本发明涉及一种基于现场监测数据的火电机组碳排放核算方法。
背景技术：
在所有温室气体中，二氧化碳是引起全球气候变化的主要气体之一。据统计，二氧化碳对全球升温的影响约为55％。电力行业由于存在动力煤燃烧过程，一直是二氧化碳的主要排放源，据电监会发布的《2010年及“十一五”电力行业节能减排情况通报》显示，2010年全国电力行业二氧化碳排放量约占全国的50％。
江苏作为全国经济大省，也是温室气体排放大省，纳入碳排放权交易市场的重点排放单位达400家之多，位居全国前列。为了更好地贯彻落实国家“全面启动全国碳排放交易市场”的政策部署，省政府办公厅印发了《江苏省碳排放权交易市场建设实施方案》，要求从2017年到2020年建立健全与全国碳排放权交易市场机制相配套的碳排放权交易市场体系。碳排放交易市场建立的前提是碳排放企业及时准确地上报温室气体排放数据。
目前，企业二氧化碳排放量计算方法有三种：
1)物料平衡法：根据质量守恒定律，用输入物料中的含碳量减去输出物料中的含碳量进行平衡计算得到二氧化碳排放量。由于入炉煤固定碳含量、入炉煤灰分含量及灰分中含碳量、脱硫剂石灰石消耗量及石灰石中碳酸钙含量、入炉煤含硫率等参数无法在线测量，只能依靠人工定时统计数据进行计算，因此物料平衡法误差相对较大。而且，物料平衡法仅适用于以石灰石为脱硫剂的脱硫系统，诸如双碱法、氨水法、生物法、镁法等使用其他脱硫剂的系统则不能使用这种算法。
2)排放因子法：主要通过排放因子计算co2排放量，核心算法可以用公式“活动量×排放因子”来表示。排放因子法由于其计算过程相对简单，目前世界上官方碳排放量计算、碳交易核算等基本都采用这种方法。但是，排放因子的数据主要来源于ipcc(intergovernmentalpanelonclimatechange，政府间气候变化专业委员会)、美国石油学会等专业机构提供的技术资料，是在国外相关燃料、设备、技术的基础上研究出来的。然而在不同技术水平、生产状况、能源使用情况、工艺过程等因素的影响下排放因子存在很大差异。因此，使用排放因子法存在的不确定性比较大，是否适用于我国燃料类型复杂的火电机组也有待商榷。
3)实测法：这是本专利采用的方法。这种方法通过安装监测仪表、设备，如烟气排放连续监测系统(continuousemissionsmonitoringsystem，cems)，并按照相关技术规范的要求测量和记录排放烟气中co2的浓度、烟气量等主要参数数据，从而计算单个电力企业的co2排放量。实测法计算结果准确性较高，而且江苏省内135mw及以上燃煤机组都在烟囱上装有cems系统，测量参数包括烟气流速、压力、温度、湿度等，这些测点可用于计算机组二氧化碳排放量。因此，现场也具备了采用实测法核算企业二氧化碳排放量的测量条件。而且，通过连续监测系统实时采集碳排放数据，可以实现火电机组二氧化碳排放量的在线量化计算，有助于提高企业碳排放数据的时效性。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于现场监测数据的火电机组碳排放核算方法，通过连续排放监测的方式进行自动化的温室气体排放数据收集；然后采用实测法，利用现场监测数据对火电机组二氧化碳排放量和排放强度进行量化计算和汇总统计。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于现场监测数据的火电机组碳排放核算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，监测点选取：将co2测量仪安装在火电机组烟囱排口处；
步骤二，监测参数数据采集：设置在烟囱排口处的cems和co2测量仪监测到的监测数据通过数据采集模块采集后传输给主站，由主站进行存储；
步骤三，小时co2排放量计算：以1小时作为计算周期，1小时内采集到的监测参数数据称为机组小时监测数据集，计算过程如下：
