本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第4期
作者:张春雷,赵良,刘逍,黄海威,赵勇,彭思龙,舒印彪
来源:火电CO2排放连续监测的国际经验分析及启示[J].中国工程科学,2024,26(4):134-151.
编者按
火力发电产生的CO2是温室气体的主要来源,准确地监测火力发电CO2排放是控制和减少温室气体排放的重要基础。借鉴国外发展经验,分析我国火电CO2排放连续监测面临的挑战,推动我国火电CO2排放连续监测的发展应用,有利于提升我国碳排放数据质量,支撑我国碳排放统计核算体系建设,助力“双碳”目标实现。
中国工程院舒印彪院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第4期发表《火电CO2排放连续监测的国际经验分析及启示》一文。为了推动我国火电CO2排放连续监测技术的发展应用、助力我国碳排放统计核算体系建设,文章在文献调研、专家研讨、技术剖析的基础上,以美国、欧盟等为重点,从应用机组类型、实施标准制定、失效应对措施、监测技术选型、关键技术研发、支撑火电低碳化发展、监测报告核查、测量准确度评价等8个方面,对国际火电CO2排放连续监测的发展经验进行了分析。借鉴国际有益经验,结合我国火电CO2排放连续监测的发展现状,提出发展建议:充分考虑技术应用特点和我国火电实际情况,研究制定配套政策法规;加快完善技术实施标准规范,增强标准的引领和支撑作用;强化对已有烟气流量计测量情况的统计分析,为相关工作开展提供参考;加强火电烟气流量测量研究工作,提升CO2排放连续监测技术水平;推进数字化技术在监测报告核查中的应用,支撑CO2排放连续监测的闭环管理;健全连续排放监测系统测量准确度评价标准体系,提升我国碳排放数据的国际认可度。
一、前言
火力发电产生的CO2是温室气体的主要来源,准确地监测火力发电CO2排放是控制和减少温室气体排放的重要基础。火电CO2排放监测方法主要包括核算法和连续监测法。核算法利用燃料排放因子的实测值或推荐值,结合燃料消耗量,计算得到CO2排放量。核算法实施成本较低,但测量结果易受人为因素影响,数据实时性较差。连续监测法通过连续排放监测系统(CEMS)自动化测取烟囱内的烟气流量和CO2浓度,实时监测CO2排放量。连续监测法数据即时性较强,有利于数据质量控制,便于在线校核和溯源管理。美国、欧盟等国家和地区高度重视火电CO2排放监测工作,普遍将核算法和连续监测法共同列为火电CO2排放监测方法,目前,连续监测法已在这些国家和地区得到实际应用。
我国火电CO2排放连续监测起步相对较晚,基础较为薄弱,应用经验相对缺乏。鉴于此,我国规定纳入全国碳市场的控排火电企业采用核算法监测CO2排放,尚未将连续监测法列为CO2排放监测方法。为了提升碳排放数据质量,加强碳排放管理工作,近年来我国先后出台了多项支持政策,推动火电CO2排放连续监测技术的研发和应用。2021年9月,生态环境部启动碳监测评估第一阶段试点工作,在22台火电机组中部署安装CEMS以监测CO2排放,对火电CO2排放连续监测技术进行验证。2023年9月,生态环境部启动碳监测评估第二阶段试点工作,新增92台试点机组,提出鼓励开展不同原理烟气流速测定技术研究比对,提升CO2排放监测准确度。试点研究初步证实,火电CO2排放连续监测结果与核算法结果整体一致,且能获得小时级排放数据,可以更好支撑碳排放管理。然而,目前我国火电CO2排放连续监测仍面临配套制度标准不完善、关键技术不成熟等诸多问题,尚无法大规模推广应用,亟待加快突破发展。美国、欧盟等国家和地区的火电CO2排放连续监测起步相对较早,应用经验较为成熟,借鉴这些国家和地区火电CO2排放连续监测的发展经验,分析我国火电CO2排放连续监测面临的挑战,推动我国火电CO2排放连续监测的发展应用,有利于提升我国碳排放数据质量,支撑我国碳排放统计核算体系建设,助力“双碳”目标实现。
本文在文献调研、专家研讨、技术剖析的基础上,从政策法规、技术路线、应用情况等方面出发,系统梳理国外火电CO2排放连续监测的发展情况,分析总结国际发展经验,结合国内行业现状及面临的挑战,提出我国火电CO2排放连续监测发展应用的对策建议。
二、火电CO2排放连续监测的国际现状
自20世纪90年代起,美国开始对火电CO2排放进行监测,并将连续监测法与核算法共同列为可选监测方法。此后,欧盟、加拿大、澳大利亚、韩国等陆续通过立法推动火电CO2排放连续监测的实施和应用。
(一)美国
长期以来,火电一直是美国主要的电源类型。2022年,美国火电发电量约为2.6×1012 kW·h,约占美国发电总量的60%,产生CO2排放量约为1.5×109 t,占美国CO2排放总量的30%。美国政府对火电温室气体排放问题高度重视,自1990年起,出台了多项相关法律法规,对火电机组应用CEMS监测CO2排放作出规定。
1970年,为应对日益严重的空气污染问题,美国国会通过了《清洁空气法》。1990年,美国国会大幅修订《清洁空气法》,提出“酸雨计划”,要求装机大于25 MW的化石燃料发电机组对SO2和NOx排放进行监测和管控,对纳入的火电机组SO2排放实施总量控制与交易机制。为了收集温室气体排放信息,《清洁空气法》对CO2排放监测也作出了规定,要求所有纳入“酸雨计划”的火电厂采用CEMS或其他与CEMS在准确性、可靠性、及时性等方面具有同等测量效果的监测方法对机组CO2排放进行监测,并以电子文件方式报送美国环境保护署。
为支撑“酸雨计划”实施落地,美国环境保护署于1993年出台联邦法规40 CFR Part 72—Part 78。其中,40 CFR Part 75《连续排放监测》对火电机组SO2、NOx、CO2等排放的监测方法作出了规定。根据40 CFR Part 75,火电机组可选用CEMS或核算法作为CO2排放监测方法。同时,40 CFR Part 75也对火电机组烟气流量及CO2浓度CEMS的性能要求、安装位置、质量控制、参比方法等作了系统规定。自此,CEMS开始大规模应用于美国火电CO2排放监测。由于对火电机组CO2排放连续监测作出了严格和系统的规定,40 CFR Part 75成为美国火电CO2排放连续监测领域的核心法规,被其他火电CO2排放监测相关规定作为重要参考。
