碳排放實(shí)測(cè)平臺(tái)的研究應(yīng)用

華能（浙江）能源開(kāi)發(fā)有限公司長(zhǎng)興分公司 董勇衛(wèi) 徐建剛 阮國(guó)榮 王偉杰 雍 駿 柏元華

1997年12月11日，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第三次締約方大會(huì)促生了公約的第一個(gè)附加協(xié)議《京都議定書(shū)》的誕生，這是人類(lèi)歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。京都議定書(shū)規(guī)定的附件一所列締約國(guó)可通過(guò)交易轉(zhuǎn)讓或境外項(xiàng)目合作方式獲得溫室氣體排放額度。這樣就能在保證全球環(huán)境完整性的同時(shí)，降低溫室氣體減排活動(dòng)對(duì)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)全球減排成本效益最優(yōu)。

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。2021年10月24日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，要求加強(qiáng)碳排放核算方法的研究和碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系的建設(shè)，推進(jìn)碳排放實(shí)測(cè)技術(shù)發(fā)展，加快新技術(shù)在碳排放實(shí)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，鼓勵(lì)和支持行業(yè)、企業(yè)依據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)開(kāi)展CO2在線測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用研究，建立準(zhǔn)確可信的碳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和核算體系。

1 碳排放量的核算及應(yīng)用研究

碳排放量的核算是有效開(kāi)展各項(xiàng)碳減排工作，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的基本前提，也是構(gòu)建碳交易市場(chǎng)不可缺少的一個(gè)組成部分，目前碳排放量的核算方法有兩種：碳計(jì)量。與IPCC（政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)）的物料均衡法類(lèi)似，將企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)劃分為若干流程。在給定的參數(shù)下按照不同的方法計(jì)算每個(gè)流程中的碳排放量，并加總得到企業(yè)的碳排放總量；碳檢測(cè)（或碳監(jiān)測(cè)）。是指利用CEMS（連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）對(duì)企業(yè)的碳排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)的發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位（含自備電廠）使用燃煤、燃油、燃?xì)獾然剂霞皳綗剂系募兡l(fā)電機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組等發(fā)電設(shè)施，按照《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》的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行溫室氣體排放核算。燃燒排放量是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)企業(yè)發(fā)電設(shè)施各種化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量的總和：E燃燒=AD×EF。

燃料活動(dòng)數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)燃料的消耗量與其低位發(fā)熱量的乘積：AD=FC×NCV，式中：AD為燃料的活動(dòng)數(shù)據(jù)、吉焦（GJ），F(xiàn)C為燃料的耗量，對(duì)固體或液體燃料、噸（t），NCV為燃料的低位發(fā)熱量，對(duì)固體或液體燃料、吉焦/噸（GJ/t）；燃料燃燒CO2排放因子EF=CC×OF×（44/12），式中：EF為燃料的CO2排放因子、噸CO2/吉（tCO2/GJ），CC為燃料的單位熱值含碳量、噸碳/吉焦（tC/GJ），OF為燃料的碳氧化率、以%表示，（44/12）為CO2與碳的相對(duì)分子質(zhì)量之比；燃煤的單位熱值含碳量CC=C/NCV，式中：CC為燃煤的單位熱值含碳量、噸碳/吉焦（tC/GJ），NCV為燃煤的收到基低位發(fā)熱量、吉焦/噸（GJ/t），C為燃煤的元素碳含量、以tC/t表示。

燃煤發(fā)電廠統(tǒng)計(jì)期內(nèi)碳排放量的計(jì)算需收集燃料的消耗量、低位發(fā)熱量、單位熱值含碳量等數(shù)據(jù)，低位發(fā)熱量、單位熱值含碳量等數(shù)據(jù)目前還大多有賴(lài)于人工分析，以日為時(shí)間單位。而在碳排放量的實(shí)際計(jì)算時(shí)一般以年、月為時(shí)間單位，否則數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大。相比于碳計(jì)量階段式的計(jì)算方法，碳檢測(cè)對(duì)企業(yè)碳排放量的統(tǒng)計(jì)更加具有連續(xù)性、更加準(zhǔn)確。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可將企業(yè)的排放數(shù)據(jù)上傳至云端，易于監(jiān)管部門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。

