CN113865647B - 一种基于cems的碳排放监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳排放监测技术领域中的一种基于CEMS的碳排放监测系统及实现方法，该监测系统包括气体检测装置、数据分析装置、及与若干个与废气排放点对应的采样口，每个采样口与气体检测装置的通道上分别设有对应的工作阀门，通过控制每个工作阀门的开闭状态，使得同一时间内至多一个废气排放点的废气进入气体检测装置；该方法包括根据废气排放点的工作状态确定工作阀门的开闭顺序及开闭状态、气体检测装置对流经的气体进行检测及计量、数据分析装置对检测结果进行统计及分析的步骤。本发明克服了现有技术中监测系统成本高、监测结果不准确的缺陷，可以针对不同的采样点获取对应的监测数据，数据计算结果精准。

Description

一种基于CEMS的碳排放监测系统

技术领域

本发明涉及碳排放监测技术领域，具体的说，是涉及一种基于CEMS的碳排放监测系统及实现方法。

背景技术

2011年，我国启动碳市场试点，2021年7月16日，全国碳排放权交易市场正式上线。交易市场建立的前提是参与到碳排放交易中的企业都要及时准确地上报温室气体排放数据。我国的二氧化碳排放量的核查方法是物料法核算，由于排放因子和相关参数的标准不一，造成人为干扰多、误差较大，直接影响了企业碳排放核算数据的可信度，进而影响碳交易机制的设计和碳市场交易的管理。

在碳排放的监测过程中，一个厂区会存在多个排放点，若需要对每个排放点的碳排放数据进行监测，则需要在每个排放点均安装碳排放监测设备。由于碳排放监测设备购置成本高昂，多套碳排放监测设备同时使用导致整个碳排放的监测成本高昂，监测过程复杂，造成了资源的浪费，同时还降低了碳排放监测的效率，其实时性较差。

上述缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有技术中监测系统成本高、监测结果不准确的缺陷，本发明提供一种基于 CEMS的碳排放监测系统及实现方法，可以针对不同的采样点获取对应的监测数据，数据计算结果精准。

本发明技术方案如下所述：

一种基于CEMS的碳排放监测系统，包括气体检测装置和数据分析装置，所述气体检测装置用于对采样的气体进行检测，所述数据分析装置用于对检测的结果进行数据分析，其特征在于，还包括若干个采样口，每个所述采样口分别位于厂区内对应的废气排放点处，

每个所述采样口与所述气体检测装置的通道上分别设有对应的工作阀门，通过控制每个所述工作阀门的开闭状态，使得同一时间内至多一个所述废气排放点的废气进入所述气体检测装置。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述气体检测装置包括流量计和气体检测器，所述气体检测器通过检测管道与所述工作阀门连接，所述流量计位于所述检测管道上，并实现对流经所述检测管道的气体流量进行监测。

进一步的，所述气体检测器内设有温度计和气压计，所述温度计用于检测所述气体检测器内探测器所处位置的温度，用于对所述探测器的检测结果进行温度补偿；所述气压计用于检测所述气体检测器的内部气压，用于对所述气体检测器的检测结果进行气压补偿。

进一步的，所述气体检测装置还包括抽气泵，所述抽气泵位于所述气体检测器的出气端，用于抽气后将所述废气排放点的废气经由所述采样口和所述检测管道泵吸至所述气体检测器内。

