葉 榮，陳思畏，崔 希，林樂平

（1.江西贛能股份有限公司，江西 南昌 330096；2.江西江投集團能源技術(shù)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

自第75屆聯(lián)合國大會上首次提出“雙碳”目標以來，我國在實現(xiàn)這一遠大目標上采取了許多舉措。其中，電力行業(yè)的“源網(wǎng)荷”減碳是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要環(huán)節(jié)，國家電網(wǎng)公司于2021年3月1日發(fā)布《國家電網(wǎng)公司“碳達峰、碳中和”行動方案》[1]。燃煤機組作為電力行業(yè)碳排放的“源”，通過對燃煤機組的碳排放進行準確監(jiān)測，分析碳排放的影響特征因素，進而提供有效的節(jié)能減排方案，是電力行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的重要方向。

目前，客觀、準確的碳排放監(jiān)測所需數(shù)據(jù)是計算燃煤機組碳排放量的前提[2-3]。我國規(guī)定電力行業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測采用核算法，即通過化石燃料消耗量、化石燃料物理特性和排放因子等數(shù)據(jù)進行碳排放核算[4-5]。然而，目前行業(yè)內(nèi)收集計算所需數(shù)據(jù)仍采用月度甚至年度的結(jié)算數(shù)據(jù)，嚴重依賴專家經(jīng)驗且存在較大誤差，其計算模式也是通過人工表格計算，效率低下且浪費人力資源[6]。因此，已有部分研究對燃煤機組的碳排放數(shù)據(jù)采用實測法，如：文獻[7]基于火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，對煙囪額外配置CO2分析儀，采集CO2濃度數(shù)據(jù)；文獻[8]采用煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，將煙氣取樣探頭設置在煙囪上，輸送測量數(shù)據(jù)至PLC和煙氣檢測系統(tǒng)進行CO2排放量計算統(tǒng)計。這些研究大多都是通過在煙囪上加裝CO2監(jiān)測裝置，通過分析CO2濃度進而統(tǒng)計計算碳排放總量。然而，這種方法監(jiān)測的是煙囪局部位置的CO2濃度，對整個出風口濃度難以準確把控，進而對整體碳排放量監(jiān)測會造成較大誤差。因此，如何準確地連續(xù)監(jiān)測燃煤機組的碳排放數(shù)據(jù)[9]，對火電廠的碳減排工作具有重要意義[10-11]。

文中結(jié)合碳排放核算法和數(shù)字化技術(shù)，提出一種燃煤機組碳排放的連續(xù)核算方法。首先，依據(jù)燃煤機組碳排放核算的計算模型，明確碳排放計算過程中需要在燃煤機組中加裝的測量表計，并將測量表記測量到的數(shù)據(jù)實時上傳至云端數(shù)據(jù)庫。然后，在云端服務器上采用python語言編譯碳排放核算模型，依據(jù)云端數(shù)據(jù)庫實時上傳的碳排放核算輸入變量數(shù)據(jù)，對燃煤機組的碳排放相關特征變量進行連續(xù)核算，并存儲在云數(shù)據(jù)，整個流程自動化運行，實現(xiàn)了碳排放核算的實時性、連續(xù)性和高效性。同時，以江西省某700 MW超臨界機組為例，驗證文中所提方法的有效性和準確性，并得出最優(yōu)碳排放綜合指標所在負荷率。

1 碳排放核算模型

1.1 機組碳排放

根據(jù)《2021-企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南-發(fā)電設施》[12]，發(fā)電企業(yè)的二氧化碳核算標準中包含化石燃料燃燒和購入電力所產(chǎn)生的二氧化碳，不再包含脫硫系統(tǒng)部分。同時，火電廠所有燃煤機組都停機時才會進行購入電力，極少數(shù)情況下廠內(nèi)所有機組才會同時停機，購入電力占比極少[13]。因此，對于火電廠的碳排放總量計算時只涉及化石燃料燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳，實時碳排放計算公式為：

