構(gòu)建碳排放監(jiān)測技術(shù)體系助力實現(xiàn)“雙碳”目標

2020年9月，我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。作為中央骨干能源企業(yè)，華電集團積極響應(yīng)“碳達峰、碳中和”要求，持續(xù)強化碳排放領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究，堅決落實“雙碳”目標。

華電電力科學(xué)研究院（以下簡稱“華電電科院”）是中國華電集團直屬的科研機構(gòu)，自2016年取得國家級資質(zhì)認定以來，承擔(dān)著華電集團和電力行業(yè)大量的檢驗檢測以及發(fā)電設(shè)備性能測試試驗工作。圍繞國家發(fā)改委委托的“煙氣自動控制系統(tǒng)（CEMS）在碳排放監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用”應(yīng)對氣候變化領(lǐng)域重大研究需求，華電電科院作為集團低碳技術(shù)研發(fā)平臺和碳排放技術(shù)支撐單位，2018年超前謀劃搭建了電力行業(yè)首個碳排放在線檢測實驗平臺，研發(fā)了煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)體系。通過自主創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，在典型火電機組開展二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，為火電廠碳排放連續(xù)監(jiān)測推廣提供了技術(shù)支撐和規(guī)范依據(jù)。

一、案例創(chuàng)新點

據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前，我國發(fā)電行業(yè)碳排放量約占全國碳排放總量的40%，火電企業(yè)是落實國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略的重點行業(yè)。目前國際上的火電企業(yè)碳排放核算方法包括排放因子法、物料守衡法和在線監(jiān)測法3種。前兩者是通過各類參數(shù)間接核算排放量，屬于計算方法；而在線監(jiān)測法是通過安裝CEMS，通過二氧化碳濃度和煙氣流量測算碳排放量的監(jiān)測方法。整個監(jiān)測過程不受機組燃料復(fù)雜性的影響，較大程度上減少了人為參與和操作的可能性，具有影響參數(shù)少、精確度高、數(shù)據(jù)實時性強、人為因素少等優(yōu)點。且該技術(shù)可將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至政府監(jiān)管部門，對于異常監(jiān)測數(shù)據(jù)可實時報警，可依托現(xiàn)有環(huán)保監(jiān)管體系保障監(jiān)測設(shè)備有效運行，切實有效的提升和保障數(shù)據(jù)監(jiān)測質(zhì)量，是溫室氣體和大氣污染物的協(xié)同管控的必然趨勢。

據(jù)報道，美國及歐盟從制度政策層面均已推行CEMS用于監(jiān)測二氧化碳排放，具有豐富的碳排放在線監(jiān)測經(jīng)驗。相較于發(fā)達國家，我國建立二氧化碳排放監(jiān)測體系較晚，開展在線監(jiān)測二氧化碳的研究時間有限。一方面，不同火電企業(yè)的燃料狀況、裝機容量、工況負荷等復(fù)雜場景均需開展大量的工作進行驗證；另一方面，二氧化碳排放在線監(jiān)測缺乏相關(guān)技術(shù)標準，限制了我國二氧化碳在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。因此國家現(xiàn)已發(fā)布的標準指南中發(fā)電企業(yè)的碳排放量計算仍以排放因子法為主。

為解決應(yīng)用場景復(fù)雜、缺乏必要的技術(shù)標準這兩項阻礙國內(nèi)二氧化碳在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的最大障礙，華電電科院開展了以下創(chuàng)新性工作：

（一）搭建電力行業(yè)首個碳排放在線監(jiān)測研究實驗平臺

為解決二氧化碳排放在線監(jiān)測應(yīng)用場景復(fù)雜這一突出難題，華電集團發(fā)明了《一種碳排放在線檢測系統(tǒng)及檢測方法》，以此為基礎(chǔ)搭建了電力行業(yè)首個碳排放在線檢測實驗平臺。該平臺通過幾何相似和動力學(xué)相似原理對實際煙氣進行精確模擬，開展了大量試驗對比研究CEMS監(jiān)測二氧化碳與物料衡算法的數(shù)據(jù)偏差及差異，同時開展了碳排放在線連續(xù)監(jiān)測方法、關(guān)鍵影響因素及相應(yīng)因素監(jiān)測不確定度的研究，并在此基礎(chǔ)上進行對煙氣監(jiān)測參數(shù)的量值溯源，實現(xiàn)了在實驗室中模擬復(fù)雜環(huán)境下的碳排放在線檢測過程，解決了在線監(jiān)測技術(shù)推廣應(yīng)用的科學(xué)問題，并為后續(xù)行業(yè)標準起草提供理論支撐。

