劉科，楊興森，王太，董信光，張利孟，張緒輝，袁森，辛剛，高嵩

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院動力工程系，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250003）

電力行業(yè)為居民生活與經(jīng)濟運轉(zhuǎn)提供了基礎(chǔ)保障，但同時也是重要的碳排放部門。據(jù)世界資源研究所（WRI）統(tǒng)計，電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放約占中國2020 年碳排放總量的41.6%，相應(yīng)排放量約為40 億t[1-2]，且有增長趨勢[3]。由此可見，電力是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)，也是碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域，電力低碳轉(zhuǎn)型對實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)具有全局性意義[4-6]。而扎實做好燃煤機組的碳排放核算與監(jiān)測，是順利推進能源低碳轉(zhuǎn)型和電力碳減排的基礎(chǔ)性工作[7-8]。只有做到碳排放的連續(xù)監(jiān)測才能研究掌握發(fā)電機組的實時碳排放規(guī)律和特性，進而開展減碳優(yōu)化、低碳調(diào)度等方面的研究，全面支撐電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型。

目前燃煤機組的碳排放核算依據(jù)為《溫室氣體排放核算與報告要求第1 部分：發(fā)電企業(yè)》（GB/T 32151.1—2015）和《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》[9-11]。2022 年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》[12]，對發(fā)電行業(yè)重點排放單位的核算和報告進行統(tǒng)一規(guī)范，對省級主管部門開展數(shù)據(jù)核查的程序和內(nèi)容提出嚴(yán)格要求。

相比于發(fā)電企業(yè)碳排放核算方法的逐漸完善，碳排放的在線監(jiān)測方法仍在探索階段，目前主要有核算法和實測法2 種技術(shù)流派[13-21]。

實測法依托于煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（continuous emission monitoring system，CEMS），需要在當(dāng)前燃煤企業(yè)環(huán)保CEMS 基礎(chǔ)上添加CO2監(jiān)測以及煙氣流量實時測量模塊。這種方法要廣泛推廣最大的困難在于煙氣流量測量的準(zhǔn)確性難以長期保證[22]。

核算法常用于較長時間周期的碳排放核算，也有一些學(xué)者用核算法分析碳排放強度的影響因素[23-24]，但核算周期長難以實現(xiàn)不同運行工況下碳排放特性的研究。此外，燃煤量的測量值與實時負(fù)荷存在時間差，從而無法得到實時負(fù)荷下的碳排放強度，給碳排放強度的實時監(jiān)測研究帶來困難。

本文采用《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》要求的碳核算方法，通過能量平衡和物料守恒的方法對燃煤量進行實時計算，避免了燃煤實測滯后性的問題，實現(xiàn)了燃煤機組碳排放量的實時在線核算和監(jiān)測；進而對試點機組不同調(diào)峰工況下的碳排放數(shù)據(jù)進行分析，研究機組調(diào)峰時的碳排放特性。

1 CO2 排放量監(jiān)測計算模型

《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》指出發(fā)電企業(yè)排放的CO2包含化石燃料燃燒排放、使用購入電力排放2 部分（脫硫系統(tǒng)碳排放不計算在內(nèi)）。由于電廠外購電量只有在所有機組都停機，需要使用電網(wǎng)電力進行啟動時發(fā)生，占比極少，所以本文在進行發(fā)電企業(yè)碳排放特性分析時只考慮化石燃料燃燒排放（Er）。其計算公式為：

式中：FC為監(jiān)測期燃煤的凈消費量，t；Car,c為燃煤的收到基元素碳含量，%；OFC為燃煤的碳氧化率，%；44/12 為二氧化碳與碳的相對分子質(zhì)量之比。

燃煤量的計量裝置一般安裝在輸煤皮帶上或者磨煤機入口給煤機處。磨煤機入口測得的燃煤量經(jīng)磨煤機磨制再入爐燃燒。負(fù)荷變化時，由于控制方式的不同，燃煤量的變化存在滯后或超前，因此磨煤機入口的燃煤量測量值無法用于機組實時碳排放強度的計算。即便是直吹式制粉系統(tǒng)，輸煤皮帶上的煤也至少需要1～2 h 才能入爐燃燒，因此輸煤皮帶上測得的燃煤量更加無法用于實時碳排放強度的計算。鑒于此，本文依據(jù)能量守恒法，使用鍋爐有效吸熱量[25]來計算燃料實時消耗量：

