碳排放实测平台的研究应用

华能（浙江）能源开发有限公司长兴分公司 董勇卫 徐建刚 阮国荣 王伟杰 雍 骏 柏元华

1997年12月11日，《联合国气候变化框架公约》第三次缔约方大会促生了公约的第一个附加协议《京都议定书》的诞生，这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。京都议定书规定的附件一所列缔约国可通过交易转让或境外项目合作方式获得温室气体排放额度。这样就能在保证全球环境完整性的同时，降低温室气体减排活动对经济的负面影响，实现全球减排成本效益最优。

习近平主席在第七十五届联合国大会提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2021年10月24日，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，要求加强碳排放核算方法的研究和碳排放统计核算体系的建设，推进碳排放实测技术发展，加快新技术在碳排放实测技术领域的应用，鼓励和支持行业、企业依据生产工艺特点开展CO2在线测量技术的工程应用研究，建立准确可信的碳实时监测系统和核算体系。

1 碳排放量的核算及应用研究

碳排放量的核算是有效开展各项碳减排工作，实现“碳达峰”、“碳中和”的基本前提，也是构建碳交易市场不可缺少的一个组成部分，目前碳排放量的核算方法有两种：碳计量。与IPCC（政府间气候变化专门委员会）的物料均衡法类似，将企业的生产活动划分为若干流程。在给定的参数下按照不同的方法计算每个流程中的碳排放量，并加总得到企业的碳排放总量；碳检测（或碳监测）。是指利用CEMS（连续排放监测系统）对企业的碳排放量进行监测。

全国碳排放权交易市场的发电行业重点排放单位（含自备电厂）使用燃煤、燃油、燃气等化石燃料及掺烧化石燃料的纯凝发电机组和热电联产机组等发电设施，按照《企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施》的计算公式来进行温室气体排放核算。燃烧排放量是统计期内企业发电设施各种化石燃料燃烧产生的CO2排放量的总和：E燃烧=AD×EF。

燃料活动数据是统计期内燃料的消耗量与其低位发热量的乘积：AD=FC×NCV，式中：AD为燃料的活动数据、吉焦（GJ），FC为燃料的耗量，对固体或液体燃料、吨（t），NCV为燃料的低位发热量，对固体或液体燃料、吉焦/吨（GJ/t）；燃料燃烧CO2排放因子EF=CC×OF×（44/12），式中：EF为燃料的CO2排放因子、吨CO2/吉（tCO2/GJ），CC为燃料的单位热值含碳量、吨碳/吉焦（tC/GJ），OF为燃料的碳氧化率、以%表示，（44/12）为CO2与碳的相对分子质量之比；燃煤的单位热值含碳量CC=C/NCV，式中：CC为燃煤的单位热值含碳量、吨碳/吉焦（tC/GJ），NCV为燃煤的收到基低位发热量、吉焦/吨（GJ/t），C为燃煤的元素碳含量、以tC/t表示。

燃煤发电厂统计期内碳排放量的计算需收集燃料的消耗量、低位发热量、单位热值含碳量等数据，低位发热量、单位热值含碳量等数据目前还大多有赖于人工分析，以日为时间单位。而在碳排放量的实际计算时一般以年、月为时间单位，否则数据量过于庞大。相比于碳计量阶段式的计算方法，碳检测对企业碳排放量的统计更加具有连续性、更加准确。监测系统可将企业的排放数据上传至云端，易于监管部门进行监测和管理。

碳计量仍是目前中国碳排放核算的主要方法。欧盟采用碳计量和碳检测并行的方法，美国优先采用碳检测的方法。从国内碳核算、碳交易市场的发展来看，行业差异、工艺流程差异会使得政府监管部门的管理难度加大，技术更新及管理要求的提高使监管标准也会不断更迭，中国未来可能将碳检测纳入作为碳排放量核算的标准方法。在此背景下，华能（浙江）能源开发有限公司长兴分公司开展了火电厂碳实测的应用研究。

现有的燃煤电厂都建有烟气在线监测系统（CEMS），实时测量烟气中SO2、NOX、颗粒物等污染物的实时浓度，数据传输至机组控制系统（DCS)用于机组环保排放参数的实时控制，同时数据通过环保专网传输至政府环保监管部门对企业污染物排放进行监控。在此基础上，每台机组总排口建设安装一套CO2实时测量系统，用以测定烟气中CO2排放浓度，同时采集烟气温、压、流、湿度、氧量等参数，通过数据采集子系统上传到碳排放监测平台，自动计算CO2和碳排放量，可显示和打印各种参数图表。碳排放监测平台根据政府部门、企业及人员管理授权，依据账号登陆，实时监测碳排放的相关数据和报表。