（二）建立適用于我國火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范

2019年，中國電力企業(yè)聯(lián)合會受生態(tài)環(huán)境部氣候變化司委托，開展煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在碳排放監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究。華電電科院作為課題研究技術(shù)組牽頭單位，全面開展火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的研究工作。提出涵蓋性能指標、監(jiān)測站房、安裝施工、調(diào)試檢測、技術(shù)驗收、運行全過程質(zhì)控的二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)要求，編制形成電力行業(yè)標準《火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（報批稿）。在編制過程中，為論證技術(shù)規(guī)范中各類技術(shù)性能指標的合理性，團隊選取了3臺不同類型的儀器設(shè)備、在不同二氧化碳濃度下，開展了大量現(xiàn)場驗證測試實驗，最終確定了二氧化碳濃度、煙氣流速、煙氣溫度和煙氣濕度四個影響二氧化碳排放量計算的關(guān)鍵指標，并成功應(yīng)用于6臺典型火電機組。利用現(xiàn)場試驗充分驗證了技術(shù)規(guī)范中性能指標要求的合理性，有力保障二氧化碳連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

二、工作成效

（一）驗證了碳排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性

在現(xiàn)場試驗的過程中，通過多項性能測試和準確度比對試驗，研究確定了煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)指標要求及三類排放源流速準確度要求；并創(chuàng)造性提出“以碳排放量為依據(jù)的流速準確度分級指標控制”技術(shù)要求，借助自行研發(fā)的流速高準確度校準技術(shù)，形成了適用于我國火電廠煙氣二氧化碳排放的在線監(jiān)測技術(shù)體系，并實現(xiàn)工程應(yīng)用，實現(xiàn)二氧化碳排放量實時、準確計量，攻克了碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)難以應(yīng)用于碳市場的難題。從現(xiàn)場試驗結(jié)果、成本分析等方面系統(tǒng)驗證了連續(xù)監(jiān)測技術(shù)在二氧化碳排放方面的可用性，為火電企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測提供了規(guī)范依據(jù)。

（二）提供了碳排放數(shù)據(jù)獲取的新理念

隨著國家大力推進能源電力結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型，我國火力發(fā)電量中火電占比連年降低，但仍占據(jù)總發(fā)電量的56%，未來很長一段時間內(nèi)準確的火電排放核算方法對我國碳核查工作都具有重要意義。通過在多臺示范機組上的工程技術(shù)應(yīng)用示范及現(xiàn)場試驗驗證，二氧化碳CEMS系統(tǒng)組成和功能、監(jiān)測站房、安裝、技術(shù)性能指標、日常運行管理和質(zhì)量保證等均滿足技術(shù)規(guī)范要求，率先成功構(gòu)建了可量化碳市場監(jiān)測、報告、交易和履約全流程管控水平的評價指標和方法，實現(xiàn)火電企業(yè)碳排放全過程管控，全面提升火電企業(yè)應(yīng)對全國碳市場能力。

（三）拓寬了碳排放數(shù)據(jù)應(yīng)用寬度

充分利用現(xiàn)場試驗獲取的海量數(shù)據(jù)，篩選得到了影響碳排放強度的44個特征指標，分析了42個不同工況下的能效特征指標，有效指導(dǎo)燃煤機組的低碳優(yōu)化運行，對推動二氧化碳監(jiān)測設(shè)備研發(fā)和推廣，助推碳排放數(shù)據(jù)管理數(shù)字化、智能化均有重要意義。