郭 振， 王小龍， 任 健， 屠國平，鄭小美， 鄧程薏

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

1 引 言

目前世界各國對控制并減少二氧化碳排放量已達成共識。碳排放權(quán)交易作為一種靈活的市場化減排機制，實現(xiàn)碳排放總量控制和資源的最佳配置，已成為溫室氣體減排的重要經(jīng)濟手段[1，2]。

碳排放權(quán)交易機制的高效運行前提是碳排放數(shù)據(jù)的“可測量、可報告、可核查”。目前，國際上用于量化碳交易的方法有：碳平衡法、排放因子法和直接監(jiān)測法[3～6]。核算碳排放量時往往采用《IPCC國家溫室氣體清單指南》中給出的缺省排放因子[7～10]。然而燃煤種類繁多(包含煙煤、褐煤、無煙煤等)，且燃煤成分差異性較大(碳、氫、硫、氧和氮等元素的含量不同)，導(dǎo)致了計算得到的碳排放量數(shù)據(jù)存在較大的不確定度[11，12]。直接監(jiān)測法基于煙氣分析系統(tǒng)的連續(xù)在線監(jiān)測，計算簡便，人為干擾少，是大多數(shù)國家主要的碳排放量核查與評價方法之一[13～15]。

碳排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種測量設(shè)施，其測量數(shù)據(jù)的量值特征和測量系統(tǒng)不確定度反映了測量結(jié)果的可信程度。目前，我國對碳排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究均集中于測量方法和測量系統(tǒng)構(gòu)建，缺少對其測量不確定度評定的研究。本文的研究通過研制碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺，然后調(diào)整煙氣的壓強、溫度、含水率、流量和二氧化碳的濃度，模擬分析碳排放在線監(jiān)測過程，研究其測量方法。然后根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》和JJG 640-2016《差壓式流量計》等技術(shù)規(guī)范對其進行碳排放量測量結(jié)果進行不確定度評定[16，17]。

2 碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺

測量系統(tǒng)包括煙氣模擬、煙氣取樣、測量、校準和系統(tǒng)軟件。

煙氣模擬：以發(fā)電廠現(xiàn)場煙氣工況為依據(jù)，對煙氣的二氧化碳、硫化物、氮氧化物、顆粒物等濃度、含水率、含氧量、溫度、壓強等參數(shù)進行模擬發(fā)生。

煙氣取樣：采用3路取樣探頭，并配以伴熱帶，然后充分混合。

測量：采用Emerson公司的氣體分析儀CT5400同時對二氧化碳、硫化物、氮氧化物、H2O和氧氣等濃度進行測量。采用壓力變送器、溫度傳感器分別對煙氣壓強和溫度進行測量。采用孔板流量計對煙氣流量進行測量(碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺示意圖如圖1所示)。

圖1 碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺示意圖

校準：采用標準氣體對氣體分析儀的氧氣、氮氣、二氧化碳、硫化物、氮氧化物等測量項目進行校準。

系統(tǒng)軟件：對煙氣流量、溫度、壓強、二氧化碳/硫化物/氮氧化物/氧氣等濃度、含水率等參數(shù)的控制和測量數(shù)據(jù)的采集，軟件界面如圖2所示。

圖2 碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺系統(tǒng)軟件界面

3 測量數(shù)學(xué)模型

二氧化碳排放連續(xù)在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：M(CO2)為二氧化碳的排放量，kg；p為煙氣壓強，Pa；V為煙氣體積，m3；φ為含水率，%；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為煙氣溫度，K；C(CO2)為二氧化碳的濃度，%。其中，煙氣體積V通過式(2)和式(3)計算得到：

VS=QV×t

(2)

(3)

式中：QV為煙氣的流量，m3/s；t為測量時間，s；C為流出系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；ρ為節(jié)流件上流流體密度，kg/m3；Δp為節(jié)流件上下游差壓，Pa；d為孔板開孔直徑，m；D為管道內(nèi)經(jīng)，m；β為直徑比，β=d/D。

