基于連續(xù)核算的燃煤機(jī)組碳排放特征分析

葉 榮，陳思畏，崔 希，林樂平

（1.江西贛能股份有限公司，江西 南昌 330096；2.江西江投集團(tuán)能源技術(shù)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

自第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上首次提出“雙碳”目標(biāo)以來，我國(guó)在實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)大目標(biāo)上采取了許多舉措。其中，電力行業(yè)的“源網(wǎng)荷”減碳是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)家電網(wǎng)公司于2021年3月1日發(fā)布《國(guó)家電網(wǎng)公司“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案》[1]。燃煤機(jī)組作為電力行業(yè)碳排放的“源”，通過對(duì)燃煤機(jī)組的碳排放進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，分析碳排放的影響特征因素，進(jìn)而提供有效的節(jié)能減排方案，是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要方向。

目前，客觀、準(zhǔn)確的碳排放監(jiān)測(cè)所需數(shù)據(jù)是計(jì)算燃煤機(jī)組碳排放量的前提[2-3]。我國(guó)規(guī)定電力行業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采用核算法，即通過化石燃料消耗量、化石燃料物理特性和排放因子等數(shù)據(jù)進(jìn)行碳排放核算[4-5]。然而，目前行業(yè)內(nèi)收集計(jì)算所需數(shù)據(jù)仍采用月度甚至年度的結(jié)算數(shù)據(jù)，嚴(yán)重依賴專家經(jīng)驗(yàn)且存在較大誤差，其計(jì)算模式也是通過人工表格計(jì)算，效率低下且浪費(fèi)人力資源[6]。因此，已有部分研究對(duì)燃煤機(jī)組的碳排放數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)法，如：文獻(xiàn)[7]基于火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)煙囪額外配置CO2分析儀，采集CO2濃度數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[8]采用煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將煙氣取樣探頭設(shè)置在煙囪上，輸送測(cè)量數(shù)據(jù)至PLC和煙氣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行CO2排放量計(jì)算統(tǒng)計(jì)。這些研究大多都是通過在煙囪上加裝CO2監(jiān)測(cè)裝置，通過分析CO2濃度進(jìn)而統(tǒng)計(jì)計(jì)算碳排放總量。然而，這種方法監(jiān)測(cè)的是煙囪局部位置的CO2濃度，對(duì)整個(gè)出風(fēng)口濃度難以準(zhǔn)確把控，進(jìn)而對(duì)整體碳排放量監(jiān)測(cè)會(huì)造成較大誤差。因此，如何準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測(cè)燃煤機(jī)組的碳排放數(shù)據(jù)[9]，對(duì)火電廠的碳減排工作具有重要意義[10-11]。

文中結(jié)合碳排放核算法和數(shù)字化技術(shù)，提出一種燃煤機(jī)組碳排放的連續(xù)核算方法。首先，依據(jù)燃煤機(jī)組碳排放核算的計(jì)算模型，明確碳排放計(jì)算過程中需要在燃煤機(jī)組中加裝的測(cè)量表計(jì)，并將測(cè)量表記測(cè)量到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，在云端服務(wù)器上采用python語言編譯碳排放核算模型，依據(jù)云端數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)上傳的碳排放核算輸入變量數(shù)據(jù)，對(duì)燃煤機(jī)組的碳排放相關(guān)特征變量進(jìn)行連續(xù)核算，并存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)，整個(gè)流程自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了碳排放核算的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和高效性。同時(shí)，以江西省某700 MW超臨界機(jī)組為例，驗(yàn)證文中所提方法的有效性和準(zhǔn)確性，并得出最優(yōu)碳排放綜合指標(biāo)所在負(fù)荷率。

1 碳排放核算模型

1.1 機(jī)組碳排放

根據(jù)《2021-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》[12]，發(fā)電企業(yè)的二氧化碳核算標(biāo)準(zhǔn)中包含化石燃料燃燒和購(gòu)入電力所產(chǎn)生的二氧化碳，不再包含脫硫系統(tǒng)部分。同時(shí)，火電廠所有燃煤機(jī)組都停機(jī)時(shí)才會(huì)進(jìn)行購(gòu)入電力，極少數(shù)情況下廠內(nèi)所有機(jī)組才會(huì)同時(shí)停機(jī)，購(gòu)入電力占比極少[13]。因此，對(duì)于火電廠的碳排放總量計(jì)算時(shí)只涉及化石燃料燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳，實(shí)時(shí)碳排放計(jì)算公式為：

式中：Ft表示機(jī)組在t時(shí)刻的碳排放；Et為機(jī)組在t時(shí)刻的燃煤消耗量，t；Ulow表示燃煤的低位發(fā)熱量，GJ/t；Co2為燃煤的單位熱值含碳量，tC/GJ；Ofc為燃煤的碳氧化率，%；表示二氧化碳和碳的相對(duì)分子質(zhì)量比。

