姚順春 支嘉琦 付金杯 李崢輝 盧志民 卓俊玲?
(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化與工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510640;3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012)
隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響也愈發(fā)明顯,其中以CO2為主的溫室氣體的大量排放引起的溫室效應(yīng)是目前影響范圍最廣的環(huán)境問(wèn)題,對(duì)人類的生存造成了嚴(yán)重威脅。為應(yīng)對(duì)氣候變化,世界各國(guó)對(duì)減少碳排放達(dá)成一致共識(shí),并出臺(tái)一系列減排政策,其中碳排放權(quán)交易機(jī)制是世界各國(guó)應(yīng)用較為廣泛的碳減排手段[1]。中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的大國(guó),一直積極承擔(dān)著減排任務(wù)。自2013年開(kāi)始,我國(guó)在北京、廣東、湖北等7個(gè)省市陸續(xù)開(kāi)展碳交易市場(chǎng)的試點(diǎn)。我國(guó)始終在積極探尋綠色低碳的發(fā)展路線。在此目標(biāo)下,碳交易市場(chǎng)作為重要控排手段而越來(lái)越受到重視。當(dāng)前,我國(guó)碳排放仍然處在“總量高、增量高”的階段,其中電力是最主要的碳排放行業(yè)。2021年7月16日全國(guó)碳市場(chǎng)正式開(kāi)市,電力行業(yè)是我國(guó)第一批納入全國(guó)碳市場(chǎng)的重點(diǎn)行業(yè)。準(zhǔn)確、客觀、實(shí)時(shí)且具有公信力的碳排放數(shù)據(jù)是碳交易市場(chǎng)高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ),也是國(guó)際互查、企業(yè)低碳生產(chǎn)管理以及實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)愿景的核心保障。
目前,我國(guó)碳核查的通用方法為核算法。2022年,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施(2022年修訂版)》,其中規(guī)定了利用核算法進(jìn)行碳核查的具體流程與方法。該指南的出臺(tái)確保了碳核查及碳交易的公平統(tǒng)一,但同時(shí)核算法還存在以下局限性:①核查環(huán)節(jié)易受人為因素影響;②需要頻繁處理多個(gè)不同來(lái)源的原始數(shù)據(jù);③固體燃料特性復(fù)雜多變,采樣代表性不足以及燃料特性分析的誤差會(huì)造成核算結(jié)果不準(zhǔn)確;④時(shí)效性較差?,F(xiàn)行核查法是基于第三方核查機(jī)構(gòu),對(duì)納入碳市場(chǎng)企業(yè)的上一年度碳排放量進(jìn)行核查,從而服務(wù)于碳交易市場(chǎng)。數(shù)據(jù)的時(shí)效性較差,使企業(yè)人員無(wú)法及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài),從而無(wú)法為清潔低碳生產(chǎn)提供支持。此外,國(guó)際上還存在基于排放端的在線監(jiān)測(cè)法。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在排放源后,通過(guò)采集煙氣濃度、體積流量等數(shù)據(jù)獲得碳排放總量。Sur等[2]詳細(xì)分析總結(jié)了中國(guó)碳市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及碳排放監(jiān)測(cè)方法現(xiàn)狀,他們認(rèn)為盡管目前核算法更普適于中國(guó)電廠,但在線監(jiān)測(cè)法依舊頗具前景。在線監(jiān)測(cè)法具有的優(yōu)點(diǎn)如下:①其數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化程度較高,可以自動(dòng)上傳系統(tǒng),保證數(shù)據(jù)真實(shí)性;②數(shù)據(jù)分析處理簡(jiǎn)單,節(jié)省人力;③無(wú)需區(qū)分燃料類型,較好地適配于我國(guó)大部分電廠燃煤摻配混燒的現(xiàn)實(shí)情況;④時(shí)效性好,可以實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”,我國(guó)電力行業(yè)未來(lái)預(yù)計(jì)將納入更多清潔能源,為保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性,火電廠則要更多承擔(dān)起深度調(diào)峰責(zé)任,利用在線監(jiān)測(cè)法則可以更好地監(jiān)測(cè)碳排放和企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行之間的關(guān)聯(lián)特性,為低碳生產(chǎn)優(yōu)化和電力調(diào)度提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2020年6 月,生態(tài)環(huán)境部公布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要(2020—2035年)》[3]提出遵循“核算為主、監(jiān)測(cè)為輔”的原則。生態(tài)環(huán)境部于2021年1月印發(fā)的《關(guān)于統(tǒng)籌和加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出,要推動(dòng)監(jiān)測(cè)體系統(tǒng)籌融合,加強(qiáng)溫室氣體監(jiān)測(cè)。2021年9月,生態(tài)環(huán)境部聚焦重點(diǎn)行業(yè)、城市和區(qū)域啟動(dòng)監(jiān)測(cè)評(píng)估試點(diǎn),發(fā)現(xiàn)對(duì)火電行業(yè)等排放相對(duì)集中的企業(yè)在線監(jiān)測(cè)效果較好。2022年5月,生態(tài)環(huán)境部提出,我國(guó)將擴(kuò)大火電行業(yè)碳監(jiān)測(cè)試點(diǎn)范圍,進(jìn)一步完善碳監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)體系。由此可見(jiàn)火電企業(yè)碳排放在線監(jiān)測(cè)的推廣應(yīng)用勢(shì)在必行。然而,在全國(guó)推廣應(yīng)用碳排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),還需要對(duì)其存在的監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量等一系列問(wèn)題進(jìn)行研究和探討。
