CN114418791A - 一种火电厂小时级碳排放在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，基于发电量法利用历史数据学习形成机组出力‑碳排放强度特性曲线，再根据机组实时出力计算碳排放量；基于物料法利用前一日物料消耗计算得到发电碳排放强度，再根据机组实时出力计算碳排放量；基于烟气法利用CEMS系统中二氧化碳浓度或者氧气浓度计算碳排放量。再根据三种方法计算得到的碳排放量曲线是否同群确定最终机组小时级碳排放量。本发明可以实现火电厂碳排放小时级精准在线监测，克服单一计算方法的缺点，避免某一种计算方法的误差导致计算结果偏差，为火电厂小时级碳排放精准监测提供支撑。

Description

一种火电厂小时级碳排放在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，属于碳排放监测技术领 域。

背景技术

电力系统作为减碳目标的执行者是落实政策的关键。

电力数据不仅是经济社会的晴雨表，也是碳排放水平的指示灯。电力系统， 尤其是作为枢纽平台的电网，肩负能源供应安全保障与大幅降低碳排放总量的双 重挑战，是持续保障能源安全和实现能源清洁低碳转型的主要支撑者。

电力系统的直接碳排放主要来自于火电厂化石燃料燃烧，但目前针对火电厂 碳排放量的计算主要是按照发电企业温室气体核算指南进行，该方法计算结果相 对准确，但是至少有日一级的时滞；基于发电量法虽然可以进行实时监测，但缺 少机组碳排放强度参数；由于国内CEMS系统不含二氧化碳浓度测量模块，以及 烟气流速及浓度测量容易发生较大误差，基于烟气实测法目前还不具备广泛应用 条件。亟需一种火电厂碳排放在线监测方法。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种火电厂小时级碳排 放在线监测方法，提供三种分别基于发电量、物料消耗、烟气浓度的碳排放计算 方法，在线监测火电厂小时级碳排放量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，包括如下步骤：

获取机组第N日第M小时实时出力P_n，m及机组出力-碳排放强度曲线得到第 N日第M小时的机组碳排放强度EF_n，m，根据公式(2)基于实时发电量计算第N 日第M小时直接碳排放量E_elec，n，m。

E_elec，n，m＝EF_n，m×P_n，m (2)

获取机组第N日第M小时实时出力P_n，m及基于第N-1日化石燃料消耗计算 的发电碳排放强度EF_fuel，n-1，根据公式(5)计算基于物料消耗计算第N日第M 小时直接碳排放量E_fuel，n，m。

E_fuel，n，m＝EF_fuel，n-1×P_n，m (5)

获取CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_CO2，n，m，CEMS第N日第 M小时烟气流量V_n，m，根据公式(6)计算基于CEMS烟气实测数据计算第N日 第M小时直接碳排放量E_{smoke，n，m}。

若基于实时发电量计算第N日第M小时直接碳排放量E_elec，n，m、基于物料消 耗计算第N日第M小时直接碳排放量E_fuel，n，m、基于CEMS烟气实测数据计算 第N日第M小时直接碳排放量E_{smoke，n，m}三条曲线同群，则机组第N日第M小 时直接碳排放量E_n，m，d计算方法如公式(8)所示：

E_n，m，d＝E_elec，n，m (8)

式中，E_n，m，d为机组第N日第M小时直接碳排放量；

否则第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d为同调群两曲线平均值，即：

若仅E_elec，n，m和E_fuel，n，m为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量计 算方法如公式(9)所示：

若仅E_elec，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量 计算方法如公式(10)所示：

若仅E_fuel，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量 计算方法如公式(11)所示：

获取机组第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d和机组第N日第M小时间接 碳排放量E_n，m，id，根据公式(13)计算机组第N日第M小时总碳排放量。

E_n，m＝E_n，m，d+E_n，m，id (13)

作为优选方案，机组出力-碳排放强度曲线获取方法如下：

导入第N-T日第0小时至第N日第M-1小时机组小时出力、机组小时直接 碳排放量数据，依据公式(1)得到机组小时碳排放强度：

式中，EF_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的 机组碳排放强度，E_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j 小时的机组直接碳排放量，P_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的 第i日第j小时的机组出力。

