蔣 忠， 張 亮， 王海峰， 趙軍帥， 趙不賄， 王 池

(1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；3.鄭州計量先進(jìn)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450001)

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國對于能源的需求量逐漸增大。目前我國的能源結(jié)構(gòu)是以常規(guī)化石燃料為主，然而燃燒大量化石燃料會導(dǎo)致溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等各種問題[1]。

我國作為目前全球碳排放最多的國家，節(jié)能減排的壓力十分巨大[2]。國家“十二五”規(guī)劃綱要提出“建立完善溫室氣體統(tǒng)計核算制度，逐步建立碳排放交易市場”，《"十二五”控制溫室氣體排放工作方案》(國發(fā)[2011]1號)提出“加快構(gòu)建國家、地方、企業(yè)三級溫室氣體排放核算工作體系，實行重點企業(yè)直接報送溫室氣體排放和能源消費數(shù)據(jù)制度”[3]。目前國家已經(jīng)制定了GB/T 32151—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》，并于2016年6月1日實施。

2013年起,我國在7個城市開始碳交易試點,到目前為止，各個試點市場初具規(guī)模，市場總量位居世界第二。我國碳交易市場還處于初期階段，碳交易市場通過燃料端進(jìn)行核算，且大量企業(yè)在碳核查時使用缺省值，例如燃料熱值和排放因子。對于一個大型企業(yè)，每年的碳排放量可能達(dá)到上百萬甚至上千萬噸，核算排放量數(shù)據(jù)相差1%，就會涉及幾百萬元的碳交易配額。當(dāng)企業(yè)能夠自主地選擇使用缺省值或者實測數(shù)據(jù)來計算排放量時，會根據(jù)自身利益選擇不同數(shù)據(jù)，從而造成碳交易的不公平性。目前，國內(nèi)對于企業(yè)核算碳排放不確定度的研究較少。本文通過對多家企業(yè)排放量核算所需參數(shù)進(jìn)行了實測，研究缺省值和實測值對碳排放量不確定度的影響，在盡量不增加企業(yè)負(fù)擔(dān)的情況下減小企業(yè)碳排放量的測量不確定度。

2 研究方法

不確定度評估方法主要有不確定度傳遞法和蒙特卡羅(MC)法兩種[4,5]。不確定度傳遞法又稱GUM法，主要通過不確定度傳播規(guī)律計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，從而得到被測量估計值的測量不確定度[6]。MC法是一種基于“隨機數(shù)”的計算方法，它以概率論中的大數(shù)定理和中心極限定理為理論基礎(chǔ)，通過建立合適的數(shù)學(xué)模型，并且對該模型進(jìn)行隨機抽樣，最終以模擬實驗的結(jié)果作為所求問題的近似解[7]。

相比GUM法，MC法評定測量不確定度特別適用評定以下幾種情況[8]:

(1)輸出量的概率分布函數(shù)(PDF)偏離正態(tài)分布或縮放位移t分布;

(2)應(yīng)用不確定度傳播定律時，計算模型的偏導(dǎo)數(shù)困難或不方便；

(3)各不確定度分量的大小不相近；

(4)輸出量的估計值和其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的大小相當(dāng)；

(5)輸入量的PDF明顯不對稱；

(6)模型比較復(fù)雜，不能用線性測量模型表示。

因為本文中涉及的發(fā)電、水泥生產(chǎn)、陶瓷生產(chǎn)企業(yè)碳排放量數(shù)學(xué)模型是非線性方程，所以采用蒙特卡羅法進(jìn)行碳排放量不確定度分析。

3 排放量數(shù)學(xué)模型及不確定度分析方法

基于燃料端測量的發(fā)電企業(yè)碳排放量數(shù)學(xué)模型如下式所示(注：后文所有公式中量的符號以及單位均依據(jù)GB/T 32151.1—2015[9]中的規(guī)定)：

E1=NCV·FC·CC·OF·44/12+

B·I·Z·0.44+ADep·EFep

(1)

式中：E1為發(fā)電企業(yè)碳排放量，tCO2；NCV為化石燃料的低位發(fā)熱量，對于固體燃料，GJ/t，對于氣體燃料，GJ/104Nm3；FC為化石燃料的消耗量，對于固體燃料，t，對于氣體燃料，104Nm3；CC為化石燃料的單位熱值含碳量，tC/GJ;OF為化石燃料的碳氧化率，%；B為脫硫劑消耗量，t；I為脫硫劑中碳酸鹽含量，%；Z為碳酸鹽轉(zhuǎn)化率，%；ADep為購入(輸出)電量，MWh；EFep為供電排放因子，tCO2/MWh。