进一步的，所述气体检测器的入口包括待测气体入口和清洁空气入口，所述待测气体入口通过主阀门与所述检测管道连接，所述清洁空气入口通过辅阀门与清洁空气管道连接。

另一方面，一种基于CEMS的碳排放监测系统的实现方法，其特征在于，包括

S100、根据每个废气排放点的工作状态，确定所有工作阀门的开闭顺序及开闭状态，使得同一时间内至多一个所述废气排放点的废气进入气体检测装置；

S200、气体检测装置对流经的气体进行检测及计量；

S300、数据分析装置对检测结果进行统计、分析。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S100中，对于未处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门处于关闭状态，对于处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门按照FIFO的方式依次开启和关闭。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S100中，每对一个所述废气排放点的废气检测完毕后，向所述气体检测装置内的气体检测器通入洁净空气，以对所述气体检测器进行清洁。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S200中，所述气体检测装置每次抽取一个所述废气排放点的废气进行检测，同时对气体检测结果进行温度补偿和气压补偿，得到该废气排放点的碳排放量。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S300中，所述数据分析装置获取所述气体检测装置上传的气体浓度值和流量值，根据该气体浓度值和流量值积分计算得到对应废气排放点的碳排放量。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明解决了传统监测系统无法直接获取碳排放数据的缺陷，其可以重复使用，并且能够获取可靠性高、精度高的监测数据，提高了碳排放核算的准确性和实时性；同时本发明通过在不同排放点设置不同的采样口，可以保证数据采集的针对性，不同排放点可以采用同一个监测系统，降低了系统应用的成本，且能够保证监测结果不会相互影响。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明第一实施例中各个阀门状态示意图；

图3为本发明第二实施例中各个阀门状态示意图。

图4为本发明中气体检测器的结构示意图；

图5为本发明中气体检测器的光学线路图；

图6为本发明监测气体浓度与流量后计算得到碳排放量的示意图。

在图中，各个附图标号：

11-待测气体入口；12-气体出口；13-清洁空气入口；14-电子阀门；

21-光源；22-第一反射镜；23-第二反射镜；24-弧面反射镜；25-第三反射镜；26-探测器；

30-温度计。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，一种基于CEMS的碳排放监测系统，包括气体检测装置和数据分析装置，其中气体检测装置用于对采样的气体进行检测，数据分析装置用于对检测的结果进行数据分析。CEMS(Continuous Emission Monitoring System的缩写)，是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测并将信息实时传输到主管部门的装置，被称为“烟气自动监控系统”，亦称“烟气排放连续监测系统”或“烟气在线监测系统”。

数据分析装置进行数据分析、计算后，还进行数据的传输操作。在一个实施例中，数据分析装置通过通信装置与显示器连接，用于将数据分析结果显示在显示器上；在另一个实施例中，数据分析装置通过通信装置与云端连接，用于将数据分析结果上传至云端；在第三个实施例中，数据分析装置通过通信装置同时与显示器和云端连接，以实现数据的显示和上传。

优选的，该通信装置可以为有线/无线传送装置，以实现数据的有线/无线传输，以便应对不同场合。

该基于CEMS的碳排放监测系统还包括若干个采样口，每个采样口分别位于厂区内对应的废气排放点处，每个采样口与气体检测装置的通道上分别设有对应的工作阀门，通过控制每个工作阀门的开闭状态，使得同一时间内至多一个废气排放点的废气进入气体检测装置，避免每个采样点之间的气体检测相互影响。本发明中的采样口分布于化工厂/纸厂/建材厂/石灰厂/电厂等废气排放点各处，以便对各个厂区的不同排放点进行废气采样。

本发明中，采样口通过伴热管与气体检测装置连接，保证了采样管道的干燥，避免样气进入检测装置前冷凝结雾，冷凝的水汽回流排放点的风险。

废气排放点处还设有状态监测装置，状态监测装置用于检测对应的废气排放点的工作状态，通过采集每个废气排放点的工作状态，进而控制相应的工作阀门的开闭。

气体检测装置包括流量计和气体检测器，气体检测器通过检测管道与工作阀门连接，流量计位于检测管道上，并实现对流经检测管道的气体流量进行监测。

检测管道上还设有过滤装置，用于对采集的废气进行粉尘或杂质的过滤。具体的，过滤装置包括依次连接的第一过滤器、冷凝器以及第二过滤器，第一过滤器用于对流经的大颗粒(直径3um以上)粉尘或杂质进行过滤，冷凝器用于对流经的气体进行冷凝除湿，第二过滤器用于对流经的小颗粒(直径0.1um以上、3um以下)粉尘或杂质进行过滤。

在本领域中，二氧化碳等气体的浓度的检测方式有电化学式、半导体式以及非分散红外吸收光谱式，其中电化学式寿命短(仅1-3年)，半导体式量程有限，而非分散红外吸收光谱式传感器具有重复性好、检测精度高、寿命长等诸多优点，在二氧化碳等气体的浓度的检测过程中得到了广泛应用。

如图4、图5所示，本发明中气体检测器为NDIR气体传感器(如二氧化碳NDIR气体传感器)，其包括传感器本体，传感器本体的内部设有环形的气体通道，传感器本体的一侧设有气体入口和气体出口12，气体由气体入口进入传感器本体内部，绕过环形的气体通道后由气体出口12出气。

