煤電機組CO2排放原位在線監(jiān)測系統研發(fā)與應用

陳 劍,馬大衛(wèi)*,王正風,李梓楠,梁 肖,李方一,李 鯤,蘇 陽,吳 妍

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院,安徽 合肥 230601；2.國網安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230022；3.合肥工業(yè)大學,安徽 合肥 230009；4.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司,安徽 合肥 230601；5.中國科學技術大學先進技術研究院，安徽 合肥 230000)

1 引言

氣候變化是人類面臨的最大環(huán)境威脅，人為溫室氣體的大量排放是極端氣候事件增多的重要原因之一。作為最大的發(fā)展中國家，中國向世界鄭重承諾將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。我國煤電熱效率已經達到世界先進水平，但火電碳排放強度高于其他國家[2-3]。在我國眾多排放源中，電力行業(yè)CO2排放約占全國CO2排放總量的50%，而煤電CO2排放約占電力行業(yè)CO2總排放的80%（遠高于世界平均值40%）[4-5]。可見，火電機組尤其是煤電機組是大氣中CO2的主要排放源，必將成為重點減排對象，而碳排放量的統計是其中的關鍵一環(huán)。準確可靠的碳排放數據是減排政策制定的基礎和目標設定的科學依據，其中排放因子法、質量平衡法和實測法3種碳排放核算方法被廣泛認可[6]。

計算簡單，權威較高排放因子法應用廣泛[7-8]，但準確性不高、數據收集效率較低、時效性滯后，且存在人為干擾誤差[9-10]。質量平衡法的計量需要比較完善的基礎生產數據，而目前我國煤電企業(yè)的統計基礎尚較難完全滿足要求[11]。在實際工作中，由于地區(qū)能源品質差異、機組燃燒效率不同等原因，各類能源消費統計及碳排放因子測度容易出現較大的偏差，成為上述兩種碳排放核算結果誤差的主要來源[12]。實測法基于排放源實測基礎數據，匯總得到相關碳排放量。現場測量一般是在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統（CEMS）中搭載碳排放監(jiān)測模塊，用于較連續(xù)穩(wěn)定的排放口的碳排放量的核算[13]，通過連續(xù)計量設施測量CO2排放的濃度、流速以及流量，核算CO2排放量[14]。連續(xù)排放監(jiān)測系統對燃煤電廠碳排放的實時監(jiān)測能夠為碳交易提供準確、完整、及時、可溯源的數據。相關部門通過原位在線監(jiān)測的方式收集煤電機組CO2排放數據收集，便于數據整理和核查，實現對CO2排放的強化監(jiān)督和管理。

本研究開發(fā)了一種CO2排放監(jiān)測系統，將系統計算結果與核算法月度及手工比對分析。證實此模型準確性較高，實操性較強，能夠幫助相關部門切實掌握煤電企業(yè)CO2排放情況，為制定碳減排目標、分配碳排放配額提供可靠的碳排放配額提供數據支撐，同時也為電網開展低碳調度提供參考。

2 研究方法

2.1 原位在線監(jiān)測碳排放架構與監(jiān)測原理

2.1.1 碳排放在線監(jiān)測整體網絡架構

圖1為安徽省發(fā)電行業(yè)碳排放在線監(jiān)測系統網絡架構圖系統，整體基于調度數據網開展建設，子站采用Modbus通信進行數據采集，采集完數據通過二區(qū)調度數據網上傳至國網安徽電力調度二區(qū)，進而同步到調度三區(qū)（安徽省電力調控中心側）。調度三區(qū)（國網安徽電科院側）碳排放主站主動采集調度三區(qū)（安徽省電力調控中心側）數據庫服務器完成數據采集，于調度三區(qū)（國網安徽電科院側）碳排放主站展示。國網安徽電科院自建外網（VPN專網）采集三區(qū)數據對外發(fā)布。