基于燃料端測量的水泥生產(chǎn)企業(yè)碳排放量數(shù)學(xué)模型如式(2)所示[10]：

E2=NCV·FC·CC·OF·44/12+

ADep·EFep+ADhp·EFhp

(2)

式中：E2為水泥生產(chǎn)企業(yè)碳排放量，tCO2；Q1為熟料產(chǎn)量，t；CCa為熟料中去除非碳酸鹽分解的氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CMg為熟料中去除非碳酸鹽分解的氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ADhp為購入(輸出)熱量，GJ；EFhp為熱力二氧化碳排放因子，tCO2/GJ；

基于燃料端測量的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)碳排放量數(shù)學(xué)模型如式(3)所示[11]：

E3=NCV·FC·CC·OF·44/12+

ADep·EFep+ADhp·EFhp

(3)

式中：E3為陶瓷生產(chǎn)企業(yè)碳排放量，tCO2；Q2為原料消耗量，t；CCaCO3為原料中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CMgCO3為原料中碳酸鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；η為原料利用率，%。

根據(jù)GB/T 213-2008，GB/T 476-2008相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對燃料低位發(fā)熱量、單位熱值含碳量、碳氧化率等計算因子進(jìn)行實測[12～14]，采用不同數(shù)據(jù)計算企業(yè)碳排放量，數(shù)據(jù)組合如表1所示。理論上組合4、5、6計算結(jié)果的不確定度越來越小，然而沒有具體減少的數(shù)據(jù)，因此需要通過MCM模擬出不同數(shù)據(jù)組合的企業(yè)碳排放量，并對其進(jìn)行不確定度分析。

表1 碳排放量數(shù)據(jù)組合

依據(jù)式(1)～式(3)，評定企業(yè)碳排放量的不確定度需要考慮以下輸入量的不確定度和概率分布。

(1)燃料、原料消耗量(FC、B、Q1、Q2)，通常固體燃料和原料使用衡器進(jìn)行稱量，對于其庫存變化通常用盤煤機等設(shè)備測量。液體燃料和原料使用量通常用流量計和容積罐測量，而氣體燃料是通過安裝在管道上的流量計測量[15]。企業(yè)通過對每批次的燃料、原料進(jìn)行測量得到其消耗量，故認(rèn)為是正態(tài)分布。根據(jù)調(diào)研企業(yè)的設(shè)備配備情況，固體燃料、原料消耗量測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(FC1)=u(B)=u(Q1)=u(Q2)=0.5%，天然氣消耗量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(FC2)=1%。

表2 采樣引起的發(fā)熱量不確定度

由于氣體燃料不存在均勻性問題，因此實測氣體燃料發(fā)熱量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(NCVgas,m)=1%，依據(jù)2家企業(yè)樣品的實測熱值，計算缺省值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(NCVgas,Q)=6%。

(4)碳氧化率(OF)的不確定度由爐渣產(chǎn)量(Gr)的不確定度、爐渣含碳量(Cr)的不確定度、飛灰產(chǎn)量(Ga)的不確定度、飛灰含碳量(Ca)、燃煤消耗量的不確定度、燃煤碳元素含量的不確定度、采樣不均勻性導(dǎo)致的不確定度合成得到。

OF的計算公式為

u(Gr)=u(Ga)=u(FC)=0.5%

u(Cr)=u(Ca)=u(C)=1.3%

使用6家企業(yè)樣品的實測碳氧化率，計算缺省值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(OFQ)=5%。

(5)對于其它參數(shù)，例如碳酸鹽轉(zhuǎn)化率(Z)根據(jù)實驗室分析，其轉(zhuǎn)化率約為92%，測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Zm)=1.5%。若采用缺省值100%，根據(jù)實測4家企業(yè)的碳酸鹽轉(zhuǎn)化率計算缺省值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ZQ)=5.8%；購入(輸出)電量、熱力(ADep、ADhp)按照GB/T 17167的要求[18]，企業(yè)需定期對電表、熱能表進(jìn)行計量檢定，通常情況下電量的測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ADep)=1%，熱能表測量熱水焓值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ADhp)=1.5%。