碳計(jì)量仍是目前中國(guó)碳排放核算的主要方法。歐盟采用碳計(jì)量和碳檢測(cè)并行的方法，美國(guó)優(yōu)先采用碳檢測(cè)的方法。從國(guó)內(nèi)碳核算、碳交易市場(chǎng)的發(fā)展來(lái)看，行業(yè)差異、工藝流程差異會(huì)使得政府監(jiān)管部門(mén)的管理難度加大，技術(shù)更新及管理要求的提高使監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)不斷更迭，中國(guó)未來(lái)可能將碳檢測(cè)納入作為碳排放量核算的標(biāo)準(zhǔn)方法。在此背景下，華能（浙江）能源開(kāi)發(fā)有限公司長(zhǎng)興分公司開(kāi)展了火電廠碳實(shí)測(cè)的應(yīng)用研究。

現(xiàn)有的燃煤電廠都建有煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS），實(shí)時(shí)測(cè)量煙氣中SO2、NOX、顆粒物等污染物的實(shí)時(shí)濃度，數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)組控制系統(tǒng)（DCS)用于機(jī)組環(huán)保排放參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)環(huán)保專(zhuān)網(wǎng)傳輸至政府環(huán)保監(jiān)管部門(mén)對(duì)企業(yè)污染物排放進(jìn)行監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，每臺(tái)機(jī)組總排口建設(shè)安裝一套CO2實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，用以測(cè)定煙氣中CO2排放濃度，同時(shí)采集煙氣溫、壓、流、濕度、氧量等參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)上傳到碳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)，自動(dòng)計(jì)算CO2和碳排放量，可顯示和打印各種參數(shù)圖表。碳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)根據(jù)政府部門(mén)、企業(yè)及人員管理授權(quán)，依據(jù)賬號(hào)登陸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)表。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2 CO2測(cè)量系統(tǒng)

2.1 CO2的測(cè)量方法的選擇

目前CO2的測(cè)量方法有很多種，主要有氣相色譜法、滴定法、固體電解質(zhì)式、紅外吸收法等。本項(xiàng)目中采用基于非分散紅外吸收檢測(cè)原理及檢測(cè)方法。紅外吸收法利用紅外線作為測(cè)量介質(zhì)的CO2測(cè)量系統(tǒng)，利用CO2吸收波長(zhǎng)4.26μm紅外線的物理特征來(lái)有選擇地測(cè)量氣體中CO2的分壓，吸收關(guān)系服從Lamber.Beer定律。紅外吸收氣體分析儀一般由紅外線輻射光源、檢測(cè)氣室、濾光片、紅外測(cè)量裝置等組成，當(dāng)紅外線輻射透過(guò)進(jìn)入檢測(cè)氣室的被測(cè)氣體后，氣體中的CO2會(huì)吸收波長(zhǎng)4.26μm紅外線，造成紅外線輻射光源發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射光源被檢測(cè)探頭測(cè)出，通過(guò)測(cè)量該譜線能量的衰減量來(lái)得知被測(cè)氣體濃度。

2.2 CO2檢測(cè)系統(tǒng)

CO2檢測(cè)系統(tǒng)由采樣探頭、伴熱管線、氣體樣品預(yù)處理系統(tǒng)、氣體分析儀等組成。

采樣探頭。包含探頭、探桿和吹掃裝置，由探頭管、前級(jí)過(guò)濾器單元、儲(chǔ)氣罐、電磁閥、電加熱等組成。裝置安裝于煙囪68米處。取得有代表性的樣品、完成前級(jí)粉塵凈化，并可對(duì)取樣部分進(jìn)行周期性的吹掃，由PLC控制；伴熱管線。采用電加熱管纜，采用雙管配置，用于采樣和全系統(tǒng)校準(zhǔn)。溫度保持120℃左右，保證將樣品氣安全可靠的由采樣點(diǎn)傳輸至分析柜。

樣品預(yù)處理系統(tǒng)。由冷凝器、抽氣泵、流量調(diào)節(jié)、標(biāo)定氣路等組成，對(duì)樣品氣進(jìn)行進(jìn)一步的處理（除水、抽氣、樣品氣調(diào)節(jié)等），最后將樣品送至分析儀進(jìn)行分析；氣體分析儀。整個(gè)CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，分析儀基于非分散紅外吸收原理，采用雙光室設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)分析樣氣中CO2濃度。分析儀與預(yù)處理結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)零點(diǎn)和跨度校準(zhǔn)，以及全系統(tǒng)校準(zhǔn)。

