CN115753675A - 一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统及运行方法 - Google Patents

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CN115753675A CN202111028418.XA CN202111028418A CN115753675A CN 115753675 A CN115753675 A CN 115753675A CN 202111028418 A CN202111028418 A CN 202111028418A CN 115753675 A CN115753675 A CN 115753675A
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安航
周贤
彭烁
钟迪
白烨
姚国鹏
黄永琪
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Abstract

本发明公开了一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统，包括：烟道、与烟道连接的二氧化碳排放精确计量监测系统、与二氧化碳排放精确计量监测系统连接的区域级二氧化碳排放管控系统；二氧化碳排放精确计量监测系统由若干个相同的二氧化碳排放精确计量监测子系统组成；区域级二氧化碳排放管控系统获取各个二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，根据二氧化碳排放量管控目标，对各个烟道代表的电厂及时提出警示并指导其二氧化碳排放。本发明涉及的区域级二氧化碳排放监测与管控系统为区域内碳排放监管提供实时、完整的碳排放数据，有效提高区域内碳排放监督、管理、控制工作的质量。

Description

一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统及运行方法
技术领域
本发明属于碳排放监测技术领域，具体涉及一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统。
背景技术
全球气候问题越来越引起人们的高度关注，以低能耗、低排放、低污染为特征的“低碳经济”成为全球政治经济博弈的热点。我国电力供应主要以火电为主，这也决定了电力行业的二氧化碳排放量比较大。
近期，我国在推行实现“30/60”双碳目标方面不断推行新举措、新行动。2021年7月正式上线碳排放权交易市场。发电行业作为碳排放权交易市场首批启动行业，被列入重点排放单位的企业超过了2000家，这也对火电厂的二氧化碳排放监测提出了更高的要求。
燃煤、燃气电厂的二氧化碳排放监测主要采用排放因子法，此技术较为成熟、完善。但我国燃煤电厂普遍存在掺烧的情况，并且装机容量、工艺技术、碳含量实测条件等因素也会对排放因子法产生较大影响，国家提供的缺省值难以适用于所有电厂，其代表性一直存在争论。目前，在线监测技术(CEMS)快速发展，且大部分电厂满足配备CEMS的条件。为了准确计量二氧化碳排放量，促进区域内二氧化碳排放的统筹和优化，有必要建立区域级二氧化碳排放监测与管控系统，以发展二氧化碳排放在线监测法，提高区域内碳排放监督、管理、控制工作的质量。
发明内容
针对上述现有技术存在的装机容量、工艺技术、碳含量实测条件对排放因子法产生较大影响，排放因子法不适用于所有电厂的技术问题，本发明的目的在于提供一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统。
为达到上述目的，本发明提出了一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统，包括：烟道、与烟道连接的二氧化碳排放精确计量监测系统、与二氧化碳排放精确计量监测系统连接的区域级二氧化碳排放管控系统；二氧化碳排放精确计量监测系统由若干个相同的二氧化碳排放精确计量监测子系统组成，一个烟道对应一个二氧化碳排放精确计量监测子系统，二氧化碳排放精确计量监测子系统包括监测单元、采样单元、设置在采样单元下游的预处理单元、设置在预处理单元下游的测试单元、设置在测试单元下游的数据处理单元、设置在数据处理单元下游的通讯单元；区域级二氧化碳排放管控系统获取各个二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，根据二氧化碳排放量管控目标，对各个烟道代表的电厂及时提出警示并指导其二氧化碳排放。
本发明的区域级二氧化碳排放管控系统获取各个二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，根据二氧化碳排放量管控目标，对各个烟道代表的电厂及时提出警示并指导其二氧化碳排放，使得电厂能够通过是否接到来自区域级二氧化碳排放监测与管控系统的警示来实时把控厂内的二氧化碳排放过程，且不必花费大量的人力物力进行碳排放数据的计算或分析，降低了电厂的运行成本。
进一步地，监测单元用于获取烟道内烟气温度、烟气压力和烟气流量；采样单元用于采集烟道内的烟气；预处理单元用于对采样单元采集到的烟气进行除尘和除水；测试单元用于测定预处理后的烟气中二氧化碳吸收谱线；数据处理单元用于利用测试单元测得的二氧化碳吸收谱线和监测单元获得的烟气参数计算二氧化碳的浓度和二氧化碳的排放量；通讯单元用于将二氧化碳的排放数据传输到区域级二氧化碳排放管控系统。
进一步地，采样单元采集烟气的步骤为：在烟道内设置若干个抽样点，通过抽气泵将抽样点的烟气抽取出来，将从各个抽样点抽取的烟气混合后送至预处理单元。
优选地，抽样点按系统抽样方法进行抽样，以降低采样单元带来的误差。
进一步地，预处理单元由除尘模块和除水模块组成。
本发明的预处理单元对烟气进行除尘和除水操作，降低了烟气中的灰尘和水分对测试单元的影响。
