不同核算方法下碳排放量核算与分析——以燃气电厂燃气轮机为例

宋涛涛，倪丰平，张琦，王兴华，王雨，王东梅

1.中国石油新疆油田公司实验检测研究院；2.新疆维吾尔自治区油气田环保节能工程研究中心；3.中国石油新疆油田公司电力公司

0 引言

“双碳”目标为中国应对气候变化和绿色低碳发展明确了方向，为构建清洁低碳、安全高效能源体系注入了强劲推力，能源领域发展向着兼顾减碳降碳的目标推进［1］。科学的碳排放统计核算方法是实现双碳目标的基础，是准确掌握碳排放量变化趋势、有效开展各项减排工作的基本前提，并且是制定政策、推动工作、开展考核、谈判履约的重要依据［2］。2022年，发改环资〔2022〕622 号《关于加快建立统一规范的碳排放统计核算体系实施方案》的实施［3］，系统部署了中国碳排放统计核算体系建设的重点任务。

近年来，中国已建立温室气体清单编制的技术标准，并在多个领域应用，提出了温室气体活动数据收集的优先级。主流的碳排放核算方法包括排放因子法、质量平衡法和实测法［4-5］，被广泛运用到温室气体排放量计算及碳减排核算中。排放因子法主要是根据活动数据、缺省值等参数计算得出排放量，排放因子按照由低到高的顺序又可分为5个层级：层级1 为基于国家层级排放活动得到的国家层级因子［6］；层级2 为基于综合的简化排放源类别、采用不同方法量化汇总得到的因子；层级3为按照详细的排放源（排放设施）及类别、采用通用排放设施类型的因子［7］；层级4 为按照详细的排放源类型、使用特定排放因子；层级5 为按照详细的独立排放源报告、基于实际测量的因子。质量平衡法是基于物料守恒原则，根据原料含碳量、产品含碳量、废弃物含碳量计算得出碳排放量。实测法是采用仪器现场实测得出实际生产活动碳排放量［8］。综合调研文献和核算指南，目前温室气体或碳减排核算主要采用排放因子法，实测工作开展较少，由于地区能源品质、碳排放行业性和区域性差异较大［9］，缺乏量化技术方法的碳排放量核算还存在较大的局限性。基于目前主要采用的排放因子核算方法及试点开展的碳排放实测技术方法，开展核算方法之间的差异性研究，进一步提高核算方法的认识［10］。

CO2排放量的准确核算是企业控排指标的“量衣尺”［11］，是科学、公正兑现履约考核的前提，研究不同计算方式下燃料介质燃烧CO2排放数据对其准确定量估算自身碳排放量，进而优化碳资产管理、完成碳排放履约具有重要意义［12］。某油田作为重点耗能单位，主要用能是天然气，天然气燃烧排放占比80%以上。选取系统运行平稳、排放源稳定、监测计量设施相对齐全的油田内部电厂的燃气轮机开展研究，在科学划分核算边界、排放源的基础上，采用排放因子法、实测法两种方法对以天然气为燃料介质产生的CO2排放量进行核算，探究不同核算方法下排放量差异情况，为以天然气为燃料介质的排放活动核算提供一定的认识。

1 核算边界、排放源确定

1.1 核算边界

某油田内部电厂燃气轮机发电机组与余热锅炉组成联合循环发电机组。首先，燃气轮机发动机将空气及燃料进行压缩、燃烧、膨胀转化为机械能进行发电；然后，高温燃气排出进入余热锅炉产生高温蒸汽，高温蒸汽带动汽轮机进行二次发电，发电后的蒸汽通过换热器进行对外供热采暖；最后，燃气通过余热锅炉将余热利用完成后以尾气的形式排放到大气中。依据核算边界确定方法要求［13］，核算边界为燃气轮机发电机组与余热锅炉组成联合循环机组发电设施，包括燃烧系统、汽水系统、电气系统、控制系统等装置的集合。设施核算边界如图1 中的虚线框内所示。

图1 电厂碳排放核算边界

1.2 排放源识别

参照《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》［14］《中国石油和天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》［15］，燃气轮机CO2排放包含化石燃料燃烧产生的CO2排放、使用电力产生的CO2排放，涉及的4 台燃气轮机的化石燃料燃烧产生的CO2排放占比达90%以上。

化石燃料燃烧产生的CO2排放：4 台燃气轮机燃烧天然气发电过程中产生的直接排放，平均消耗天然气4 269.6×104m³/m。

使用电力产生的CO2排放：包含控制系统、发电配套设施用电产生的间接排放。其中电力消耗产生的间接排放采用排放因子计算，排放量较少、占比不到1.5%，暂不考虑。

实测法核算碳排放量主要针对燃料燃烧产生的直接排放，且作为本次核算分析的主要对象。

2 核算仪器设备

碳排放核算过程涉及排放源、燃烧介质等相关参数的测试和获取［16］，采用排放因子核算和实测法涉及的仪器设备如表1所示。EM-5 型烟气排放连续监测系统作为温室气体排放量实测法的主要测试工具，现场安装情况示意如图2所示；气相色谱用于现场取样后的天然气热值及CO2浓度分析测试。

表1 温室气体核算主要仪器设备清单

图2 烟气排放连续监测系统示意

3 CO2 排放核算

3.1 排放因子法

3.1.1 计算公式

化石燃料燃烧的CO2排放量是基于核算边界内各个燃气轮机的天然气燃烧量乘以相应的燃烧含碳量和碳氧化率累加得到，公式如下：

对常见商品燃料也可以定期检测燃料的低位发热量，再按下式计算燃料的含碳量。

式中：Ci——化石燃料i的含碳量，t/104m3；Vi——i的低位发热量，GJ/104m3；Fi——燃料i的单位热值含碳量，t/GJ（天然气选取0.015 3 t/GJ）。

