華能（浙江）能源開發(fā)有限公司長興分公司 董勇衛(wèi) 徐建剛 阮國榮 王偉杰 雍 駿 柏元華

1997年12月11日，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第三次締約方大會促生了公約的第一個附加協(xié)議《京都議定書》的誕生，這是人類歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。京都議定書規(guī)定的附件一所列締約國可通過交易轉(zhuǎn)讓或境外項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，降低溫室氣體減排活動對經(jīng)濟的負面影響，實現(xiàn)全球減排成本效益最優(yōu)。

習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會提出“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，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”。2021年10月24日，國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，要求加強碳排放核算方法的研究和碳排放統(tǒng)計核算體系的建設(shè)，推進碳排放實測技術(shù)發(fā)展，加快新技術(shù)在碳排放實測技術(shù)領(lǐng)域的應用，鼓勵和支持行業(yè)、企業(yè)依據(jù)生產(chǎn)工藝特點開展CO2在線測量技術(shù)的工程應用研究，建立準確可信的碳實時監(jiān)測系統(tǒng)和核算體系。

1 碳排放量的核算及應用研究

碳排放量的核算是有效開展各項碳減排工作，實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”的基本前提，也是構(gòu)建碳交易市場不可缺少的一個組成部分，目前碳排放量的核算方法有兩種：碳計量。與IPCC（政府間氣候變化專門委員會）的物料均衡法類似，將企業(yè)的生產(chǎn)活動劃分為若干流程。在給定的參數(shù)下按照不同的方法計算每個流程中的碳排放量，并加總得到企業(yè)的碳排放總量；碳檢測（或碳監(jiān)測）。是指利用CEMS（連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)）對企業(yè)的碳排放量進行監(jiān)測。

全國碳排放權(quán)交易市場的發(fā)電行業(yè)重點排放單位（含自備電廠）使用燃煤、燃油、燃氣等化石燃料及摻燒化石燃料的純凝發(fā)電機組和熱電聯(lián)產(chǎn)機組等發(fā)電設(shè)施，按照《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施》的計算公式來進行溫室氣體排放核算。燃燒排放量是統(tǒng)計期內(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。

燃料活動數(shù)據(jù)是統(tǒng)計期內(nèi)燃料的消耗量與其低位發(fā)熱量的乘積：AD=FC×NCV，式中：AD為燃料的活動數(shù)據(jù)、吉焦（GJ），F(xiàn)C為燃料的耗量，對固體或液體燃料、噸（t），NCV為燃料的低位發(fā)熱量，對固體或液體燃料、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)計期內(nèi)碳排放量的計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)目前還大多有賴于人工分析，以日為時間單位。而在碳排放量的實際計算時一般以年、月為時間單位，否則數(shù)據(jù)量過于龐大。相比于碳計量階段式的計算方法，碳檢測對企業(yè)碳排放量的統(tǒng)計更加具有連續(xù)性、更加準確。監(jiān)測系統(tǒng)可將企業(yè)的排放數(shù)據(jù)上傳至云端，易于監(jiān)管部門進行監(jiān)測和管理。

碳計量仍是目前中國碳排放核算的主要方法。歐盟采用碳計量和碳檢測并行的方法，美國優(yōu)先采用碳檢測的方法。從國內(nèi)碳核算、碳交易市場的發(fā)展來看，行業(yè)差異、工藝流程差異會使得政府監(jiān)管部門的管理難度加大，技術(shù)更新及管理要求的提高使監(jiān)管標準也會不斷更迭，中國未來可能將碳檢測納入作為碳排放量核算的標準方法。在此背景下，華能（浙江）能源開發(fā)有限公司長興分公司開展了火電廠碳實測的應用研究。

現(xiàn)有的燃煤電廠都建有煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS），實時測量煙氣中SO2、NOX、顆粒物等污染物的實時濃度，數(shù)據(jù)傳輸至機組控制系統(tǒng)（DCS)用于機組環(huán)保排放參數(shù)的實時控制，同時數(shù)據(jù)通過環(huán)保專網(wǎng)傳輸至政府環(huán)保監(jiān)管部門對企業(yè)污染物排放進行監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，每臺機組總排口建設(shè)安裝一套CO2實時測量系統(tǒng)，用以測定煙氣中CO2排放濃度，同時采集煙氣溫、壓、流、濕度、氧量等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)上傳到碳排放監(jiān)測平臺，自動計算CO2和碳排放量，可顯示和打印各種參數(shù)圖表。碳排放監(jiān)測平臺根據(jù)政府部門、企業(yè)及人員管理授權(quán)，依據(jù)賬號登陸，實時監(jiān)測碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)和報表。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2 CO2測量系統(tǒng)