2008年,美国国会通过了《2008财年综合拨款法案》,要求美国环境保护署制定相关法规,以对美国经济领域所有行业的温室气体排放实施强制报告制度。2009年,美国环境保护署出台了联邦法规40 CFR Part 98《强制性温室气体报告》,要求年度温室气体排放达到2.5×104 t CO2e及以上的大型直接排放设施、化石燃料与温室气体供应企业以及CO2地下注入设施报告年度温室气体数据。对于电力部门,40 CFR Part 98的Subpart D(Electricity Generation)和Subpart C(General Stationary Fuel Combustion Sources)作了相关规范。其中,Subpart D的规范对象为纳入“酸雨计划”的火电机组及其他依据40 CFR Part 75监测报告CO2的火电机组,基本上覆盖了美国绝大多数火电机组,规定这类机组继续按照40 CFR Part 75的相关要求监测CO2排放。Subpart C的规范对象为不属于Subpart D规范的火电机组以及用以供应蒸汽、热空气、冷空气的固定燃烧设施,规定这些设施按照Subpart C监测CO2排放,一般设施可自主选用核算法或连续监测法,满足一定条件的设施必须使用连续监测法。美国环境保护署统计数据显示,2022年,Subpart D覆盖的火电机组共计1098台,排放CO2约1.5×109 t,分别占40 CFR Part 98电力部门纳入设施总量和排放总量的82.4%和97%,构成40 CFR Part 98电力部门的主体部分。
40 CFR Part 75和40 CFR Part 98的颁布和实施,为美国碳市场的排放监测报告提供了支撑与基础。当前,美国的碳市场均为区域性碳市场,其中,区域温室气体行动倡议(RGGI)、加州总量控制和交易体系运行时间较久,具有较强的代表性。RGGI是美国首个碳市场,于2009年1月启动,最初覆盖美国东北部的10个州,目前增至11个州;RGGI仅在发电部门实施碳排放限额与交易机制,纳入的机组为容量不低于25 MW的化石燃料发电机组,依据RGGI各州规定对CO2排放监测作出要求,总体上与40 CFR Part 75一致;但在监测方法适用范围上,RGGI规定煤电仅可使用CEMS监测CO2排放,气电和油电机组可选用CEMS或核算法。加州总量和交易体系于2012年启动,在发电、工业、建筑、交通等多个部门实施碳排放限额与交易机制,纳入的控排火电机组为年排放量大于或等于2.5×104 t CO2e的机组,依据加州强制温室气体报告的有关规定对机组CO2排放监测作出规范,与40 CFR Part 98基本一致。
综上可知,40 CFR Part 75在美国火电CO2排放连续监测的大规模应用中发挥了关键作用。截至目前,在40 CFR Part 75覆盖的火电机组中,采用CEMS监测CO2排放的机组数量占机组总数的15%,所得的CO2排放量约为9×108 t,占机组排放总量的58%,占美国CO2排放总量的17%;从覆盖的机组类型来看,应用CEMS监测CO2排放的机组主要是煤电,气电主要使用核算法。
(二)欧盟
欧盟火电CO2排放监测的发展与欧盟碳排放权交易体系(EU ETS)建设密切相关。在EU ETS建设初期,欧盟认为连续监测法的准确度低于核算法,倾向于应用核算法。2003年10月,欧盟颁布DIRECTIVE 2003/87/EC指令,提出2005年1月1日启动EU ETS,在能源活动领域将额定热输入超过20 MW的燃烧设施纳入碳市场,明确CO2排放监测可采用核算法或连续监测法。为支撑EU ETS运行,欧盟于2004年1月颁布Commission Decision 2004/156/EC决定,对温室气体排放监测与报告作出详细规定,提出当CEMS测量准确度高于最高准确等级核算法时可以使用CEMS测量温室气体排放。2007年7月,欧盟颁布Commission Decision 2007/589/EC决定,对2004年温室气体排放监测与报告规定进行修订,沿用了其对于使用CEMS的准确度条件要求。
此后,随着CEMS在温室气体排放监测中的不断应用,欧盟对于连续监测法的态度逐步发生转变。一方面,CEMS在美国“酸雨计划”中得到广泛应用,推动了CEMS技术的发展进步,验证了CEMS的准确度;另一方面,CEMS在其他空气污染物监测中也得到了大量应用,尤其是NO2只能通过CEMS实现准确监测。鉴于此,欧盟于2012年颁布Commission Regulation (EU) No 601/2012条例(MRR),明确连续监测法与核算法地位等同,不再对使用CEMS设置前置条件,企业可以自主选用连续监测法或核算法监测设施的CO2排放;若采用连续监测法,需使用核算法对连续监测法所得的排放数据进行验证,对核算法的准确度等级不作要求;设施的NO2排放必须使用CEMS进行监测。同时,MRR规定,企业应用CEMS监测设施的CO2排放,需依据欧盟标准《固定源排放——自动测量系统的质量保证》(EN 14181)和《空气质量 ‒ 固定源排放测量 ‒ 关于测量区域和位置以及测量目标、计划和报告的要求》(EN 15259)及其他相关标准规范实施。
自EU ETS运行以来,纳入的排放设施主要采用核算法监测CO2排放,连续监测法应用相对较少。2021年,EU ETS进入第四阶段(2021—2030年),纳入电力、热力及制造业等领域共8757台设施和355家航空器运营商,覆盖温室气体排放量为1.363×109 t CO2e。根据欧盟的统计数据,共有144台设施采用CEMS监测温室气体排放,占EU ETS纳入设施总量的0.016%;经CEMS监测所得的温室气体排放量为4.66×107 t CO2e,占EU ETS总排放量的3.4%;其中,88台设施使用CEMS仅监测CO2排放,48台设施采用CEMS仅监测NO2排放,8台施设使用CEMS同时监测CO2和NO2排放;从应用范围看,使用CEMS的设施主要分布于火电、供热、化工等领域,如表1所示。其中,在火电领域,应用CEMS监测CO2排放的机组很少,主要是燃烧多种不同燃料的机组,大多数火电机组采用核算法。
表1 EU ETS应用CEMS监测温室气体排放的主要设施类型
(三)加拿大
2004年,为准确监测温室气体排放,支撑应对气候变化工作,加拿大启动“温室气体报告计划”(GHGRP),提出包括发电在内的14个部门年度排放量在10 000 t CO2e以上的设施需报告年度温室气体排放量,覆盖CO2、CH4、NO2等多种温室气体。加拿大发布了《温室气体报告技术指南》《加拿大温室气体测量要求》,对设施温室气体排放监测作出了规定。其中,《温室气体报告技术指南》从总体上对设施温室气体监测报告要求进行了阐述,指出设施温室气体排放监测方法需符合《联合国气候变化框架公约》《2006年IPCC国家温室气体清单指南》的相关要求,具体监测方法可采用连续监测法或核算法,需遵循准确度分级原则。《加拿大温室气体测量要求》从实施层面对设施温室气体排放监测作了规定,明确监测方法选择不受燃料种类的限制,燃烧设施可依据规范自主选择监测方法。对于连续监测法的实施应用,加拿大制定发布了《火力发电及其他排放源烟气排放连续监测条例和性能规范》,从CEMS的设计、安装、认证、运行、质量保证及质量控制等方面作出了详细规范。