本文針對(duì)火電企業(yè)碳排放在線監(jiān)測(cè)目前存在的問(wèn)題,首先闡述了連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)原理,其次對(duì)CO2濃度監(jiān)測(cè)、煙氣流量監(jiān)測(cè)和流量軟測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用和適用條件進(jìn)行分析說(shuō)明,繼而對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法進(jìn)行總結(jié),最后提出擴(kuò)大碳排放在線監(jiān)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)用、建立不確定度分析模型及建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建議,期望推動(dòng)在線監(jiān)測(cè)法在全國(guó)碳監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
在線監(jiān)測(cè)法的基本原理是通過(guò)對(duì)尾部煙道的CO2濃度、煙氣流速、溫度及壓力等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),來(lái)計(jì)算總的碳排放速率,其計(jì)算公式為
式中:M為碳排放速率,kg/h;Pct為煙氣壓力,Pa;Vs為煙氣體積流量,Nm3/h;w為煙氣濕度,%;R為標(biāo)準(zhǔn)摩爾氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為煙氣溫度,K;φ(CO2)為煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù),%。其中,最為關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)是碳濃度和煙氣流量[4]。
氣體檢測(cè)技術(shù)眾多.20世紀(jì)70年代普遍采用化學(xué)檢測(cè)技術(shù),如氣相色譜檢測(cè)技術(shù),已廣泛應(yīng)用于天然氣組分在線實(shí)時(shí)檢測(cè)、大氣溫室氣體濃度監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,電廠中常用該技術(shù)進(jìn)行變壓器故障監(jiān)測(cè),但因其系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)量大等原因,在電廠碳排放連續(xù)在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域難以應(yīng)用[5]。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)因其高靈敏性、探測(cè)目標(biāo)廣的特點(diǎn)被廣泛重視和研究。常見(jiàn)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)主要有差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)(DOAS)、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)、非分散紅外檢測(cè)法(NDIR)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)和差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)(DIAL)等。其中DIAL技術(shù)多用于大氣環(huán)境氣體監(jiān)測(cè),因其系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂不適用于煙道環(huán)境監(jiān)測(cè),所以在此節(jié)不作過(guò)多介紹。
1.2.1 差分吸收光譜
差分吸收光譜始于20世紀(jì)70年代[6],主要利用氣體分子具有的窄帶吸收特性,來(lái)反演待測(cè)氣體濃度。DOAS主要應(yīng)用在紫外和可見(jiàn)波段,其技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量為非接觸式,設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙道內(nèi)多種氣體的同時(shí)監(jiān)測(cè)。但其操作相對(duì)困難,對(duì)外部環(huán)境要求較高,且需根據(jù)氣體種類找出最佳光程及最優(yōu)波段[7]。也有學(xué)者將DOAS技術(shù)擴(kuò)展到了CO2所在的紅外光譜區(qū),并提出了參數(shù)反演算法[8]。此后,諸多學(xué)者基于DOAS開(kāi)展了CO2濃度檢測(cè)研究。Wallin等[9]認(rèn)為DOAS系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)從紫外到紅外波段的多種氣體濃度,適用于普通固定污染源和垃圾焚燒廠的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)。王汝雯[10]基于權(quán)重函數(shù)修正的DOAS技術(shù)(WFM-DOAS)設(shè)計(jì)了地基紅外遙測(cè)系統(tǒng),可獲得燃煤電廠等點(diǎn)源排放的CO2、CH4等氣體的二維分布信息和通量信息。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)DOAS的研究仍多集中于紫外波段,對(duì)其紅外光譜區(qū)的應(yīng)用還有待深入探討。
1.2.2 傅里葉變換紅外光譜
傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)是一種對(duì)干涉函數(shù)做傅里葉變換得到測(cè)量待測(cè)氣體分子紅外光譜的方法,是氣體濃度檢測(cè)的一種較為理想的手段。FTIR具有分辨率高、靈敏度高、量程范圍寬和測(cè)量氣體種類多等優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、成本高,且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)儀器對(duì)工作環(huán)境的濕度較為敏感,因此在煙道環(huán)境中使用易產(chǎn)生誤差。李相賢等[11]改進(jìn)了傅里葉變換紅外分析儀以實(shí)現(xiàn)溫室氣體及CO2碳同位素比值的多組分、高精度、連續(xù)自動(dòng)測(cè)量,分析儀對(duì)CO2和δ13CO2的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.239×10-6和0.572%。Esler等[12]基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)大氣中的CO、CO2、CH4和N2O進(jìn)行了探測(cè)。盛潤(rùn)坤等[13]提出了一種基于FTIR和紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)聯(lián)用技術(shù)的煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可同時(shí)測(cè)量NO、NO2、SO2、CH4、CO2和CO等多種氣體,結(jié)果顯示測(cè)量技術(shù)零點(diǎn)漂移小于2% F.S.。高明亮[14]搭建了基于FTIR技術(shù)氣體定量分析的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)CO、CO2、NO、NO2、SO2等8種組分進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)偏最小二乘(PLS)回歸模型成功對(duì)氣體進(jìn)出預(yù)測(cè),精度達(dá)滿量程的±2%。目前FTIR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中達(dá)到了較好的效果,其在火電企業(yè)等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。
1.2.3 非分散紅外光譜
非分散紅外檢測(cè)法(NDIR)基本原理是基于氣體分子對(duì)紅外線的選擇吸收性,將紅外光源的連續(xù)光照射到被測(cè)氣體上,根據(jù)譜線的衰減程度以及與組分濃度所呈現(xiàn)的線性關(guān)系來(lái)得到氣體的濃度信息[15]。NDIR系統(tǒng)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè),但易受到煙道中碳?xì)浠衔锖退魵獾母蓴_。目前已有學(xué)者開(kāi)展關(guān)于環(huán)境因素對(duì)傳感器影響的研究。張加宏等[16]針對(duì)環(huán)境溫濕度對(duì)CO2氣體傳感器的影響展開(kāi)了抗干擾研究,設(shè)計(jì)了低濕控制模塊與恒溫控制模塊。結(jié)果顯示,在復(fù)雜溫濕度環(huán)境下,0~2×10-3濃度范圍內(nèi)測(cè)量平均相對(duì)誤差為8.38%。張珅等[17]對(duì)NDIR開(kāi)放光路CO2/H2O分析儀在測(cè)量CO2濃度時(shí)環(huán)境壓強(qiáng)及其他氣體的影響進(jìn)行了校準(zhǔn),校準(zhǔn)后對(duì)CO2濃度測(cè)量的相對(duì)誤差在0.4%~2.1%之間,穩(wěn)定度為0.31%。趙勇毅[18]基于NDIR技術(shù)設(shè)計(jì)了一種CO2、CH4雙組分氣體傳感器,在0~2×10-3量程范圍內(nèi)相對(duì)誤差可控制在4.5%內(nèi)。國(guó)內(nèi)外公司研制出的部分NDIR紅外氣體傳感器如表1所示。目前國(guó)內(nèi)的CO2氣體傳感器相比國(guó)外還有一定差距,具體表現(xiàn)在穩(wěn)定性較差、體積較大、響應(yīng)速度較慢等[19],還需要進(jìn)一步改善。
表1 國(guó)內(nèi)外典型NDIR氣體分析儀[6]Table 1 Typical NDIR gas analyzer at home and abroad [6]
1.2.4 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜
可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)是一種使用可調(diào)節(jié)二極管激光器和激光吸收光譜法測(cè)量氣體濃度的技術(shù),可通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制激光二極管的發(fā)出激光掃描較窄的波長(zhǎng)范圍。出射激光強(qiáng)度因氣體吸收而發(fā)生變化,通過(guò)檢測(cè)出射光強(qiáng),利用朗伯比爾定律可計(jì)算被測(cè)氣體所包含的成分及其濃度[20]。該方法應(yīng)用最廣泛的信號(hào)處理方式有兩種:直接吸收光譜和波長(zhǎng)調(diào)制光譜。直接吸收光譜物理概念明確、操作簡(jiǎn)單且能直接測(cè)量。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)則能夠有效降低背景信號(hào)在測(cè)量系統(tǒng)中的不利影響,提高檢測(cè)精度和靈敏度。TDLAS技術(shù)測(cè)量精度高、分辨率高、線寬窄、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量且不需要采用預(yù)處理。國(guó)內(nèi)外均已有不少學(xué)者對(duì)應(yīng)用TDLAS技術(shù)檢測(cè)CO2展開(kāi)研究。Wu等[21]利用QCL激光器,對(duì)700~1 200 K溫度范圍內(nèi)的靜態(tài)氣體池中的CO2和N2混合物進(jìn)行測(cè)量,得到濃度測(cè)量精度為±5%。Li等[22]在1.578 μm波段對(duì)CO和CO2同時(shí)測(cè)量,分別實(shí)現(xiàn)了14 μL/L和7.5 μL/L的最低檢測(cè)限。朱曉睿[20]基于TDLAS技術(shù),探究了CO2氣體濃度反演算法及數(shù)據(jù)優(yōu)化方法和處理過(guò)程,建立了溫度修正方法。崔海濱[23]研究了基于TDLAS技術(shù)并結(jié)合時(shí)分復(fù)用技術(shù)的CO、CO2同時(shí)在線檢測(cè),在光程1 m的條件下,CO2濃度檢測(cè)限可達(dá)到6 μL/L,測(cè)量精度約為20 μL/L。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為T(mén)DLAS技術(shù)在火電企業(yè)在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。