气体通道包括直通道和弧形通道，在本发明中，气体入口和和气体出口12均位于直通道的一侧，其可以使得气体快速充盈整个光学腔(即环形的气体通道)。直通道的一侧端部设有光源21，其另一侧端部与弧形通道连通，弧形通道的中心位置设有探测器26。光源21 发出的光线依次经过直通道和弧形通道后进入探测器26，并且在光线的传播过程中，光线在弧形通道内反复折射以增加光程，进而提高气体探测的精准度。

光源21位于直通道一侧端部的边角处，且直通道的该侧端部设有第一反射镜22，直通道的另一侧端部设有第二反射镜23，光源21发出的光线依次经过第一反射镜22、第二反射镜23的反射后进入弧形通道。弧形通道的内壁和外壁均为反光面，检测室与弧形通道的末端之间设有弧面反射镜24，探测器26的一侧/顶部设有第三反射镜25，进入弧形通道的光线依次经过内壁和外壁、弧面反射镜24、第三反射镜25的多次反射后到达探测器26处。

为了实现光线的正常传播，第一反射镜22位于直通道一侧端部的顶面，以使得光源21 发出的向上的光线可以由第一反射镜22直接或间接射入第二反射镜23；第二反射镜23位于直通道另一侧端部并位于与光源21相对的边角处，以使得第一反射镜21反射后的光线可以经由第二反射镜23的反射进入弧形通道内；弧面反射镜24位于直通道头端的内侧边角位置，同时光源21位于弧面反射镜24的背面；第三反射镜25位于传感器本体的顶面，使得弧面反射镜24反射的光线可以经由第三反射镜25的反射进入探测器26处。

优选的，弧形通道的截面呈半圆环形，半圆形的一端与直通道的尾端连通，其另一端通过弧面反射镜24与检测室连通。

传感器本体的气体入口包括待测气体入口11和清洁空气入口13，待测气体入口11通过主阀门与待测气体环境(即检测管道)连接，清洁空气入口13通过辅阀门与清洁空气管道(惰性气体室)连接。本发明中的气体检测器在同一时间内，仅主阀门打开，或仅辅阀门打开，或主阀门和辅阀门同时关闭。

通过控制主阀门与辅阀门的开闭，可以控制进入传感器本体内的气体，当主阀门打开、辅阀门关闭时，待测气体进入传感器本体内，并通过传感器本体内的检测系统进行检测；当主阀门关闭、辅阀门打开时，清洁空气(惰性气体)进入传感器本体内，将传感器本体内部原有的待测气体“赶出”，避免之前检测的待测气体影响后续待测气体的检测精准度。本发明通过周期性的抽取清洁空气进入气体检测器，并实现对气体检测器的吹扫和清洁，进而而已保证气体检测器的检测精度和长期稳定性，保证整个系统的使用寿命。

气体检测器内设有温度计和气压计，温度计30和气压计设于气体检测器的传感器壳体内。温度计检测气体检测器内探测器所处位置的温度，用于对探测器的检测结果进行温度补偿，以提高气体检测的精准度；气压计用于检测气体检测器的内部气压，用于对气体检测器的检测结果进行气压补偿，以提高气体检测的精准度。

在检测气体的过程如下(图中虚线表示光线)：待测气体经由待测气体入口进入传感器本体内部，光源21发出的光线射入第一反射镜22，第一反射镜22将光线发射到第二反射镜23，第二反射镜23将光线反射到弧形通道的外壁，经过外壁反射后的光线依次在弧形通道的内壁和外壁之间进行多次反射并到达弧面反射镜24，弧面反射镜24将光线反射进入检测室内的第三反射镜25，经过第三反射镜25反射的光线进入探测器26内。

探测器26根据所接受的红外光的强度检测出进入传感器本体内部的待测气体的浓度。在此过程中传感器壳体上的温度计提供温度补偿功能、气压计提供气压补偿功能，避免传感器检测结果受到环境温度变化、内区气压拨动的影响，实现了更精准的探测效果。

气体检测装置还包括抽气泵，抽气泵位于气体检测器的出气端，用于抽气后将废气排放点的废气经由采样口和检测管道泵吸至气体检测器内，其还可以实现将清洁空气吸入气体检测器内。本发明只需要通过控制不同位置的阀门的开关状态就能将不同位置的气体泵吸至气体检测器内，简化了整个系统的泵吸结构，降低了设备成本。