目前,加拿大设施温室气体排放监测以核算法为主。2022年,GHGRP共纳入1814台排放设施,覆盖温室气体排放2.93×108 t CO2e,其中以CO2为绝大多数;发电设施排放量约为6×107 t,占监测总量的21%;在所有排放设施中,使用连续监测法的设施约占10%,使用核算法的设施约占总量的90%。
(四)澳大利亚
为了建立国家温室气体监测报告体系,支撑减排政策制定和实施,澳大利亚颁布《国家温室气体与能源报告法案》(2007年),提出当企业或其所属设施满足一定条件时,企业需要报告年度温室气体排放、能源产出量以及消耗量,其中,温室气体排放既包括燃烧化石燃料等活动导致的直接排放(范围一排放),也包括使用外购电力等活动导致的间接排放(范围二排放),具体要求如表2所示。根据法案要求,澳大利亚颁布《国家温室气体和能源报告(测量)决定》(2008年),对温室气体排放、能源产出量及消耗量的测量作出了详细规定,明确企业可采用连续监测法或核算法监测温室气体排放,并且要求对温室气体排放数据进行不确定度评价。
表2 澳大利亚《国家温室气体与能源报告法案》中报告排放的企业需满足的两类条件
(五)韩国
韩国于2010年颁布《低碳、绿色增长基本法》。作为韩国有关能源与气候变化的最高级别法案,该法案提出实行气候变化和能源目标管理制度,建立温室气体报告管理制度,构建全国碳市场。2011年,韩国颁布《关于实施温室气体和能源目标管理运营等的指南》,对温室气体与能源目标管理制度作出具体规定;2012年,启动实施温室气体与能源目标管理制度(TMS),要求工业、发电、建筑、交通、农业、畜牧业、废弃物处理等部门满足条件的企业监测报告温室气体排放,并制定减排目标,以逐步适应碳市场机制。TMS对于温室气体监测、报告及核查制度(MRV)的规定总体上与欧盟类似,明确企业可以选用核算法或连续监测法监测温室气体排放;2015年,韩国碳市场正式启动,沿用了TMS关于MRV的规定。
三、火电CO2排放连续监测的国际经验分析
纵观国际火电CO2排放连续监测的发展历程,美国于20世纪90年代最早开始采用连续监测法,应用时间较早,应用规模较大,欧盟等其他国家和地区一定程度上吸收和借鉴了美国的经验,同时,美国、欧盟相关信息公开程度较高,便于研究分析。因此,本文将以美国、欧盟为重点,对国际火电CO2排放连续监测的应用经验进行分析,以期为我国相关工作的推进提供参考。
(一)火电企业可依规自主选择CO2排放监测方法
美国环境保护署认为,天然气和燃油等燃料均质程度较高,通过测量分析或选取推荐值,可以获得比较有代表性的燃料排放因子(含碳率、低位发热量等),结合企业燃料消耗记录或仪表连续测定的消耗量,燃气和燃油机组能够利用核算法实现CO2排放的准确监测;对于燃烧煤炭及其他固态燃料的机组,由于煤炭等固态燃料通常是非均质的,其排放因子难以准确测定,核算法难以准确监测机组CO2排放,应用CEMS直接测定烟气中的CO2含量是监测此类机组CO2排放最准确的方法。在法规制定层面,美国环境保护署在联邦法规40 CFR Part 75(Subpart B Monitoring Provisions)中规定,燃煤、燃油、燃气等火电机组可以自主选择连续监测法或核算法作为CO2排放监测方法,并提供了应用连续监测法和核算法的详细规范。在实际应用层面,纳入40 CFR Part 75的燃煤机组均选用CEMS监测CO2排放,而燃气和燃油机组则主要采用核算法,产生这种现象的原因是多方面的。一方面,“酸雨计划”提出对火电机组SO2排放实施总量控制与交易机制,作为“酸雨计划”的配套法规,40 CFR Part 75对火电机组SO2排放监测作出了严格规定,要求燃煤机组必须使用CEMS监测SO2排放,并对烟气流量计的安装、质量控制、测量准确度等进行了详细规范;在此基础上,燃煤机组只需再安装CO2浓度监测仪表便可开展CO2排放连续监测,这为燃煤机组规模化应用CEMS监测CO2提供了便利条件。另一方面,美国环境保护署对监测方法的宣传介绍以及与企业的沟通交流也在一定程度上对火电机组监测方法的选择起到了引导作用。
欧盟MRR规定,企业可自主选用连续监测法或核算法作为设施CO2排放监测方法。但在实际应用层面,与美国情况不同,欧盟火电大多数应用核算法监测CO2排放,仅有少数机组使用连续监测法,后者主要是使用多种不同燃料的火电机组。这一现状是在监管政策、技术实施难度以及经济成本等因素的共同作用下形成的。一方面,与美国相比,欧盟对火电烟气流量测量的监管力度较弱,其火电烟气流量监测准确度整体水平较低,火电应用CEMS监测CO2排放缺乏有利条件。长期以来,欧盟对火电空气污染物排放的控制手段主要是发布指令,对火电烟气中SO2、NOx等空气污染物的浓度作出限制规定,并未采取类似美国“酸雨计划”的污染物排放总量控制与交易机制,对于火电烟气流量的测量准确度并未作出要求,直到2013年欧盟标准《固定源排放——烟囱内烟气流速和体积流量的人工与自动测定》(EN ISO 16911)发布,这导致在此之前欧盟火电安装的烟气流量监测系统测量准确度普遍较低;同时,EN ISO 16911的强制效力有限,仅在个别特殊情况下具有强制性。截至2019年年底,在欧盟安装有烟气流量监测系统的排放设施中,只有极少数的监测系统可以满足MRR对于排放数据准确度的要求。另一方面,应用CEMS监测CO2排放要达到MRR的测量准确度要求,不仅需要一定的经济投入,还需要较高的专业技术水平。因此,在可以自主选择监测方法的情况下,欧盟大部分火电选用核算法;而对于燃用多种不同燃料的机组,由于燃料排放因子不便测定,核算法难以实施,选用连续监测法则更具吸引力。
(二)技术标准具有较强的实施指导作用
美国联邦法规40 CFR Part 75对火电机组应用CEMS监测CO2排放作出了详细规定,在制定理念和规范内容等方面,均有一定借鉴价值。
1. 以基于性能为导向
在标准制定理念上,40 CFR Part 75以基于性能规范为导向,只对CEMS测量需满足的指标作出规定,并未对火电机组具体采用的烟气流量计、CO2浓度计等仪器选型作出强制要求。这促使CEMS相关设备制造企业间相互竞争,推动了CEMS测量技术研发创新。同时,为了保证标准规范对于监测设备是可实现的,对于成熟的监测技术,美国环境保护署通过调研分析历史应用数据以制定具体规范要求;而对于新技术,美国环境保护署则开展独立的现场测试,在分析实测数据的基础上制定其性能规范,后续随着技术的发展,根据实际需求对规范进行修订。以烟气流量测量为例,在1993年的40 CFR Part 75颁布前,CEMS烟气流量计在美国尚无大规模的应用经验,通过现场实测验证,美国环境保护署确定当时使用CEMS烟气流量计测量的相对准确度(相对误差的绝对值)普遍可以达到15%,通过一定的技术改进可达到10%;基于此,美国环境保护署在制定40 CFR Part 75时将烟气流量测量相对准确度允许值定为15%以内,并规定从2000年起,将调整至10%。在40 CFR Part 75的规范和指引下,设备制造企业等积极采取措施提升烟气流量的测量准确度。到2000年,40 CFR Part 75纳入的火电机组烟气流量测量相对准确度中位数已降至3.3%。
