jié)的能源活動(dòng)引起的排放源排放占比最重. 國際能源署(International Energy Agency，IEA)發(fā)布的2015年能源數(shù)據(jù)顯示，中國電力行業(yè)超過80%的發(fā)電均是來源于含碳量高的化石能源的燃燒[4]. 針對該部分能源活動(dòng)引起的CO2排放，應(yīng)該研究適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ宰龀鰷?zhǔn)確的量化，以支撐企業(yè)和管理部門的統(tǒng)計(jì)量化工作，同時(shí)為有效制訂低碳發(fā)展政策、高效開展溫室氣體減排的工作奠定方法基礎(chǔ). 因此，為早日落實(shí)《巴黎協(xié)定》的有關(guān)要求，需要從電力行業(yè)化石能源燃燒技術(shù)突破和CO2排放源排放量準(zhǔn)確量化兩方面共同推進(jìn).

在電力行業(yè)化石能源燃燒技術(shù)突破方面，由燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)疊加組合的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前最具發(fā)電效率、成本有效性和安全環(huán)保的發(fā)電裝置[5]. 我國的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電發(fā)展于90年代[6]，通過對循環(huán)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的不斷優(yōu)化，循環(huán)系統(tǒng)的熱效率不斷提高，該技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮著較高的環(huán)境效益優(yōu)勢，是目前最有發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)[7].

在CO2排放源排放量準(zhǔn)確量化方面，現(xiàn)有的量化方法可分為兩類：①基于燃料燃燒的特性參數(shù)缺省值的排放因子法；②使用儀器監(jiān)測實(shí)際煙氣參數(shù)并計(jì)算的監(jiān)測法. 對于排放因子法，可遵循兩種國際國內(nèi)通用的方法，分別為政府間氣候變化委員會發(fā)布的《IPCC指南》[8- 9]和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)的《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》等11項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn). 吳曉蔚等[10]采用《IPCC指南》中的部門法和參考方法分別對火電行業(yè)排放源排放量進(jìn)行量化，計(jì)算了兩種方法對天然氣和原煤燃燒排放的量化值偏差. LIU等[11]研究中國能源燃燒和水泥生產(chǎn)過程中的CO2排放量，發(fā)現(xiàn)因能源消費(fèi)和排放因子的不確定性致使《IPCC指南》對中國的CO2排放量高估了40%. 《IPCC指南》提供的因子缺省值僅是基于典型燃料品種及工況等確定的，而側(cè)重于企業(yè)層級內(nèi)部核算的《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》中的參數(shù)值也未對特定工藝設(shè)施進(jìn)行區(qū)別核算，排放因子數(shù)據(jù)庫還有待健全[12]，因而對排放因子法所要采納的因子值有待進(jìn)一步研究[13]. 對于監(jiān)測法，國務(wù)院批復(fù)的《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃(2014—2020年)》要求完善溫室氣體排放計(jì)量體系，加強(qiáng)排放因子測算和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確；環(huán)境保護(hù)部《全國環(huán)境監(jiān)測工作要點(diǎn)》提出“有條件的地方要積極開展污染源排放CO2等溫室氣體的監(jiān)測工作”. 因此，我國逐步開展CO2排放源排放量監(jiān)測量化工作.