本发明的该监测系统可以同时对多个废气排放点进行检测，多个排放点使用同一套预处理系统及监测装置，通过监测装置直接获取碳排放数据，监测系统采用重复性好、高可靠性、高精度的NDIR检测装置，提高了碳排放核算的准确性和实时性，且系统可复用，提高了碳排放监测系统的效率，降低了成本，且可以使得不同排放点的碳排放监测数据更有可比性。同时本发明通过洁清洁空气的应用保证了检测结果的准确性，并且可以使得系统能够长期、稳定的使用。

基于上述监测系统，本发明还提供一种基于CEMS的碳排放监测系统的实现方法，包括以下步骤：

S100、根据每个废气排放点的工作状态，确定所有工作阀门的开闭顺序及开闭状态，使得同一时间内至多一个废气排放点的废气进入气体检测装置。优选的，每对一个废气排放点的废气检测完毕后，向气体检测装置内的气体检测器通入洁净空气，以对气体检测器进行清洁，保证了检测装置的检测精度和长期稳定性。

通过状态监测装置采集每个废气排放点的工作状态，进而控制相应的工作阀门的开闭。对于未处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门处于关闭状态；对于处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门按照FIFO(First Input First Output，先进先出)的方式依次开启和关闭(即依次打开各废气排放点对应的工作阀门、并关闭上一废气排放点对应的工作阀门)。

如图2所示，在一个具体实施例中，对于同一时间仅有一个废气排放点(如第i个废气排放点)处于工作状态(正在排放废气)的：主阀门打开、辅阀门关闭，同时与该废气排放点(第i个废气排放点)对应的工作阀门(第i个工作阀门)打开，其余工作阀门关闭，以使得该废气排放点(第i个废气排放点)的废气可以经由抽气泵的作用依次经过第一过滤器、冷凝器、第二过滤器、流量计进入气体检测器。待气体检测器可以检测到稳定的结果后一段时间，关闭该工作阀门(第i个工作阀门)和主阀门，打开辅阀门，使得清洁空气在抽气泵的作用下进入气体检测器，并对气体检测器进行清洁。

如图3所示，在另一个具体实施例中，对于同一时间有多个废气排放点(如第j个废气排放点、第k个废气排放点等)处于工作状态(正在排放废气)的：

A.主阀门打开、辅阀门关闭，同时先打开与其中一个废气排放点(第j个废气排放点) 对应的工作阀门(第j个工作阀门)，其余工作阀门关闭，以使得该废气排放点(第j个废气排放点)的废气可以经由抽气泵的作用依次经过第一过滤器、冷凝器、第二过滤器、流量计进入气体检测器；

B.待气体检测器可以检测到稳定的结果后一段时间，关闭该工作阀门(第j个工作阀门)和主阀门，打开辅阀门，使得清洁空气在抽气泵的作用下进入气体检测器，并对气体检测器进行清洁；

C.主阀门打开、辅阀门关闭，同时打开与第二个废气排放点(第k个废气排放点)对应的工作阀门(第k个工作阀门)，其余工作阀门关闭，以使得该废气排放点(第k个废气排放点)的废气可以经由抽气泵的作用依次经过第一过滤器、冷凝器、第二过滤器、流量计进入气体检测器；

D.待气体检测器可以检测到稳定的结果后一段时间，关闭该工作阀门(第k个工作阀门)和主阀门，打开辅阀门，使得清洁空气在抽气泵的作用下进入气体检测器，并对气体检测器进行清洁；

E.依次类推，直至完成所有正在工作的废气排放点的废气检测后，关闭主阀门、关闭辅阀门。

在该实施例中，工作阀门打开的顺序按照各个废气排放点的排放次序进行排列，先排放废气的废气排放点先检测，后排放废气的废气排放点后检测。对于同时排放废气的排放点可以按照预定的顺序优先级进行排序。

S200、气体检测装置对流经的气体进行检测及计量。

气体检测装置每次抽取一个废气排放点的废气进行检测，同时对气体检测结果进行温度补偿和气压补偿，得到该废气排放点的碳排放量。

S300、数据分析装置对检测结果进行统计、分析。

如图6所示，数据分析装置获取气体检测装置上传的气体浓度值和流量值，根据该气体浓度值和流量值进行积分计算得到对应废气排放点的碳排放量。本实施例中碳排放量的计算方法为：