2. 对CEMS的应用作出详细规定
美国颁布的40 CFR Part 75对CEMS的功能配置、安装位置、认证测试、质量保证和参比方法等均作了详细规定。
对于功能配置,40 CFR Part 75(Subpart B Monitoring Provisions)规定,CEMS需配备自动化的数据采集和处理系统(DAHS);对于烟气流量和CO2浓度,CEMS需在15 min内至少完成一次完整的监测操作(采样、分析和数据记录);DAHS需对每小时内监测所得的数据进行处理,将其简化为小时级平均值。
对于测量安装位置,40 CFR Part 75(Subpart B Monitoring Provisions和Appendix A Specifications and Test Procedures)规定,对于多台机组共用一个烟囱的情形,烟气流量计和CO2浓度计可安装于各机组水平烟道,分别报告机组的排放量,也可安装于公用烟囱,报告各机组合并排放量;对于烟气流量计在烟道内的安装位置,要求位于对机组全部运行工况均具有代表性的区域;当烟气湿度影响烟气流量测量时,需使用40 CFR Part 60中的Method 1(Sample and Velocity Traverses for Stationary Sources)和Method 4(Determination of moisture content in stack gases),以确定合适的烟气流量计的安装位置。美国环境保护署建议,采用烟道横截面流速离散测量的方法,在高、中、低三个典型负荷工况下对烟气流场分布进行探测,进而确定烟气流量计安装位置、采样点数量及布置方案;若所得烟气流场分布显示存在旋流等影响测量准确度的因素,则建议将安装位置更换为烟气流场条件较好的位置,或通过在烟道内安装校正叶片等校正措施消除旋流等不利因素。一般情况下,烟气流量计的安装位置需满足“前8后2”要求,即与上游扰动源距离不小于8倍烟囱直径,与下游扰动源距离不小于2倍烟囱直径;特殊情况下,仅需满足“前2后1/2”要求;或经烟气流场探测结果显示,所在位置烟气流场均匀、不存在旋流或分层流动等情况。
对于烟囱或水平烟道确实无法满足安装条件要求的机组,40 CFR Part 75规定机组可选择三种解决方案:① 向主管部门提交选用其他烟气流量测定方法的申请,说明无法安装烟气流量计的原因和计划采用的替代测定方法;② 建设新的烟囱或对现有烟囱进行改造;③ 在烟囱或水平烟道任意位置安装烟气流量计,流量测试满足40 CFR Part 75要求即可。欧盟对于烟气流量计安装位置的相关规范与美国总体类似,EN 15259规定烟气流量计安装位置需满足“前5后2”要求,当不具备符合标准要求的安装位置时,企业需根据实际情况对烟道进行改造;若仍无法提供满足标准要求的安装位置,则可采用替代方法,例如,使用CEMS监测烟气CO2浓度,而采用核算法确定烟气流量。
对于认证测试,40 CFR Part 75(Appendix A Specifications and Test Procedures)规定CEMS需通过多项认证测试后才可以正式投入使用,如表3所示。其中,7天连续运行标定误差测试是为了评定烟气流量计和CO2浓度测试仪器标定的准确度与稳定性;相对准确度测试审计(RATA)是以参比方法测量值为基准,计算CEMS监测值的相对误差,以其绝对值为相对准确度,进而评定CEMS测量准确度是否满足标准要求;偏差测试是在RATA基础上判断CEMS流量监测值是否与参比方法测量值存在偏差,若存在,则计算偏差调整系数,以修正CEMS流量监测值;循环时间测试是检验CO2浓度监测系统是否能够在15 min内完成至少一次包含采样、分析和数据记录在内的完整测量。通过以上对于CEMS烟气流量和CO2浓度监测性能的系列测试,确保CEMS投入使用后可满足监测要求。
表3 40 CFR Part 75对CEMS认证测试的规定
对于CEMS投运后的质量保证,40 CFR Part 75(Appendix B Quality Assurance and Quality Control Procedures)也作出了详尽的规定。根据40 CFR Part 75,CEMS投运后需进行每日、每季度、半年度和年度的质量保证测试,如表4所示。其中,在干扰检查方面,对于超声波流量计,需配置吹扫等功能,每天至少实施一次,确保收发器保持洁净;对于差压式流量计,需配置自动反吹等功能,每天至少实施一次反吹,确保传感器不被堵塞。同时,对于差压式流量计,每季度至少进行一次泄露检查。40 CFR Part 75规定,对于投运后CEMS质量保证测试的性能要求基本上与投运前的认证测试保持一致;对于每日标定误差测试,质量保证测试的允许误差更加宽松,是认证测试的两倍;对于RATA,采用激励型的规范机制,若CEMS测量的相对准确度在7.5%以内,可以将测试频率由1年2次降低至1年1次,以此鼓励发电企业更加努力提高CEMS测量准确度。
表4 40 CFR Part 75对CEMS质量保证测试的规定
3. 提供多种参比方法支撑CEMS应用
参比方法为RATA提供基准测量值,是保障CEMS测量准确度的基础和关键。40 CFR Part 75(Appendix A Specifications and Test Procedures)引用40 CFR Part 60(Appendix A-1、Appendix A-2)的相关规定,提供了多种皮托管离散测量参比方法,以适应不同流场条件下的烟气流量测量工作,提高参比测量结果准确度。其中,Method 1(Sample and Velocity Traverses for Stationary Sources)和Method 1 A(Sample and Velocity Traverses for Stationary Sources With Small Stacks or Ducts)使用定向型皮托管,用以确定参比方法离散测量的采样位置;Method 2(Determination of Stack Gas Velocity and Volumetric Flow Rate (Type S Pitot Tube))使用S型皮托管,用以确定烟道内的烟气流速,仅适用于没有旋流的烟气流场;Method 2的替代方法包括Method 2F、Method 2G、Method 2H和CTM-041等4种方法。其中,Method 2F和Method 2G均使用定向型皮托管,可测定烟气流速的倾角,适用于存在烟气非轴向流动的情况;Method 2H和CTM-041考虑了接近烟道内壁处烟气流动的减速效应,分别适用于圆柱形烟囱和矩形烟道。此外,40 CFR Part 60(Appendix A-1、Appendix A-2)对每种方法所用皮托管的标定进行了规范,以提高参比方法测量结果的准确度。
