基于Foxboro DCS系统的火力发电厂碳排放实时监测系统研究与应用.pdf

2023年第4 期（总第3 0 4 期）doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.04.001应用能源技术1基于Foxboro DCS系统的火力发电厂碳排放实时监测系统研究与应用权瑞印，朱文峰，杜鹏彪（中电建甘肃能源崇信发电有限责任公司，甘肃平?744200）摘要：根据“全球实时碳数据（Carbon Monitor）网站”的统计，不难发现火力发电厂是我国二氧化碳主要排放源之一，实现火力发电厂碳减排对降低中国碳排放总量，减少温室气体具有重要意义。目前各火力发电厂都已加入碳交易、碳核算行列，而对于火电厂二氧化碳的准确测量直接关系到火电厂切身经济利益，本文基于Foxboro分散控制系统(DCS）系统和烟气监测系统（CEMS），提出一种火电厂碳排放实时监测系统。关键词：火电厂；碳排放；Foxboro;CEMS中图分类号：X773Research and Application of Real-time Carbon Emission MonitoringSystem in Thermal Power Plants Based on Foxboro DCS System(China Energy Construction Gansu Chongxin Power Generation Co.Ltd.,Pingliang 744200,China)Abstract:According to statistics from the Global Real-time Carbon Data(Carbon Monitor)website,it is easy to find that thermal power plants are one of the major sources of carbon dioxideemissions in China.Achieving carbon reduction in thermal power plants is of great significance forreducing Chinas overall carbon emissions and decreasing greenhouse gas levels.Currently,allthermal power plants have joined the ranks of carbon trading and carbon accounting.Accuratemeasurement of carbon dioxide emissions from thermal power plants is directly related to theireconomic interests.In this paper,a real-time carbon emission monitoring system for thermal powerplants is proposed based on the Foxboro Distributed Control System(DCS)and Continuous EmissionsMonitoring System(CEMS).Key words:thermal power plant;carbon emissions;Foxboro;CEMS0引言全球气候变暖是关系到人类生存和可持续发展的重要问题。减少温室气体的排放已成为缓解气候变暖的人类共识。我国在2 0 2 0 年宣布，将力争2 0 3 0 年前碳达峰、努力争取2 0 6 0 年前实现碳中和。2 0 2 1年7 月，“全国碳交易市场”正式启动，标志着中国正式进人“低碳”时代。作为碳排收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 2 修修订日期：2 0 2 3-0 3-15作者简介：权瑞印（1991）,男，本科，工程师，研究方向为热工自动装置应用。