式中：FCC為鍋爐燃煤實時消耗量，t/h；Dgq為過熱蒸汽流量，t/h；hgq為過熱蒸汽焓，kJ/kg；hgs為鍋爐給水焓，kJ/kg；Dpw為鍋爐排污水量，t/h；hpw為排污水焓，kJ/kg；Dzq為鍋爐再熱蒸汽流量，t/h；hzq,c為再熱蒸汽出口焓，kJ/kg；hzq,r為再熱蒸汽入口焓，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，%；Qar,net為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

在得到燃煤實時消耗量之后，即可計算得到機組當(dāng)前負(fù)荷對應(yīng)的發(fā)電碳排放強度實時值Erc：

式中：Erc為機組實時發(fā)電碳（以CO2計）排放強度，t/(MW·h)；Pe為機組實時電功率，MW。

由于不同煤種的碳氧化率不同，為了客觀評價燃用無煙煤和燃用煙煤機組的碳排放特性，本文中的燃料碳氧化率不采用缺省值方案，而是采用GB/T 32151.1—2015 中的公式計算[26]：

式中：OFC為燃煤的碳氧化率，%；Gz為全年的爐渣產(chǎn)量，t；Cz為爐渣的平均含碳量，%；Gh為全年的飛灰產(chǎn)量，t；Ch為飛灰的平均含碳量，%；ηcc為除塵系統(tǒng)平均除塵效率，%；FCC為鍋爐燃煤消耗量，kg/h。

煤質(zhì)、飛灰爐渣含碳量等數(shù)據(jù)每8 h 更新1 次，由于同一機組入爐煤質(zhì)在8 h 內(nèi)較為穩(wěn)定，因此在計算模型中假定8 h 內(nèi)煤質(zhì)飛灰爐渣的數(shù)據(jù)不變，模型中其他運行參數(shù)為機組運行數(shù)據(jù)，每分鐘更新1 次。

通過以上方式建立計算模型，可以實現(xiàn)機組發(fā)電碳排放強度的分鐘級更新，將機組碳核算的時間尺度精確到了分鐘級，進而可以用來開展機組運行狀態(tài)下碳排放特性監(jiān)測研究。

2 機組碳排放強度變化規(guī)律分析

2.1 監(jiān)測機組介紹

本文選擇國家能源FX1 號（FX#1）、大唐HD5號（HD#5）、華潤HZ2 號（HZ#2）、華電WF4 號（WF#4）等4 臺600 MW 等級機組和華電LZ2 號（LZ#2）1 000 MW 機組為研究對象開展碳（以CO2計）排放強度實時監(jiān)測分析。取8 月份相關(guān)運行數(shù)據(jù)以及煤質(zhì)、灰渣含碳量等數(shù)據(jù)，計算機組的碳排放情況。選取的機組8 月份均為純凝運行方式。

5 臺機組的主要設(shè)備參數(shù)見表1；5 臺機組8 月份負(fù)荷運行范圍、煤質(zhì)、飛灰爐渣含碳量等主要數(shù)據(jù)情況見表2。

表1 5 臺機組主要設(shè)備及參數(shù)Tab.1 Main equipment and parameters of five units

表2 5 臺機組8 月份主要數(shù)據(jù)Tab.2 Main data of five units in August

2.2 600 MW 等級監(jiān)測機組不同負(fù)荷下碳排放強度

在8 月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，取各負(fù)荷率下所有的實時碳排放強度數(shù)據(jù)的平均值代表該機組在此負(fù)荷率下的發(fā)電碳排放強度。4 臺600 MW 監(jiān)測機組不同負(fù)荷率下平均碳排放強度對比如圖1 所示。

圖1 600 MW 監(jiān)測機組不同負(fù)荷率下平均碳排放強度對比Fig.1 Comparison of carbon emission intensity of 600 MW monitoring unit at different load rates