根据第i日第j小时的机组出力和第i日第j小时的机组碳排放强度，使用二 次函数拟合，得到机组出力-碳排放强度曲线。

作为优选方案，基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度EF_fuel，n-1获取方法如下：

导入第N-1日各类燃料消耗量、各类燃料低位发热值、各类燃料单位热值含 碳量、各类燃料碳氧化率，根据公式(3)计算机组第N-1日直接碳排放量E_fuel，n-1。

其中，T为机组消耗的燃料种类数量，FC_i，n-1、NCV_i，n-1、CC_i，n-1、OF_i，n-1依 次为机组第N-1日消耗的第i种燃料的消耗量、低位发热值、单位热值含碳量、 碳氧化率，

为二氧化碳与碳的相对分子质量之比。

根据公式(4)计算基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度：

式中，EF_fuel，n-1为基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度， P_n-1，m为机组第N-1日第M小时出力。

作为优选方案，CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_CO2，n，m通过电 厂在线烟气监测系统安装的CO₂监测模块获取。

作为优选方案，CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_CO2，n，m根据公式 (7)获取。

式中，C_CO2max为燃料燃烧产生的最大CO₂的体积浓度，C_O2，n，m为CEMS第 N日第M小时氧气体积浓度。

作为优选方案，若E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线之间两两同调， 则认为E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线同群；否则将非同调程度指标绝 对值|D_i，j|最小的两条曲线分为同调群，剩下一条曲线分为非同调群。

作为优选方案，计算E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线两两之间的非 同调程度指标D_i，j，若|D_i，j|≤ε，则两两曲线同调；若|D_i，j|＞ε，则两两曲线不 同调，其中，ε为设定的非同调程度指标阈值。

其中，E_i(t)、E_j(t)分别为E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中两条曲 线，E′_i(t)、E′_j(t)分别为两条曲线，两条曲线的起点是E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中两条曲线的起点，形状是E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中 两线曲线的平均值曲线的形状，t₀为开始时间，t_k为结束时间。

有益效果：本发明提供的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，通过基于 发电量计算法、基于物料计算法、基于烟气计算法三种不同方法计算火电厂碳排 放量，基于发电量法需要确定机组碳排放强度参数，基于物料法有日级延时，基 于烟气实测法易发生较大误差，使用其中单一计算方法难以精准进行小时级碳排 放在线监测，本发明中基于发电量法利用历史数据学习形成机组出力-碳排放强 度特性曲线，再根据机组实时出力计算碳排放量；基于物料法利用前一日物料消 耗计算得到发电碳排放强度，再根据机组实时出力计算碳排放量；基于烟气法利 用CEMS系统中二氧化碳浓度或者氧气浓度计算碳排放量。再根据三种方法计算 得到的碳排放量曲线是否同群确定最终机组小时级碳排放量。本方法可以实现火 电厂碳排放小时级精准在线监测，克服单一计算方法的缺点，避免某一种计算方 法的误差导致计算结果偏差，为火电厂小时级碳排放精准监测提供支撑。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为同调性判断示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施例对本 发明做进一步描述。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。

如图1所示，一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1：根据机组历史数据学习形成机组出力-碳排放强度特性曲线。

导入第N-T日(T≥4)第0小时至第N日第M-1小时机组小时出力、机组小 时直接碳排放量数据，依据公式(1)得到机组小时碳排放强度：

式中，EF_i，j(tCO₂/MWh)为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的 第i日第j小时的机组碳排放强度，E_i，j(tCO₂)为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的机组直接碳排放量，P_i，j(MW)为第N-T日第0 小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的机组出力。

根据第i日第j小时的机组出力和第i日第j小时的机组碳排放强度，使用二次 函数拟合，得到机组出力-碳排放强度曲线。

步骤2：基于实时发电量计算第N日第M小时直接碳排放量。

根据机组第N日第M小时实时出力P_n，m及机组出力-碳排放强度曲线得到第 N日第M小时的机组碳排放强度EF_n，m，根据公式(2)计算第N日第M小时直 接碳排放量：

E_elec，n，m＝EF_n，m×P_n，m (2)

式中，E_elec，n，m(tCO₂)为基于发电量法计算的第N日第M小时直接碳排放 量。

步骤3：根据N-1日化石燃料消耗计算机组N-1日碳排放强度。

火电厂化石燃料消耗量及燃料品质参数统计有日一级的延时，若电厂对化石 燃料品质参数有实测，导入第N-1日各类燃料消耗量、各类燃料低位发热值、各 类燃料单位热值含碳量、各类燃料碳氧化率，根据公式(3)计算机组第N-1日 直接碳排放量：

