雙碳背景下火電企業碳計量分析與建議

盧偉業，陳小玄，陸繼東，李越勝，姚順春,3

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；2.廣東省特種設備檢測研究院 順德檢測院，廣東 佛山 528313；3.廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州 510640)

0 引 言

隨著溫室氣體排放對氣候變化和生態環境的影響日益增大，世界各國對控制和減少碳排放已達成共識。我國是全球主要的溫室氣體排放國家之一，積極承擔了重要的減排義務與責任，政府明確提出“2030碳達峰、2060碳中和”的發展目標[1-2]。我國目前溫室氣體排放核算所用方法體系及排放因子主要源自西方發達國家[3]，在此基礎上，建立了國家及試點省市溫室氣體統計與核算體系，并建立全國碳市場，將電力行業首批納入全國碳市場行業。2021年1月起，我國碳市場啟動了首個履約周期，共2 225家發電行業的重點排放企業納入范圍，標志著全國碳交易市場正式全面啟動。

隨著碳市場上線、控排企業履約，碳核查計量體系下碳數據質量成為關鍵。2013年國家發布了《中國發電企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》[4]，隨后生態主管部門根據核查工作實施情況對指南進行多次修訂完善，2023年開始施行最新版指南《企業溫室氣體排放核算與報告指南發電設施》《企業溫室氣體排放核查技術指南發電設施》[5]，是目前火電企業碳排放核查工作主要依據。為進一步發展碳計量技術，學習歐美碳核算先進模式，2018年，國家發改委在《關于委托中國電力企業聯合會開展發電行業碳排放交易相關工作的函》中提出在電力行業研究基于固定源煙氣溫室氣體排放連續監測應用的建議。2021年，生態環境部公布《生態環境監測規劃綱要(2020—2035年)》，提出遵循“核算為主、監測為輔”的原則，探索建立重點排放單位溫室氣體排放源監測的管理體系和技術體系，在火電行業率先開展CO2排放在線監測試點。在碳計量方面，國務院近2 a相繼發布了《2030年前碳達峰行動方案》《計量發展規劃(2021—2035年)》，強調完善溫室氣體排放計量監測體系，加強碳排放關鍵計量測試技術研究和應用，健全碳計量標準裝置，為溫室氣體排放可測量、可報告、可核查提供計量支撐，充分體現多舉措發展碳計量的工作思路。

總體而言，我國目前碳排放核查方法與報告指南主要采用實測值與排放因子法。排放因子法存在準確度不高、人為干預過多等缺點，而碳排放連續監測技術因數據可溯源、數據收集簡便、數據傳輸迅速而受到關注，可作為碳排放核查工作的重要技術支撐。然而，碳排放連續監測技術在我國發展尚處于發展階段，沒有完整的碳排放連續監測技術規范體系文件支撐。因此，筆者從目前溫室氣體核查體系出發，分析溫室氣體排放核查過程存在的問題，總結國內外溫室氣體排放連續監測經驗，并提出開展火電企業碳計量的工作及建議，從技術手段提高碳排放數據質量，服務全國碳交易市場。

1 溫室氣體排放核查過程存在的問題

碳核查是政府通過第三方核查獲得控排企業碳排放數據的主要手段。企業碳排放核算與報告工作完成后，便啟動碳核查工作，碳核查工作涉及3個主體：企業、政府、核查機構，其工作流程如圖1所示。從3個不同主體對碳核查常見問題進行分析。

圖1 碳核查工作流程Fig.1 Work flow of carbon verification

1.1 政府側

1)碳核查工作開展難度增大。首批控排行業為碳排放總量、強度較大的企業，主要為央企、國企或較大規模民企，對碳排放核查工作配合積極。隨著納入控排企業范圍加大，企業類型增多，碳核查資源及管理壓力驟增；近2 a能源價格暴漲，火電企業普遍虧損嚴重，碳排放履約帶來進一步經濟壓力，不利于政府推動碳核查工作。