其中，E是二氧化碳排放量，C(t)是二氧化碳浓度，S(t)是二氧化碳流量，A_排是排放口的截面积，A_采是采样管道的截面积。本实施例采用积分方式计算得到每个排放口的碳排放量，相比于累计小时流量与平均小时浓度的乘积，其计算结果精度更高，

数据分析装置计算得到碳排放结果后，通过通信装置将碳排放量的计算结果上传至云端和/或显示在显示器上。

通过上述方法，本发明可以有序、直接的获取不同排放点的废气排放检测结果，进而得到精准的碳排放情况，提高了碳排放核算的准确性和实时性，同时系统能够复用，降低了成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于CEMS的碳排放监测系统，包括气体检测装置和数据分析装置，所述气体检测装置用于对采样的气体进行检测，所述数据分析装置用于对检测的结果进行数据分析，其特征在于，还包括若干个采样口，每个所述采样口分别位于厂区内对应的废气排放点处，废气排放点处还设有状态监测装置，状态监测装置用于检测对应的废气排放点的工作状态，

每个所述采样口与所述气体检测装置的通道上分别设有对应的工作阀门，通过采集每个废气排放点的工作状态，控制每个所述工作阀门的开闭状态，使得同一时间内至多一个所述废气排放点的废气进入所述气体检测装置；

所述气体检测装置包括流量计和气体检测器，所述气体检测器通过检测管道与所述工作阀门连接，所述流量计位于所述检测管道上，并实现对流经所述检测管道的气体流量进行监测，气体检测器为NDIR气体传感器，其包括传感器本体，传感器本体的内部设有环形的气体通道，气体通道包括直通道和弧形通道，气体入口和气体出口均位于直通道的一侧，直通道的一侧端部设有光源，其另一侧端部与弧形通道连通，弧形通道的中心位置设有探测器，光源发出的光线依次经过直通道和弧形通道后进入探测器，所述气体入口包括待测气体入口和清洁空气入口，所述待测气体入口通过主阀门与所述检测管道连接，所述清洁空气入口通过辅阀门与清洁空气管道连接；

其实现方法包括

S100、根据每个废气排放点的工作状态，确定所有工作阀门的开闭顺序及开闭状态，使得同一时间内至多一个所述废气排放点的废气进入气体检测装置，对于未处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门处于关闭状态，对于处于排放状态的废气排放点，其对应的工作阀门按照FIFO的方式依次开启和关闭，工作阀门打开的顺序按照各个废气排放点的排放次序进行排列：先排放废气的废气排放点先检测，后排放废气的废气排放点后检测；对于同时排放废气的排放点按照预定的顺序优先级进行排序；

S200、气体检测装置对流经的气体进行检测及计量；

S300、数据分析装置对检测结果进行统计、分析，所述数据分析装置获取所述气体检测装置上传的气体浓度值和流量值，根据该气体浓度值和流量值积分计算得到对应废气排放点的碳排放量，碳排放量的计算方法为：

其中，E是二氧化碳排放量，C(t)是二氧化碳浓度，S(t)是二氧化碳流量，A_排是排放口的截面积，A_采是采样管道的截面积。

2.根据权利要求1所述的基于CEMS的碳排放监测系统，其特征在于，所述气体检测器内设有温度计和气压计，所述温度计用于检测所述气体检测器内探测器所处位置的温度，用于对所述探测器的检测结果进行温度补偿；所述气压计用于检测所述气体检测器的内部气压，用于对所述气体检测器的检测结果进行气压补偿。

3.根据权利要求1所述的基于CEMS的碳排放监测系统，其特征在于，所述气体检测装置还包括抽气泵，所述抽气泵位于所述气体检测器的出气端，用于抽气后将所述废气排放点的废气经由所述采样口和所述检测管道泵吸至所述气体检测器内。

4.根据权利要求1所述的基于CEMS的碳排放监测系统，其特征在于，在步骤S100中，每对一个所述废气排放点的废气检测完毕后，向所述气体检测装置内的气体检测器通入洁净空气，以对所述气体检测器进行清洁。

5.根据权利要求1所述的基于CEMS的碳排放监测系统，其特征在于，在步骤S200中，所述气体检测装置每次抽取一个所述废气排放点的废气进行检测，同时对气体检测结果进行温度补偿和气压补偿，得到该废气排放点的碳排放量。

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