由圖1 可知，隨著負(fù)荷降低，機組的發(fā)電碳排放強度逐漸升高。HZ#2 和FX#1 機組額定負(fù)荷附近的碳排放強度下降明顯。經(jīng)查，這2 臺機組在額定負(fù)荷點附近會采取提前更換煤種等措施保證機組帶負(fù)荷能力，因此該負(fù)荷碳排放強度下降較多。

由圖1 還可發(fā)現(xiàn)，燃用貧煤的WF#4 機組碳排放強度比同等級燃用煙煤的其他3 臺機組要高。由表2 可見，WF#4 機組的飛灰、爐渣含碳量月度均值分別為5.87%、10.98%，遠(yuǎn)高于煙煤機組。在其他系統(tǒng)能耗相同的情況下，貧煤機組的機械不完全燃燒熱損失更大，從而導(dǎo)致了貧煤機組相比煙煤機組更高的碳排放強度。

2.3 監(jiān)測機組穩(wěn)定負(fù)荷下的碳排放強度

以上在研究機組不同負(fù)荷率下碳排放規(guī)律時，未區(qū)分機組是否處在穩(wěn)定工況中。為進一步研究燃煤機組平穩(wěn)負(fù)荷段（每個平穩(wěn)工況時長15 min 以上）的發(fā)電碳排放特性，選取WF#4 機組42 個平穩(wěn)運行工況、HZ#2 機組39 個平穩(wěn)工況進行分析，相同負(fù)荷分別有2～15 個工況點；選取LZ#2 機組22個平穩(wěn)負(fù)荷段，相同負(fù)荷分別有2～3 個工況點，計算發(fā)電碳排放強度：結(jié)果如圖2 所示。

圖2 機組負(fù)荷與碳排放強度關(guān)系Fig.2 Relationship between unit load and carbon emission intensity

由圖2 可見：在相同負(fù)荷點，機組的發(fā)電碳排放強度都集中分布在一定區(qū)間內(nèi)；WF#4 與HZ#2 機組相比，相同負(fù)荷點發(fā)電碳排放強度的分布范圍更小，偏差范圍為[-1.30%，1.99%]；HZ#2 機組相同負(fù)荷點發(fā)電碳排放強度的偏差范圍為[-2.20%，2.61%]；LZ#2 機組雖然在每個負(fù)荷的工況點較少，但這些工況點分布非常集中。在歷史相同負(fù)荷點機組的碳排放強度波動范圍越小，說明機組的運行狀態(tài)越穩(wěn)定，在相同負(fù)荷下的碳排放強度也就越集中。因此也可認(rèn)為，相同負(fù)荷下碳排放強度分布范圍越小的機組，碳排放特性越穩(wěn)定。

為進一步分析不同容量等級機組在不同穩(wěn)定負(fù)荷點的碳排放特性，將以上機組相同負(fù)荷段的碳排放強度平均，結(jié)果如圖3 所示。3 臺機組各負(fù)荷下的主要運行參數(shù)平均值見表3。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，3 臺機組碳排放強度隨負(fù)荷的變化規(guī)律一致，負(fù)荷越高，碳排放強度越低。

圖3 600、1 000 MW 機組負(fù)荷與碳排放強度關(guān)系Fig.3 Relationship between load and carbon emission intensity of 600 MW and 1 000 MW units

不同機組之間碳排放情況各不相同。以HZ#2機組為例，其在60%～100%負(fù)荷時，碳排放強度變化較為平緩；負(fù)荷降至50%負(fù)荷時，機組碳排放強度明顯增大，碳排放強度相比60%負(fù)荷增加7.76%。