每個(gè)光路均采用測(cè)量氣室和參比氣室的雙氣室設(shè)計(jì)，大大提高了分析儀的穩(wěn)定性。雙氣室結(jié)構(gòu)可消除光源波動(dòng)、光學(xué)和電子元器件變化引起的測(cè)量噪聲，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性更高，同時(shí)增加了檢測(cè)靈敏度、提高了檢測(cè)下限。分析模塊配置壓力補(bǔ)償模塊和氣室恒溫模塊，從而極大地降低了溫度和壓力對(duì)測(cè)量的影響。在分析儀表中配備了校準(zhǔn)池模塊，校準(zhǔn)池模塊中密封著標(biāo)準(zhǔn)氣體（CO2），位于檢測(cè)器前方，由馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，可定期自動(dòng)對(duì)儀器進(jìn)行跨度校準(zhǔn)，確保分析儀表在測(cè)量過(guò)程中的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。取代了傳統(tǒng)的鋼氣瓶，同時(shí)可避免手工校準(zhǔn)可能引起的系統(tǒng)誤差。

3 碳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)

3.1 相關(guān)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由PLC、CO2排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件、嵌入式計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要部分，主要通過(guò)PLC將煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，然后通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和排放量的換算。完成顯示和記錄系統(tǒng)中測(cè)量出的CO2濃度、煙氣溫度、煙氣流速、含氧量等參數(shù)，并計(jì)算出CO2濃度、排放量等數(shù)據(jù)，存放到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，具備打印報(bào)表等功能。

煙氣排放參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。在此項(xiàng)目中利用共享原環(huán)保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)方式，在做好網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施的前提下，從原煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單向采集機(jī)組煙氣溫度、壓力、流速、含濕量、氧量等參數(shù)；數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。由于目前還沒(méi)有CO2測(cè)量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)的行業(yè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各測(cè)量系統(tǒng)上傳到計(jì)算機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，參照HJ76-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》中的計(jì)算公式完成各種計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，并將全部的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為以后的查詢(xún)和報(bào)表提供了保障。

3.2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能

平臺(tái)將傳到計(jì)算機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成各種計(jì)算和累加，并將全部的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。平臺(tái)有多個(gè)安全級(jí)別，不同級(jí)別的部門(mén)、人員只能依據(jù)授權(quán)進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別的操作。內(nèi)有模擬信號(hào)表、數(shù)字信號(hào)表、參數(shù)表、曲線和歷史曲線等界面,完善的人機(jī)操作界面為數(shù)據(jù)的查詢(xún)和報(bào)表提供了保障，使用戶(hù)能得到最新和最全面的數(shù)據(jù)。

曲線圖形。將數(shù)據(jù)采集儀上的數(shù)據(jù)通過(guò)曲線圖的方式顯示出來(lái)，可查詢(xún)當(dāng)前站點(diǎn)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，也可對(duì)多個(gè)測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比查看，可打印和導(dǎo)出曲線圖形；數(shù)據(jù)查詢(xún)、瀏覽與報(bào)表。查詢(xún)選擇時(shí)段的所有數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)、10分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、天數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前查詢(xún)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值，形成日、周、月、季等報(bào)表。

綜上，依托華能（浙江）能源開(kāi)發(fā)有限公司長(zhǎng)興分公司CO2實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的碳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)，作為浙江省內(nèi)首臺(tái)套新設(shè)備的試點(diǎn)研究應(yīng)用，與原有的環(huán)保污染源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高度整合，CO2單獨(dú)測(cè)量，避免在同一CEMS內(nèi)測(cè)量多種污染物出現(xiàn)的相互影響。將數(shù)據(jù)共享和5G通訊等技術(shù)應(yīng)用于CO2排放實(shí)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的工程實(shí)踐，減少了項(xiàng)目投入、降低施工難度。解決了CO2測(cè)量成套、數(shù)據(jù)采集傳輸和碳監(jiān)測(cè)平臺(tái)的接入，實(shí)現(xiàn)了用實(shí)時(shí)測(cè)量和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的方法替代傳統(tǒng)的人工計(jì)算的碳核算方法。