进一步地，测试单元采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的直接吸收法测定二氧化碳吸收谱线。
进一步地，用于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可调谐半导体激光器为法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔表面发射激光器或外腔调谐半导体激光器中的一种。
进一步地，数据处理单元基于预先标定好的二氧化碳的浓度与二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的二氧化碳吸收谱线，对烟气进行温度补偿后计算出实际烟气中的二氧化碳的浓度，并根据烟气流量计算出二氧化碳的排放量。
本发明二氧化碳浓度的计算公式为：
Figure BDA0003244377640000021
其中X为二氧化碳浓度的测量值，A为二氧化碳吸收谱线的吸收率积分值，S(T)为谱线强度，可在相关光谱数据库中查到参考温度T0下的S(T0)并计算出T温度下的谱线强度；P为烟气的总压力；L为光程，在固定的装置上L保持不变。
二氧化碳的排放量计算公式为：m＝X×V,其中，m为二氧化碳的排放量，X为二氧化碳浓度的测量值，V为烟气流量。
本发明采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的直接吸收法，并进行温度补偿，提高了二氧化碳浓度的测量精度，减小了相对误差。
本发明还提供了一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统的运行方法，包括以下步骤：
(1)在电厂的尾部烟道选择合适的监测点，安装二氧化碳排放精确计量监测子系统；
(2)二氧化碳排放精确计量监测子系统将各个烟道的实时二氧化碳排放数据通过通讯单元传输至区域级二氧化碳排放管控系统；
(3)区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内各个电厂的碳排放配额和碳排放计划，实时计算碳排放完成率和超阈值情况，对存在超排放的电厂及时发出警示；
(4)区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内已有的二氧化碳排放数据，预测未来二氧化碳排放量，并对区域内各电厂的碳排放安排进行指导。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：本发明涉及的区域级二氧化碳排放监测与管控系统为区域内碳排放监管提供实时、完整的碳排放数据，有效提高区域内碳排放监督、管理、控制工作的质量；在电厂烟气的二氧化碳浓度测量中，采用基于TDLAS的直接吸收法，并进行温度补偿，提高了二氧化碳浓度的测量精度，减小了相对误差；电厂能够通过是否接到来自区域级二氧化碳排放监测与管控系统的警示来实时把控厂内的二氧化碳排放过程，且不必花费大量的人力物力进行碳排放数据的计算或分析，降低了电厂的运行成本；本系统还可以继续向上扩容至更大区域内的二氧化碳排放管控系统。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明区域级二氧化碳排放监测与管控系统的整体结构示意图；
图2为本发明二氧化碳排放精确计量监测子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的区域级二氧化碳排放监测与管控系统。
如图1、图2所示，该区域级二氧化碳排放监测与管控系统包括：烟道、与烟道连接的二氧化碳排放精确计量监测系统、与二氧化碳排放精确计量监测系统连接的区域级二氧化碳排放管控系统；二氧化碳排放精确计量监测系统由若干个相同的二氧化碳排放精确计量监测子系统组成，一个烟道对应一个二氧化碳排放精确计量监测子系统，二氧化碳排放精确计量监测子系统包括监测单元、采样单元、设置在采样单元下游的预处理单元、设置在预处理单元下游的测试单元、设置在测试单元下游的数据处理单元、设置在数据处理单元下游的通讯单元；区域级二氧化碳排放管控系统获取各个二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，根据二氧化碳排放量管控目标，对各个烟道代表的电厂及时提出警示并指导其二氧化碳排放。
一个烟道表示一个产生二氧化碳排放的电厂，一个电厂即为一个重点排放单位。一个烟道对应一个二氧化碳排放精确计量监测子系统，若干个烟道和二氧化碳排放精确计量监测子系统以及区域级二氧化碳排放管控系统组成区域级二氧化碳排放监测与管控系统。区域级二氧化碳排放管控系统根据管控目标，确定本区域内各重点排放单位的碳排放配额；根据各重点排放单位的发电计划，确定相应的碳排放计划；根据各重点排放单位二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，实时计算各重点排放单位的排放量是否超过基于计划量的预设阈值，若超过则及时向该重点排放单位发送警示；分析各重点排放单位二氧化碳排放量的实时变化趋势和波动情况，形成对本区域内二氧化碳排放的预测，指导各重点排放单位提前调控排放量。