式中：Ft表示機組在t時刻的碳排放；Et為機組在t時刻的燃煤消耗量，t；Ulow表示燃煤的低位發(fā)熱量，GJ/t；Co2為燃煤的單位熱值含碳量，tC/GJ；Ofc為燃煤的碳氧化率，%；表示二氧化碳和碳的相對分子質(zhì)量比。

1.2 燃煤消耗量

為方便準確計算出燃煤機組的燃煤消耗量，通常燃煤機組中會包含多個給煤機，給煤機之間相互合作，按照負荷需求來精確調(diào)節(jié)給煤量。因此，燃煤實時消耗量可表示為：

式中：ent表示第n個給煤機在t時刻的累計給煤量，t。

1.3 供電量

燃煤機組的供電量表示燃煤機組向電網(wǎng)供給的電量，通常用發(fā)電量與廠用電量的差值。因此，機組的實時供電量可表示為：

式中：Gt表示t時刻的供電量，MW·h；Pt表示t時刻的發(fā)電有功功率，MW；Lt表示t時刻的廠用電功率，MW；τ表示數(shù)據(jù)采集時間尺度系數(shù)，h；Phtt和Pett分別為高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的有功功率，MW。

1.4 機組碳排放強度

燃煤機組碳排放強度為機組每供出1 MW·h的電量所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實時碳排放強度計算式如下：

式中：Qt表示t時刻的碳排放強度，tCO2/MW·h。

1.5 供電煤耗率

燃煤機組的供電煤耗率為機組供電量與煤耗量的比值，實時供電煤耗率計算公式如下：

式中，Wt為t時刻的機組供電煤耗率，MW·h/t。

1.6 機組效率

燃煤機組的機組效率為機組發(fā)電量與消耗燃煤所含能量的比值，機組實時效率ηt計算公式如下：

2 碳排放連續(xù)核算方法

文中提出的燃煤機組碳排放連續(xù)核算方法流程圖如圖1所示。其步驟如下所示：

圖1 碳排放連續(xù)核算流程圖

1）核算邊界和排放源確定。

根據(jù)文中第1節(jié)的碳排放核算模型，明確碳排放核算計算過程中核算邊界，即核算過程中所需的變量。同時確定排放源，即煤種類型，以明確煤種的低位發(fā)熱量及單位熱值含碳量等基本性質(zhì)。

2）核算輸入變量表計安裝。

通過步驟1）得知核算過程中所需的輸入變量，并在燃煤機組的運行系統(tǒng)中加裝表計。

3）表計數(shù)據(jù)獲取并上傳

通過表計得到t時刻下的核算數(shù)據(jù)，并上傳至云數(shù)據(jù)庫。包含各個給煤機的給煤入口處的給煤量、發(fā)電有功功率、廠用電功率、高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的有功功率。

4）碳排放相關特征計算

云服務器通過對云數(shù)據(jù)庫中實時存入的數(shù)據(jù)進行請求，獲得實時核算輸入數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入至碳排放核算模型中，計算得到t時刻的碳排放及其特征數(shù)據(jù)，并將計算得到的碳排放相關數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫。

5）重復步驟3）和步驟4），實現(xiàn)碳排放相關特征數(shù)據(jù)自動化連續(xù)核算，并在“碳平臺”系統(tǒng)上實時展示。

3.1 燃煤機組介紹

文中以江西某火電廠700 MW超臨界燃煤機組為研究對象，采用文中所提碳排放連續(xù)核算方法，對此燃煤機組進行連續(xù)監(jiān)測。機組主要參數(shù)如表1所示。

表1 700 MW超臨界燃煤機組設備參數(shù)

在此機組上加裝碳排放核算所需表計，并采用python編譯的后端核算方法。選取表計采集得到的2至4月份的數(shù)據(jù)，實時輸入至后端服務器中，獲取到該機組的實時碳排放相關特征。通過對機組不同負荷率下的碳排放特征進行研究分析，同時研究機組在變工況運行下機組發(fā)電效率、能耗、碳排放量以及碳排放強度的變化情況。