文献标志码：AQUAN Ruiyin,ZHU Wenfeng,DU Pengbiao文章编号：10 0 9-3 2 3 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 5放大户的火力发电企业，成为了碳市场的重要力量。目前我国电力行业碳交易普遍采用排放因子法进行核算。因为在线监控标准不统一，一时未能成为主流核算方式。随着2 0 2 1年国网公司西北分中心国家电网西北电力调控分中心关于加强火电企业碳排放信息管理的通知的发布，各大西北网直调火力发电企业开始了月度上报碳排放数据，多数发电企业并未就在线监控系统纳入技术改造。在这个“双碳”语境下，本文主要从设2备的安全性和经济性方面着手，积极开展外出调研和技术预研,基于本厂的 Foxboro DCS 系统和CEMS系统提出了一种火力发电厂二氧化碳实时监测系统，目前常见的碳测量方法有物料平衡法、排放因子法、实测法。而本文所述研究是在净烟气CEMS原有设备中增加二氧化碳测量组分卡件，通过该卡件直接测量得到排入大气的烟气中二氧化碳含量，通过引DCS系统中CEMS设备采集数据附近的烟气温度、压力、流量、湿度等一系列数据，根据相关公式在DCS系统计算得到火力发电厂生产过程中产生的二氧化碳排放率以及累计排放量等。然后将CSC-850可编程自动化控制装置作为厂内碳排放数据采集装置，最后经过远动装置（RTU）把碳排放相关数据实时传送至网调数据控制中心。该二氧化碳实时监测系统应用于某台660MW超临界机组,并将其实时数据通过远动装置送至网调中心。结果表明,采用带二氧化碳测量组分的烟气连续监测系统对火力发电厂进行碳排放实时监测，可精确的计算单台机组碳排放速率、碳排放总量，该项目实施其意义深远。1碳排放量核算方法分析与确定在国际上目前碳排放流行的核算方法是能源消耗量乘以能源消耗产生的二氧化碳排放系数最终得出总排放量。这种方法一般适用于某个国家或某地区宏观统计碳排放量。在我国电力行业现在常用的碳排放监测方式是：核算法,这种计算方法是统计出火力发电生产过程中电煤的使用量、所用电煤的发热量、排放因子等参数计算出电力生产过程产生二氧化碳排放量。随着双碳目标的确立，以及碳交易市场的开放,对于碳排放量的确定,我国学者在火电厂碳排放量计算领域方面有诸多研究见解。蔡毅等提出了一种在线测量燃煤机组碳氧化率的方法，他们研究是通过将机组容量、燃烧方式、燃烧煤成分、机组负荷率等与机组碳氧化率的相关性,提出了一种以煤种碳氢化作为煤电机组碳排放强度减排的判据4 。陈咏城应用能源技术等提出在机组CEMS系统中增加二氧化碳在线测量装置,在分散控制系统中计算获得碳排放相关数据。贺兰指出我国火力发电企业在核算碳排放的过程中目前主要是通过排放因子法来进行温室气体核算的。这一方法需要实测企业热值含碳量与碳氧化率，同时会受到发电工况、燃煤质量等众多因素的影响，然而火电厂在开展碳排放核算工作时应用在线监测这一方法能够更好地预防和减少碳排放5。上述几种方法不难看出，目前国内大多数碳排放核算是通过计算方法得到火力发电机组的碳排放数据,该计算值由于煤质的不同,计算过程受到人为误差,测量误差的影响,其碳排放核算值与实际存在较大偏差。碳排放在线监测技术研究应用日渐突显，目前单独测量二氧化碳的装置,其安装成本和设备采购成本较高，施工周期长，对于当下火电机组经营而言压力较大，于是本文从经济性和安全性考虑,采用在现有环保设备中增加二氧化碳测量组份的方式获取电力生产过程中二氧化碳的排放量等在线实时数据。2二氧化碳测量方法及实时监测系统2.1二氧化碳质量浓度的测量目前工业中测量二氧化碳气体含量的常见方法主要有热传导式、红外吸收法、电容式等。而在火力发电厂生产过程中烟气成分测量通常采用红外吸收的方法，这种测量方法与火电厂测量硫化物、氮氧化物等烟气中环保数据的测量系统相似。本文所述二氧化碳实时监测系统是在原有净烟气CEMS系统中增加二氧化碳测量组分获取电力生产排入大气的二氧化碳浓度，采用的CEMS分析仪是利用非分散红外吸收法测量数据，其取样点设置在净烟气烟道上，烟气取样探头将排放烟气加热取样后通过取样管送至仪表分析柜，仪表分析柜通过处理后将烟气送入分析仪进行分析测量，获得排放在烟气中的二氧化碳体积浓度,最后将相关数据送至环保监测平台，并就近送人脱硫DCS系统。