3.1.2 活动数据的获取

核算燃气轮机天然气燃烧所产生的CO2排放量，重点获取天然气消耗量及天然气的低位发热量。天然气消耗量采用流量计计量当月累积流量，天然气低位发热量按照检测技术规范［17］，选取3 个时间段进行天然气现场取样后室内检测，取算数平均值34.932 5 MJ/m³，检测及计算结果如表2所示。

表2 燃气轮机天然气发热量检测值

根据获取的活动数据，由公式（1）（2）计算得到燃气轮机的CO2排放数据，结果如表3所示。核算边界内采用热值实测核算的CO2排放量为2 761.23 t/d，采用缺省值核算的CO2排放量为3 077.31 t/d，实测值和缺省值核算的误差约11%。

表3 基于排放因子法计算的CO2 排放量

3.2 实测法

计算气态污染物排放速率，方法如下［18］：

式中：G——气态污染物排放率，kg/h；——折算为对应空气系数时的污染物排放浓度，mg/m3；Qsn——标准状态下干排气流量，m³/h。

3.2.1 烟气流量测试

按照固定污染源烟气排放连续监测系统技术及检测方法的要求［19］，对4 台燃气轮机排放源进行连续监测，并对1 个月的连续监测数据求取平均值，获取的监测数据如表4所示。

表4 排放源连续监测数据

3.2.2 CO2浓度检测分析

现场安装的烟气排放连续监测系统无法直接测试出排放源中CO2的排放量，需在现场流速、流量等参数测试的基础上，进行排放源中CO2浓度的测试分析。燃气轮机排放的CO2现场取样带回室内后，采用《气体中CO、CO2和碳氢化合物的测定气相色谱法》［20］进行分析检测，4 台燃气轮机CO2平均含量为3.989 %（摩尔分数），分析结果如表5所示。

表5 CO2 检测分析数据

污染物排放速率计算采用质量体积比浓度，色谱测试结果为体积比浓度，按公式（4）进行换算［21］：

式中：C'——污染物实测质量体积比浓度，mg/m3；M——污染物的摩尔质量，g/mol；X——污染物体积比浓度。

在计算燃料燃烧设备污染物的排放浓度时，按照相关标准要求，将实测物浓度折算为对应过量空气系数下的排放浓度［21］，按下式进行折算：

由公式（3）～（5）计算得到燃气轮机实测的C O2排放量，计算结果如表6所示。

表6 基于实测法计算的CO2 排放量

3.3 基于不同核算方法的排放量比较

采用排放因子法（分为实测发热值与采用缺省值）和实测法计算得到的燃气轮机CO2排放量情况如图3所示。

图3 不同核算方法CO2 排放量

由图3 可知：采用实测法核算得到的CO2排放量低于排放因子法核算得到的结果，二者偏差在6%～16%，平均约11%。前三台机组偏差在6%～12%，第4 台机组偏差较前三台机组有所增大、达到16%，第4 台机组负荷接近前三台机组的2 倍，两种核算结果的偏差也随之增大。

核算结果产生偏差的主要原因：一是采用排放因子法核算CO2的排放量，燃料低位发热量取值是关键［22］，本次实测发热量与缺省值发热量相差4 MJ/m³。二是排放因子法计算过程中，燃料含碳量、碳氧化率采用缺省值，分别取值为0.015 3 t/GJ、0.99（缺省值来源《省级温室气体清单编制指南（试行）》），但在实际运行过程中，含碳量、碳氧化率分别受气源品质和燃烧工作影响，并非保持不变。三是机组负荷、出力存在波动变化，采用排放因子法计算忽略该因素的变化，而实测法将该因素考量在内。在相关因素的综合作用下，引起结果的整体偏差。

4 结论及建议

针对以天然气作为燃料的排放源，采用排放因子核算CO2排放量，实测低位发热量计算得到的排放量低于采用《省级温室气体清单编制指南（试行）》及《中国石油和天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》中缺省值计算得到的结果，相差约11%，主要是由于地区能源品质差异，核算采用的低位发热量数据存在差异。采用排放因子法核算碳排放量，在具备相关分析测试条件情况下优先采用实测的排放因子，提高核算结果的可靠性。

实测法基于排放源实测基础数据，得出CO2排放量数据；排放因子法基于燃料消耗量、热值、单位热值含碳量以及碳氧化率等能源活动数据，计算得到核算CO2排放量数据。但在实际工作中，由于单位热值含碳量、碳氧化率和机组燃烧效率等存在差异，两种碳排放量核算方式容易出现结果偏差，这也是碳排放核算结果误差的主要来源。

以天然气作为燃料的排放源，采用实测法核算得到的排放量低于采用排放因子法核算得到的结果，并且随着燃料消耗量增大，两种核算差值有扩大的趋势。建议在各类排放源已安装烟气连续在线监测的基础上，增加CO2排放监测模块，进一步提高核算数据的准确性。

燃气锅炉和燃气轮机是油田稠油生产过程中的主要耗能和CO2排放单体，二者以天然气为燃料介质。对于14 MW 的油田生产注汽锅炉，可在定期监测天然气低位发热量的基础上，采用基于实测的排放因子法核算CO2排放量，方便快捷，误差较小；对于燃气轮机、20 MW 以上注汽锅炉等排放基数较大、排口连续稳定的设备，采用实测法更有利于碳排放的精准核算和温室气体排放管控。