典型的CO2排放源排放量監(jiān)測法有以奧氏氣體分析法[14]和氣相色譜法[15]為代表的化學(xué)方法，以電化學(xué)傳感器法[16]為代表的電化學(xué)方法，以非分散紅外光譜吸收法[17- 18]、傅里葉變換紅外光譜法[19]、半導(dǎo)體激光光譜法[20- 22]、差分吸收法[23]、衛(wèi)星遙感監(jiān)測量化技術(shù)[24]為代表的物理光學(xué)方法，以及光聲光譜、氣相色譜-傅里葉變換紅外光譜等物理化學(xué)技術(shù)聯(lián)用方法[25- 26]. 其中，基于紅外光譜吸收原理的非分散紅外光譜吸收法以其無論在檢測成本與儀器操作上，還是在檢測響應(yīng)速度、結(jié)果可靠性和精準(zhǔn)度上均有良好的體現(xiàn)，成為國際上統(tǒng)一認(rèn)定的CO2排放源排放監(jiān)測量化方法. 吳曉蔚等[27]利用多組分紅外氣體分析儀和煙塵分析儀對我國某火力發(fā)電機(jī)組CO2排放進(jìn)行了監(jiān)測，并與《IPCC指南》量化值進(jìn)行比較，結(jié)果表明CO2排放因子主要受燃料及機(jī)組使用年限與維護(hù)質(zhì)量的影響. Majanne等[28]討論了排放因子法和基于紅外光譜吸收的監(jiān)測法所需的量化參數(shù)及其特性，并對某燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠進(jìn)行了實(shí)證分析. 基于現(xiàn)有的對CO2排放源排放量量化方法的研究，在排放因子法和監(jiān)測法兩類量化方法中尋求一種最為科學(xué)準(zhǔn)確的CO2排放量量化方法是亟待解決的關(guān)鍵問題.

綜上，該研究選取了某個(gè)以天然氣為燃料的發(fā)電企業(yè)中的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組作為研究對象，采用基于紅外吸收光譜原理的監(jiān)測儀器對其CO2排放源排放量進(jìn)行監(jiān)測法量化，同時(shí)按照國家發(fā)展和改革委發(fā)布的《核算報(bào)告要求》[29]和《IPCC指南》進(jìn)行排放因子法量化，并對三種方法所得CO2排放量量化值的差異相似性及影響因素進(jìn)行分析，以期為管理部門的統(tǒng)計(jì)量化工作提供支撐，為我國重點(diǎn)排放企業(yè)構(gòu)建完善的溫室氣體監(jiān)測量化體系做出技術(shù)儲備.

1 CO2排放源排放量量化方法

1.1監(jiān)測法

運(yùn)用儀器對CO2排放源進(jìn)行排放量監(jiān)測，應(yīng)遵循《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[30]、《固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[31]和《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》[32]中的監(jiān)測要求. Testo350煙氣分析儀[33- 34]和HygroPalm22溫濕度手持表是典型的用于排放源監(jiān)測的儀器. 由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，CO2是通過天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中燃燒并經(jīng)由煙囪排放產(chǎn)生的，因此可在適宜的煙道管段處設(shè)置采樣孔，將監(jiān)測儀器的測試探頭置于采樣孔處對各種煙氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并記錄監(jiān)測時(shí)間，煙道管段處的內(nèi)徑需手工測量并計(jì)算其截面積. Testo350基于紅外吸收光譜的原理，根據(jù)CO2氣體對紅外線的特征吸收，通過朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律來測定并計(jì)算出CO2的體積分?jǐn)?shù). 同時(shí)，監(jiān)測環(huán)境大氣壓力、監(jiān)測點(diǎn)處煙氣靜壓力、監(jiān)測點(diǎn)處煙氣動(dòng)壓力和煙氣溫度. HygroPalm22用于監(jiān)測煙道中的濕度，即水蒸氣質(zhì)量濃度，從而計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣的體積流量. 根據(jù)儀器監(jiān)測出的全部煙氣參數(shù)，基于對理想氣體狀態(tài)方程自下而上的推導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)CO2排放量的量化. 計(jì)算過程如下：

步驟1：將煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2質(zhì)量濃度.

(1)

式中：ρCO2為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2質(zhì)量濃度，mg/m3；φCO2為煙氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，%.

步驟2：根據(jù)環(huán)境大氣壓力和監(jiān)測點(diǎn)處煙氣靜壓力，計(jì)算煙道處的絕對壓力.

P=P0+Ps

(2)

式中：P為監(jiān)測點(diǎn)處絕對壓力，Pa；P0為環(huán)境大氣壓力，Pa；Ps為監(jiān)測點(diǎn)處靜壓力，Pa.