4. 制定标准提高测试机构的测量数据质量
为保障40 CFR Part 75的有效实施,提高RATA等测试数据质量,美国于2004年参照ISO 17025出台了《空气排放测试机构能力标准规程》(ASTM D7036),对空气排放测试机构的质量管理作出规范。ASTM D7036规定,空气排放测试机构必须制定质量管理手册以落实ASTM D7036的相关要求,机构需配备技术管理人员、质量管理人员和具备测试资质的工作人员,所有测试项目必须提前制定测试计划,测试过程均需符合ASTM D7036的规范;具备测试资质的工作人员需经过考试认证,并对机构开展的各项测试工作进行监督。
(三)提供完备的CEMS失效应对方案
CEMS在运行过程中可能出现故障,导致监测数据中断或不满足质量控制要求,同时,CEMS的定期维护也可能使监测数据中断,此外,当定期的质量保证检测未按计划时间实施或测试失败时,CEMS监测数据也不符合监管要求。为了保证CEMS监测数据的持续性和准确性,美国从备用系统和补充替代数据两个方面对CEMS的失效应对措施作出了规范。40 CFR Part 75(Subpart B Monitoring Provisions)规定,火电机组可以选择安装2套及以上CEMS。其中,1套作为基本系统,在其正常运行时,以该系统监测数据为准;其余的作为备用系统,当基本系统无法正常工作时,以备用系统监测数据作为机组排放数据;备用系统可分为3类,包括热备用、冷备用和参比方法备用,具体如表5所示。
表5 40 CFR Part 75规定的3种CEMS备用方式
若机组未安装备用系统或备用系统未能发挥作用,则需对失效期间遗漏的监测数据进行替代补充。40 CFR Part 75规定,可以使用初始方法和标准方法生成替代数据;在CEMS最初投入运行的一定时间阶段,可以使用初始方法,在此之后,则需使用标准方法;两种方法替代数据的计算生成和应用均由CEMS的DAHS自动完成。初始方法的替代数值算法较为简单,对于失效期间每小时CO2浓度,选用失效时间段前1 h和后1 h的算术平均值作为替代值;对于失效期间每小时的烟气流速,则在历史运行数据中选取与失效期间机组负荷相似的运行时间,计算这段时间内烟气流速的算术平均值,以此作为替代值。与初始方法相比,标准方法更为复杂,考虑了监测数据可用率(PMA)和失效时间长度两个因素,采用分级原则计算生产替代数值,具体如表6所示。其中,PMA是评估CEMS监测可靠性的指标,其数值为某一特定运行时段内CEMS正常运行的小时数与机组运行小时数的比值。
表6 40 CFR Part 75规定的2种失效期间数据替代方法
(四)充分支撑火电低碳化技术实施应用
美国和欧盟均对掺烧生物质的火电机组CO2排放监测作出了详细规范,明确燃烧生物质产生的CO2排放可从机组排放中扣除。美国联邦法规40 CFR Part 98(Subpart D Electricity Generation)规定,纳入“酸雨计划”的火电机组或其他需依据40 CFR Part 75监测报告CO2排放的机组,按照40 CFR Part 75监测CO2排放,向美国环境保护署报告年度CO2排放量;其中,对于掺烧生物质的机组,需使用核算法计算和报告源于生物质的CO2排放,并在年度CO2排放量中扣减该部分排放,剩余部分作为机组报告排放量。欧盟MRR也规定,对于燃料中含有生物质的机组,需通过核算法计算源于生物质的CO2排放量,并从CEMS监测所得的CO2排放量中扣除。
美国和欧盟对于碳捕集、利用与封存(CCUS)设施的相关CO2监测也作出了详细规范。美国40 CFR Part 98 Subpart RR(Geologic Sequestration of Carbon Dioxide)对CO2长期地质封存的情形作了规范,Subpart UU(Injection of Carbon Dioxide)对使用CO2提高石油或天然气产量的情形作了规范。在两种情形下,可使用流量计或商业合同文件数据确定每季度的流量数值,可通过周期性采样或商业合同文件数据确定每季度的CO2浓度数值,进而计算得到每年接收到的CO2总量;此外,在长期地质封存的情形下,还需计算CO2的地下注入量、泄露量等数值。欧盟MRR规定,企业需使用CEMS监测从机组传输至CCUS设施的CO2排放量,若该部分CO2排放最终将被长期封存,则需从机组的CO2排放总量中扣除该部分排放,剩余部分作为报告排放量。
(五)烟气流量测量以超声波式和差压式流量计为主
美国火电CEMS配备的烟气流量计包括超声波式流量计、差压式流量计、热式流量计和可听声学流量计,其中,超声波式流量计占比最高,约占CEMS烟气流量计的65%,差压式流量计占比约为30%。CEMS配备的烟气CO2浓度测量计绝大多数使用非分散红外(NDIR)技术,且主要采用稀释法。根据美国环境保护署统计,美国火电CEMS的CO2测量数据具有较高的准确度,近年来烟气流量和CO2浓度的测量值相对准确度中位数维持在2%左右。欧盟尚未公布火电CEMS技术选型情况,根据德国联邦环境署的统计,欧盟碳市场中采用CEMS的控排设施主要使用超声波式流量计、差压式流量计和叶轮风速计,前两种流量计在垃圾焚烧厂应用最为普遍;CO2浓度测量计的选型与美国类似,主要使用NDIR技术。
与我国现有火电CEMS以S型皮托管烟气流量计为主不同,美国火电CEMS大量采用超声波流量计监测烟气流量,其原因可能主要是由监管要求和履约成本等因素所致。自“酸雨计划”实施以来,美国对火电SO2排放实施总量控制与交易机制,烟气流量测量值直接影响SO2排放量的确定,对火电经济利益影响较大,因此,美国火电对烟气流量测量准确度要求较高。与单点皮托管流量计相比,超声波流量计为非接触式测量,可以测量烟囱截面的线平均流速,且测定最低流速接近0 m/s,具有更宽的测速区间,总体上拥有较高的测量准确性,因此在美国火电得到大量应用。
(六)国家级科研机构发挥技术研发支撑作用