圖1 安徽省發(fā)電行業(yè)碳排放在線監(jiān)測系統網絡架構圖Fig.1 Network architecture of carbon emission online monitoring system in power generation industry of Anhui Province

2.1.2 碳排放在線監(jiān)測系統原理

研發(fā)的煤電機組碳排放實時在線監(jiān)測系統是基于現有的煙氣CEMS系統建立的。由于煤電機組脫硫過程也會產生CO2排放，而且CO2在脫硫系統中的變化量無法通過計算實時得出，因此碳排放監(jiān)測點應布置在脫硫以后。通過對煙囪入口處水平煙道位置CEMS預處理機柜內部的氣路進行適當的改造，主要為增加一臺CO2分析儀，且CO2分析儀單獨配置一個CO2儀表機柜。抽取的煙氣分兩路：一路進入SO2、NOx煙氣分析儀測量，另一路進入CO2分析儀測量。

CO2分析儀采用近紅外可調諧半導體激光器（TDL）作為光源，激光器發(fā)射出特定波長激光束，通過光纖傳送到光學傳感單元，穿過被測氣體，將接收的光信號轉換成電流信號通過信號線傳至信號處理單元，通過分析因被測氣體吸收導致的激光光強衰減，實現被測氣體濃度的精確反演。

表1 CO2分析儀主要參數Tab.1 The main parameters of flue gas CO2analyzer

2.2 基于現場監(jiān)測數據的煤電機組碳排放核算方法

2.2.1 煙氣中的CO2體積分數

在干凈的分鐘預處理數據集上，按照式（1）計算排口煙氣中CO2體積分數的算數平均值，并作為CO2排放的分鐘均值。

2.2.2 煙囪入口處單位時間的CO2排放量

要計算每分鐘通過煙囪入口處水平煙道截面的CO2體積，還需要通過式（2）計算機組每分鐘標準干煙氣量。

式中：Qgas,vent,N是標準狀態(tài)下每分鐘干煙氣排放量，萬m3；t是機組運行時間，s；s是煙囪入口處水平煙道的截面積，m2；Vgas,vent是煙囪入口處水平煙道煙氣流速，m/s；Pgas,vent是煙囪入口處水平煙道壓力，Pa；Tgas,vent是煙囪入口處水平煙道煙氣溫度，℃；Xgas,vent是煙囪入口處水平煙道煙氣濕度，%。

根據機組CO2排放體積分數的分鐘均值和每分鐘標準干煙氣量，通過式（3）計算機組每分鐘CO2排放量Em,單位為t。

在計算任意時間點每分鐘CO2排放量的基礎上，可以根據一個小時內觀測到的60組分鐘數據，計算該小時的CO2排放量Eh。還可以根據某一天24個小時的CO2排放量Ed，計算當天的CO2排放量。以此類推，可以計算其他時間周期內的CO2排放量。

2.2.3 煤電機組的CO2排放強度

煤電機組的CO2排放強度是指機組每生產1kWh的電能所排放的CO2質量，一般會界定一個時間段求取該時間段的平均值，由表示，上標ts表示從時間點t0到時間點t1的這段時期，下標ave表示取平均值，計算公式如式（4）所示。

2.3 監(jiān)測機組和環(huán)保設備基本信息

本文研究選擇的是M電廠2×660 MW超臨界煤電1號機組為研究對象開展碳排放實時監(jiān)測分析。該機組鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司設計制造，為超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛四角切圓燃燒方式、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型燃煤鍋爐。

鍋爐設計煤種為淮南煤，校核煤種為淮北煤和混煤。尾部煙道布置有低溫再熱器、省煤器、三層SCR反應器和空預器。ESP為雙室4電場，WFGD工藝系統采樣石灰石-石膏法，采用一爐一塔，塔內配置3層噴淋層，1層除霧器。濕法脫硫后煙氣尾部接入WESP，WESP配置為1室2電場。