步驟3：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，監(jiān)測煙道中水蒸氣質(zhì)量濃度、煙氣溫度和煙道處絕對壓力，計(jì)算煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù).

(3)

式中：φH2O為煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，%；ρH2O為水蒸氣的質(zhì)量濃度，g/m3；R為理想摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；P為監(jiān)測點(diǎn)處絕對壓力，Pa；MH2O為水蒸氣摩爾質(zhì)量，18.02 g/mol.

步驟4：根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)處煙氣動(dòng)壓力和熱力學(xué)溫度平均值，以及皮托管系數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)，計(jì)算煙氣流速.

(4)

步驟5：根據(jù)人工測量的監(jiān)測管段截面積和煙氣流速平均值，計(jì)算工況下濕煙氣流量.

(5)

步驟6：對工況下濕煙氣流量做出折標(biāo)計(jì)算，求出標(biāo)準(zhǔn)狀況下干煙氣流量.

(6)

步驟7：根據(jù)求得的標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2質(zhì)量濃度平均值和標(biāo)準(zhǔn)狀況下干煙氣流量，以及統(tǒng)計(jì)的監(jiān)測所用時(shí)間，計(jì)算監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)CO2排放量.

(7)

1.2排放因子法

1.2.1《核算報(bào)告要求》

《核算報(bào)告要求》為中國境內(nèi)從事電力生產(chǎn)的企業(yè)提供了CO2排放量量化和報(bào)告方法[29]，支持企業(yè)和相關(guān)部門科學(xué)量化并掌握重點(diǎn)企業(yè)溫室氣體排放情況. 《核算報(bào)告要求》中給出了中國發(fā)電企業(yè)不同燃料燃燒對應(yīng)的平均低位發(fā)熱值、單位熱值含碳量和碳氧化率，可根據(jù)企業(yè)邊界內(nèi)設(shè)施燃燒燃料品種的特性參數(shù)缺省值和消費(fèi)量，按照量化方法量化企業(yè)燃燒燃料產(chǎn)生的CO2排放量.

(8)

式中：ECO2為企業(yè)燃燒燃料產(chǎn)生的CO2排放量，t；FCi為某種燃料的消耗量，t(或103m3)；NCVi某種燃料的平均低位發(fā)熱值，kJ/kg(或kJ/m3)；CCi為某種燃料的單位熱值含碳量，t/TJ；OFi為某種燃料的碳氧化率，%；44/12為CO2與碳的分子量之比；i為燃料種類.

1.2.2《IPCC指南》

《IPCC指南》基于活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子數(shù)據(jù)對溫室氣體的排放量進(jìn)行量化，給出了各種燃料燃燒排放CO2、CH4和N2O三種溫室氣體的排放因子對應(yīng)的缺省值、上限值和下限值，且排放因子已包括碳氧化率[8]. 由于該研究僅探討CO2的排放量，因此將《IPCC指南》中燃料燃燒溫室氣體排放量公式改寫為燃料燃燒CO2排放量，根據(jù)燃燃料品種的消耗量、平均低位發(fā)熱值和燃料的CO2排放因子，量化企業(yè)燃燒燃料產(chǎn)生的CO2排放量.

ECO2=FCi·NCVi·EFi,CO2×10-9

(9)

式中，EFi,CO2為某種燃料的CO2排放因子，t/TJ.

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量量化

待監(jiān)測的裝機(jī)容量為390 MW，9F級的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的投產(chǎn)時(shí)間為2010年7月，設(shè)計(jì)使用年限25年. 機(jī)組設(shè)備由日本三菱公司生產(chǎn)的M701F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組和比利CMI公司技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三壓、再熱、立式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐構(gòu)成. 在實(shí)際的工藝流程中，天然氣經(jīng)過加熱后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，與壓氣機(jī)壓入高壓空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣流推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)做功；高溫氣體從燃?xì)廨啓C(jī)排出進(jìn)入余熱鍋爐，將水加熱成高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，將內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能. 燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相互連接，同軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)同時(shí)推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電. 該研究用監(jiān)測儀器對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量進(jìn)行監(jiān)測量化，并根據(jù)監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)燃燒天然氣的消耗量，按《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》對CO2排放進(jìn)行量化，并對監(jiān)測法和排放因子法的量化值進(jìn)行對比分析.