烟气流量是影响CO2排放监测准确度的关键参数。相关研究普遍认为烟气CO2浓度监测数据质量较高,常用的NDIR等方法测量不确定度在2%以内;而烟气流量监测容易受到烟气流场分布、烟气成分、流量计性能以及安装布置等多方面因素影响,获取高质量的监测数据存在较大的难度。美国政府部门、科研机构、发电企业、CEMS制造企业、检测机构等对此高度关注,开展了大量工作。其中,美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国电力科学研究院(EPRI)等国家级科研机构发挥了关键的支撑作用。
NIST认为,在RATA实践中大量使用的S型皮托管测量准确度整体较低。S型皮托管在标定过程所用流场条件与实际烟道流场有差异,当实际烟道流场存在旋流等情况时,S型皮托管的测量准确度将显著下降,同时,很多实际现场RATA使用的S型皮托管也并未经过标定。因此,以S型皮托管测量值作为参比数值,对CEMS进行标定或实施RATA,即使相对误差数值很小,也难以保证CEMS烟气流量监测值具有低不确定度。鉴于此,NIST搭建了模型级和工业级烟气流量测量试验平台(见图1)。在模型级试验平台中,以标定过的高准确度流量计控制烟气流量,通过设置转角模拟制造实际烟气中的旋流,验证CEMS烟气流量计的测量效果。在工业级试验平台中,模拟效果更加接近实际情况,将在模型级试验平台取得的研究结果应用于工业级试验平台以作进一步验证。
图1 NIST模型级试验平台示意图
利用上述试验平台,NIST以降低CEMS测量不确定度为目标,对各类烟气流量计和皮托管参比方法的准确度开展了系统研究。研究表明,在不使用S型皮托管对CEMS作预先标定的情况下,使用X型多通道超声波流量计可以显著提高CEMS烟气流量的测量准确度;与单通道超声波流量计相比,X型双通道超声波流量计的测量误差由17%下降至1%;目前,双通道超声波烟气流量计已在美国火电CEMS得到应用。同时,为了解决传统S型皮托管测量方向有限的问题,NIST研发了新型皮托管,并对其标定技术进行优化改进,以提高参比方法测量结果的准确度。
EPRI对美国火电CO2排放连续监测的实施应用进行了调研总结,分析了影响CEMS测量不确定度的主要因素,提出了火电CO2排放连续监测的实施建议。对于超声波流量计,EPRI指出,使用X型等多通道超声波流量计可以有效降低测量不确定度,建议每天进行1次标定自动检查和干扰检查,每季度至少进行1次系统维护。对于差压式流量计,EPRI建议每天进行1次标定自动检查和干扰检查,每年对整个系统进行1次标定。在流量计安装方面,EPRI建议采用计算流体动力学(CFD)建模方法优化安装方案。在烟囱直径测量方面,建议采用激光测距仪多次测量求取平均值,测量应在机组通常运行工况下进行,以反应烟囱热膨胀效应。对于参比方法实施,EPRI也从总体原则、仪器选型、标定及测试等方面提出了建议。
(七)借助数字化技术提高监测数据报告核查效率
借助数字化技术,通过在线核查和现场核查相结合的方式,美国实现了对火电CO2排放连续监测的闭环管理,提高了火电CO2排放连续监测实施水平。
40 CFR Part 75(Subpart G Reporting Requirements)规定,火电机组每季度提交1次监测报告,这使美国环境保护署和火电企业能够在整个年度内及时解决数据相关问题,避免核查工作集中到年末,减轻了管理部门的工作负担。40 CFR Part 75要求,监测报告必须包括机组信息、小时级排放数据、累计排放数据、小时级机组运行信息、监测计划、必需的认证及质量保证测试结果、机组指定代表的认证声明等内容,发电企业需按照美国环境保护署提供的标准化XML格式文件填写报告内容,使用美国环境保护署提供的软件(ECMPS Client Tool)在线提交至美国环境保护署清洁空气市场部(CAMD);在报告内容填写阶段,ECMPS软件将自动检查输入数据并即时反馈检查结果,这使得一些错误可以在报告正式提交前得到修改;在正式报告提交后,监管部门将通过软件对数据信息进行初步审查,若发现存在问题的机组,则通过软件实施更加全面的审查或派员到发电企业开展现场审查。
现场核查工作包括调阅监测计划和历史数据、检查监测设备系统、查阅系统数据记录、观察质量保证测试过程、访问发电企业相关人员等内容。为了提高工作效率,美国环境保护署开发了现场核查工作软件(TTFA),该软件能够自动识别很多CEMS运行及维护方面存在的问题;同时,为了更好指导现场审查工作,美国环境保护署发布了现场核查工作手册,详细介绍了实施现场核查的推荐操作程序。
(八)以不确定度作为测量准确度评价指标
相比于测量误差,不确定度可以更加科学地评价测量准确度。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)要求通过不确定度评估国家温室气体监测数据准确度,国际标准化组织(ISO)相关标准也以不确定度作为测量准确度评价指标。目前,美国、加拿大规定以测量误差为指标、通过RATA来评价CEMS烟气流量和CO2浓度测量准确度,尚未要求机组提供CEMS测量不确定度。而欧盟等地则以不确定度为指标评价CEMS测量准确度,要求按照规范对设施年度小时级平均排放量不确定度进行计算,更加科学合理,与IPCC及ISO相关要求一致,使其境内设施CEMS测量值具有较好的国际互认度。
测量不确定度评价需考虑测量各环节引入的不确定度,根据误差传播法则进行计算。欧盟规定,安装前CEMS的测量不确定度计算按照《空气质量——通过与所需测量不确定度的比较来评估测量程序的适用性》(EN ISO 14956)实施;安装、标定和运行阶段CEMS的测量不确定度计算按照EN 14181实施。
欧盟以不确定度为指标对CEMS的应用进行分级管理。欧盟MRR规定按照最大允许不确定度对排放数据的准确度要求进行分级,将连续监测法分为4级,准确度要求逐级提升,如表7所示;对控排设施按照年度排放量由小到大依次分为A、B、C三类,如表8所示;A类和B类设施连续监测法所得排放量准确度应不低于2级,C类设施不低于3级。同时,MRR规定,当设施内某一排放源年度温室气体排放高于5000 tCO2e或占设施年度排放量的10%以上时,企业应用连续监测法需保证测量数据准确度满足最高等级要求(4级)。此外,若企业可以向监管机构证明MRR要求的准确度级别在技术上不具有可行性或将引起过大的成本,则可以依据规范一定程度地降低数据准确度要求等级。按照MRR规定,对于使用化石燃料的火电机组,当采用连续监测法时,若机组年度CO2排放高于5000 t,则A、B、C三类机组年度小时级CO2排放准确度均需满足4级要求,即最大允许不确定度不超过±2.5%。
表7 欧盟MRR依据最大允许不确定度对设施CO排放数据的准确度分级
表8 欧盟MRR依据年排放量对排放设施分类
四、启示与建议
美国、欧盟等国家和地区通过制定配套法规标准、开展关键技术研发等措施有效支撑了火电CO2排放连续监测的实施应用。借鉴国际有益经验,结合我国当前情况,本文从以下6个方面提出推动我国火电CO2排放连续监测发展与应用建议。
