二氧化碳排放连续在线监测过程的模拟与不确定度评定

郭 振， 王小龙， 任 健， 屠国平，郑小美， 邓程薏

(1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.中国计量大学，浙江 杭州 310018)

1 引 言

目前世界各国对控制并减少二氧化碳排放量已达成共识。碳排放权交易作为一种灵活的市场化减排机制，实现碳排放总量控制和资源的最佳配置，已成为温室气体减排的重要经济手段[1，2]。

碳排放权交易机制的高效运行前提是碳排放数据的“可测量、可报告、可核查”。目前，国际上用于量化碳交易的方法有：碳平衡法、排放因子法和直接监测法[3～6]。核算碳排放量时往往采用《IPCC国家温室气体清单指南》中给出的缺省排放因子[7～10]。然而燃煤种类繁多(包含烟煤、褐煤、无烟煤等)，且燃煤成分差异性较大(碳、氢、硫、氧和氮等元素的含量不同)，导致了计算得到的碳排放量数据存在较大的不确定度[11，12]。直接监测法基于烟气分析系统的连续在线监测，计算简便，人为干扰少，是大多数国家主要的碳排放量核查与评价方法之一[13～15]。

碳排放连续监测系统作为一种测量设施，其测量数据的量值特征和测量系统不确定度反映了测量结果的可信程度。目前，我国对碳排放连续监测系统的研究均集中于测量方法和测量系统构建，缺少对其测量不确定度评定的研究。本文的研究通过研制碳排放连续在线监测实验平台，然后调整烟气的压强、温度、含水率、流量和二氧化碳的浓度，模拟分析碳排放在线监测过程，研究其测量方法。然后根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》和JJG 640-2016《差压式流量计》等技术规范对其进行碳排放量测量结果进行不确定度评定[16，17]。

2 碳排放连续在线监测实验平台

测量系统包括烟气模拟、烟气取样、测量、校准和系统软件。

烟气模拟：以发电厂现场烟气工况为依据，对烟气的二氧化碳、硫化物、氮氧化物、颗粒物等浓度、含水率、含氧量、温度、压强等参数进行模拟发生。

烟气取样：采用3路取样探头，并配以伴热带，然后充分混合。

测量：采用Emerson公司的气体分析仪CT5400同时对二氧化碳、硫化物、氮氧化物、H2O和氧气等浓度进行测量。采用压力变送器、温度传感器分别对烟气压强和温度进行测量。采用孔板流量计对烟气流量进行测量(碳排放连续在线监测实验平台示意图如图1所示)。

图1 碳排放连续在线监测实验平台示意图

校准：采用标准气体对气体分析仪的氧气、氮气、二氧化碳、硫化物、氮氧化物等测量项目进行校准。

系统软件：对烟气流量、温度、压强、二氧化碳/硫化物/氮氧化物/氧气等浓度、含水率等参数的控制和测量数据的采集，软件界面如图2所示。

图2 碳排放连续在线监测实验平台系统软件界面

3 测量数学模型

二氧化碳排放连续在线监测数学模型为：

(1)

式中：M(CO2)为二氧化碳的排放量，kg；p为烟气压强，Pa；V为烟气体积，m3；φ为含水率，%；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为烟气温度，K；C(CO2)为二氧化碳的浓度，%。其中，烟气体积V通过式(2)和式(3)计算得到：

VS=QV×t

(2)

(3)

式中：QV为烟气的流量，m3/s；t为测量时间，s；C为流出系数；ε为可膨胀系数；ρ为节流件上流流体密度，kg/m3；Δp为节流件上下游差压，Pa；d为孔板开孔直径，m；D为管道内经，m；β为直径比，β=d/D。

4 不确定度来源分析

根据二氧化碳排放连续在线监测数学模型和测试方法，可以得出不确定度由两部分组成：第一部分是各个参数重复测试过程引起的不确定度(A类不确定度)；第二部分是通过测试过程中测量设备、测量环境等影响因素对测量结果所引起的不确度(B类不确定度)，包括：气体分析仪的仪器精确度、仪器误差、线性度、零点漂移、跨度漂移和环境温度误差；孔板流量计的流出系数、可膨胀系数、节流件上下游差压、孔板开孔直径、直径比、管道内经和节流件上流流体密度；含水率的测量精确度；压力变送器的精确度；温度传感器的精确度；测量时间覆盖的完整性。

5 不确定度评估

5.1 二氧化碳浓度的不确定度

测量模型如图3所示。

图3 CO2浓度测量不确定度来源图

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

ΔCCO2,z+ΔCCO2,s+ΔCCO2,t

(4)

式中：CCO2,0为CO2浓度实际测得的值；ΔCCO2，a为仪器精确度对CO2浓度引入的修正值；ΔCCO2，e为仪器误差对CO2浓度引入的修正值；ΔCCO2,l为线性度对CO2浓度引入的修正值；ΔCCO2,z为零点漂移对CO2浓度引入的修正值；ΔCCO2,s为跨度漂移对CO2浓度引入的修正值；ΔCCO2,t为环境温度误差对CO2浓度引入的修正值。

5.1.1 测量重复性的不确定度

图4 重复性测量

=0.007 67%

(5)

5.1.2 仪器精确度的不确定度

(6)

5.1.3 仪器误差的不确定度

(7)

5.1.4 线性度的不确定度

(8)

5.1.5 零点漂移的不确定度

(9)

5.1.6 跨度漂移的不确定度

(10)