2.1監(jiān)測法量化

2.2排放因子法量化

4次監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，該燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的天然氣燃料消耗量分別為5.832×104、2.685×104、2.885×104、2.188×104m3. 《核算報(bào)告要求》中規(guī)定了發(fā)電企業(yè)的燃料特性參數(shù)缺省值，其中，天然氣平均低位發(fā)熱值為 38 931 kJ/m3，天然氣單位熱值含碳量為15.32 t/TJ，燃料碳氧化率為99%. 《IPCC指南》中提供的排放源燃燒CO2排放因子分為下限值、缺省值和上限值，分別為 54 300、56 100、58 300 kg/TJ. 根據(jù)4次監(jiān)測期間天然氣消耗統(tǒng)計(jì)量和相關(guān)量化方法中規(guī)定的燃料特性參數(shù)值，分別按照式(8)(9)對CO2排放量進(jìn)行量化.

3 CO2排放量量化值分析

3.1三種方法量化值對比

在4次監(jiān)測中，按監(jiān)測法、《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》量化出的5組CO2排放量量化值分別匯總?cè)绫?所示.

由于4次監(jiān)測的監(jiān)測時(shí)長不同，致使4次CO2排放量化值差異較大，不利于對比分析，而4次監(jiān)測工況條件和現(xiàn)場環(huán)境一致，監(jiān)測持續(xù)時(shí)間分別為0.90、0.42、0.52、0.33 h，因此可將所有量化值折合成同負(fù)荷率下單位時(shí)間內(nèi)CO2排放量，以便對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行橫縱向比較. 已知4次監(jiān)測過程中，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的額定功率為390 MW，平均功率分別為349.36、350.86、318.99、348.47 MW，因此，4次監(jiān)測過程中機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率分別為90%、90%、82%、89%. 現(xiàn)將表2中量化值按照式(10)統(tǒng)一折算成80%負(fù)荷率下每小時(shí)CO2排放量，繪制折算數(shù)據(jù)對比圖，如圖1所示.

表1 監(jiān)測法CO2排放量計(jì)算表(以第一次監(jiān)測為例)

表2 CO2排放量量化值匯總

(10)

式中：QCO2′為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷率下每小時(shí)CO2排放量，t/h；QCO2為監(jiān)測計(jì)算的CO2排放量，t；ts為監(jiān)測所用時(shí)間，h；lr為監(jiān)測過程中機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率，%，80%為統(tǒng)一折算的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷率.

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，4次監(jiān)測的5組CO2排放量化值的大小關(guān)系為監(jiān)測法量化值<《IPCC指南》下限值量化值<《核算報(bào)告要求》量化值<《IPCC指南》缺省值量化值<《IPCC指南》上限值量化值. 5組CO2排放量化值中，4組排放因子法量化值基本相近，《核算報(bào)告要求》量化值介于《IPCC指南》下限值量化值和缺省值量化值之間，監(jiān)測法量化值均明顯低于排放因子法量化值.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷率下單位時(shí)間內(nèi)CO2排放量折算數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison for converted data of CO2 emission within the unit time and the same load rate

3.2燃料燃燒特性值對量化值的影響分析

根據(jù)監(jiān)測法量化值低于排放因子法量化值這一發(fā)現(xiàn)，對燃料燃燒特性值進(jìn)行分析. 由排放因子法方法學(xué)可知，《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》均是在已知燃料消耗量的基礎(chǔ)上，分別根據(jù)燃料燃燒對應(yīng)的平均低位發(fā)熱值、單位熱值含碳量、碳氧化率和排放因子等燃料特性參數(shù)值計(jì)算的. 《IPCC指南》概念下的排放因子是排放因子法量化值不確定性的主要來源[12]. 為使三種量化方法更具可比性，該研究將《核算報(bào)告要求》中燃料單位熱值含碳量、燃料碳氧化率和CO2與碳的分子量之比相乘，得出《核算報(bào)告要求》對應(yīng)的天然氣燃燒排放因子；將4次監(jiān)測計(jì)算出的CO2排放量除以燃料消耗量和天然氣平均低位發(fā)熱值，得出4組監(jiān)測法對應(yīng)的排放因子. 據(jù)此得出五種排放因子對比表(見表3).