在Foxboro DCS系统根据相关国家环2023年第4 期（总第3 0 4 期）2023年第4 期（总第3 0 4 期）保标准规定以及电厂自身需要监测数据需求，在DCS画面上呈现碳排放实时监测数据,DCS系统仪表风分析仪表柜TK应用能源技术数据也可通过SIS系统传输,方便上级单位监督。本文采用的CEMS分析仪气路图如图1所示。3T6E1SFP1T6TF612BH1T6排气RMTF6BHI标气T6H2空气冷凝气排气图1分析仪气路图根据HJ870-2017固定污染源废气二氧化碳的测定非分散红外吸收法标准规定可以得出标准状态下干烟气二氧化碳质量浓度，计算公式如下：p(CO2,g/m)=式中，p为标准状态下干烟气二氧化碳质量浓度，g/m；w 为分析仪测量的烟气中二氧化碳体积浓度,%。2.2烟气流速的测量本文所述烟气流速测量装置采用全截面矩阵流量计。该测量装置在机组超低排放改造过程中按照标准安装，本次碳排放项目不涉及重复施工需求，减少工作量和成本。全截面矩阵流量计是基于靠背管原理，测量装置的取压管设置在烟气管道内，烟气在管道内流动时，测量装置便产生压差,压差的大小与管道内介质流速（量）有关，流速(量)越大,压差越大；反之,压差越小。测量装置通过测量压差大小，再由相关风速组态数学模型计算出烟道烟气流速（量)。在烟气流速装置附近安装的烟气压力和烟气温度测点等直接可用于碳排放相关数据在DCS系统的组态计算。组态公式：风速组态计算数学模型：P(2 7 3 +t)V=K K,23.96 P,+Px式中,V为被测气体的流速，m/s；K 1为风速场系数,1.0 3;K2为风速、风量测量装置流量系数，440.75;P为风速、风量测量装置输出差压,Pa;t为22.4X0*10m/s被测气体温度，；P，为当地大气压力，8 8 0 0 0 Pa；Px为被测气体管内压力,Pa。根据以上数学模型，可以方便准确地计算出风速。DCS系统显示保留两位小数点，用风速计算运行工况下的体积流量公式：Qs=V A 3 600式中，Qs为被测气体体积流量,m/h；V为被测气体的流速,m/s;A为烟肉截面积,m;3600,s。2.3二氧化排放量的计算通过将CEMS系统测量得到二氧化碳浓度和以及DCS系统计算得到的烟气流速数据在DCS系统中按照环保部门发布的标准公式进行相应计算,最终在DCS画面中可以显示出烟气中二氧化碳排放速率及排放量等相关数据，按照相关标准规定可得如下计算方法：标准状态下干烟气流量Qss按下式计算：237P+PDQsv=Qs(1-X%)237+t*1101 325式中，Qs为标准状态下干烟气流量，m/h；Q s 为4被测气体体积流量，m/h；t 为烟气温度，；Px为被测气体管内压力,Pa；Pp 为当地大气压力，Pa;88000Pa；X%为烟气中含湿量，%。2.3.1二氧化碳排放速率的计算G(CO,kg/h)=p Qsv 10-3式中,G为二氧化碳排放速率,kg/h;p为干烟气中二氧化碳浓度，kg/m；Q s v 为标准状态下干烟气流量,m/h。RI01系统时间：小时RI02系统时间：分钟应用能源技术2.3.2二氧化碳日累计量计算应用FoxboroDCS系统自带ACCUM积累模块计算，计算块参数设置：MEAS：二氧化碳排放率；CLEAR：连接清零计算块；MTRFAC:按照DCS系统0.5s扫描周期计算,根据需要将kg单位转换为t。M01=82MC04M11AMCO42023年第4 期（总第3 0 4 期）1SB001图2 二氧化碳日累计排放量清零逻辑图2.3.3二氧化碳累计量计算应用FoxboroDCS系统自带ACCUM积累模块计算，计算块参数设置：MEAS:二氧化碳排放率；CLEAR:044二氧化碳浓度(xXX)MTRFAC:按照DCS系统0.5s扫描周期计算，根据需要将kg单位转换为t。通过上述计算后，便可画出二氧化碳排放数据逻辑框图如图3 所示。