2)碳核查數據質量造假頻發。現有核查是企業根據質量控制計劃將基準年度的排放數據信息上報形成碳排放報告。部分企業擔心排放量過多需購買額外碳配額，以生產機密為由不提供，或刻意隱瞞真實的生產數據信息，部分企業甚至在咨詢機構配合下進行數據造假，全國碳市場首例碳數據造假案[6]曝出，直接擾亂碳市場，嚴重影響碳排放履約的公正性，這對政府監管提出了更高要求。

1.2 核查機構側

1)核查工期緊迫。碳核查機構需在2～3個月集中資源完成文件評審、現場核查、出具核查結論、復查等全部工作。當出現不可控因素，如近3 a新冠疫情影響，異地核查人員調配困難，核查質量難以保證。

2)核查隊伍建設滯后。控排行業企業不斷增加，所需碳核查從業人員增多，目前國內缺乏系統的雙碳人才培養體系，碳核查機構大多從事能源、環保相關業務，短期內無法培養出足夠的核查專業人才，核查隊伍平均水平下降。

3)核查機構水平參差不齊。各省的碳核查機構多由政府公開招標選定，中標單位中部分核查機構往往質量管理體系較弱、專業核查人員配備不足，核查數據質量不高。

1.3 企業側

1)技術人員流失變動嚴重。國內電力、鋼鐵、紡織、石化行業均配套有自備電廠等發電設施，大多需納入全國碳市場。這些行業普遍產能過剩，受疫情影響部分處于停產或半停產狀態，人員流失變動嚴重，造成碳排放報告、核查工作難以有效開展。

2)企業碳排放計量體系建設不完善。核查機構與控排企業容易在燃煤低位發熱量、元素碳含量、天然氣低位發熱量等關鍵數據實測認定上產生分歧。且除電力企業外，大部分行業企業不具備燃料實測能力，相關燃料排放因子直接采用缺省值，導致數據偏大。

總之，碳核查工作在社會成本、核查隊伍、數據質量等方面還有很多問題亟需解決。因此，國內學者引入實測及連續監測技術等手段輔助核查工作。

2 溫室氣體排放連續監測技術研究現狀

溫室氣體連續監測是利用檢測儀器對企業溫室氣體排放進行連續監測，主要通過測量固定污染源排放煙氣流速、流量、溫室氣體濃度和溫濕度等參數計算排放總量，并通過構建溫室氣體連續排放監測平臺實現管控[7]。

2.1 國外現狀

美國和歐盟是全球溫室氣體排放的主要區域，溫室氣體排放監測體系建立較早，歐盟委員會自2005年已啟動歐盟碳排放交易系統，正式開展CO2排放量監測。監測范圍覆蓋歐盟28個成員國和冰島、挪威、列支敦士登3個歐洲國家總計超過1萬家能源企業，涉及歐盟CO2排放總量的50%。采用的監測方法包括核算法和基于連續排放監測系統(Continuous Emission Monitoring System，CEMS)的實測法。

2.1.1 核算法

自20世紀末以來，國際權威組織如聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國際標準化組織(ISO)、世界資源研究所(WRI)和世界可持續發展工商理事會(WBCSD)、英國標準協會(BSI)等均已發布了相關溫室氣體排放核算標準、規范或指南文件(表1)，涵蓋了國家、企業(組織)、項目、產品和服務等層面[8]。其中，《IPCC 國家溫室氣體清單指南》是當前適用性較廣泛的標準，對各國制定減緩溫室氣體排放政策和應對氣候變化行動有較大貢獻；ISO14064和GHG Protocol也是我國發布企業溫室氣體核算指南、標準的重要參考依據；PAS 2050、ISO 14040/14044、Product and Supply Chain GHG Protocol、ISO 14067四個標準主要針對產品和服務的溫室氣體核算標準。這些標準方法體系的實行，為促進全球碳核算和碳減排起到巨大推動作用。