3.1机组停机判断：将机组小时监测数据集中满足停机条件的数据进行剔除，得到机组小时运行数据集；
3.2数据预处理：对机组小时运行数据集进行统一数据单位、剔除异常数据处理，得到机组小时预处理数据集；
3.3机组小时均值计算：由机组小时预处理数据集计算监测点监测参数的算术平均值，计算出的算术平均值即为监测参数的机组小时均值，计算公式如下：
上式中：
3.4小时co2排放量的计算，具体过程如下：
3.4.1机组小时运行时间的确定：机组小时运行数据集的数据更新频率为1分钟，即每条记录对应1分钟，因此，机组小时运行时间即为机组小时运行数据集中数据记录个数，单位为分钟，用runmins表示；
3.4.2机组小时烟气量计算：通过监测参数的机组小时均值和小时运行时间计算机组小时标干烟气量；
3.4.3机组小时co2排放量计算：通过机组co2排放浓度小时均值和机组小时标干烟气量计算机组小时co2排放量；
步骤四，co2排放量统计：以机组小时co2排放量为基础，通过求和运算得到co2排放量的汇总值；
步骤五，co2排放强度计算，具体过程如下：
5.1机组小时发电量计算：通过对机组负荷进行积分运算得到小时发电量；
5.2某时段内co2排放强度计算：机组co2排放强度是机组每发一度电排放的co2量，即该时段内co2排放量与该时段内发电量的比值。
其中，步骤二中，数据采集模块的采集方式有两种：
其一，工控机方式：co2测量仪和cems监测到的监测参数数据经由数采仪进行数据采集后，通过部署在工控机上的数据终端发送给主站；
其二，dcs方式：通过cems小室与脱硫dcs之间的备用电缆，将co2测量仪接入脱硫dcs中，经由脱硫dcs将数据写入电厂sis系统，最后经由电厂sis系统传输给主站；同时，cems监测到的监测参数数据经由数采仪进行数据采集后，通过部署在工控机上的数据终端发送给主站。
步骤3.1中，所述停机条件为：
燃煤机组：fhsteam≤0
燃气机组：fhgas≤0
上式中，fhsteam为汽机负荷，fhgas为燃机负荷。
步骤3.2中，数据预处理的过程如下：
3.2.1标定故障剔除：当co2测量仪表处于标定(bdvent＝1)或故障(gzvent＝1)状态时，监测参数数据无效，需剔除此段时间的数据记录；
3.2.2单位转换：将监测参数数据的单位均转换为统一单位制后再进行后续计算；
3.2.3超限数据剔除：若监测参数的监测数据超出其正常取值范围，则剔除该条数据记录。
步骤3.4.2中，通过机组小时均值和小时运行时间计算机组小时标干烟气量，计算公式如下：
上式中：qgas,vent,n是标干状态下机组小时烟气排放量；runmins是机组小时运行时间；a是烟囱排口的截面积；vgas.vent、pgas.vent、tgas.vent、xgas.vent分别是烟囱排口处烟气的流速、压力、温度和湿度。
步骤3.4.3中，通过机组co2排放浓度小时均值和机组小时标干烟气量计算机组小时co2排放量，计算过程如下：
上式中，
步骤四中，以机组小时co2排放量为基础，通过求和运算得到某时段内co2排放量的汇总统计值，计算公式如下：
上式中，eco2是该时段的机组co2排放量；
步骤5.1中，小时发电量是负荷在时间上的积分值，计算公式如下：
上式中：fdlh是机组小时发电量；fh是机组负荷时刻值；δt是时间间隔，除以60是将其从分钟转换为小时；t1、t2分别是积分的开始和结束时刻；
对于燃煤机组，利用上述公式即可计算出机组的小时发电量；
对于燃气机组，利用上述公式分别计算出燃机和汽机的小时发电量，然后将两者相加得到机组的小时发电量，计算公式如下：
式中：fdlh、
步骤5.2中，某时段内co2排放强度为机组每发一度电排放的co2量，计算公式如下：
式中：