表3 天然氣燃燒排放因子對比表

從表3可以發(fā)現(xiàn)，天然氣燃燒排放因子的大小與CO2排放量量化值成正比. 若以4次監(jiān)測計(jì)算CO2排放量折算出的4個(gè)排放因子數(shù)據(jù)的平均值 45 615 kg/TJ為準(zhǔn)，《核算報(bào)告要求》對天然氣燃燒的排放因子高估了22%；《IPCC指南》對天然氣燃燒的三種排放因子值分別高估了19%、23%、28%. 因此，排放因子的高估直接影響了CO2排放量量化的有效性. 監(jiān)測法和排放因子法量化的排放因子差異較大，原因在于排放因子法中所采納的燃料碳氧化率、燃料單位熱值含碳量等燃料特性參數(shù)值大多參考發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)，均在相對較高燃料質(zhì)量和較高工況水平的條件下獲取，一定程度上存在過高估計(jì)中國國情下的燃料燃燒效率和含碳量，以致過高估計(jì)燃燒排放量的可能. 因而，出于對不同國情下CO2排放量量化差異性的考慮，對《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》中燃料特性參數(shù)的缺省值有待進(jìn)一步修正.

3.3裝置負(fù)荷率對量化值的影響分析

該研究以監(jiān)測法量化值為準(zhǔn)，以《核算報(bào)告要求》量化值為代表，比較裝置負(fù)荷率對監(jiān)測法量化值與排放因子法量化值的影響. 裝置負(fù)荷率對監(jiān)測法和《核算報(bào)告要求》量化值的影響分析如圖2所示，圖2中繪制了監(jiān)測法和《核算報(bào)告要求》量化下每小時(shí)CO2排放量，4組量化值中排放因子法量化值與監(jiān)測法量化值分別相差20.26%、20.28%、29.72%、18.04%. 由于在3.1節(jié)已知4次監(jiān)測過程中機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率分別為90%、90%、82%、89%，據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行的裝置負(fù)荷率越高，排放因子法量化值越趨近于監(jiān)測法量化值，排放因子法量化值相對越準(zhǔn)確而可被采納；反之亦然，原因在于隨著機(jī)組負(fù)荷率的提高，機(jī)組燃燒強(qiáng)度顯著提升，燃燒效果得到加強(qiáng)，不完全燃燒損失降低，燃料燃燒狀態(tài)更趨近于《核算報(bào)告要求》中燃料燃燒氧化率(99%).

圖2 裝置負(fù)荷率對監(jiān)測法和《核算報(bào)告要求》量化值的差異影響Fig.2 Quantitative value difference from equipment loading rate between detection method and‘requirements of accounting and reporting’

4 結(jié)論

a) 對于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，在排放因子法和監(jiān)測法兩類CO2排放源排放量量化方法中，監(jiān)測法量化值均小于《核算報(bào)告要求》和《IPCC指南》排放因子法量化值，即CO2實(shí)際排放量低于排放因子法量化值.

b) 在《IPCC指南》和《核算報(bào)告要求》兩種排放因子法中，基于《IPCC指南》排放因子上限值計(jì)算的CO2排放量化值最高，《核算報(bào)告要求》量化值介于基于《IPCC指南》排放因子下限值與缺省值計(jì)算出的量化值之間.