3 碳排放數據分析與討論

3.1 碳排放濃度的在線監(jiān)測結果

通過在線監(jiān)測法獲取了1號機組實時碳排放濃度、負荷率、煙氣流量、溫度和濕度等參數。取2022年2月1日-28日整月時間段的CO2排放濃度，同時獲取該機組負荷率，均為每1min獲取一個數據。碳排放濃度、機組負荷率隨時間變化（5 min一組取均值做圖）結果如圖2、3所示。

圖2 1號機組2022年2月監(jiān)測的二氧化碳排放濃度結果Fig.2 CO2emission concentration results monitored by unit 1 in February 2022

圖3 1號機組2022年2月期間機組負荷率變化Fig.3 The Change of load rate in unit 1 during February 2022

從圖2中可知，煙囪入口水平煙道處截面的CO2監(jiān)測濃度最大值為15.03%，最小值為9.32%，平均值為12.55%，相對標準偏差為1.06%。從圖3中可以看出，機組在負荷率254～636MW，平均負荷率為411MW。從兩個圖中還可以看出，2月份隨著機組負荷率波動，CO2排放濃度在10%～15%區(qū)間，呈現出上下波動的趨勢，兩者表現一致性，即在機組高負荷下，CO2排放濃度較高，而在機組低負荷下，CO2排放濃度也變低。主要原因是機組在低負荷下為了解決運行中燃煤不完全燃燒等問題配置相對較高的風煤比，導致煙氣中較低的CO2排放濃度和較高的O2含量。

3.2 碳排放在線監(jiān)測結果的特征分析

3.2.1 碳排放時間特征

在機組正常運行過程中，碳排放監(jiān)測參數的數據采集頻率最快可以到秒級，若設備沒有出現故障，則每小時內系統運行狀態(tài)變化不大，可采集60～3600條記錄。研究將收集的監(jiān)測數據剔除故障、超限等不合格數據后，僅保留機組正常運行的碳排放數據，以小時、天、月為單位的碳排放量統計如圖4所示。

圖4 1號機組(a)小時、(b)天、(c)月二氧化碳排放統計Fig.4 The statistics of(a)hours,(b)days,(c)months carbon dioxide emissions in unit 1

根據公式(1)～(4)，從圖4中可以看出，該機組每分鐘碳排放量為5～8 t；每小時碳排放量在265～475 t；每天碳排放量8 099～12121 t；2月份碳排放量為278 013 t。表2是將本研究的碳排放指標與其他類似機組研究結果的對比。從同一時間尺度內的碳排放來看，本研究與劉科等[15]同類型機組的研究結果相近，但平均碳排放強度要高于劉科等[15]、王明等[16]研究結果。

從表2、圖4可知，機組的分鐘、小時、日、月CO2排放量隨著發(fā)電量變化而發(fā)生變化，碳排放強度與發(fā)電量（負荷率）存在一定的負相關，發(fā)電量（負荷率）越高，CO2排放強度越低，該月平均負荷411 MW、平均負荷率為62.27%，平均碳排放強度為1031(g/kW·h)，平均月碳排放強度略高于600MW同類型機組，可能原因是煙氣中CO2排放濃度、煙氣流量等參數監(jiān)測結果偏大導致。

表2 幾種不同等級機組二氧化碳監(jiān)測結果對比分析Tab.2 Comparison and analysis of the monitoring results of CO2in several types of units

從圖4(b)中可以更明顯看出碳排放量最大峰值在20:00-21:00區(qū)間，安徽省負荷曲線特征顯示最大電力用電負荷一般在晚間；在11:00～14:00期間碳排放量最小，主要原因是中午時段新能源中光伏出力大增，該煤電機組安排深度調峰發(fā)電量減少導致。