4 不確定度來源分析

根據(jù)二氧化碳排放連續(xù)在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型和測試方法，可以得出不確定度由兩部分組成：第一部分是各個參數(shù)重復(fù)測試過程引起的不確定度(A類不確定度)；第二部分是通過測試過程中測量設(shè)備、測量環(huán)境等影響因素對測量結(jié)果所引起的不確度(B類不確定度)，包括：氣體分析儀的儀器精確度、儀器誤差、線性度、零點漂移、跨度漂移和環(huán)境溫度誤差；孔板流量計的流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)、節(jié)流件上下游差壓、孔板開孔直徑、直徑比、管道內(nèi)經(jīng)和節(jié)流件上流流體密度；含水率的測量精確度；壓力變送器的精確度；溫度傳感器的精確度；測量時間覆蓋的完整性。

5 不確定度評估

5.1 二氧化碳濃度的不確定度

測量模型如圖3所示。

圖3 CO2濃度測量不確定度來源圖

C(CO2)=CCO2,0+ΔCCO2，a+ΔCCO2，e+ΔCCO2,l+

ΔCCO2,z+ΔCCO2,s+ΔCCO2,t

(4)

式中：CCO2,0為CO2濃度實際測得的值；ΔCCO2，a為儀器精確度對CO2濃度引入的修正值；ΔCCO2，e為儀器誤差對CO2濃度引入的修正值；ΔCCO2,l為線性度對CO2濃度引入的修正值；ΔCCO2,z為零點漂移對CO2濃度引入的修正值；ΔCCO2,s為跨度漂移對CO2濃度引入的修正值；ΔCCO2,t為環(huán)境溫度誤差對CO2濃度引入的修正值。

5.1.1 測量重復(fù)性的不確定度

圖4 重復(fù)性測量

=0.007 67%

(5)

5.1.2 儀器精確度的不確定度

(6)

5.1.3 儀器誤差的不確定度

(7)

5.1.4 線性度的不確定度

(8)

5.1.5 零點漂移的不確定度

(9)

5.1.6 跨度漂移的不確定度

(10)

5.1.7 環(huán)境溫度誤差的不確定度

(11)

5.1.8 二氧化碳濃度的不確定度評定

CO2濃度的不確定度的各分量相互之間沒有相關(guān)性，則合成不確定為：

uC(C(CO2))=[(c11u11)2+(c12u12)2+

(c13u13)2+(c14u14)2+

(c15u15)2+(c16u16)2+

(c17u17)2]0.5

(12)

uC(C(CO2))=0.424 4%

CO2濃度的相對不確定度為：

5.2 煙氣流量的不確定度

5.2.1 測量重復(fù)性的不確定度

圖5 重復(fù)性測量

=0.150 m3/h

(13)

煙氣流量測量重復(fù)性的相對不確定度為：

5.2.1 流出系數(shù)的相對不確定度

根據(jù)JJG 640-2016，當0.2<β<0.6時，流出系數(shù)的不確定度為0.5%?？装辶髁坑?，β=d/D=0.586。流出系數(shù)的相對不確定度為：

ur(C)=0.5%

5.2.2 可膨脹系數(shù)的相對不確定度

根據(jù)JJG 640-2016，當(p1/p2)>0.75時，流出系數(shù)的不確定度為3.5(Δp/(κp1))?？装辶髁坑?，p2/p1=0.989，流出系數(shù)的相對不確定度為：

ur(ε)=3.5(Δp/(κp1))×100%=0.027%

(14)

5.2.3 節(jié)流件孔徑的不確定度

根據(jù)GB/T 2624.1，可采用規(guī)定給出的最大值進行計算，對于節(jié)流件孔徑其最大值δd/d=0.1%，出節(jié)流件孔徑的相對不確定度為：

ur(d)=0.1%

5.2.4 上游管道內(nèi)徑的不確定度

根據(jù)GB/T 2624.1，可采用規(guī)定給出的最大值進行計算，對于節(jié)流件孔徑其最大值δD/D=0.1%，上游管道內(nèi)徑的相對不確定度為：

ur(D)=0.1%

5.2.5 流體密度的不確定度

根據(jù)GB/T 2624.1，須由用戶自行確定δρ/ρ的值，對于流體的密度，可根據(jù)該處流體的絕對靜壓，絕對(熱力學(xué))溫度進行確定，其公式為：

(15)

(16)

流體密度的相對不確定度為：

ur(ρ)=0.203%

5.2.6 上下游壓差的不確定度

根據(jù)GB/T 2624.1，對于上下游壓差的不確定度可根據(jù)式(17)進行估算，其公式為：

(17)