22.4XxX1.03K0.7523.96(ooX)K2烟气湿度/%237(xxx)净烟气温度8B000被测购气体管压2 3 7 净烟气温度1PD?XXX风速测量装置差压P103600XxX101325X78XXXX干烟气二氧化碳质量浓度1000XXXX二氧化碳排放率ACCUM二氧化碳累计排放量图3 二氧化碳排放数据逻辑框图2023年第4 期（总第3 0 4 期）2.4碳排放数据传输实时监测系统的运行二氧化碳测量的分析仪取样点安装在靠进电厂烟窗处,经过分析仪处理后将数据传输至DCS系统,通过DCS系统进行相关逻辑计算，一方面在电厂侧操作员画面编译组态数据实现运行值班员实时监测二氧化碳排放率、日累计排放量、累计排放量等重要碳排放数据，另一方面将编译组态后数据通过DCS系统模拟量4 2 0 mA信号送至碳排放数据采集装置，最后通过电厂远动装置送至网调调度中心，通过电厂侧与调度侧数据量程核对后即可实现网调中心对电厂碳排放数据的实时监测。3讨论和建议2021年全国碳市场的开放，意味着碳交易走出试点，已步人常态化。火电行业作为碳排放的重点减排对象，可能面临多部门监管与运行成本压力 。对于火电厂而言，开展碳减排、碳排放权交易等工作的前提是准确的计算碳排放量，准确的碳排放数据具有非常深远的意义，一方面有利于环保部门的检查,督促双碳目标的完成,另一方面有利于火力发电企业生产以及经营的决策。因此,对于电力供应测而言能安装准确测量二氧化碳测量及准确可靠计算生产过程碳排放的设备意义非常之深远。本文基于FoxboroDCS系统通过利用原有设备加装二氧化碳测量卡件，实现了对某2 6 6 0 MW超临界机组燃煤机组二氧化碳排放数据的实时监测,通过DCS系统计算得到二氧化碳的日排放量、累计排放量等重要碳排放数据。文中获取二氧化碳的方法在火力发电厂中应用广泛，技术成熟，该方法获取的数据准确度高，可靠性强。同时二氧化碳计算涉及的烟气差压、温度、湿度数据在火电厂均有成熟可靠的测量装置和方法。CEMS取样口安装在烟卤内筒壁外12.74m处,距烟窗排口为1.51D。取样口之前9.21m直管段保证烟气流速的稳定,以确保CEMS测量的合理及准确性。其测量数据最后不仅送DCS系统供运行人员监测,还送政府环保监督管部门,CEMS系统有专人2 4 h轮守值班维护,并且定期对CEMS装置通过标准气体进行定期校验验证，应用能源技术有力确保了环保数据的可信度，可保证装置稳定可靠运行，因此，通过本文提出的方法获取的火电厂生产排放的二氧化碳数据更具时效性和准确性。4结束语该碳排放实时监测系统是西北网调系统首批安装投入使用的火电机组。目前火电机组二氧化碳排放量的计算多数采用间接核算法得到，其计算过程涉及数据量大，测算结果偏差较大。大部分火电厂的CEMS系统主要用于监测火电厂生产过程中产生的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、烟尘、烟量等参数,很少有火电厂利用CEMS分析仪中增加的二氧化碳组分进行测量碳排放量。本文所述碳排放实时监测系统，充分利用分散控制系统，实现碳排放相关数据在线实时计算、监测,经过DCS系统计算后的数据以直流4 2 0 mA信号，送至碳排放采集装置，然后通过NCS通讯接口与远动装置之间通讯，最后通过远动装置以及碳排放采集装置与DCS系统相关碳排放数据的配置由远动装置将碳排放数据传送至网调数据中心。实时碳排放数据的采集不仅仅为电厂侧与网调侧碳排放提供可靠数据,还可为目前诸如碳捕集、碳封存等低碳研究前沿技术提供参考性数据，更可为碳交易市场以及火力发电厂在碳补偿方面提供准确数据，有助于电厂碳交易经营方面的决策。排放因子法和在线测量法相互验证，可以提高数据准确性。其次为火力发电厂碳排放实时在线监测技术标准的早日落地提供支撑。本文碳排放实践应用只在CEMS中增加CO,测量组分装置，设备改造投人较少，即可实现碳排放数据准确测量，可以在火力发电厂中推广应用。参考文献1陈咏城,唐雯，马旭涛.火力发电厂碳排放测量及分析J.电站辅机,2 0 2 1,4 2(3):14-17.2葛志松,陈琪，蔡萍，等。一种基于当日灰平衡法的发电企业煤燃烧碳排放因子测试方法J：上海节能,2 0 17(8):4 8 4-4 8 8.3贺兰.火电厂碳排放监测体系与核算方法分析J.皮革制作与环保科技,2 0 2 2,3（17):54-56.4固定污染源废气二氧化碳的测定非分散红外吸收法:HJ 870-2017S.2017.5