3.2 碳排放強度分析

選取機組各個負荷率下的所有的實時采集數(shù)據(jù)的平均值代表機組在該負荷率下運行特征值，并分析不同負荷率下的機組碳排放強度。圖2表示了該700 MW超臨界燃煤機組在不同負荷率下（0.4～1）的碳排放強度變化。

圖2不同負荷率下機組碳排放強度變化

圖2 中紅色星形標記的點指的是不同負荷率下的機組平均碳排放強度值，藍色的曲線是根據(jù)實時監(jiān)測的機組碳排放強度數(shù)據(jù)，經(jīng)過多項式擬合所得到的負荷率與碳排放強度之間的關系曲線。由圖2可以明顯看出，隨著機組負荷率的增大，碳排放強度會逐漸降低，且在機組負荷率為0.4～0.7的范圍內(nèi)碳排放強度變化幅度小，在機組負荷率為0.7～1的范圍內(nèi)，碳排放強度的減小程度明顯。

3.3 煤耗率分析

根據(jù)式（5）得到機組不同負荷率下的平均供電煤耗率如圖3所示。

圖3 不同負荷率下機組供電煤耗率變化

3 碳排放特征分析

由圖3可知，該燃煤機組的供電煤耗率隨機組負荷率變化較大。機組運行在負荷率為0.4～0.5范圍內(nèi)時，平均供電煤耗率會隨著負荷率的增大而增大；在負荷率為0.5～0.9范圍內(nèi)時，平均供電煤耗率會隨著負荷率的增大而減??；在負荷率為0.9以上時，機組平均供電煤耗率則會隨著負荷率的增加而增加。其中，機組穩(wěn)定運行在負荷率為0.5附近時供電煤耗率最大，而在負荷率為0.9附近時供電煤耗率最小。

3.4 能耗分析

能耗強度指的是單位GDP或單位產(chǎn)值產(chǎn)出下的能量消耗量。機組能耗強度的大小一定程度上能夠反映出其經(jīng)濟性。機組不同負荷率下的能耗強度變化如圖4所示。

圖4 不同負荷率下機組能耗強度變化

由圖4可知，機組在低負荷區(qū)域下運行時，能耗強度隨機組負荷率的變化不大，而在機組高負荷區(qū)域運行時，能耗強度會隨著機組負荷率增加而顯著增加。

3.5 機組發(fā)電效率分析

發(fā)電效率是機組運行最關鍵的指標之一，是機組發(fā)電量與能量消耗量之比，其大小能夠反映出機組運行工作特性。機組發(fā)電效率越高，單位發(fā)電量下的煤耗越小，碳排放量也越小。不同負荷率下機發(fā)電效率變化如圖5所示。

圖5 不同負荷率下機組發(fā)電效率變化

從圖5中可以明顯看出，機組發(fā)電效率在負荷率為0.4時達到最低，而在負荷率為1時達到最高，且機組效率會隨著負荷率的增加而增加。

3.6 綜合性能分析

為分析機組不同負荷率下的性能特性，研究機組在不同工況下的綜合性能，文中采用層次分析法對機組的碳排放強度、供電煤耗率、能耗以及發(fā)電效率進行綜合分析。

表2為機組在不同負荷率下的機組性能參數(shù)。從表2可以發(fā)現(xiàn)，機組在負荷率為0.9時，機組運行綜合性能最優(yōu)。

表2 不同負荷率下機組性能參數(shù)

4 結(jié)語

文中基于碳核算法和數(shù)字化技術(shù)，提出一種燃煤機組碳排放的連續(xù)核算方法，可幫助燃煤機組更好地調(diào)整發(fā)電計劃，減少碳排放和提高能源利用率。

應用在江西省某700 MW超臨界機組，對其碳排放特征進行分析，可得：在該機組變工況運行過程中，機組的碳排放強度、供電煤耗率、能耗強度以及機組發(fā)電效率均受到機組運行負荷率的影響。并得出結(jié)論，該機組運行在負荷率為0.9附近時，各項碳排放特性指數(shù)較優(yōu)，而在低負荷率運行時，機組碳排放指數(shù)較差。