3.2.2 碳排放強度特征分析

本文將分析在線監(jiān)測碳排放與發(fā)電功率的關系。計算每分鐘的機組發(fā)電功率和碳排放強度，繪制如圖5所示。二氧化碳排放強度范圍整體在655～1377(g/kW·h)，平均二氧化碳排放強度為 1031(g/kW·h)，碳排放強度略高于600MW同類型機組。對其進行相關性擬合，發(fā)現碳排放強度與機組負荷之間存在明顯的負相關關系，二次多項式擬合R2=0.1512。

圖5 1號機組二氧化碳排放強度與發(fā)電功率關系Fig.5 The relationship between carbon dioxide emission intensity and power generation in unit 1

一般機組負荷率較低，整臺機組效率較高負荷時有所下降，導致CO2排放強度有所上升，所以CO2排放強度一定程度上能反映鍋爐效率的變化情況。從圖中可以看出，負荷在360～636 MW，隨著負荷率降低，CO2排放強度上升較為緩慢。機組負荷從360 MW繼續(xù)下降至254 MW時，CO2排放強度顯著上升，且負荷率越低排放強度上升越快，表現在曲線斜率變陡。叢星亮等[17]以安徽一臺660 MW超超臨界二次再熱機組為研究對象。經過試驗發(fā)現，在30%額定負荷下運行時機組的經濟效益明顯下降，與50%額定負荷時相比，供電煤耗急劇增加，受汽機熱耗率、鍋爐熱效率和廠用電率變化的影響共增加煤耗約49.0 g/(kW·h)，機組煤耗率顯著增加，導致CO2排放強度急劇上升。

在線監(jiān)測碳排放時效性高，能夠得到小時、甚至分鐘的碳排放，對企業(yè)的低碳生產運行調整具有重要的指導意義。煤電機組碳排放強度受機組容量、爐型、機組負荷、煤質等多因素影響[18]。從低碳電力調度角度出發(fā)，如何發(fā)揮電網的基礎平臺作用，在迎峰度夏、度冬電網需要機組在高負荷運行時，應優(yōu)先調用大容量、高參數機組，而在深度調峰消納新能源和電力現貨交易時，在同等報價、電網阻塞等外部條件下，應優(yōu)先選擇低負荷碳排放強度增加較少機組，從而實現煤電機組與新能源之間的相互協調并從全電網角度降低碳排放量是需要重點研究的內容[19]。

3.3 碳排放在線監(jiān)測準確性分析

目前，電力行業(yè)的碳排放核查采用排放因子法計算企業(yè)年度碳排放結果。生態(tài)環(huán)境部在2022年5月26日例行新聞發(fā)布會要求重點開展試點數據“三比對”分析[20]，即監(jiān)測數據與核算數據比對、手工監(jiān)測與在線監(jiān)測比對、進口設備與國產設備比對，及時總結經驗、解決問題、評估成效。為了進一步分析在線監(jiān)測碳排放數據準確性，本文進行在線監(jiān)測法與手工監(jiān)測、排放因子法之間碳排放結果差異分析。

3.3.1 在線監(jiān)測與手工監(jiān)測的結果比較

本文對比了直接監(jiān)測和手工監(jiān)測碳排放的結果，分別在該機組600 MW和350 MW負荷下進行比對，手工監(jiān)測采用德國Ecom GmbH生產的J2KNpro便攜式煙氣分析儀，結果于如圖6所示。

圖6 在線監(jiān)測法和手工監(jiān)測方法的結果比較Fig.6 The compared results of on-line monitoring and manual monitoring

從圖6可以看出，在600 MW負荷下，在線監(jiān)測法和手工監(jiān)測法測定煙氣中CO2排放濃度均在15%左右，在線監(jiān)測法碳排放比手工監(jiān)測法測量的CO2排放濃度絕對誤差低0.4%，即相對誤差-2.9%。在350 MW負荷下，在線監(jiān)測法和手工監(jiān)測法測定煙氣中CO2排放濃度在12%左右，但在線監(jiān)測法碳排放比手工監(jiān)測法測量的CO2排放濃度絕對誤差高0.3%，即相對誤差+3.9%?？芍趦蓚€負荷下兩種方法監(jiān)測的CO2排放濃度波動趨勢基本一致。

