攻坚碳监测：火电厂CO₂监测技术瓶颈与突破

二氧化碳连续监测技术，是火电厂烟气二氧化碳排放检测的试点技术，但目前在精确度上仍存在一些问题，需要协同攻关、重点突破。

文/魏子杰

作者系龙源（北京）碳资产管理技术有限公司党委书记、董事长

2020年6月，生态环境部公布《生态环境监测规划纲要（2020—2035年）》，提出遵循“核算为主、监测为辅”的原则，在火电行业率先开展二氧化碳排放连续监测系统（CEMS）法试点。鉴于连续监测法相比质量平衡法（以下简称核算法）具有自动化水平高、监测数据频次高、运行管控简洁等优势，2021年9月和2023年9月生态环境部先后印发了《碳监测评估试点工作方案》、《深化碳监测评估试点工作方案》，其中安排五大发电集团两批合计114台火电机组参与连续监测法试点。根据试验数据、比对结果以及有关技术成果，仍存在烟道匀速流场选择困难、烟气流速测量精确度不高、数据比对偏差不规律等问题，建议集智聚力协同攻关，重点突破烟道流速测量不准难题。

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连续监测法技术应用现状

二氧化碳连续监测技术是通过在火电厂排放烟气的水平烟道或垂直烟囱选择直管段匀速流场，布置安装二氧化碳分析仪、流量计、温度传感器、湿度计等监测设备，在线测量二氧化碳浓度、烟气流速、温度、湿度等参数计算二氧化碳排放总量，其中影响最大的参数是二氧化碳浓度、烟气流速和速度场系数。

二氧化碳浓度的数据质量不确定度较低，烟气流速的数据质量不确定度较高，速度场系数取决于均速流场的选择和校验设备的准确度。

20世纪90年代初美国发布酸雨计划，规定装机超过25MW的燃煤和其他固体燃料机组必须安装CEMS系统监测二氧化碳排放量，通常将在线监测点位设置在烟囱80m高处，测点处气态污染物混合均匀，数据代表性高。截至2015年，美国73.9%的火电机组应用CEMS进行碳排放监测且使用超声波流量计测量烟气流速。而欧盟在其碳排放权交易市场第三阶段（2013—2020年）明确规定纳入碳市场的企业采用连续监测法与核算法的数据结果具有等效性，并根据年度排放量对数据质量进行分级管理，排放量越大，CEMS允许不确定度越严格。2020年，22个欧洲国家约6000台火电机组中仅140台机组采用连续监测法，相比核算法应用更为普遍。

我国连续监测技术主要用于烟气污染物排放，应用监测二氧化碳排放量则较晚。2021年之前，仅有少量火电机组开展试验性研究。

2021年9月，生态环境部选择国家能源集团、中国华电、上海电力的22台火电机组参加碳监测首批试点。据中电联专题会议介绍，监测点位布置在水平烟道13台、烟囱9台。二氧化碳浓度测量以非分散红外原理为主；烟气流速测量装置包括单点皮托管、矩阵式流量计和超声波流量计。22台试点机组中4台机组监测数据不足2月，不纳入统计分析，18台试点机组共54个自然月连续监测法与核算法月度排放量偏差范围-21%~31%，偏差在±10%以内的月度占比61%。燃料成分影响监测与核算结果，燃气机组一致性较好；燃煤机组，尤其是混合不同煤种燃烧的机组一致性较差。22台试点机组54个自然月监测碳排放量1130万吨，核算碳排放量1064万吨，相对误差6%，监测与核算结果统计期内视为总体可比，但个体偏差过大，事实不好比。

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连续监测技术存在问题

（一）达标匀速流场监测点位选择困难。针对火电厂烟气有组织集束排放监测二氧化碳排放量用于碳市场配额交易，不但要求监测设备计量精准，同时要求监测点位流场可获得更具代表性的平均流速。二氧化碳浓度测量技术较为成熟，加之燃煤火电机组烟道中二氧化碳浓度分布相对均匀，不确定度可控制在1%~2%的较低水平。不同的是，烟道直管段即使符合整流标准“前四后二”，数值模拟和校验发现流速分布仍不均匀，数据质量不确定度较高。国内较多燃煤火电机组水平烟道较短整流不达标，如在烟囱高位加装监测设备则存在二次施工和运维难度大、费用高的问题。整体看烟气流速测准难度较大。