图1 监测系统示意图

2 CO2测量系统

2.1 CO2的测量方法的选择

目前CO2的测量方法有很多种，主要有气相色谱法、滴定法、固体电解质式、红外吸收法等。本项目中采用基于非分散红外吸收检测原理及检测方法。红外吸收法利用红外线作为测量介质的CO2测量系统，利用CO2吸收波长4.26μm红外线的物理特征来有选择地测量气体中CO2的分压，吸收关系服从Lamber.Beer定律。红外吸收气体分析仪一般由红外线辐射光源、检测气室、滤光片、红外测量装置等组成，当红外线辐射透过进入检测气室的被测气体后，气体中的CO2会吸收波长4.26μm红外线，造成红外线辐射光源发生能量的衰减，未被吸收的辐射光源被检测探头测出，通过测量该谱线能量的衰减量来得知被测气体浓度。

2.2 CO2检测系统

CO2检测系统由采样探头、伴热管线、气体样品预处理系统、气体分析仪等组成。

采样探头。包含探头、探杆和吹扫装置，由探头管、前级过滤器单元、储气罐、电磁阀、电加热等组成。装置安装于烟囱68米处。取得有代表性的样品、完成前级粉尘净化，并可对取样部分进行周期性的吹扫，由PLC控制；伴热管线。采用电加热管缆，采用双管配置，用于采样和全系统校准。温度保持120℃左右，保证将样品气安全可靠的由采样点传输至分析柜。

样品预处理系统。由冷凝器、抽气泵、流量调节、标定气路等组成，对样品气进行进一步的处理（除水、抽气、样品气调节等），最后将样品送至分析仪进行分析；气体分析仪。整个CO2监测系统的核心部件，分析仪基于非分散红外吸收原理，采用双光室设计，精准分析样气中CO2浓度。分析仪与预处理结合，能实现定时自动零点和跨度校准，以及全系统校准。

每个光路均采用测量气室和参比气室的双气室设计，大大提高了分析仪的稳定性。双气室结构可消除光源波动、光学和电子元器件变化引起的测量噪声，抗干扰能力强，稳定性更高，同时增加了检测灵敏度、提高了检测下限。分析模块配置压力补偿模块和气室恒温模块，从而极大地降低了温度和压力对测量的影响。在分析仪表中配备了校准池模块，校准池模块中密封着标准气体（CO2），位于检测器前方，由马达来驱动，可定期自动对仪器进行跨度校准，确保分析仪表在测量过程中的准确和稳定。取代了传统的钢气瓶，同时可避免手工校准可能引起的系统误差。

3 碳排放监测平台

3.1 相关系统

数据采集系统。由PLC、CO2排放连续监测系统应用软件、嵌入式计算机等组成。数据采集、处理系统是监测系统中的重要部分，主要通过PLC将烟气数据进行采集处理，然后通过5G网络传输至监测平台嵌入式计算机进行计算和排放量的换算。完成显示和记录系统中测量出的CO2浓度、烟气温度、烟气流速、含氧量等参数，并计算出CO2浓度、排放量等数据，存放到历史数据库中，具备打印报表等功能。

烟气排放参数测量系统。在此项目中利用共享原环保在线监测系统数据方式，在做好网络安全防护措施的前提下，从原烟气在线监测系统单向采集机组烟气温度、压力、流速、含湿量、氧量等参数；数据计算和统计系统。由于目前还没有CO2测量计算及统计的行业、国家标准，针对各测量系统上传到计算机的测量数据，参照HJ76-2017《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》中的计算公式完成各种计算和统计，并将全部的数据存到数据库中，为以后的查询和报表提供了保障。

3.2 监测平台功能

平台将传到计算机的测量数据，完成各种计算和累加，并将全部的数据存到数据库中。平台有多个安全级别，不同级别的部门、人员只能依据授权进行相应级别的操作。内有模拟信号表、数字信号表、参数表、曲线和历史曲线等界面,完善的人机操作界面为数据的查询和报表提供了保障，使用户能得到最新和最全面的数据。

曲线图形。将数据采集仪上的数据通过曲线图的方式显示出来，可查询当前站点测项数据的趋势，也可对多个测项的数据进行对比查看，可打印和导出曲线图形；数据查询、浏览与报表。查询选择时段的所有数据，包括实时数据、分钟数据、10分钟数据、小时数据、天数据，计算当前查询数据的最大值、最小值、平均值，形成日、周、月、季等报表。

综上，依托华能（浙江）能源开发有限公司长兴分公司CO2实时测量系统的碳排放监测平台建设，作为浙江省内首台套新设备的试点研究应用，与原有的环保污染源在线监测系统高度整合，CO2单独测量，避免在同一CEMS内测量多种污染物出现的相互影响。将数据共享和5G通讯等技术应用于CO2排放实测技术领域的工程实践，减少了项目投入、降低施工难度。解决了CO2测量成套、数据采集传输和碳监测平台的接入，实现了用实时测量和自动统计的方法替代传统的人工计算的碳核算方法。