1.2.5 小結(jié)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,光學(xué)檢測(cè)技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展提高,各類技術(shù)的性能與應(yīng)用對(duì)比如表2所示。目前國(guó)際上普遍認(rèn)為電廠中CO2濃度檢測(cè)精度可達(dá)到的較好水平應(yīng)在2%以內(nèi)[24],可以滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的濃度監(jiān)測(cè)要求。面向電廠煙道檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求,我國(guó)的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)仍與國(guó)外有一定差距,需要加快發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)設(shè)備,在檢測(cè)精度、檢測(cè)范圍、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等方面不斷提高。目前我國(guó)電廠中現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不多,二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、重復(fù)性還需進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和提升。因此建議盡快出臺(tái)國(guó)家規(guī)范,規(guī)范監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置及施工要求,增加碳濃度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)投放,并在同一電廠安裝不同型號(hào)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究,進(jìn)一步進(jìn)行長(zhǎng)期的運(yùn)行觀察,從而發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備易出現(xiàn)的問(wèn)題。
表2 不同光學(xué)檢測(cè)技術(shù)性能及應(yīng)用對(duì)比Table 2 Comparison of performance and application of different optical detection techniques
火電機(jī)組的煙氣流量測(cè)量存在以下難點(diǎn)。
(1)由于鍋爐燃燒工況的變化和大尺寸煙道結(jié)構(gòu)的影響,煙道內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻,存在不規(guī)則的湍流現(xiàn)象。大部分火電企業(yè)煙道口徑較大,流量測(cè)量方式與中小型口徑煙道流量測(cè)量存在較大不同,同時(shí)需合理布置測(cè)點(diǎn)才能準(zhǔn)確反映截面流速的真實(shí)大小。
(2)測(cè)量裝置的性能易受煙氣含塵、高溫高濕環(huán)境的影響。燃燒產(chǎn)生的氣體成分復(fù)雜且具有腐蝕性,嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這些原因使得煙道中氣體流量通常難以準(zhǔn)確測(cè)量,其不確定度通常在3%~50%,極端情況可以超過(guò)50%[25]。對(duì)于流量的測(cè)量誤差仍在被廣泛討論,有些學(xué)者認(rèn)為其典型誤差在10%~20%之間[26]。本節(jié)對(duì)比分析3類常用的工業(yè)流量計(jì):超聲波流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)、壓差式流量計(jì)的適用條件,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提出合理建議。
1.3.1 超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)是一種非接觸速度式流量計(jì),已經(jīng)在天然氣貿(mào)易和傳輸方面得到了廣泛的研究應(yīng)用。超聲波流量計(jì)通過(guò)感知流體中超聲波的傳播特性來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量[27],以超聲波傳播速度和流體流速矢量疊加為基礎(chǔ),順流和逆流的時(shí)間差與流速成正比,工作原理圖如圖1所示。由于邊緣效應(yīng),管道內(nèi)的流場(chǎng)分布不均,使得單聲路的超聲流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度并不理想。因此,有學(xué)者提出多聲路超聲流量計(jì)[28],即在煙道被測(cè)段布置兩條以上的聲路,之后通過(guò)各聲路權(quán)重系數(shù)加權(quán)求出截面流量。在測(cè)量大管徑流量時(shí),該方法可以綜合多個(gè)聲道的流場(chǎng)信息,補(bǔ)償流速分布不均勻造成的誤差[29]。李海洋等[30]選取河南某燃煤電廠開(kāi)展煙氣流量測(cè)量研究,在同一直管段分別安裝插入式多聲道超聲流量計(jì)與S型皮托管。結(jié)果顯示,多聲道超聲流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性為0.8%左右,皮托管為1.5%左右,認(rèn)為皮托管更適合對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性要求較低的場(chǎng)合。一些學(xué)者采用非實(shí)流校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)提高超聲流量計(jì)的測(cè)量精度,這是以流量計(jì)的測(cè)量原理和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過(guò)計(jì)算流量方程各個(gè)影響因素的不確定度,最終合成流量計(jì)的總不確定度來(lái)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的標(biāo)定。如Drenthen等[31]研究了尺寸公差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,并利用非實(shí)流校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)提高大口徑流量計(jì)標(biāo)定的準(zhǔn)確性。樊潔云[32]從幾何參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和流量積分方法準(zhǔn)確性3個(gè)方面對(duì)大口徑煙道超聲流量計(jì)進(jìn)行非實(shí)流校準(zhǔn)的研究,對(duì)超聲信號(hào)在煙氣中傳播時(shí)間的測(cè)量值校準(zhǔn)后測(cè)量不確定度可達(dá)0.2%,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)積分誤差、軸向流動(dòng)的橫流影響誤差和橫向流動(dòng)投影誤差的修正。