2.1 CO2的測量方法的選擇

目前CO2的測量方法有很多種，主要有氣相色譜法、滴定法、固體電解質(zhì)式、紅外吸收法等。本項目中采用基于非分散紅外吸收檢測原理及檢測方法。紅外吸收法利用紅外線作為測量介質(zhì)的CO2測量系統(tǒng)，利用CO2吸收波長4.26μm紅外線的物理特征來有選擇地測量氣體中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、檢測氣室、濾光片、紅外測量裝置等組成，當紅外線輻射透過進入檢測氣室的被測氣體后，氣體中的CO2會吸收波長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探頭測出，通過測量該譜線能量的衰減量來得知被測氣體濃度。

2.2 CO2檢測系統(tǒng)

CO2檢測系統(tǒng)由采樣探頭、伴熱管線、氣體樣品預處理系統(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、前級過濾器單元、儲氣罐、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、完成前級粉塵凈化，并可對取樣部分進行周期性的吹掃，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。溫度保持120℃左右，保證將樣品氣安全可靠的由采樣點傳輸至分析柜。

樣品預處理系統(tǒng)。由冷凝器、抽氣泵、流量調(diào)節(jié)、標定氣路等組成，對樣品氣進行進一步的處理（除水、抽氣、樣品氣調(diào)節(jié)等），最后將樣品送至分析儀進行分析；氣體分析儀。整個CO2監(jiān)測系統(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，精準分析樣氣中CO2濃度。分析儀與預處理結(jié)合，能實現(xiàn)定時自動零點和跨度校準，以及全系統(tǒng)校準。

每個光路均采用測量氣室和參比氣室的雙氣室設(shè)計，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、光學和電子元器件變化引起的測量噪聲，抗干擾能力強，穩(wěn)定性更高，同時增加了檢測靈敏度、提高了檢測下限。分析模塊配置壓力補償模塊和氣室恒溫模塊，從而極大地降低了溫度和壓力對測量的影響。在分析儀表中配備了校準池模塊，校準池模塊中密封著標準氣體（CO2），位于檢測器前方，由馬達來驅(qū)動，可定期自動對儀器進行跨度校準，確保分析儀表在測量過程中的準確和穩(wěn)定。取代了傳統(tǒng)的鋼氣瓶，同時可避免手工校準可能引起的系統(tǒng)誤差。

3 碳排放監(jiān)測平臺

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)測系統(tǒng)應用軟件、嵌入式計算機等組成。數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)中的重要部分，主要通過PLC將煙氣數(shù)據(jù)進行采集處理，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測平臺嵌入式計算機進行計算和排放量的換算。完成顯示和記錄系統(tǒng)中測量出的CO2濃度、煙氣溫度、煙氣流速、含氧量等參數(shù)，并計算出CO2濃度、排放量等數(shù)據(jù)，存放到歷史數(shù)據(jù)庫中，具備打印報表等功能。

煙氣排放參數(shù)測量系統(tǒng)。在此項目中利用共享原環(huán)保在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)方式，在做好網(wǎng)絡(luò)安全防護措施的前提下，從原煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)單向采集機組煙氣溫度、壓力、流速、含濕量、氧量等參數(shù)；數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計系統(tǒng)。由于目前還沒有CO2測量計算及統(tǒng)計的行業(yè)、國家標準，針對各測量系統(tǒng)上傳到計算機的測量數(shù)據(jù)，參照HJ76-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》中的計算公式完成各種計算和統(tǒng)計，并將全部的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，為以后的查詢和報表提供了保障。

3.2 監(jiān)測平臺功能

平臺將傳到計算機的測量數(shù)據(jù)，完成各種計算和累加，并將全部的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中。平臺有多個安全級別，不同級別的部門、人員只能依據(jù)授權(quán)進行相應級別的操作。內(nèi)有模擬信號表、數(shù)字信號表、參數(shù)表、曲線和歷史曲線等界面,完善的人機操作界面為數(shù)據(jù)的查詢和報表提供了保障，使用戶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)通過曲線圖的方式顯示出來，可查詢當前站點測項數(shù)據(jù)的趨勢，也可對多個測項的數(shù)據(jù)進行對比查看，可打印和導出曲線圖形；數(shù)據(jù)查詢、瀏覽與報表。查詢選擇時段的所有數(shù)據(jù)，包括實時數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)、10分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)、天數(shù)據(jù)，計算當前查詢數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值，形成日、周、月、季等報表。

綜上，依托華能（浙江）能源開發(fā)有限公司長興分公司CO2實時測量系統(tǒng)的碳排放監(jiān)測平臺建設(shè)，作為浙江省內(nèi)首臺套新設(shè)備的試點研究應用，與原有的環(huán)保污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)高度整合，CO2單獨測量，避免在同一CEMS內(nèi)測量多種污染物出現(xiàn)的相互影響。將數(shù)據(jù)共享和5G通訊等技術(shù)應用于CO2排放實測技術(shù)領(lǐng)域的工程實踐，減少了項目投入、降低施工難度。解決了CO2測量成套、數(shù)據(jù)采集傳輸和碳監(jiān)測平臺的接入，實現(xiàn)了用實時測量和自動統(tǒng)計的方法替代傳統(tǒng)的人工計算的碳核算方法。