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的一种基于现场监测数据的火电机组碳排放核算方法，通过连续监测系统实时采集碳排放数据，然后采用实测法在线计算火电机组二氧化碳排放量和排放强度。这种方法可以有效缩短数据流路线、减少人工干预，提高了企业碳排放数据的准确性。且该方法逻辑简单，易于实现在线量化计算，提高了企业碳排放数据的时效性，为政府部门及时掌握火电企业二氧化碳排放情况、开展火电企业碳排放交易、制定碳减排目标、分配碳排放配额提供坚实可靠的数据支撑。
附图说明
图1本发明计算流程示意图；
图2本发明实施例中测试机组于2017年10月31日二氧化碳小时排放强度趋势图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种基于现场监测数据的火电机组碳排放核算方法，包括以下步骤：
步骤一，监测点选取：由于火电机组在脱硫过程中也会产生二氧化碳排放，而且二氧化碳在脱硫系统中的变化量无法通过计算实时得出。如果将co2测量仪表安装在锅炉出口，无法准确实时计算出机组总的二氧化碳排放量。同时火电机组烟囱排口处的cems都设有流速、压力、温度、湿度测点，也便于计算烟气排放量，因此将co2测量仪表安装在烟囱排口位置；
步骤二，监测参数数据采集：设置在烟囱排口处的cems和co2测量仪监测到的监测数据通过数据采集模块采集后传输给主站，由主站进行存储；监测参数数据采集的方式有两种：
其一，工控机方式：co2测量仪和cems监测到的监测参数数据经由数采仪进行数据采集后，通过部署在工控机上的数据终端发送给主站；
其二，dcs方式：通过cems小室与脱硫dcs之间的备用电缆，将co2测量仪接入脱硫dcs中，经由脱硫dcs将数据写入电厂sis系统，最后经由电厂sis系统传输给主站；同时，cems监测到的监测参数数据经由数采仪进行数据采集后，通过部署在工控机上的数据终端发送给主站。
其中监测参数如表1所示：
表1机组的监测参数
步骤三，小时co2排放量计算：机组正常运行过程中，只要设备没有出现故障，在1小时内系统运行状态变化不大；其次，考虑到现场运行参数数据自身的波动性和数据采集过程中尖峰脉冲数据处理等因素，对碳排放进行实时计算容易放大数据波动的影响而忽视数据固有的内在特征。同时，在国家关于固定污染源烟气排放连续监测的技术规范和要求中，对监测数据的统计、审核、失控处理、缺失处理等工作都是以小时为周期。因此，本方法以1小时作为计算周期。目前，现场碳排放监测参数的数据采集频率最快可以到秒级，最慢也在1分钟左右。因此，1小时计算周期内会有60～3600条记录，形成了机组小时监测数据集。机组小时co2排放量，以1小时作为计算周期，1小时内采集到的数据称为机组小时监测数据集，计算过程如下：
3.1机组停机判断：机组停机判断，一是为了保证机组处于运行状态，二是因为测量仪表的读数在机组停机时并不总是会归零，因此需要通过机组停机判断来剔除这部分数据。将机组小时监测数据集中满足停机条件的数据进行剔除，得到机组小时运行数据集；所述停机条件为：
燃煤机组：fhsteam≤0
燃气机组：fhgas≤0
上式中，fhsteam为汽机负荷，fhgas为燃机负荷。
3.2数据预处理：对机组小时运行数据集进行统一数据单位、剔除异常数据处理，得到机组小时预处理数据集；数据预处理的过程如下：
3.2.1标定故障剔除：co2测量仪表处于标定(bdvent＝1)或故障(gzvent＝1)状态时，监测参数数据无效，需剔除此段时间的数据记录；
3.2.2单位转换：将监测参数的单位均转换为统一单位制再进行后续计算；
3.2.3超限数据剔除：若监测参数的监测数据超出其正常取值范围，则剔除该条数据记录，机组的监测参数数据正常取值范围如表2所示：
表2机组的监测参数数据正常取值范围
3.3机组小时均值计算：由机组小时预处理数据集计算监测点监测参数的算术平均值，计算出的算术平均值即为机组监测参数的小时均值，计算公式如下：
上式中：
3.4小时co2排放量的计算，具体过程如下：