c) 排放因子法和監(jiān)測法兩類量化方法的差異主要取決于排放因子法對燃料燃燒排放特性缺省值的取值. 與使用該次監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的監(jiān)測法折算出的排放因子值相比，《核算報(bào)告要求》給出的天然氣的排放因子值超出了22%，《IPCC指南》給出的天然氣的下限值、缺省值、上限值三種排放因子值分別超出了19%、23%、28%，表明存在因高估排放因子導(dǎo)致高估CO2排放量的可能.

d) 機(jī)組運(yùn)行的裝置負(fù)荷率越高，排放因子法量化值越趨近于監(jiān)測法量化值. 因而，在機(jī)組高負(fù)荷率運(yùn)行下，采納《核算報(bào)告要求》或《IPCC指南》得到的CO2排放量量化值相對更加接近真實(shí)值.

e) 研究顯示，在監(jiān)測條件良好的情況下，宜采用監(jiān)測法對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量進(jìn)行量化，可避免燃料燃燒特性值和裝置負(fù)荷率對排放因子法量化準(zhǔn)確性的干擾，可更好的支撐企業(yè)和管理部門的統(tǒng)計(jì)量化工作.

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Comparison of Methods for Quantifying CO2Emissions from Fuel Gas-Steam Combined Cycle Power Plants

ZHANG Ning1,2, ZHANG Zihe1,2, ZHANG Jingqi3, KANG Lei1, ZHANG Haibin3, CHEN Ying1, JIA Rui1,2

1.Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191, China 2.Tianjin Environmental Consulting Co., Ltd., Tianjin 300191, China 3.CNOOC Energy Conservation & Pollution Reduction Monitor Center, Tianjin 300457, China

The emissions of CO2from fuel gas-steam combined cycle power plants can be quantified by two methods, emission factors and detection. To research the quantified difference between the two methods and influencing factors, we applied two emission factor methods-the standardRequirementsoftheGreenhouseGasEmissionAccountingandReporting-Part1:PowerGenerationEnterprise(GB/T 32151.1- 2015) (hereafter referred to as ‘requirements of accounting and reporting’) and 2006IPCCGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories(hereafter referred to as ‘IPCC Guide’)-and an emission source testbased on the principle about absorption of infrared spectrum to make four quantitative analyses with respect to the emissions of CO2. Through the four quantitatwe analyses, five quantified values were obtained: detection method ‘requirements of accounting and reporting’, the lower boundary, the default value and the upper boundary of ‘IPCC Guide’. The results showed that: (1) The quantified value from detection was smaller than that from the two emission factor methods.(2) The quantified value from ‘requirements of accounting and reporting’ was between the default value of ‘IPCC Guide’ and the quantified value of lower boundary.(3) Compared with the converted natural gas emission factor from quantified value by detection method, the emission factor value of natural gas emission in the ‘requirements of accounting and reporting’ and ‘IPCC Guide’ was higher by 22%,19%,23% and 28%,respectively, which shows that the CO2emissions maybe overestimated because of the overestimated emission factors.(4) With higher operating loading rate of the equipment, the quantified value from the factor method converged to the quantified value from detection.Therefore, under good detection conditions, detection should be applied to quantify CO2emissions from fuel gas-steam′s combined cycle generating unit, since it could avoid the accuracy disruption from fuel combustion characteristic value and the loading rate of equipment. At the same time, it could support the statistics, quantification work of companies and the management departments better.

CO2emissions; detection method; factors method; fuel gas-steam combined cycle power plant

2016-09-28

：2017-05-17

中國清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目(2012085)；天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院自主創(chuàng)新基金暨院長基金項(xiàng)目(YZJJ- 2015- 011)

張寧(1982-)，男，天津人，工程師，碩士，主要從事低碳發(fā)展研究和環(huán)境管理研究，tjghglist@126.com.

X511

：1001- 6929(2017)09- 1489- 08

ADOI：10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.62

張寧,張紫禾,張景奇,等.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電CO2排放量量化方法比較[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(9):1489- 1496.

ZHANG Ning, ZHANG Zihe,ZHANG Jingqi,etal.Comparison of methods for quantifying CO2emissions from fuel gas-steam combined cycle power plants[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(9):1489- 1496.