超聲流量計(jì)無(wú)活動(dòng)部件和壓力損失,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且安裝維修方便,因此其應(yīng)用于中等流速的大口徑管道時(shí)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和良好前景。但也存在自身局限性,一方面目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)大口徑煙氣超聲流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)的裝置,另一方面超聲流量計(jì)更適用于純凈液體的測(cè)量,若其表面附著污物則嚴(yán)重影響測(cè)量。此外,若壓力波動(dòng)引起密度的變化,則聲阻抗和聲波透射率易發(fā)生變化,也會(huì)使得測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定[33]。因此將其安裝在煙氣管道內(nèi)的測(cè)量精度還需進(jìn)一步驗(yàn)證。
圖1 超聲流量計(jì)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of ultrasonic flowmeter
1.3.2 熱式質(zhì)量流量計(jì)
熱式質(zhì)量流量計(jì)利用了流體與熱源之間的熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量氣體流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)在測(cè)量煙道氣體時(shí)不會(huì)因溫度或壓力的波動(dòng)而失準(zhǔn);其準(zhǔn)確度高,一般可達(dá)0.5~1.0級(jí),重復(fù)性一般在0.2%~0.5%范圍內(nèi)。且熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,其使用、安裝、維護(hù)都比較簡(jiǎn)單,操作方便;更適用于大口徑小流量的準(zhǔn)確測(cè)量,最低上限流量?jī)H為0.5 m/s。該種流量計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等行業(yè)。Nam等[34]針對(duì)惠斯頓電橋溫度補(bǔ)償產(chǎn)生誤差的問(wèn)題,提出了一種基于數(shù)學(xué)方法的傳感器補(bǔ)償方法。Horning等[35]設(shè)計(jì)了一種低功耗的熱擴(kuò)散式空氣質(zhì)量流量傳感器,采用數(shù)字比例積分控制器調(diào)節(jié)被加熱元件溫度,該傳感器在測(cè)量氣體流量時(shí)的抗干擾能力增強(qiáng)。趙偉國(guó)[36]針對(duì)熱式流量測(cè)量現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償電路的缺點(diǎn),提出了基于溫補(bǔ)型熱膜探頭和溫控型鉑電阻的熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量方法;針對(duì)單傳感器不適用于大管徑的問(wèn)題,提出了多傳感器信息融合的方法,流程分布紊亂程度較大時(shí)測(cè)量誤差可保持在±0.5%內(nèi)。左家翰[37]采用基于多點(diǎn)獨(dú)立熱線探頭測(cè)點(diǎn)流速的速度面積法測(cè)量矩形管道氣體流量,測(cè)得平均流速相對(duì)誤差由5.46%減小為1.29%,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。但熱式質(zhì)量流量計(jì)易臟污,且當(dāng)氣體溫度和流量計(jì)本身有較大溫差時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。
1.3.3 差壓式流量計(jì)
差壓式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流體流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的差壓來(lái)測(cè)量流量。皮托管是最常見(jiàn)的差壓式流量計(jì),也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的煙道測(cè)量?jī)x器。皮托管流量計(jì)主要分為二維皮托管和三維皮托管兩類。皮托管流量計(jì)量程寬,適用范圍廣,可以在DN2.5~DN6000管徑范圍內(nèi),測(cè)量流速在2~150 m/s的氣體,尤其適合測(cè)量低流速、小流量、大管徑的流體。GB/T16157中規(guī)定可以使用L型皮托管進(jìn)行速度面積法管道流量測(cè)量,使用S型皮托管進(jìn)行煙道流速測(cè)量。三維皮托管又稱為五孔探針,利用了氣流的圓球繞流原理。三維皮托管在流速測(cè)量中有3種使用方法[38],分別為非對(duì)向測(cè)量法、對(duì)向測(cè)量法和半對(duì)向測(cè)量法,目前更多使用的為非對(duì)向測(cè)量法。隨著對(duì)三維皮托管研究的不斷深入,我國(guó)對(duì)三維皮托管的應(yīng)用也逐漸增多。如楊俊等[39]設(shè)計(jì)了一種三維皮托管測(cè)速系統(tǒng)方案,利用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件,有效避免了煙道中氣體紊流等因素帶來(lái)的干擾。
對(duì)于皮托管在煙道中的應(yīng)用,美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)有專門(mén)制定的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)則規(guī)定皮托管在正式使用前,需在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院或國(guó)家認(rèn)可的校準(zhǔn)風(fēng)洞中完成相關(guān)校準(zhǔn)工作。但校準(zhǔn)是在理想風(fēng)洞環(huán)境下進(jìn)行的,而煙道內(nèi)氣流存在速度及方向的波動(dòng)性,流速攻角及橫向流動(dòng)等因素會(huì)帶來(lái)誤差。針對(duì)皮托管應(yīng)用性能及精度提高等方面,諸多學(xué)者也有了一定的研究成果。