（二）烟气流速准确测量技术尚未突破。目前，试点机组流速测量常用的单点皮托管流量计对截面平均流速的代表性差；矩阵式流量计重复性差；超声波流量计声道数和布置方式对流速测量影响较大；燃煤火电机组负荷频繁变化进而导致固定速度场系数误差大。另外，大口径测速使用的超声波流量计现阶段依赖进口。针对以上问题，某集团研制的“基于电站轴流引风机扩压室的逆向锥形喷嘴流量测量技术”，通过选取轴流引风机扩压器内两个平行截面多点取样，静压测速，克服了现有流量计采样点偏少、直管段要求严格的问题，但有待长周期运行实例验证。

（三）流速测量校准校验精度有待提高。二氧化碳排放连续监测技术烟气流速手工监测采用S形皮托管流量计，按照GB/T16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》执行。当烟气存在偏离轴线的流动时，S形皮托管流量计测得的烟气流速较实际流速偏大。美国计量科学研究院风洞测试结果显示，存在偏流时，S形皮托管测量流速比实际流速偏大约6%。用于校准的三维皮托管技术尚未国产化替代。此外，试点机组监测点位比对孔位置、数量大多难以完全满足GB/T16157手工监测测点布置要求，影响流速测量校准校验精度。

（四）机组月度排放量对比偏差不规律。截至2025年1月，两期碳监测评估试点约70%燃煤机组各月监测数据与核算结果相对偏差总体保持在±10%以内，燃气机组相对偏差范围小于燃煤机组。同一机组连续监测法和核算法月度排放量偏差大小不一，既存在正偏差也存在负偏差，无规律可循。

（五）对比核算结果年度偏差范围仍需要控制。连续监测法和核算法年度碳排放量存在一定偏差，部分试点机组偏差较大。两期碳监测评估试点近90%燃煤机组年度监测数据与核算结果相对偏差保持在±10%以内，历史累计数据比对结果优于自然月比对结果。另外，火电企业如采用连续监测法数据进行履约，考虑碳配额价格，1%的正偏差每年将增加全国电力二氧化碳排放量约5000万吨，企业履约成本大幅增加。亟须提高连续监测法精度，缩小偏差范围。

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相关建议

（一）试点寻优，明确方案。通过多场景比对，确定试点机组监测点位的最优布置，流速测量设备最优选型，明确具体方案，再差异化小范围开展试点。参考美国做法和试点存在的问题，建议选择烟囱高位稳定流场，采用多声道超声波流量计交叉安装方式，先解决烟气流速测准问题，进而互证研究核算法可能存在的偏差环节。

（二）统一标准，深化研究。制订技术标准，统一监测点位布设、监测精度、施工安装、运维校验等要求。通过试点试验，深入研究流速测量的影响因素、速度场系数与机组负荷变化的关系以及三维皮托管技术。要坚持问题导向，避免盲目扩大试点范围，增加无效投入。

（三）严格质控，科学比对。试验阶段，成立机构专班，驻场严控核算法入炉煤量计量的精准度，选取给煤机处煤样采制化，燃煤消耗量和烟气生成量要对应可比，规范化验操作，减少过程争议，保证核算数据质量。通过机组稳负荷和变负荷运行，积累对比数据，严谨科学开展试点工作。

（四）强化核算，审慎监测。充分应用信息化和过程视频监控手段进行核算法全流程作业管控，加强监测设备校准校验，溯源采集原始数据，严格指标数据存证，避免人为干

扰数据，并压实管理责任。落实碳监测试点试验环节，突出效果核验，审慎推广。打牢核算法基础，注重运用信息技术、区块链技术和AI+技术，共同维护全国碳排放权交易市场现有机制公平公正运行。

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