5.1.7 环境温度误差的不确定度

(11)

5.1.8 二氧化碳浓度的不确定度评定

CO2浓度的不确定度的各分量相互之间没有相关性，则合成不确定为：

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浓度的相对不确定度为：

5.2 烟气流量的不确定度

5.2.1 测量重复性的不确定度

图5 重复性测量

=0.150 m3/h

(13)

烟气流量测量重复性的相对不确定度为：

5.2.1 流出系数的相对不确定度

根据JJG 640-2016，当0.2<β<0.6时，流出系数的不确定度为0.5%。孔板流量计，β=d/D=0.586。流出系数的相对不确定度为：

ur(C)=0.5%

5.2.2 可膨胀系数的相对不确定度

根据JJG 640-2016，当(p1/p2)>0.75时，流出系数的不确定度为3.5(Δp/(κp1))。孔板流量计，p2/p1=0.989，流出系数的相对不确定度为：

ur(ε)=3.5(Δp/(κp1))×100%=0.027%

(14)

5.2.3 节流件孔径的不确定度

根据GB/T 2624.1，可采用规定给出的最大值进行计算，对于节流件孔径其最大值δd/d=0.1%，出节流件孔径的相对不确定度为：

ur(d)=0.1%

5.2.4 上游管道内径的不确定度

根据GB/T 2624.1，可采用规定给出的最大值进行计算，对于节流件孔径其最大值δD/D=0.1%，上游管道内径的相对不确定度为：

ur(D)=0.1%

5.2.5 流体密度的不确定度

根据GB/T 2624.1，须由用户自行确定δρ/ρ的值，对于流体的密度，可根据该处流体的绝对静压，绝对(热力学)温度进行确定，其公式为：

(15)

(16)

流体密度的相对不确定度为：

ur(ρ)=0.203%

5.2.6 上下游压差的不确定度

根据GB/T 2624.1，对于上下游压差的不确定度可根据式(17)进行估算，其公式为：

(17)

上下游压差的相对不确定度为：

ur(Δp)=0.068%

5.2.7 烟气流量的不确定度评定

GB/T 2624.1规定，烟气流量的相对不确定度为：

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 含水率的不确定度

5.3.1 测量重复性的不确定度

图6 重复性测量

=0.009 29%

(19)

5.3.2 仪器精确度的不确定度

5.3.3 含水率的不确定度评定

含水率的合成标准不确定度为：

(20)

以平均值7.172%作为测量结果，含水率的合成相对不确定度为：

5.4 烟气压强的不确定度

5.4.1 测量重复性的不确定度

图7 重复性测量

(21)

烟气压强测量重复性的相对不确定度为：

5.4.2 压力变送器的不确定度

压力变送器计量检定后给出的扩展不确定度为0.06%FS(k=2)，即相对不确定度ur,b=0.03%。

5.4.3 烟气压强的不确定度评定

烟气压强的相对不确定度为：

(22)

5.5 烟气温度的不确定度

5.5.1 测量重复性的不确定度

图8 重复性测量

=0.049 K

(23)

烟气温度测量重复性的相对不确定度为：

5.5.2 温度传感器的不确定度

温度传感器计量检定后给出的扩展不确定度为0.08 K(k=2，量程为573.15 K)，即相对不确定度ur，b=0.014%。

5.5.3 烟气温度的不确定度评定

烟气温度的相对不确定度为：

(24)

5.5 时间覆盖不完全的不确定度

计算被测物(X)的时间平均值的不确定度时，如果某一时间段内存在数据缺失，则对时间段的不完全覆盖会对时间平均值造成额外的不确定度，该不确定度为：

(25)

式中：urel(t)为时间覆盖不完全的不确定度；N为变量(X)的被测次数；Nmax为一段时间内变量(X)的测量的最大次数；urel(X)为测量值的相对不确定度。

当N小于Nmax时，由时间覆盖不完全引起的不确定度与浓度测量的不确定度相结合。

本文计算时间覆盖不完全的不确定度时，为出现时间覆盖不完全的现象，即N=Nmax，因此，时间覆盖不完全的相对不确定度为：

urel(t)=0

5.6 碳排放连续在线监测实验平台的不确定度

采用碳排放实验测量系统测量碳排放量时，二氧化碳浓度测量与烟气流量的测量无相关性，碳排放量测量法合成相对不确定度为：

=2.93%

(26)

碳排放量测量法合成扩展相对不确定度为：urel(M(CO2))=5.86%，k=2，置信水平：95%。

6 结 论

通过对碳排放连续在线监测实验平台测量二氧化碳排放量的测量结果的不确定度分析和评定，得出碳排放连续在线监测实验平台测量二氧化碳排放量的扩展相对不确定度urel=5.86%(k=2)。从测量结果的不确定度评定可以分析得出：

(1)碳排放连续在线监测实验平台测量二氧化碳排放量的测量的不确定度不大，说明搭建的碳排放测量平台对二氧化碳排放量的测量结果均匀稳定，系统误差较小，仪器设施稳定性较好；

(2)分量不确定度贡献最大的是环境温度误差，说明测量过程应保持环境温度的稳定，减少其测量的不确定度；

(3)烟气流量的相对不确定度：urel(QV)=0.6%，说明碳排放连续在线监测实验平台的烟气管道较小，烟气流动较为稳定，对烟气流量测量数据较稳定。在实际中，例如火力发电厂的烟气管道尺寸较大，烟气流动情况复杂，其烟气流量的测量不确定度会大幅增大。