(一)充分考虑技术应用特点和我国火电实际情况研究制定配套政策法规
考虑到我国火电CO2排放连续监测的应用基础较弱、实施经验较少,目前我国规定纳入全国碳市场的火电企业采用核算法监测报告CO2排放量,尚未在相关政策或法规中将连续监测法列为火电CO2排放监测方法,也未明确对应管理机制。主管部门正积极推进试点研究工作,为配套政策法规制定作前期准备。
为了保障政策法规的实施效果,在配套政策法规的制定过程中,建议充分考虑连续监测法的技术应用特点和我国火电的实际情况。一方面,连续监测法的测量准确度受到烟道内烟气流场分布、仪器安装布置、设备系统运维等因素的显著影响,要实现CO2排放量的准确测量,既需要机组烟道状况满足标准规范对于仪器安装位置的要求,也需要相关技术人员具备较高的专业水平,同时,CEMS的安装运维也需要一定的经济投入。另一方面,我国火电机组数量众多,在烟道状况、人力资源、经济条件等方面参差不齐,整体情况较为复杂。鉴于此,建议配套政策法规赋予火电企业CO2排放监测方法自主选择权,明确在符合相应标准规范的情况下两种方法具有同等效力,使火电企业可根据自身情况自主选用连续监测法或核算法作为监测方法,由此保障连续监测法的实施水准和数据质量。
(二)加快完善技术实施标准规范
目前,我国已针对火电CO2排放连续监测发布多项标准,如表9所示。其中,最高级别标准《火电厂烟气二氧化碳排放连续监测技术规范》(DL/T 2376—2021),其内容大量参考火电厂SO2、NOx等污染物排放相关标准(HJ 75—2017、HJ 76—2017),且主要依据2020年前小规模试点研究结果,对火电CO2排放连续监测实施应用的支撑作用仍有待改进提升。
表9 我国火电CO2排放连续监测领域现行的技术标准
在安装位置的规定上,DL/T 2376—2021尚未明确在烟道无法满足相关安装要求的情况下烟气流量计安装的处理办法,在部分机组确实不具备安装位置的情况下,难以实施落地;在验收测试的规定上,尚未对测试时的机组运行负荷作出要求,难以保障CEMS在机组整个运行负荷段内均具有良好的测量性能,同时,也没有对低负荷、低烟速情况下的烟气流量测量准确度指标作出针对性规定;在质量保证的规定上,主要集中于对测量误差和零点漂移的检查,尚未对干扰检查和流量 ‒ 负荷比例检查作出明确要求。
在参比方法的规范上,DL/T 2376—2021在资料性附录中提出,当测量位置前后直管段较长时,选用《固定污染物排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)要求的烟气流速测量方法。该方法采用标准型或S型皮托管,与美国40 CFR Part 75提供的Method 2类似,但并未对皮托管标定作出规范。对于测量位置前后直管段不满足要求的情形,DL/T 2376—2021提出采用三维皮托管测量方法,按照资料性附录规定或国家、行业、美国环境保护署发布的三维皮托管方法作为参比方法。总体上,DL/T 2376—2021提供的参比方法种类较少,缺乏对质量保证的规范,且强制效力不足。
在CEMS失效应对上,与40 CFR Part 75相比,DL/T 2376—2021的相关规范较为粗略,限制了其实施效果。在冗余备用方面,DL/T 2376—2021提出可使用参比方法测量值作为监测数据替代值,尚未对CEMS备用系统的使用作出详细规范。在失效期间数据替代方法上,DL/T 2376—2021尚未根据CEMS投运时间对数据替代方法进行分类,替代值生成算法仅局限于选取过去时段最大CO2排放值,没有考虑烟气流量与机组运行负荷的相关性,对火电CEMS的安装和运维水平提出了相当高的要求,不利于CEMS的推广应用;在替代值生成方式上,没有明确提出替代值的计算生成需由CEMS的DAHS自动完成,不利于相关规范的实施执行。
在支撑火电低碳化发展方面,我国对核算法的应用作出了相关规定,但尚未对连续监测法作出明确要求。生态环境部2022年发布的《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》对应用核算法监测火电机组CO2排放进行了规范;对于掺烧生物质的机组,规定其直接排放仅统计燃烧化石燃料产生的CO2,不计源于生物质的排放。DL/T 2376—2021等火电CO2连续监测技术标准没有对应用低碳技术的情形作出规定,尚未明确需在CEMS监测所得CO2排放中扣减源自生物质的CO2排放和实施长期地质封存的CO2,也没有明确相应计量方法。
建议加强对美国、欧盟等国家和地区相关技术标准及实施情况的研究,深入分析我国火电CO2排放连续监测试点研究数据,持续跟踪调研技术发展进展及行业意见反馈,在仪器安装、性能要求、质量控制、参比方法、失效应对、支撑低碳技术应用等方面对火电CO2排放连续监测作出更加全面细致的规范,增强标准的引领和支撑作用。
(三)深化对已有烟气流量计测量情况的统计分析
与烟气CO2浓度相比,我国火电烟气流量连续监测工作开展较早。早在2001年,国家环境保护总局发布《火电厂烟气排放连续监测技术规范》(HJ/T 75—2001)和《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ/T 76—2001),并在2007年和2017年进行修订,形成强制性行业标准《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技术规范》(HJ 75—2017)和《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ 76—2017),对火电机组CEMS测量污染物浓度及烟气流量作出了规范。按照以上标准要求,我国火电基本上均已安装CEMS对烟气流量进行监测。
与美国不同,我国火电CEMS烟气流量计以皮托管差压式流量计为主,主要采用S型皮托管,流量计型式包括单点皮托管流量计和多点皮托管流量计。目前,我国尚无公开发布的全国范围火电CEMS烟气流量计选型及准确度统计数据。文献调研表明,我国大量机组使用S型单点皮托管流量计,该类型流量计在简单均匀流场中测量效果较好,在复杂流场中的测量准确度较低,相对误差可能超过标准要求;部分机组存在测点位置代表性不足、安装布置不合理等问题,部分地区机组CEMS烟气流速测量合格率一度仅为20.4%~36.5%。建议调动行业力量,对全国范围内的火电CEMS烟气流量计选型及测量准确度进行详细的统计分析,全面评估现有CEMS烟气流量准确度水平,为相关政策制定及技术研发等工作提供参考。
(四)加强火电CEMS烟气流量测量研究工作