2.1.2 實測法

目前22個歐洲國家中約有140臺機組采用實測法[9-11]。美國運行碳排放監測體系時間較長，在《美國溫室氣體強制報告》《40 CFR part 75 Continuous Emission Monitoring》《RULE 218.1 Continuous Emission Monitoring Performance Specifications》等法規、標準體系下實現火電機組煙氣排放連續監測閉環。美國環保署在2009年《溫室氣體排放報告強制條例》中規定，所有年排放超過2.5萬t CO2當量的排放源自2011年開始必須全部安裝煙氣連續排放監測系統(CEMS)，并在線上報美國環保署。美國聯邦法律匯編中的第40卷75部分“煙氣連續排放監測系統手冊”對碳排放監測提出了嚴格細致的標準規范[9]。主要將火電機組分為2類，不同機組對應不同火電機組碳排放監測方法[12]，具體見表2。

表1 國外溫室氣體排放核算體系Table 1 Foreign greenhouse gas emission accounting system

表2 不同火電機組碳排放監測方法[12]

美國環保署統計顯示2015年美國有73.9%火電機組采用連續監測方法監測CO2排放量，可見通過安裝CEMS設備進行碳排放監測的方式在美國普及率較高[12]。2019年，德國環境部詳細分析了德國應用連續監測法獲得CO2排放量的現狀及特點，并對比核算法和連續監測法優缺點，發現在質量保證體系全面和完善的情況下，連續監測法和核算法同樣能夠提供高質量、可比的CO2監測數據[13]。

2.2 國內現狀

國內溫室氣體排放連續監測技術尚處于試點探索階段。2018年，我國將CO2控排工作納入生態環境部門管理，定性為生態環境保護問題，基于國家政策層面的引導和實際需求，近幾年來我國已有部分省市開展碳排放在線監測探索。其中，福建省已在2018年開展了碳排放在線監測與應用公共平臺建設，并選取了10家試點企業開展企業端個性化配置工作；華南理工大學和廣東省特檢院聯合研究團隊于2018年在大型火力發電企業千噸鍋爐上實現工程應用示范，安裝了基于可調諧二極管激光吸收光譜原理的碳排放連續監測系統(圖2)，實現了CO2濃度連續監測，為建設以CO2氣體排放源監測系統為核心的連續監測體系建設提供了技術手段及經驗[14-15]。2021年，江蘇省推出了電力行業碳排放精準計量系統，并于8家發電企業11臺發電機組安裝了碳排放計量系統，開展碳排放連續測量試點，并構建了適應多行業的碳計量實測與核算模型[16]；2021年11月，國網湖北電科院在黃岡大別山電廠4號機組上線試運行碳排放在線監測功能模塊[17]；2022年，國家能源集團龍源電力碳資產公司建設了碳排放在線監測系統，實現碳排放指標數據全自動實時采集、傳輸、計算和分析[18]。

圖2 碳排放連續監測系統和直接監測法與碳核算法結果對比[15]Fig.2 Continuous carbon emission monitoring system and the comparison of results between direct monitoring method and carbon accounting method[15]

在氣體排放監測技術標準方面，國內火電廠SO2、NOx和顆粒物等污染物在線監測相對成熟，1996年，我國頒布實施GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》。2001年，國家環境保護總局發布了《火電廠煙氣排放連續監測技術規范》，隨后于2007年和2017年分別對其修改并發布第2版和第3版《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續監測技術規范》。基于上述標準，我國在部分試點開展了CO2排放連續監測，并發布了相關標準。T/CAS 454—2020《火力發電企業二氧化碳排放在線監測技術要求》和DL/T2376—2021《火電廠煙氣二氧化碳排放連續監測技術規范》填補了我國在電力行業領域碳排放監測技術的標準空白，進一步完善了電力行業碳排放監測核算技術體系，從技術標準層面為我國做好碳達峰、碳中和工作奠定了核心基礎。