1.2 燃煤消耗量

為方便準(zhǔn)確計(jì)算出燃煤機(jī)組的燃煤消耗量，通常燃煤機(jī)組中會(huì)包含多個(gè)給煤機(jī)，給煤機(jī)之間相互合作，按照負(fù)荷需求來精確調(diào)節(jié)給煤量。因此，燃煤實(shí)時(shí)消耗量可表示為：

式中：ent表示第n個(gè)給煤機(jī)在t時(shí)刻的累計(jì)給煤量，t。

1.3 供電量

燃煤機(jī)組的供電量表示燃煤機(jī)組向電網(wǎng)供給的電量，通常用發(fā)電量與廠用電量的差值。因此，機(jī)組的實(shí)時(shí)供電量可表示為：

式中：Gt表示t時(shí)刻的供電量，MW·h；Pt表示t時(shí)刻的發(fā)電有功功率，MW；Lt表示t時(shí)刻的廠用電功率，MW；τ表示數(shù)據(jù)采集時(shí)間尺度系數(shù)，h；Phtt和Pett分別為高壓廠用變壓器和勵(lì)磁變壓器的有功功率，MW。

1.4 機(jī)組碳排放強(qiáng)度

燃煤機(jī)組碳排放強(qiáng)度為機(jī)組每供出1 MW·h的電量所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)時(shí)碳排放強(qiáng)度計(jì)算式如下：

式中：Qt表示t時(shí)刻的碳排放強(qiáng)度，tCO2/MW·h。

1.5 供電煤耗率

燃煤機(jī)組的供電煤耗率為機(jī)組供電量與煤耗量的比值，實(shí)時(shí)供電煤耗率計(jì)算公式如下：

式中，Wt為t時(shí)刻的機(jī)組供電煤耗率，MW·h/t。

1.6 機(jī)組效率

燃煤機(jī)組的機(jī)組效率為機(jī)組發(fā)電量與消耗燃煤所含能量的比值，機(jī)組實(shí)時(shí)效率ηt計(jì)算公式如下：

2 碳排放連續(xù)核算方法

文中提出的燃煤機(jī)組碳排放連續(xù)核算方法流程圖如圖1所示。其步驟如下所示：

圖1 碳排放連續(xù)核算流程圖

1）核算邊界和排放源確定。

根據(jù)文中第1節(jié)的碳排放核算模型，明確碳排放核算計(jì)算過程中核算邊界，即核算過程中所需的變量。同時(shí)確定排放源，即煤種類型，以明確煤種的低位發(fā)熱量及單位熱值含碳量等基本性質(zhì)。

2）核算輸入變量表計(jì)安裝。

通過步驟1）得知核算過程中所需的輸入變量，并在燃煤機(jī)組的運(yùn)行系統(tǒng)中加裝表計(jì)。

3）表計(jì)數(shù)據(jù)獲取并上傳

通過表計(jì)得到t時(shí)刻下的核算數(shù)據(jù)，并上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)。包含各個(gè)給煤機(jī)的給煤入口處的給煤量、發(fā)電有功功率、廠用電功率、高壓廠用變壓器和勵(lì)磁變壓器的有功功率。

4）碳排放相關(guān)特征計(jì)算

云服務(wù)器通過對(duì)云數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)存入的數(shù)據(jù)進(jìn)行請(qǐng)求，獲得實(shí)時(shí)核算輸入數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入至碳排放核算模型中，計(jì)算得到t時(shí)刻的碳排放及其特征數(shù)據(jù)，并將計(jì)算得到的碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）重復(fù)步驟3）和步驟4），實(shí)現(xiàn)碳排放相關(guān)特征數(shù)據(jù)自動(dòng)化連續(xù)核算，并在“碳平臺(tái)”系統(tǒng)上實(shí)時(shí)展示。

3.1 燃煤機(jī)組介紹

文中以江西某火電廠700 MW超臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，采用文中所提碳排放連續(xù)核算方法，對(duì)此燃煤機(jī)組進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

表1 700 MW超臨界燃煤機(jī)組設(shè)備參數(shù)

在此機(jī)組上加裝碳排放核算所需表計(jì)，并采用python編譯的后端核算方法。選取表計(jì)采集得到的2至4月份的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸入至后端服務(wù)器中，獲取到該機(jī)組的實(shí)時(shí)碳排放相關(guān)特征。通過對(duì)機(jī)組不同負(fù)荷率下的碳排放特征進(jìn)行研究分析，同時(shí)研究機(jī)組在變工況運(yùn)行下機(jī)組發(fā)電效率、能耗、碳排放量以及碳排放強(qiáng)度的變化情況。

3.2 碳排放強(qiáng)度分析

選取機(jī)組各個(gè)負(fù)荷率下的所有的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的平均值代表機(jī)組在該負(fù)荷率下運(yùn)行特征值，并分析不同負(fù)荷率下的機(jī)組碳排放強(qiáng)度。圖2表示了該700 MW超臨界燃煤機(jī)組在不同負(fù)荷率下（0.4～1）的碳排放強(qiáng)度變化。