在研究方向上,建议着力研发适应复杂流场的新型CEMS烟气流量测量技术,加强对皮托管参比方法测量准确度的研究工作。一方面,我国部分火电烟气流量测量条件较差,机组烟囱不具备安装烟气流量计的条件;同时,经过多轮环保改造,机组水平烟道难以满足现行标准DL/T 2376—2021对烟气流量计安装位置及流场条件的要求,其内烟气流场比较复杂,导致安装的烟气流量计测量准确性较差。因此,亟需研发适应复杂流场环境的新型烟气流量测量技术。生态环境部自2021年起已组织开展两批次火电CO2排放连续监测试点,部分发电企业在试点工作中研制了新型烟气流量测量技术,初步研究表明具有较高的准确度。但试点机组安装的CO2排放连续监测系统大部分投运仅1年左右,且覆盖机组类型、数量和运行条件有限,测量准确性仍有待长周期、多场景的实际验证。另一方面,在实际应用中,皮托管参比方法在CEMS标定和准确度评价中发挥着关键作用,其测量准确度对于CEMS测量准确度具有重要影响,目前的试点研究缺乏对皮托管参比方法测量准确度的深入研究。
在研究方法上,建议在准确度指标选取、参比方法选取和实验室验证等方面进一步完善。现有的部分研究以相对误差为测量准确度指标,缺乏对测量不确定度的计算分析;同时,部分研究以核算法所得排放数据作为参比数值评价CEMS测量准确度,而核算法本身的准确度并未量化,以此为基准无法科学评价CEMS测量准确度;此外,现有大量研究采用在实际机组中布置CEMS开展研究,其烟气流量高准确度测量值难以获得,由此所得研究结果并不严密,缺乏高准确度实验室研究验证。因此,建议以降低测量不确定度为目标,加强对CEMS测量不确定度的分析计算;试点机组CEMS测量相对误差计算需以低不确定度测量结果为参比基准;加强实验室研究论证,构建高准确度烟气流动实验平台,对全机组类型、全运行工况、各类监测方法进行严密的实验论证。
在研发支撑单位上,目前我国火电CO2排放连续监测试点研究实施主体以设备系统厂商和发电企业为主,国家级科研机构参与较少。建议充分发挥国家级科研机构的专业优势和研究资源,加强“产学研用”一体化攻关,加强对高准确度火电CO2排放连续监测技术的研究。
(五)推进数字化技术在监测报告核查中的应用
我国已于2023年年底建成全国碳市场管理平台,对控排企业碳排放信息进行统一管理,运用人工智能等数字化手段对排放数据进行审核校对。2024年1月,国务院印发《碳排放权交易管理暂行条例》,对全国碳市场管理平台建设作出明确规定,后续主管部门将进一步加大数字化技术应用力度,加快平台监管功能建设。目前,由于我国尚未将CEMS列为控排企业监测CO2排放的可选方法,全国碳市场管理平台的核查功能设计主要面向核算法相关数据。建议在平台后续建设过程中,充分考虑CEMS监测数据的特点,研究设计相应数据核查机制,为连续监测法的应用做好准备;同时,充分利用连续监测法在时效性上的优势,逐步细化火电CO2排放监测报告数据的时间颗粒度,更好支撑用电企业电力消耗间接排放的计算。
在现场核查方面,目前,我国主要通过生态环境主管部门以及有资质的第三方机构对控排企业设备及数据资料进行现场核查,核查工作主要通过人工查阅等方式实施,数字化技术应用相对较少。由于CEMS为仪器自动测量,现有的现场核查手段将难以有效支撑其现场核查工作。建议充分考虑CEMS系统运行与数据特点,研发支撑CEMS现场核查的辅助软件工具,提高CEMS现场核查的自动化、智能化水平,提升CEMS现场核查的准确性和工作效率。
(六)健全CEMS测量准确度评价标准体系
目前,我国已出台不确定度评价通用标准,但尚未在火电CO2排放连续监测相关标准中将不确定度列为测量准确度评价指标,也没有出台CEMS测量不确定度评价的专用标准。我国的现行标准DL/T 2376—2021规定采用相对误差来评价CEMS烟气流量及CO2浓度测量准确度,实施方法与美国和加拿大的RATA基本一致。一方面,相对误差难以科学表征测量准确度,同时,参比方法所得数据易受皮托管性能、标定效果、人为操作等因素影响,以此为参比基准易对CEMS数据质量评价造成干扰。另一方面,IPCC和ISO将不确定度作为温室气体排放监测数据准确度评价指标,欧盟等地区也以不确定度评价核算法和连续监测法监测CO2排放数据的准确度,且制定了专用标准以指导CEMS测量不确定度评价,我国尚未将不确定度纳入CEMS测量评价指标,不利于我国碳排放数据与国际接轨互认。目前,我国对于火电CO2排放连续监测不确定度的研究相对较少,建议加强对火电CO2排放连续监测不确定度评价方法的研究,将不确定度列为火电CO2排放连续监测准确度评价指标,制定专用的不确定度评价标准,健全监测结果评价体系,提高我国碳排放监测数据国际认可度。
五、结语
为了推动我国火电CO2排放连续监测技术的发展应用,助力我国碳排放统计核算体系建设,本文对美国、欧盟、加拿大、澳大利亚、韩国等国家和地区的火电CO2排放连续监测政策法规及应用状况进行了研究;以美国、欧盟为重点,从应用机组类型、实施标准制定、失效应对措施、监测技术选型、关键技术研发、支撑火电低碳化发展、监测报告核查、测量准确度评价等8个方面,对国际火电CO2排放连续监测的发展经验进行了系统分析;以此为基础,立足我国火电CO2排放连续监测发展现状,结合当前我国火电CO2排放连续监测面临的主要问题,针对性地提出了推进我国火电CO2排放连续监测发展和应用建议。
当前,我国火电CO2排放连续监测总体上仍处于起步阶段,在各方面均有待进一步发展。借鉴国际有益经验,未来我国可从以下6个方面加强工作:充分考虑技术应用特点和我国火电实际情况,研究制定配套政策法规;加快完善技术实施标准,在仪器安装、质量控制、参比方法、失效应对、支撑低碳技术应用等方面对火电CO2排放连续监测作出更加全面细致的规范,增强标准的引领和支撑作用;强化对已有烟气流量计测量情况的统计分析,摸清我国当前火电烟气流量的监测水平,为后续政策制定及技术研发提供参考;加强火电CEMS烟气流量测量研究工作,发挥国家级专业科研机构的资源优势,加大高准确度实验研究力度,着力研发适应复杂流场条件的烟气流量测量方法,进一步提高火电CO2排放连续监测技术水平;推进数字化技术在监测报告核查中的应用,提升CO2排放连续监测数据报告核查效率,支撑CO2排放连续监测的闭环管理;健全CEMS测量准确度评价标准体系,将不确定度纳入火电CO2排放连续监测数据准确度评价指标,提高我国碳排放数据的国际认可度。
注:本文内容呈现略有调整,若需可查看原文。
作者简介
舒印彪
输变电工程与电力系统规划专家,中国工程院院士。
主要从事电网运行与电力系统规划、超/特高压输电重大工程建设和技术研发以及能源电力国际标准研究。
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注:论文反映的是研究成果进展,不代表《中国工程科学》杂志社的观点。