鄧千封[40]通過(guò)煙道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)S型皮托管和球型皮托管應(yīng)用特性進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)S型皮托管非對(duì)向測(cè)量得到煙道流量的示值誤差達(dá)到了33.8%;球型皮托管非對(duì)向測(cè)量的示值誤差為-6.2%。球形皮托管準(zhǔn)確性更高,但更依賴于復(fù)雜的校準(zhǔn)過(guò)程,S型皮托管操作更為簡(jiǎn)便,作者認(rèn)為可以通過(guò)對(duì)S型皮托管改進(jìn)結(jié)構(gòu)以提高性能。孫志強(qiáng)等[41]設(shè)計(jì)了類S型皮托管,其相對(duì)誤差為±4%。李德林[42]選取了十二根皮托管模型,對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)的皮托管對(duì)校準(zhǔn)系數(shù)的影響進(jìn)行了測(cè)試研究,發(fā)現(xiàn)常規(guī)皮托管校準(zhǔn)系數(shù)的一致性比菱形更好;菱形皮托管差壓更大,靈敏度更高。Wecel等[43]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)設(shè)計(jì)了不同形式的均速管模型,對(duì)比發(fā)現(xiàn)圓形截面的均速管壓損更小。
1.3.4 流量軟測(cè)量
除了提升各類流量計(jì)傳感器的精確程度,流量軟測(cè)量作為重要的輔助手段也可以提升流量監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度。軟測(cè)量技術(shù)的核心是構(gòu)建難測(cè)主導(dǎo)變量與易測(cè)二次變量的數(shù)學(xué)關(guān)系[44],從而實(shí)現(xiàn)主導(dǎo)變量值的預(yù)測(cè)。目前,軟測(cè)量技術(shù)在熱工測(cè)量領(lǐng)域如煤質(zhì)在線軟測(cè)量、煙氣含氧量和飛灰含量軟測(cè)量、磨球機(jī)負(fù)荷軟測(cè)量等都得到了應(yīng)用,而煙氣流量軟測(cè)量方面還有待深入研究。軟測(cè)量模型主要分為傳統(tǒng)機(jī)理模型和單純的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。機(jī)理模型適用于研究對(duì)象的工藝機(jī)理比較清晰,能夠分析出模型參數(shù)之間的關(guān)系的過(guò)程。然而,大的工業(yè)系統(tǒng)對(duì)象較多,過(guò)程機(jī)理分析較為困難。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型適用于不清楚系統(tǒng)內(nèi)部情況的“黑箱建?!保诠I(yè)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前,應(yīng)用比較廣泛的建模方法有多元線性回歸、偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等。隨著電站鍋爐信息化發(fā)展不斷成熟,依托分布式控制系統(tǒng)(DCS)和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS),熱工過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)得以記錄、儲(chǔ)存,形成了比較完善的熱工過(guò)程廠級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù),這為流量軟測(cè)量提供了大量的變量采集數(shù)據(jù)。目前,已有諸多學(xué)者對(duì)軟測(cè)量在火力發(fā)電廠熱工參數(shù)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。如姜萬(wàn)錄等[45]設(shè)計(jì)了基于徑向基函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)的圓形管道內(nèi)動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量模型,預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線的對(duì)比,表明該模型具有較高的逼近精度。呂夢(mèng)雅等[46]提出一種經(jīng)神經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的反向傳播算法(BP)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟測(cè)量建模,對(duì)動(dòng)態(tài)流量進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果表明該方法在模型的訓(xùn)練速度和精度上有了較大改善。佟純濤等[47]采用前向搜索篩選輔助變量,并基于最小二乘支持向量機(jī)方法建立煙氣流量測(cè)量模型,結(jié)果表明模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煙氣流量。
1.3.5 流量測(cè)點(diǎn)布局
由于煙道中煙氣存在流場(chǎng)分布不均等問(wèn)題,因此煙氣流量測(cè)量中,采樣截面的選擇及測(cè)點(diǎn)布局設(shè)計(jì)至關(guān)重要。測(cè)點(diǎn)位置選擇的不合理,會(huì)導(dǎo)致煙氣排放流量出現(xiàn)較大的波動(dòng),降低測(cè)量精度,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法測(cè)出流量值的情況,因此有必要根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)布局。若采用界面的流場(chǎng)過(guò)于復(fù)雜則難以測(cè)量;測(cè)點(diǎn)過(guò)少不能代表截面流速水平,測(cè)點(diǎn)過(guò)多經(jīng)費(fèi)投入加大,且設(shè)備污損堵塞風(fēng)險(xiǎn)增大,有可能增大誤差。美國(guó)環(huán)保部建議方法EPA[48]中規(guī)定至少在煙囪高度三分之一處的圓截面上進(jìn)行污染物采樣和煙氣參數(shù)測(cè)量。2018年起施行的《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[49]中規(guī)定對(duì)于圓形煙道,在流速測(cè)量裝置的上游4倍煙道直徑和下游2倍煙道直徑內(nèi),不應(yīng)設(shè)置彎頭、閥門(mén)、變徑管部件。各國(guó)對(duì)采樣位置的規(guī)定都是為了保證流速在采樣截面上能夠均勻分布。而不少電廠的煙道條件并不能滿足流量測(cè)量要求,針對(duì)此情況不少學(xué)者展開(kāi)了研究。