圖2不同負(fù)荷率下機(jī)組碳排放強(qiáng)度變化

圖2 中紅色星形標(biāo)記的點(diǎn)指的是不同負(fù)荷率下的機(jī)組平均碳排放強(qiáng)度值，藍(lán)色的曲線是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過多項(xiàng)式擬合所得到的負(fù)荷率與碳排放強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。由圖2可以明顯看出，隨著機(jī)組負(fù)荷率的增大，碳排放強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，且在機(jī)組負(fù)荷率為0.4～0.7的范圍內(nèi)碳排放強(qiáng)度變化幅度小，在機(jī)組負(fù)荷率為0.7～1的范圍內(nèi)，碳排放強(qiáng)度的減小程度明顯。

3.3 煤耗率分析

根據(jù)式（5）得到機(jī)組不同負(fù)荷率下的平均供電煤耗率如圖3所示。

圖3 不同負(fù)荷率下機(jī)組供電煤耗率變化

3 碳排放特征分析

由圖3可知，該燃煤機(jī)組的供電煤耗率隨機(jī)組負(fù)荷率變化較大。機(jī)組運(yùn)行在負(fù)荷率為0.4～0.5范圍內(nèi)時(shí)，平均供電煤耗率會(huì)隨著負(fù)荷率的增大而增大；在負(fù)荷率為0.5～0.9范圍內(nèi)時(shí)，平均供電煤耗率會(huì)隨著負(fù)荷率的增大而減?。辉谪?fù)荷率為0.9以上時(shí)，機(jī)組平均供電煤耗率則會(huì)隨著負(fù)荷率的增加而增加。其中，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在負(fù)荷率為0.5附近時(shí)供電煤耗率最大，而在負(fù)荷率為0.9附近時(shí)供電煤耗率最小。

3.4 能耗分析

能耗強(qiáng)度指的是單位GDP或單位產(chǎn)值產(chǎn)出下的能量消耗量。機(jī)組能耗強(qiáng)度的大小一定程度上能夠反映出其經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組不同負(fù)荷率下的能耗強(qiáng)度變化如圖4所示。

圖4 不同負(fù)荷率下機(jī)組能耗強(qiáng)度變化

由圖4可知，機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)域下運(yùn)行時(shí)，能耗強(qiáng)度隨機(jī)組負(fù)荷率的變化不大，而在機(jī)組高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，能耗強(qiáng)度會(huì)隨著機(jī)組負(fù)荷率增加而顯著增加。

3.5 機(jī)組發(fā)電效率分析

發(fā)電效率是機(jī)組運(yùn)行最關(guān)鍵的指標(biāo)之一，是機(jī)組發(fā)電量與能量消耗量之比，其大小能夠反映出機(jī)組運(yùn)行工作特性。機(jī)組發(fā)電效率越高，單位發(fā)電量下的煤耗越小，碳排放量也越小。不同負(fù)荷率下機(jī)發(fā)電效率變化如圖5所示。

圖5 不同負(fù)荷率下機(jī)組發(fā)電效率變化

從圖5中可以明顯看出，機(jī)組發(fā)電效率在負(fù)荷率為0.4時(shí)達(dá)到最低，而在負(fù)荷率為1時(shí)達(dá)到最高，且機(jī)組效率會(huì)隨著負(fù)荷率的增加而增加。

3.6 綜合性能分析

為分析機(jī)組不同負(fù)荷率下的性能特性，研究機(jī)組在不同工況下的綜合性能，文中采用層次分析法對(duì)機(jī)組的碳排放強(qiáng)度、供電煤耗率、能耗以及發(fā)電效率進(jìn)行綜合分析。

表2為機(jī)組在不同負(fù)荷率下的機(jī)組性能參數(shù)。從表2可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在負(fù)荷率為0.9時(shí)，機(jī)組運(yùn)行綜合性能最優(yōu)。

表2 不同負(fù)荷率下機(jī)組性能參數(shù)

4 結(jié)語

文中基于碳核算法和數(shù)字化技術(shù)，提出一種燃煤機(jī)組碳排放的連續(xù)核算方法，可幫助燃煤機(jī)組更好地調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，減少碳排放和提高能源利用率。

應(yīng)用在江西省某700 MW超臨界機(jī)組，對(duì)其碳排放特征進(jìn)行分析，可得：在該機(jī)組變工況運(yùn)行過程中，機(jī)組的碳排放強(qiáng)度、供電煤耗率、能耗強(qiáng)度以及機(jī)組發(fā)電效率均受到機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率的影響。并得出結(jié)論，該機(jī)組運(yùn)行在負(fù)荷率為0.9附近時(shí)，各項(xiàng)碳排放特性指數(shù)較優(yōu)，而在低負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)，機(jī)組碳排放指數(shù)較差。