式中，E_fuel，n-1(tCO₂)为机组第N-1日基于物料法计算的直接碳排放量，T 为机组消耗的燃料种类数量，FC_i，n-1(t或10⁴Nm³)、NCV_i，n-1(GJ/t或GJ/10⁴Nm³)、 CC_i，n-1(tC/GJ)、OF_i，n-1(％)依次为机组第N-1日消耗的第i种燃料的消耗量、 低位发热值、单位热值含碳量、碳氧化率，

为二氧化碳与碳的相对分子质量之 比。

再根据公式(4)计算基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度：

式中，EF_fuel，n-1(tCO₂)为基于N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度，P_n-1，m为机组第N-1日第M小时出力。

步骤4：基于物料消耗计算第N日第M小时直接碳排放量。

根据机组第N日第M小时发电量和基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电 碳排放强度计算机组第N日第M小时直接碳排放量，如公式(5)所示：

E_fuel，n，m＝EF_fuel，n-1×P_n，m (5)

式中，E_fuel，n，m(tCO₂)为基于物料法计算的机组第N日第M小时直接碳排 放量。

步骤5：基于CEMS烟气实测数据计算第N日第M小时直接碳排放量。

若电厂在线烟气监测系统(CEMS)已安装CO₂监测模块，则根据公式(6) 计算机组第N日第M小时直接碳排放量：

式中，E_{smoke，n，m}(tCO₂)为基于烟气法计算的机组第N日第M小时直接碳 排放量，C_CO2，n，m(％)为CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度，V_n，m(Nm³/h) 为CEMS第N日第M小时烟气流量，509(Nm³/tCO₂)为每吨二氧化碳的体积 大小。

若电厂在线烟气监测系统(CEMS)没有安装CO₂监测模块，则根据公式(7) 计算CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度，再根据公式(6)计算机组第 N日第M小时直接碳排放量。

式中，C_CO2max(％)为燃料燃烧产生的最大CO₂的体积浓度，采用中华人民 共和国国家环境保护标准《固定污染源烟气(SO₂、NO_X、颗粒物)排放连续监 测系统技术要求及检测方法》(HJ 76-2017)附表B.3数据，如表1所示；C_O2，n，m (％)为CEMS第N日第M小时氧气体积浓度。

表1 C_CO2max近似值表

步骤6：根据三种方法计算得到的直接碳排放量是否同群确定第N日第M小 时直接碳排放量。

若基于发电量法计算得到的碳排放量E_elec，n，m、基于物料法计算得到的碳排 放量E_fuel，n，m、基于烟气法计算得到的碳排放量E_{smoke，n，m}三条曲线同群，则机组 第N日第M小时直接碳排放量计算方法如公式(8)所示：

E_n，m，d＝E_elec，n，m (8)

式中，E_n，m，d为机组第N日第M小时直接碳排放量；

否则第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d为同调群两曲线平均值，即：

若仅E_elec，n，m和E_fuel，n，m为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量计 算方法如公式(9)所示：

若仅E_elec，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量 计算方法如公式(10)所示：

若仅E_fuel，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量 计算方法如公式(11)所示：

步骤7：判断E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线是否同群。

如附图2所示，E_i、E_j分别为两条实际碳排放曲线，假设E_i′(或E_j′)为E_i(或 E_j)与平均碳排放量(E_s，即E_i和E_j的平均值)曲线完全同调时的碳排放曲线， 两条曲线完全同调代表两条曲线变化形状完全一致。对于指定时间[t₀，t_k]内，将 曲线E_i、E_j的非同调程度指标定义为公式(12)：

若|D_i，j|≤ε，则碳排放曲线E_i与E_j同调；若|D_i，j|＞ε，则碳排放曲线E_i与E_j不 同调。其中，ε为设定的非同调程度指标阈值。

若E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线之间两两同调，则认为E_elec，n，m、 E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线同群；否则将非同调程度指标绝对值|D_i，j|最小的两 条曲线分为同调群，剩下一条曲线分为非同调群。

步骤8：根据直接碳排放量和间接碳排放量计算机组第N日第M小时总碳 排放量。

机组第N日第M小时总碳排放量为直接碳排放量和间接碳排放量之和，计 算方法如公式(13)所示：

E_n，m＝E_n，m，d+E_n，m，id (13)

式中，E_n，m为机组第N日第M小时总碳排放量，E_n，m，id为机组第N日第M 小时间接碳排放量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例，可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合 软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有 计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品 的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或 方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框 的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机 或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可 编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个 流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指 令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得 在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从 而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或 多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形， 这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取机组第N日第M小时实时出力P_n，m及机组出力-碳排放强度曲线得到第N日第M小时的机组碳排放强度EF_n，m，根据公式(2)基于实时发电量计算第N日第M小时直接碳排放量E_elec，n，m；