王毓丹等[50]的研究表明,當(dāng)采樣截面不能滿足要求時(shí),按照相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的煙氣流速差小于20%的原則布點(diǎn)即可得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量。董鴻霖等[51]基于自動(dòng)模型化理論,考慮二次流影響,選擇在距離煙囪進(jìn)口1 m處截面布置測(cè)點(diǎn)。馮真禎[52]提出對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)斷面采樣點(diǎn)總數(shù)可以控制在20個(gè)以內(nèi)的優(yōu)化方案,實(shí)例驗(yàn)證表明與原有布點(diǎn)的相對(duì)誤差控制在±10%;并提出在非標(biāo)準(zhǔn)采樣截面時(shí),相對(duì)均方根值≤0.30時(shí)可以增加測(cè)點(diǎn),否則需根據(jù)實(shí)際考慮更換斷面。
電廠煙道流動(dòng)情況通常較為復(fù)雜,選取截面后還要考慮合適的測(cè)點(diǎn)布置。傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量往往不能真實(shí)反映煙氣的流量情況,韓亞軍等[53]提出一種新型多點(diǎn)式火電廠煙氣排放流量自動(dòng)測(cè)量方法,與傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量相比測(cè)量準(zhǔn)確性提高13.94%,自動(dòng)測(cè)量還使時(shí)間縮短了6.8 s。目前國(guó)際上通用速度面積法來(lái)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置[54]。速度面積法的原理是通過(guò)將測(cè)量截面等分得到小截面,依據(jù)不同的數(shù)值積分方法選取特征點(diǎn)的流速代表小截面流速,通過(guò)算術(shù)平均值求得截面平均流速。工程上常用的速度面積法有對(duì)數(shù)線性法(Log-Linear)、對(duì)數(shù)切比雪夫法(Log-Chebyshev)和高斯勒讓德法(Gauss-Legendre)等。郭虎林等[55]對(duì)比分析了在煙道彎管上游0.5倍至2.3倍當(dāng)量直徑的4個(gè)測(cè)量截面上應(yīng)用4種不同積分方法進(jìn)行體積流量測(cè)量的相對(duì)誤差,結(jié)果如表3所示,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)線性法的測(cè)量誤差遠(yuǎn)低于其他方法。但速度面積法基于數(shù)值積分原理,測(cè)點(diǎn)位置需嚴(yán)格參照積分原理的計(jì)算要求,在實(shí)際操作中有一定困難;且該方法僅從數(shù)學(xué)角度出發(fā),一定程度上忽略了煙氣流動(dòng)的實(shí)際情況。錢(qián)叢昊等[56]提出采用多線法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布局,采用CFD模擬顯示對(duì)于不同的進(jìn)口煙氣流速,該模型有良好的適應(yīng)性。
表3 不同積分方法相對(duì)誤差對(duì)比[55]Table 3 Comparison of relative errors of different integration methods[55]
綜上所述,各國(guó)的流量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)采樣截面的選取皆做出了相關(guān)規(guī)定,但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變,實(shí)際中往往空間位置有限,因此學(xué)者們通常首先進(jìn)行煙道流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析,根據(jù)煙道中流量情況選擇流速均勻的采樣截面。而傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法存在無(wú)法全面反映煙道情況、測(cè)量效率低等問(wèn)題,因此多點(diǎn)測(cè)量被提出及應(yīng)用?;痣娖髽I(yè)內(nèi)煙道情況復(fù)雜是主要的問(wèn)題,如何提高測(cè)點(diǎn)布局的通用性、適應(yīng)性,以及提出適應(yīng)我國(guó)工業(yè)過(guò)程特點(diǎn)的布局邏輯是接下來(lái)主要的發(fā)展方向。
如何對(duì)碳排放在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估及設(shè)立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是該方法推廣中面臨的一大問(wèn)題。測(cè)量不確定度即測(cè)量結(jié)果變化的不確定,是表征被測(cè)量的真值在某個(gè)量值范圍的一個(gè)估計(jì),用以表示被測(cè)量的分散性。目前常用的測(cè)量不確定度評(píng)估方法有誤差傳遞法(GUM)和蒙特卡洛法(MCM)。GUM法是評(píng)定不確定度的常規(guī)方法,評(píng)定主要參照J(rèn)JF1059.1—2012《測(cè)量不確定度與表示》[57],流程如圖2所示。MCM法則是采用概率分布傳播的一種“隨機(jī)數(shù)”計(jì)算方法,評(píng)定參照J(rèn)JF1059.2—2012《用蒙特卡洛法評(píng)定測(cè)量不確定度》[58],流程如圖3所示。兩種方法相比GUM適用范圍更廣,MCM則可以使復(fù)雜模型簡(jiǎn)單化。
圖2 GUM法評(píng)定不確定度流程圖Fig.2 Flow chart of uncertainty assessment by GUM method
圖3 MCM法評(píng)定不確定度流程圖Fig.3 Flow chart of uncertainty evaluation by MCM method