表3計算了在線監(jiān)測法和手工監(jiān)測法的誤差，分六組進行對比，每一組數據是5次測量值取平均。在600 MW負荷時，誤差在-0.7%到-5.5%之間波動，誤差絕對值的平均值為2.9%。在350MW負荷時，誤差率在-4.3%到7.4%之間波動，誤差絕對值的平均值為3.9%。兩個負荷下兩者相對誤差均不超過±5%，滿足《火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》(DL/T2376-2021)中CO2-CEMS驗收準確性要求。表明在線監(jiān)測法數據具有可靠性，造成這一定的誤差可能是不同的測量儀器之間的測量誤差。

表3 在線監(jiān)測法和手工監(jiān)測方法的誤差(%)Tab.3 The error of on-line monitoring method and manual monitoring method(%)

3.3.2 在線法與排放因子法的碳排放月度總量比較

以月為單位，統計碳排放，比較在線法與排放因子核算法，然后與已有研究做比較。本文的排放因子法碳排放產生量為鍋爐中煤燃燒產生碳排放量與脫硫反應產生碳排放量之和。

通過上述分析得知，測量方法不同，碳排放的計算結果不同。兩種方法差別在11.7%～16.8%范圍內，兩種方法計算得到結果差別不大。因此，本論文提出的基于在線法的火電機組CO2排放量方法具有較高準確性，為電力行業(yè)碳排放總量核算由排放因子法向兩種方法數據互校、互證過渡提供了數據支撐，給火電企業(yè)碳排放核算上了“雙保險”，呼應生態(tài)環(huán)保部提出了“核算法為主，監(jiān)測法為輔”，共同服務于國家碳達峰碳中和戰(zhàn)略全局[20]。

在國內他人研究中，王明等人以 1臺額定負荷1000 MW的煤電機組生產數據為例，CO2排放量每小時的平均值為613.1 t，CO2排放強度基本趨于穩(wěn)定，在平均值880 g/(kW·h)上下波動，對比基于實測法的CO2在線監(jiān)測模型與排放因子法計算得到的碳排放數據，二者之間的偏差率為5.91%[16]。李崢輝等人研發(fā)的在線監(jiān)測系統成功在某320 MW熱電聯產企業(yè)進行了應用示范，每小時碳排放量在170 t～250 t，直接監(jiān)測碳排放比核算碳排放少5%～30%，并表示直接監(jiān)測碳排放與鍋爐產出能量變化存在正相關關系，單位產品碳排放與鍋爐效率之間存在負相關關系[21]。郭振等人認為碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺的擴展相對不確定度為5.86%，測量結果的不確定度主要來源于環(huán)境溫度引入的系統誤差[22]。

目前煤電機組的碳排放核算依據為《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》[23]和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告指南發(fā)電設施（2022年修訂版）》[24]，對發(fā)電行業(yè)重點排放單位的核算和報告進行統一規(guī)范，并對省級主管部門開展數據核查的程序和內容提出嚴格要求。燃煤種類繁多、燃煤成分差異較大，低位發(fā)熱量、含碳量等指標涉及到發(fā)電企業(yè)的燃煤采樣、制樣和化驗工作，發(fā)電企業(yè)燃煤的采樣是否有代表性、制樣是否存在偏差及化驗結果是否準確直接關系到碳排放數據的準確與否，部分采用缺省值和碳氧化率固定值。上述原因導致了排放因子法核算得到的碳排放量數據存在較大的不確定度。根據2021年度實際計算該電廠1號機組實際碳氧化率99.38%（如表5所示），而表4中計算的2022年每月碳排放量采用99%固定值，造成其碳排放核算量存在一定量的偏小。張繼冰等[25]研究發(fā)現對于同一煤種，在相同活動水平前提下，由于碳排放因子采用缺省值和實測值，碳排放量和供電碳排放強度有明顯差異。