E_elec，n，m＝EF_n，m×P_n，m (2)

获取机组第N日第M小时实时出力P_n，m及基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度EF_fuel，n-1，根据公式(5)计算基于物料消耗计算第N日第M小时直接碳排放量E_fuel，n，m；

E_fuel，n，m＝EF_fuel，n-1×P_n，m (5)

获取CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_cO2，n，m，CEMS第N日第M小时烟气流量V_n，m，根据公式(6)计算基于CEMS烟气实测数据计算第N日第M小时直接碳排放量E_{smoke，n，m}；

若基于实时发电量计算第N日第M小时直接碳排放量E_elec，n，m、基于物料消耗计算第N日第M小时直接碳排放量E_fuel，n，m、基于CEMS烟气实测数据计算第N日第M小时直接碳排放量E_{smoke，n，m}三条曲线同群，则机组第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d计算方法如公式(8)所示：

E_n，m，d＝E_elec，n，m (8)

式中，E_n，m，d为机组第N日第M小时直接碳排放量；

否则第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d为同调群两曲线平均值，即：

若仅E_elec，n，m和E_fuel，n，m为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量计算方法如公式(9)所示：

若仅E_elec，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量计算方法如公式(10)所示：

若仅E_fuel，n，m和E_{smoke，n，m}为同调群，则机组第N日第M小时直接碳排放量计算方法如公式(11)所示：

获取机组第N日第M小时直接碳排放量E_n，m，d和机组第N日第M小时间接碳排放量E_n，m，id，根据公式(13)计算机组第N日第M小时总碳排放量；

E_n，m＝E_n，m，d+E_n，m，id (13)。

2.根据权利要求1所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：机组出力-碳排放强度曲线获取方法如下：

导入第N-T日第0小时至第N日第M-1小时机组小时出力、机组小时直接碳排放量数据，依据公式(1)得到机组小时碳排放强度：

式中，EF_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的机组碳排放强度，E_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的机组直接碳排放量，P_i，j为第N-T日第0小时至第N日第M-1小时之间的第i日第j小时的机组出力；

根据第i日第j小时的机组出力和第i日第j小时的机组碳排放强度，使用二次函数拟合，得到机组出力-碳排放强度曲线。

3.根据权利要求1所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度EF_fuel，n-1获取方法如下：

导入第N-1日各类燃料消耗量、各类燃料低位发热值、各类燃料单位热值含碳量、各类燃料碳氧化率，根据公式(3)计算机组第N-1日直接碳排放量E_fuel，n-1；

其中，T为机组消耗的燃料种类数量，FC_i，n-1、NCV_i，n-1、CC_i，n-1、OF_i，n-1依次为机组第N-1日消耗的第i种燃料的消耗量、低位发热值、单位热值含碳量、碳氧化率，

为二氧化碳与碳的相对分子质量之比；

根据公式(4)计算基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度：

式中，EF_fuel，n-1为基于第N-1日化石燃料消耗计算的发电碳排放强度，P_n-1，m为机组第N-1日第M小时出力。

4.根据权利要求1所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_cO2，n，m通过电厂在线烟气监测系统安装的CO₂监测模块获取。

5.根据权利要求1所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：CEMS第N日第M小时二氧化碳体积浓度C_cO2，n，m根据公式(7)获取；

式中，C_CO2max为燃料燃烧产生的最大CO₂的体积浓度，C_O2，n，m为CEMS第N日第M小时氧气体积浓度。

6.根据权利要求1所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：若E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线之间两两同调，则认为E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线同群；否则将非同调程度指标绝对值|D_i，j|最小的两条曲线分为同调群，剩下一条曲线分为非同调群。

7.根据权利要求6所述的一种火电厂小时级碳排放在线监测方法，其特征在于：计算E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线两两之间的非同调程度指标D_i，j，若|D_i，j|≤ε，则两两曲线同调；若|D_i，j|＞ε，则两两曲线不同调，其中，ε为设定的非同调程度指标阈值；

其中，E_i(t)、E_j(t)分别为E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中两条曲线，E′_i(t)、E′_j(t)分别为两条曲线，两条曲线的起点是E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中两条曲线的起点，形状是E_elec，n，m、E_fuel，n，m、E_{smoke，n，m}三条曲线中两线曲线的平均值曲线的形状，t₀为开始时间，t_k为结束时间。

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