關(guān)于不確定度評(píng)價(jià)已有不少學(xué)者在各種領(lǐng)域展開(kāi)研究,馬福強(qiáng)等[59]基于GUM法,結(jié)合測(cè)試數(shù)學(xué)模型并考慮測(cè)試中的主要誤差來(lái)源,給出了測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的不確定度評(píng)價(jià)具體方法和流程。位恒政等[60]利用基于球列的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)21項(xiàng)幾何運(yùn)動(dòng)誤差分離方法和蒙特卡洛模擬算法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)面向任務(wù)測(cè)量不確定度評(píng)價(jià),且該方法將在數(shù)字校正證書(shū)中得到應(yīng)用。隨著在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展,對(duì)于煙氣排放監(jiān)測(cè)的不確定度研究也逐漸受到重視。鄧程薏等[61]從歐盟碳排放核算方法及不確定度方面進(jìn)行分析,提出我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)碳排放量核算的不確定度評(píng)價(jià)體系建設(shè)。楊美昭[62]對(duì)企業(yè)的燃料端和排放端碳核查數(shù)據(jù)進(jìn)行了不確定度評(píng)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)電企業(yè)實(shí)測(cè)法不確定度均值最小,為5.06%。Bryant等[54]對(duì)煙氣流速的測(cè)量不確定度進(jìn)行了研究,確定了隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的來(lái)源,結(jié)果顯示平均流速的相對(duì)擴(kuò)展不確定度估計(jì)在1.4%和9.3%之間。郭振等[63]搭建了碳排放在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析其不確定度為5.68%,包含因子k=2,置信水平為95%,不確定度主要來(lái)源于環(huán)境溫度引入的系統(tǒng)誤差,但平臺(tái)煙氣流動(dòng)較為平穩(wěn),實(shí)際中情況要更為復(fù)雜。采用以上兩種方法進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià),可以有效對(duì)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,并進(jìn)一步找到其不確定度引入的較大影響因素,從而有針對(duì)性地提升碳排放在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
在碳市場(chǎng)背景下,碳排放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)因其時(shí)效性好、無(wú)需區(qū)分煤種、可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而得到人們的廣泛關(guān)注,但目前在線監(jiān)測(cè)法在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用依然存在許多問(wèn)題。
(1)缺乏相應(yīng)的支撐體系。自2013年起我國(guó)7個(gè)碳交易試點(diǎn)陸續(xù)上線,各試點(diǎn)地區(qū)均有各自的報(bào)告指南,雖然在各地的報(bào)告指南中有提及在線監(jiān)測(cè)法,但缺乏具體的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)要求。為確保在線監(jiān)測(cè)本身的數(shù)據(jù)質(zhì)量,保證碳交易市場(chǎng)的公平性,必須制定相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告指南。
(2)在線監(jiān)測(cè)法的數(shù)據(jù)質(zhì)量尚不能保證,與核算法的可比性也存在爭(zhēng)議。數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題不能解決,則在線監(jiān)測(cè)技術(shù)難以直接應(yīng)用于碳排放量的結(jié)算和交易。而影響其數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大因素則是CO2濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)和煙氣流量監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中國(guó)際上普遍認(rèn)為CO2濃度精度可以滿足監(jiān)測(cè)要求,但流量監(jiān)測(cè)技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究。
(3)煙氣流量監(jiān)測(cè)的不確定度還有待研究,流量不確定性是影響碳排放在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素,其測(cè)點(diǎn)布置、設(shè)備選型都需要與現(xiàn)場(chǎng)相適應(yīng),研制具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用范圍廣、精度高的煙道流量計(jì)對(duì)我國(guó)的準(zhǔn)確碳核查事業(yè)來(lái)說(shuō)勢(shì)在必行。
因此提出以下建議:①設(shè)立不同碳排放在線監(jiān)測(cè)試點(diǎn),選取不同類型及容量的機(jī)組分別研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體條件在其中安裝不同的流量計(jì)用以對(duì)比分析,研究更適用的流量計(jì)類型及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置。長(zhǎng)期跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,定期維護(hù),研究系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。②建立碳排放在線監(jiān)測(cè)不確定度分析模型,量化分析其中引入較大不確定度的因素,完善數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)體系。③構(gòu)建碳排放在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與核查數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比體系。若在碳市場(chǎng)中在線監(jiān)測(cè)方法與核算法并存,則要確保不同數(shù)據(jù)的一致性,保障碳市場(chǎng)的公平性。④盡快建立碳排放連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配套機(jī)制,建立相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),確保報(bào)告數(shù)據(jù)有據(jù)可依。