3.4.1机组小时运行时间的确定：机组小时运行数据集的数据更新频率为1分钟，即每条记录对应1分钟，因此，机组小时运行时间即为机组小时运行数据集中数据记录个数，单位为分钟，用runmins表示；
3.4.2机组小时烟气量计算：通过机组小时均值和小时运行时间计算机组小时标干烟气量，计算公式如下：
上式中：qgas，vent，n是标干状态下机组小时烟气排放量；runmins是机组小时运行时间；a是烟囱排口的截面积；vgas.vent、pgas.vent、tgas.vent、xgas.vent分别是烟囱排口处烟气的流速、压力、温度和湿度。3.4.3机组小时co2排放量计算：通过机组co2排放浓度小时均值和机组小时标干烟气量计算机组小时co2排放量，计算过程如下：
上式中，
步骤四，co2排放量统计：以机组小时co2排放量为基础，通过求和运算得到某时段内co2排放量的汇总统计值，计算公式如下：
上式中，
步骤五，co2排放强度计算，具体过程如下：
5.1机组小时发电量计算：小时发电量是负荷在时间上的积分值，计算公式如下：
上式中：fdlh是机组小时发电量；fh是机组负荷时刻值；δt是时间间隔，除以60是将其从分钟转换为小时；t1、t2分别是积分的开始和结束时刻；
对于燃煤机组，利用上述公式即可计算出机组的小时发电量；
对于燃气机组，利用上述公式分别计算出燃机和汽机的小时发电量，然后将两者相加得到机组的小时发电量，计算公式如下：
式中：fdlh、
5.2.某时段内co2排放强度计算：某时段内co2排放强度为机组每发一度电排放的co2量，计算公式如下：
式中：
实施例
下面以具体实施例对本发明做进一步的阐述：
以一台9f燃机作为测试机组为例，选取该机组2017年10月31日全天1分钟间隔的发电负荷和烟囱排口烟气参数监测数据进行说明。测试机组燃机负荷、汽机负荷分别为282.3、156.51mw，烟囱排口处截面积为40.69m2，采用工控机方式实现数据传输。该机组在2017年10月31日6点31分启动，7点30分启动过程基本结束，之后一直处于运行状态。
1、小时碳排放量计算
(1)正常运行过程
表3是2017年10月31日8点到9点这1小时的监测数据列表，时间间隔为1分钟。
表3测试机组2017年10月31日8点到9点1分钟间隔的监测数据
根据机组停机判断条件，测试机组在2017年10月31日8点这一个小时内都处于运行状态，因此小时运行时间为60分钟。经过数据预处理剔除标定故障数据和超限数据记录后，得到排口各烟气参数的小时均值和小时二氧化碳排放数据如表4所示。
表4测试机组2017年10月31日8点小时碳排放数据
(2)机组启动过程
表5是2017年10月31日7点至8点这1小时的监测数据列表。从表5中可以看出，在这1小时中虽然汽机有一段时间处于停机状态，但是燃机一直在运行，因此这小时的运行时间仍然为60分钟。
表5测试机组2017年10月31日7点到8点1分钟间隔的监测数据
测试机组2017年10月31日7点的小时碳排放计算结果如表6所示。
表6测试机组2017年10月31日7点小时碳排放数据
比较表4和表6的计算结果，可以看出测试机组启动过程中二氧化碳排放强度明显大于正常运行过程，这主要是因为启动过程中发电量较小，而二氧化碳排放量却没有成比例下降，使得两者的比值有较大的增长。
2、全天碳排放量统计
表7列出了2017年10月31日从机组启动开始每个小时的碳排放数据，图2展示了该日二氧化碳小时排放强度变化趋势。从中可以看出，6～7点这2个小时由于机组启动，负荷处于爬升过程没有达到稳定状态，因此发电量偏小使得二氧化碳排放强度明显偏大。在剩余时间里，机组一直处于运行状态，排放强度稳定在319.43g/kwh左右。而全天的二氧化碳排放强度为325.89g/kwh，比运行状态的数值略有上升，反映了测试机组全天二氧化碳排放平均水平。
表7测试机组2017年10月31日小时碳排放数据
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。