表4 在線監(jiān)測與排放因子法的碳排放總量對比Tab.4 The comparison of total carbon emissions from on-line monitoring and emission factor method

表5 2021年1號機組實測數據計算碳氧化率Tab.5 The actual carbon oxidation rate of 2021 in unit 1

在線監(jiān)測法中，從本文公式(3)可以看出，分析煙氣流量、CO2濃度和濕度的測量對在線監(jiān)測法測量結果有直接的影響[26]。因此，設備本身誤差和測點是否具有代表性成為在線法數據準確性的關鍵。從表3中手工比對可以看出高、中負荷下CO2濃度測量誤差分別為-2.9%、+3.9%，說明CO2濃度監(jiān)測濃度準確性較高。煙氣在線流速采用吉納波VPT511NF流量計單點式測量。對在線監(jiān)測的不同負荷率下標干煙氣量進行做圖，如圖7所示，可以看出兩者之間有較好的正相關性。但跟理想狀下標干煙氣量相比稍偏大，如：在600 MW負荷下，理論值約為 190×104m3/h，而本在線測量值約為210×104m3/h，比理論值高約10.5%。在實際的現場選用嶗應3012H-D大流量采樣儀網格法復測中發(fā)現整個出口煙道流量分布不均勻，取樣點正好布置在流量最大位置處，這可能就是導致其碳排放績效高于同類型600 MW機組的主要原因（如表2、圖7所示）。同時，也可能是造成了在每月碳排放總量計算中在線監(jiān)測比排放因子法高11.7%～16.8%的原因（如表4所示）。針對流量測量準確性問題建議采用多點布置或測點布置上垂直煙囪上，以進一步提高在線監(jiān)測法碳排放準確性[27]。

圖7 在線監(jiān)測的1號機組不同負荷率下標干煙氣量Fig.7 The on-line monitoring of different load rates under the standard dry flue gas volume in unit 1

4 結論

本文構建了煤電機組CO2排放原位在線監(jiān)測系統并以一臺660 MW機組為例研究其CO2排放強度、排放量等規(guī)律，得到如下主要結論：

（1）基于調度數據網開展建設的安徽省發(fā)電行業(yè)碳排放在線監(jiān)測系統，可實現煤電機組排放出口處煙氣中CO2排放濃度、流量、溫度、壓力等參數實時、連續(xù)監(jiān)測。

（2）試點一臺660 MW機組的CO2排放濃度為9.32～15.03%，每分鐘、每小時、每天和當月碳排放量分別為5～8 t、265～475 t、8 099～12 121 t和278013 t，碳排放強度為655～1377(g/kW·h)。

（3）碳排放強度與機組負荷率呈明顯的負相關關系，相關性系數為R2=0.1512，表明CO2排放強度一定程度可以反映鍋爐效率的變化情況。

（4）機組在350MW、600 MW下在線監(jiān)測法碳排放與手工比對法相比相對誤差分別是+3.9%、-2.9%，在線法與排放因子核算法之間的偏差率為11.7%～16.8%，表明在線監(jiān)測法獲取的機組 CO2排放量具有較高準確性。

（5）燃煤采樣是否有代表性、制樣是否存在偏差及化驗準確性等直接影響排放因子核算法碳排放數據準確與否，而CO2排放濃度監(jiān)測設備本身誤差和測點是否具有代表性成為影響在線監(jiān)測法數據準確性的關鍵。

（6）研究為電力行業(yè)碳排放總量核算由排放因子法向兩種方法數據互校、互證過渡提供了數據支撐，同時也為提升發(fā)電企業(yè)碳排放數據監(jiān)測、管理和開展碳排放權交易提供技術支持。