3 開展火電企業碳計量所需工作及建議

從目前國際碳排放核算報告規則來看，基于指南的碳核算方法是主流，以該方法體系為主有利于碳數據與國際接軌。國內連續監測法相關標準及方法尚未成熟，連續監測設備對企業硬件一次性投入有要求，對企業整體管理及人員水平要求較高，數據主要通過采集獲得，缺少臺賬且在材料溯源及交叉驗證能力上不及核算法。但連續監測法具有數據精確度高、數據收集簡便、數據傳輸迅速等優勢，隨著碳數據質量要求及減輕核算壓力需求，發展核算為主、監測為輔的碳計量方法是大勢所趨。

《企業溫室氣體排放核算與報告指南發電設施》《企業溫室氣體排放核查技術指南發電設施》的發布[5]，不斷加強碳核查指南法的實用性、科學性，提高碳排放數據質量，完善數據質量管理，尤其采用第三方實測手段提升燃料低位發熱量、元素碳含量等關鍵數據質量，進一步加強了燃料取、制、化、存的要求，體現了核算為主、監測為輔的原則。

我國現有行業中，電力行業是最大的碳排放部門，其CO2排放量約占全國排放總量的40%[19]，根據國家統計局數據，2021年我國發電結構中，火力發電約占電力行業的68%(遠高于世界的40%)[20]。電力企業大多是國企，管理水平較高，數據統計基礎好，CEMS設備配套率高，且主要產品是熱和電，溫室氣體排放源固定，對開展溫室氣體排放連續監測有良好基礎。目前，300 MW及以上等級機組占我國裝機容量比重越來越大，是我國當前火電廠的主力機組之一[21]。因此，筆者建議在個別省份單機容量300 MW以上火力發電企業機組開展試點，待試點成功后，總結經驗，向水泥、造紙、鋼鐵等行業推廣。以下對相關工作提出一些建議。

3.1 核查為主

1)建立煤質數據庫系統，保障碳排放數據的準確性。2021年10—12月，國家生態環境部組成31個工作組開展碳排放報告質量專項監督幫扶，在全國各地對控排企業碳排放報告開展抽查，將問題大致分為4類，質量問題主要原因見表3。

表3 碳排放報告質量抽查問題和原因分析Table 3 Analysis of problems and reason of carbon emission report quality spot check

碳排放報告存在問題主要集中在2～4，主要原因在于指南模糊性、數據獲取流程難以監管等管理問題以及元素碳含量高限定值而引發的數據造假。火電企業燃煤碳排放核算是發電行業重點排放單位主要碳排放活動，采用實測值與指南缺省值偏差較大，碳排放量最大不確定度達38%(表4、圖3)。而同樣采用實測值，因煤質數據獲取中取樣、制樣、化驗過程不規范，導致數據不確定度誤差非常大[22]。

表4 發電企業碳排放數據關鍵參數計算組合方式[22]Table 4 Calculation combination of key parameters of carbon emission data of power generation enterprises[22]

圖3 不同組合計算、測量方法不確定度[22]Fig.3 Uncertainty of different combination calculation and measurement methods[22]

近2 a碳排放煤質數據造假問題頻出，導致政府和核查機構難以掌握上報數據的可靠性，嚴重影響碳排放核算的準確性及核查的合規性。準確可靠的碳排放數據是碳排放權交易市場有效規范運行的生命線，面對當前碳排放數據造假及核查機構服務能力和質量等問題，建立完善的碳市場煤質數據庫系統迫在眉睫。

煤質數據庫系統應包括主控模塊、數據模塊、煤質判定模塊和煤質指標化驗結果合理性分析模塊等。其中數據模塊應包括行業分類、燃煤產地等樣品分類信息數據，以及燃煤低位發熱量、元素碳含量、水分等化驗檢測項目。煤質指標化驗結果合理性分析模塊應包括報告數據分析、規律性分析和排放因子分析等。