二氧化碳排放精确计量监测子系统包括监测单元、采样单元、设置在采样单元下游的预处理单元、设置在预处理单元下游的测试单元、设置在测试单元下游的数据处理单元、设置在数据处理单元下游的通讯单元。监测单元用于获取烟道内烟气温度、烟气压力和烟气流量。采样单元用于采集烟道内的烟气，采样单元采用系统抽样法进行抽样，采样单元采集烟气的步骤为：在烟道内设置若干个按一定规律分布的抽样点，通过抽气泵将抽样点的烟气抽取出来，将从各个抽样点抽取的烟气混合后送至预处理单元。预处理单元由除尘模块和除水模块组成，用于对采样单元采集到的烟气进行除尘和除水。测试单元用于测定预处理后的烟气中二氧化碳吸收谱线，测试单元采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测定二氧化碳吸收谱线，测试单元采用分布反馈式半导体激光器，中心波长为1580nm。数据处理单元用于利用测试单元测得的二氧化碳吸收谱线和监测单元获得的烟气参数(烟气温度、烟气压力和烟气流量)计算二氧化碳的浓度和二氧化碳的排放量；通讯单元用于将二氧化碳的排放数据传输到区域级二氧化碳排放管控系统。数据处理单元基于预先标定好的二氧化碳的浓度与二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的二氧化碳吸收谱线，对烟气进行温度补偿后计算出实际烟气中的二氧化碳的浓度，并根据烟气流量计算出二氧化碳的排放量。二氧化碳浓度的计算公式为：
Figure BDA0003244377640000051
其中X为二氧化碳浓度的测量值，A为二氧化碳吸收谱线的吸收率积分值，S(T)为谱线强度，可在相关光谱数据库中查到参考温度T0下的S(T0)并计算出T温度下的谱线强度；P为烟气的总压力；L为光程，在固定的装置上L保持不变。
二氧化碳的排放量计算公式为：m＝X×V,其中，m为二氧化碳的排放量，X为二氧化碳浓度的测量值，V为烟气流量。
本发明还提供了一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统的运行方法，包括如下步骤：
(1)在电厂的尾部烟道选择合适的监测点，安装二氧化碳排放精确计量监测子系统；
(2)二氧化碳排放精确计量监测子系统将各个烟道的实时二氧化碳排放数据通过通讯单元传输至区域级二氧化碳排放管控系统；
(3)区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内各个电厂的碳排放配额和碳排放计划，实时计算碳排放完成率和超阈值情况，对存在超排放的电厂及时发出警示；
(4)区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内已有的二氧化碳排放数据，预测未来二氧化碳排放量，并对区域内各电厂的碳排放安排进行指导。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种区域级二氧化碳排放监测与管控系统，其特征在于，包括：烟道、与所述烟道连接的二氧化碳排放精确计量监测系统、与所述二氧化碳排放精确计量监测系统连接的区域级二氧化碳排放管控系统；所述二氧化碳排放精确计量监测系统由若干个相同的二氧化碳排放精确计量监测子系统组成，一个所述烟道对应一个所述二氧化碳排放精确计量监测子系统，所述二氧化碳排放精确计量监测子系统包括监测单元、采样单元、设置在所述采样单元下游的预处理单元、设置在所述预处理单元下游的测试单元、设置在所述测试单元下游的数据处理单元、设置在所述数据处理单元下游的通讯单元；所述区域级二氧化碳排放管控系统获取各个所述二氧化碳排放精确计量监测子系统传输的二氧化碳排放数据，根据二氧化碳排放量管控目标，对各个所述烟道代表的电厂及时提出警示并指导其二氧化碳排放。
2.如权利要求1所述的监测与管控系统，其特征在于，所述监测单元用于获取所述烟道内的烟气温度、烟气压力和烟气流量；所述采样单元用于采集所述烟道内的烟气；所述预处理单元用于对所述采样单元采集到的所述烟气进行除尘和除水；所述测试单元用于测定预处理后的所述烟气中二氧化碳吸收谱线；所述数据处理单元用于利用所述测试单元测得的所述二氧化碳吸收谱线和所述监测单元获得的烟气参数计算二氧化碳的浓度和二氧化碳的排放量；所述通讯单元用于将二氧化碳的排放数据传输到所述区域级二氧化碳排放管控系统。
3.如权利要求2所述的监测与管控系统，其特征在于，所述采样单元采集所述烟气的步骤为：在所述烟道内设置若干个抽样点，通过抽气泵将所述抽样点的所述烟气抽取出来，将从各个所述抽样点抽取的所述烟气混合后送至所述预处理单元。
4.如权利要求2或3所述的监测与管控系统，其特征在于，所述预处理单元由除尘模块和除水模块组成。
5.如权利要求4所述的监测与管控系统，其特征在于，所述测试单元采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的直接吸收法测定所述二氧化碳吸收谱线。
6.如权利要求5所述的监测与管控系统，其特征在于，用于所述可调谐半导体激光吸收光谱技术的可调谐半导体激光器为法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔表面发射激光器或外腔调谐半导体激光器中的一种。
7.如权利要求6所述的监测与管控系统，其特征在于，所述数据处理单元基于预先标定好的所述二氧化碳的浓度与所述二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的所述二氧化碳吸收谱线，对所述烟气进行温度补偿后计算出实际所述烟气中的所述二氧化碳的浓度，并根据所述烟气流量计算出二氧化碳的排放量。
8.如权利要求7所述的监测与管控系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在电厂的尾部烟道选择合适的监测点，安装二氧化碳排放精确计量监测子系统；
(2)所述二氧化碳排放精确计量监测子系统将各个烟道的实时二氧化碳排放数据通过通讯单元传输至区域级二氧化碳排放管控系统；
(3)所述区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内各个电厂的碳排放配额和碳排放计划，实时计算碳排放完成率和超阈值情况，对存在超排放的电厂及时发出警示；
(4)所述区域级二氧化碳排放管控系统根据本区域内已有的所述二氧化碳排放数据，预测未来二氧化碳排放量，并对区域内各电厂的排放安排进行指导。
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