由表3 可知，HZ#2 機組50%負(fù)荷時的再熱蒸汽溫度比60%負(fù)荷時下降22 ℃，而WF#4 機組50%負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度相比其他負(fù)荷并沒有明顯下降。因此，提高低負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度是HZ#2機組節(jié)能降碳需要改進的方向。與600 MW 等級的HZ#2、WF#4 機組相比，1 000 MW 等級的LZ#2 機組在低負(fù)荷段仍能保持在設(shè)計參數(shù)附近運行，因此碳排放強度在低負(fù)荷段增長幅度相對較小。如何保持低負(fù)荷段的主要運行參數(shù)，是大多數(shù)機組尤其是老舊機組節(jié)能減碳優(yōu)化需要重點研究的方向。從低碳調(diào)度角度出發(fā)，在電網(wǎng)需要機組在高負(fù)荷運行時，應(yīng)優(yōu)先調(diào)用大容量高參數(shù)的煙煤機組；在需要機組進行深度調(diào)峰吸納新能源時，相同條件下應(yīng)優(yōu)先選擇低負(fù)荷碳排放強度增加較少機組。

表3 各負(fù)荷下機組主要運行參數(shù)平均值Tab.3 Average value of main operating parameters of the unit at different load rates

3 負(fù)荷波動對碳排放的影響

由于風(fēng)光等新能源發(fā)電的波動性較大，往往需要燃煤機組頻繁升降負(fù)荷來進行新能源消納。為分析頻繁調(diào)峰對機組碳排放強度的影響，選取HZ#2機組14 個30 min 平均負(fù)荷為480 MW 的時間段，用這些時段內(nèi)機組負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)差來表征負(fù)荷波動程度，相應(yīng)的碳排放強度數(shù)據(jù)見表4。由表4 可知，當(dāng)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差增大時，HZ#2 機組碳排放強度有所增加，即當(dāng)平均負(fù)荷相同時，負(fù)荷波動幅度越大、頻率越高，機組的碳排放強度也越大。

表4 HZ#2 機組頻繁調(diào)峰時段機組碳排放強度統(tǒng)計Tab.4 Statistics of carbon emission intensity of HZ#2 unit during frequent peak shaving

進一步研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有機組的碳排放強度都對負(fù)荷波動反應(yīng)敏感，例如WF#4 機組。同樣取WF#4 機組11 個30 min 平均負(fù)荷為480 MW 的時間段，這些時段內(nèi)機組負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差和碳排放強度數(shù)據(jù)見表5。由表5 可知，負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差變化時，碳排放強度并沒有明顯增長。產(chǎn)生這種分歧的原因與不同機組之間運行控制方式和運行水平不同有關(guān)。

表5 WF#4 機組頻繁調(diào)峰時段機組碳排放強度統(tǒng)計Tab.5 Statistics of carbon emission intensity of WF#4 unit during frequent peak shaving

機組碳排放強度對負(fù)荷波動的不同反應(yīng)可以為低碳調(diào)度提供新的策略。在新能源出力波動頻繁、需要一部分機組通過頻繁升降負(fù)荷來消納時，為了不增加或少增加因負(fù)荷波動導(dǎo)致的碳排放量，可以選擇碳排放強度對負(fù)荷波動反應(yīng)不敏感的機組進行調(diào)峰。

4 結(jié)論與建議

1）監(jiān)測的4 臺600 MW 等級中，燃用貧煤的WF#4 機組比同容量、同參數(shù)等級燃用煙煤的機組碳排放強度要高。1 000 MW 等級的LZ#2 機組的碳排放強度與600 MW 等級機組相比，在低負(fù)荷段增長幅度相對較小。

2）不同運行負(fù)荷下每臺機組的碳排放變化規(guī)律不同。WF#4 機組在50%～100%負(fù)荷時，碳排放強度變化較為平緩，但整體排放強度較高；HZ#2 機組在全部負(fù)荷段整體碳排放強度較低，但在50%負(fù)荷時機組碳排放強度突增7.76%。掌握這些機組的碳排放變化規(guī)律可以為不同場景下的低碳調(diào)度策略提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3）部分燃煤機組的碳排放強度對負(fù)荷波動反應(yīng)敏感，機組負(fù)荷變化幅度越大、頻率越高，機組的碳排放強度越大；還有一些機組對負(fù)荷波動反應(yīng)不敏感，負(fù)荷波動時，碳排放強度的變化沒有明顯增長。因此在電網(wǎng)需要機組頻繁升降負(fù)荷調(diào)峰時，相同條件下可優(yōu)先調(diào)用碳排放強度對負(fù)荷波動不敏感的機組。