通過建立煤質數據庫系統，可實現碳市場煤種快速甄別，協助第三方核查機構對企業煤質數據做出合理性審查，并為生態環境部門制定常態化的監管提供技術支撐，提升碳排放數據質量。

2)引入煤質快速分析計量技術，提高碳核查精度。目前，發電行業碳排放核算指南規定燃煤全水分、灰分、揮發分、全硫、低位發熱量及元素碳含量測定標準主要采用傳統的實驗室分析方法，操作復雜且耗時長。作為碳核查機構，在開展現場核查過程中，無法對企業上報煤質數據的真實性和準確性進行校驗。因此，建議有條件的碳核查機構引入煤質快速分析計量技術，實現燃煤低位發熱量和元素碳含量等參數的快速檢測。

近紅外光譜分析技術[23-24]、激光誘導擊穿光譜技術[25-26]、X射線熒光技術[27]等快速光譜檢測技術在煤質快速檢測領域已得到廣泛認可，通過引入上述煤質快速分析計量技術，可實現第三方核查機構在碳核查過程中對企業上報煤質數據的快速校驗，從而提高燃煤熱值、元素碳含量等實測參數在采樣、制樣、送樣、化驗檢測、核算等環節的規范性和準確性，完善碳核查數據質量監管體系。

3.2 監測為輔

1)盡快建立健全溫室氣體排放監測標準體系及相關政策法規，指導工作有序開展。目前，溫室氣體排放連續監測技術標準規定主要參考HJ 75—2017《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續監測技術規范》、HJ 76—2017《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續監測系統技術要求及檢測方法》、HJ 870—2017《固定污染源廢氣二氧化碳的測定非分散紅外吸收法》以及T/CAS 454—2020《火力發電企業二氧化碳排放在線監測技術要求》和DL/T 2376—2021《火電廠煙氣二氧化碳排放連續監測技術規范》。僅靠以上技術規范及要求無法支撐碳排放在線監測有效實施，建議盡快建立健全溫室氣體排放監測相關政策法規及標準，協助政府構建以核算為主、監測為輔的碳排放核算體系，服務碳交易市場。

火電企業CO2連續監測的應用推廣需建立一套政策—標準—運維體系，從而實現溫室氣體排放監測管理。圍繞溫室氣體排放連續監測，制定行業標準和質保體系，需明確技術路線、監測設備、監測方法、設備性能參數、計量要求、日常維保、測試時間、數據采集頻次、設備維護、定期校準等[28-29]。形成有效完善的標準體系，可提高溫室氣體核算效率，減輕甚至免除企業配合溫室氣體核算的工作量和精力，有利于企業有序開展工作。

2)提升自主創新能力，攻克溫室氣體監測技術難點。目前，溫室氣體連續監測技術研究很多，但多停留在技術研究階段，很少建立成功應用試點，對成套連續監測系統及信息管控平臺的搭建也未形成共識[30-31]。國外已有經驗無法直接生搬硬套，迫切需要符合我國國情的自主創新。

火電企業溫室氣體排放包括直接排放和間接排放，主要是化石燃料燃燒產生的直接排放。目前我國火力發電企業普遍安裝技術較成熟的CEMS環保監測系統，基本實現了SO2、NOx等參數連續精確監測，CEMS系統數據與政府環境保護部門實時聯網，該套系統能測量煙氣成分和濕度等，在此基礎上只需增加溫室氣體濃度和流量模塊，結合相應碳計量模型，可實現煙道中溫室氣體排放量的連續監測。

煙氣流量測量是實現碳排放連續準確監測的關鍵環節，多采用差壓法[32]、熱導法[33]、超聲波時差法[34]及光學法[35]等方法[36-38]。煙氣流量測量本質是流速的測量，不同煙氣流速測量方法對比見表5，其中超聲波時差法準確度高、抗干擾能力強，應用廣泛，其工作原理如圖4所示。