上下游壓差的相對不確定度為：

ur(Δp)=0.068%

5.2.7 煙氣流量的不確定度評定

GB/T 2624.1規(guī)定，煙氣流量的相對不確定度為：

urel(QV)=[(c1ur(C))2+(c2ur(ε))2+

(c3ur(d))2+(c4ur(D))2+

(c5ur(ρ))2+(c6ur(Δp))2]0.5

=0.6%

(18)

5.3 含水率的不確定度

5.3.1 測量重復(fù)性的不確定度

圖6 重復(fù)性測量

=0.009 29%

(19)

5.3.2 儀器精確度的不確定度

5.3.3 含水率的不確定度評定

含水率的合成標準不確定度為：

(20)

以平均值7.172%作為測量結(jié)果，含水率的合成相對不確定度為：

5.4 煙氣壓強的不確定度

5.4.1 測量重復(fù)性的不確定度

圖7 重復(fù)性測量

(21)

煙氣壓強測量重復(fù)性的相對不確定度為：

5.4.2 壓力變送器的不確定度

壓力變送器計量檢定后給出的擴展不確定度為0.06%FS(k=2)，即相對不確定度ur,b=0.03%。

5.4.3 煙氣壓強的不確定度評定

煙氣壓強的相對不確定度為：

(22)

5.5 煙氣溫度的不確定度

5.5.1 測量重復(fù)性的不確定度

圖8 重復(fù)性測量

=0.049 K

(23)

煙氣溫度測量重復(fù)性的相對不確定度為：

5.5.2 溫度傳感器的不確定度

溫度傳感器計量檢定后給出的擴展不確定度為0.08 K(k=2，量程為573.15 K)，即相對不確定度ur，b=0.014%。

5.5.3 煙氣溫度的不確定度評定

煙氣溫度的相對不確定度為：

(24)

5.5 時間覆蓋不完全的不確定度

計算被測物(X)的時間平均值的不確定度時，如果某一時間段內(nèi)存在數(shù)據(jù)缺失，則對時間段的不完全覆蓋會對時間平均值造成額外的不確定度，該不確定度為：

(25)

式中：urel(t)為時間覆蓋不完全的不確定度；N為變量(X)的被測次數(shù)；Nmax為一段時間內(nèi)變量(X)的測量的最大次數(shù)；urel(X)為測量值的相對不確定度。

當N小于Nmax時，由時間覆蓋不完全引起的不確定度與濃度測量的不確定度相結(jié)合。

本文計算時間覆蓋不完全的不確定度時，為出現(xiàn)時間覆蓋不完全的現(xiàn)象，即N=Nmax，因此，時間覆蓋不完全的相對不確定度為：

urel(t)=0

5.6 碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺的不確定度

采用碳排放實驗測量系統(tǒng)測量碳排放量時，二氧化碳濃度測量與煙氣流量的測量無相關(guān)性，碳排放量測量法合成相對不確定度為：

=2.93%

(26)

碳排放量測量法合成擴展相對不確定度為：urel(M(CO2))=5.86%，k=2，置信水平：95%。

6 結(jié) 論

通過對碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺測量二氧化碳排放量的測量結(jié)果的不確定度分析和評定，得出碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺測量二氧化碳排放量的擴展相對不確定度urel=5.86%(k=2)。從測量結(jié)果的不確定度評定可以分析得出：

(1)碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺測量二氧化碳排放量的測量的不確定度不大，說明搭建的碳排放測量平臺對二氧化碳排放量的測量結(jié)果均勻穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差較小，儀器設(shè)施穩(wěn)定性較好；

(2)分量不確定度貢獻最大的是環(huán)境溫度誤差，說明測量過程應(yīng)保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定，減少其測量的不確定度；

(3)煙氣流量的相對不確定度：urel(QV)=0.6%，說明碳排放連續(xù)在線監(jiān)測實驗平臺的煙氣管道較小，煙氣流動較為穩(wěn)定，對煙氣流量測量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。在實際中，例如火力發(fā)電廠的煙氣管道尺寸較大，煙氣流動情況復(fù)雜，其煙氣流量的測量不確定度會大幅增大。