4 結(jié)果分析

本文實測了6家企業(yè)的燃料低位發(fā)熱量、單位熱值含碳量、碳氧化率等相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)將輸入量的概率分布和其相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?至表7所示。通過6種不同的數(shù)據(jù)組合進(jìn)行MCM法不確定度評定，具體評定結(jié)果如圖1～3所示。

表3 化石燃料、原料消耗量數(shù)據(jù)

表4 燃料低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)

表5 單位熱值含碳量數(shù)據(jù)

表6 碳氧化率數(shù)據(jù)

表7 其他輸入量的相關(guān)參數(shù)

從圖1～3中我們可以看出，不同數(shù)據(jù)組合的不確定度差異較大。

圖1 發(fā)電企業(yè)碳排放不確定度評估

圖2 水泥生產(chǎn)企業(yè)碳排放不確定度評估

圖3 陶瓷生產(chǎn)企業(yè)碳排放不確定度評估

對于發(fā)電企業(yè)而言，全部采用缺省值的碳排放量擴展不確定度平均為35.2%，采用組合2數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低14.7%；采用組合3數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低13.7%；采用組合4數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低26.7%；采用組合5數(shù)據(jù)時不確定度相對全部采用缺省值降低27.4%；采用組合6數(shù)據(jù)時不確定度相對全部采用缺省值降低30.1%。

對于水泥生產(chǎn)企業(yè)而言，全部采用缺省值的碳排放量擴展不確定度平均為11.9%；采用組合2數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低4.3%；采用組合3數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低3.7%；采用組合4數(shù)據(jù)時不確定度對全部采用缺省值降低8.4%；采用組合5數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低8.6%。

對于發(fā)電陶瓷而言，全部采用缺省值的碳排放量擴展不確定度是19.4%；采用組合2數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低8.0%；采用組合3數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低7.3%；采用組合4數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低14.4%；采用組合5數(shù)據(jù)時不確定度較全部采用缺省值降低14.9%。

總體而言，與采用缺省值相比，僅實測低位發(fā)熱量(氧彈量熱法)時排放量的擴展不確定度可降低9.0%；僅低位發(fā)熱量采用工業(yè)分析法測量時，排放量的擴展不確定度可以降低8.3%；低位發(fā)熱量(氧彈量熱法)和單位熱值含碳量進(jìn)行實測時，排放量的擴展不確定度可降低16.6%；低位發(fā)熱量(氧彈量熱法)和單位熱值含碳量、碳氧化率都進(jìn)行實測時，排放量的擴展不確定度可降低16.9%；若對所有參數(shù)進(jìn)行實測，則排放量的擴展不確定度可以降低17.1%。由此可以看出，與采用缺省值相比實測NCV和CC可以較大地降低企業(yè)碳排放量的不確定度，另外對于發(fā)熱量測量，相比工業(yè)分析法發(fā)熱量測量，氧彈量熱儀測量不確定度較小。

另外，使用缺省值計算企業(yè)碳排放量時會引入誤差。就本文測量的6家企業(yè)而言，低位發(fā)熱量實測值明顯高于缺省值，采用缺省值會低估企業(yè)的碳排放量。單位熱值含碳量和碳氧化率實測值明顯低于缺省值，采用缺省值會高估企業(yè)的碳排放量。因此在碳排放量核算過程中建議企業(yè)盡量對核算所需的參數(shù)進(jìn)行實測，減少缺省值的使用。

5 結(jié) 論

本文基于蒙特卡洛法對發(fā)電企業(yè)、水泥生產(chǎn)企業(yè)、陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的碳排放進(jìn)行不確定度建模計算，通過選取發(fā)熱量、單位熱值含碳量實測值和缺省值進(jìn)行碳排放不確定度對比研究，判定各分量對不確度影響的程度。

通過上述分析，化石燃料的發(fā)熱量和單位熱值含碳量對碳排放量的不確定度影響較大，應(yīng)鼓勵企業(yè)購置相關(guān)的測量儀器對企業(yè)的化石燃料的低位發(fā)熱量和單位熱值含碳量進(jìn)行定期檢測，從而降低企業(yè)碳排放量的不確定度，提高碳排放量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。