表5 煙氣流速測量方法Table 5 Measuring method of flue gas velocity

續表

圖4 超聲波時差法的工作原理Fig.4 Working principle of ultrasonic time difference method

目前在條件較好，且安裝有CEMS系統的火電企業加裝一套溫室氣體監測模塊成本為5萬～6萬元，加裝后無需專人管理，可長期使用。采用碳排放在線監測系統能從數據溯源等方面極大提高核查效率，達到監測目的，減少企業和政府管理成本[39]。

3)建立溫室氣體與大氣污染物協同監管機制，共同推進企業監測數據質量提升。“十四五”期間，我國生態文明建設進入以降碳為重點戰略方向、推動減污降碳協同增效、促進經濟社會發展全面綠色轉型。實現溫室氣體和大氣污染物協同監管具有科學基礎。降碳與減污之間有很好的協同效應。CO2與污染物排放同根、同源、同過程，治理和減排路徑高度協同。同時，二者在管理手段上都突出源頭治理、系統治理和綜合治理。

通過建立溫室氣體與大氣污染物協同監管機制，將監測數據應用于環保領域的超標判定和氣候變化領域的碳排放總量控制，有助于共同推進企業監測數據質量提升，且能協同各類社會資源，大幅降低管理成本，以更小行政成本實現更大管理效益。同時，實現減污降碳協同監管，可避免對企業的重復檢查與執法，最大限度降低生產干擾。

4)構建溫室氣體排放數據信息管理平臺，研究挖掘數據價值。溫室氣體排放監測及數據質量保證對雙碳工作至關重要。試點行業實行連續排放監測，政府須建立溫室氣體排放數據信息管理平臺，實現溫室氣體排放監測數據、煤質分析數據等碳排放信息的實時自動報送，統一規范數據信息，減少人為因素影響，提升數據真實性。為減少資源浪費，建議將溫室氣體連續排放監測系統的數據與環保部門現有環保監測平臺系統中統一管理相互融合。

通過構建溫室氣體排放數據信息管理平臺，研究挖掘其中數據價值。在溫室氣體排放量核查過程中，排放因子反映了單位活動水平的溫室氣體排放量。受燃料種類、燃燒機組負荷影響，目前我國溫室氣體排放核算方法與報告指南中排放因子缺省值均為固定值，與實際有一定偏差。可通過溫室氣體連續監測設備的引入獲得較準確的運行參數，據此對指南中排放因子進行修正和完善，指導低碳生產。

4 結 語

2021年全國碳排放權交易市場正式啟動，發電行業率先進入全國碳排放交易體系，推動溫室氣體排放連續監測系統建設有迫切的現實需求。本文從目前溫室氣體核查體系出發，分別從政府側、核查機構側和企業側對碳核查常見問題進行分析，梳理和總結了國內外溫室氣體排放連續監測的經驗，歐美等發達國家發展較早，初步形成了各自的碳計量體系，我國溫室氣體排放連續監測技術尚處于試點探索階段，缺少完整的碳計量體系、標準及政策。為保證碳排放數據質量，率先在國內火力發電行業試點構建以核查為主、監測為輔的碳計量體系，提出以下建議：① 建立煤質數據庫系統，保障碳排放數據的準確性；② 引入煤質快速分析計量技術，提高碳核查精度；③ 盡快建立健全溫室氣體排放監測標準體系及相關政策法規，指導工作有序開展；④ 提升自主創新能力，攻克溫室氣體監測技術難點；⑤ 建立溫室氣體與大氣污染物協同監管機制，共同推進企業監測數據質量提升；⑥ 構建溫室氣體排放數據信息管理平臺，研究挖掘數據價值，以推動我國火電企業碳計量體系建設，助推“雙碳”目標實現。