火电企业基于数字孪生的碳排放监测平台应用
陕西德源府谷能源有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
气候变化是全球性议题，实现“双碳”目标是国家重大战略决策。电力行业碳排放占全国总量近一半，其精准管控是达成目标的关键。传统碳排放核算方式存在数据滞后、人为干预多、精度不足等问题，无法满足实时监管与精准交易的需求。为此，陕西德源府谷能源有限公司立足府谷电厂实际，自主研发并实施了“基于数字孪生的碳排放监测平台”项目。本项目深度融合可调谐激光吸收光谱技术、数字孪生、物联网及大数据分析，旨在构建一套覆盖碳排放“监测-核算-管理-交易-预测”全链条的智能化、可视化平台，实现从“经验核算”到“实时精准监测”的革命性转变，为火电企业碳资产管理提供一体化解决方案，助力国家“双碳”战略落地。
2.主要创新点概述
（1）构建了全流程、多维度的智慧碳资产管理系统。针对传统碳资产管理数据分散、依赖人工、决策滞后等痛点，创新性地将全流程碳盘查、碳资产信息化管理与固定源在线监测技术深度融合。系统整合碳减排成本、控制成本等多维度异构信息，引入碳足迹追踪，并运用人工智能与大数-据分析手段，实现了碳资产的精细化、自动化与智能化管理。该系统不仅能自动完成数据收集与核算，还可进行多场景碳排模拟与评估，为企业制定科学减排策略提供了强大的数据支撑和决策依据。
（2）研发了高精度、高稳定性的碳排放在线监测系统。创新性地采用可调谐中红外激光吸收光谱技术，结合湿热法原位在线气体分析技术和人工智能算法，攻克了火电厂高温、高湿、高粉尘复杂工况下二氧化碳浓度精准测量的难题。该系统直接部署于电厂直排口，对烟气中的CO₂、O₂等参数进行实时、原位测量，通过选择性吸收光谱有效避免交叉干扰，AI算法则对监测数据进行实时补偿与优化，显著提升了测量的精确性、稳定性和系统响应速度，为碳排放的实时监控与精准计量提供了可靠的技术保障。
（3）创建了基于数字孪生的碳排放全流程可视化管控平台。利用数字孪生与三维建模技术，构建了与物理电厂实时映射的碳排放数字孪生体。该平台深度融合电厂燃料、工艺、排放及发电负荷等多源异构、非线性运行数据，实现了从燃煤入厂到烟气排放的全链条虚拟仿真与动态同步。平台具备高交互性的三维可视化界面，直观展示碳流轨迹和设备状态，实现了对碳排放情况的实时监控、动态推演与多尺度分析，彻底打破了传统碳管理中的数据孤岛，极大提升了数据的连贯性、可用性以及企业对碳排趋势的预测与调控能力。
3.技术实现路径及方法
（1）TDLAS碳排放在线监测装置：实现精准“感知”。本项目核心监测设备采用可调谐二极管激光吸收光谱技术。激光器发射出特定波长的激光束穿过待测烟气，CO₂分子会对其特征吸收谱线进行选择性吸收，通过检测激光强度衰减程度，依据比尔-朗伯定律即可反演出CO₂气体的浓度。为应对火电厂烟道内高温、高湿、高粉尘及振动的恶劣环境，系统采用了高温伴热抽取取样方式，配备双臂采样器、精密过滤与反吹系统，确保取得具有代表性的洁净样气。浓度检测模块选用自主设计的GHG-X9烟气分析仪，CO₂测量基于TDLAS原理，具有测量精度高（线性误差≤±1%F.S）、响应快（<0.01s）、抗干扰能力强（规避CO等气体干扰）及免标定等优点，同时基于电化学原理同步测量O₂浓度，为碳排放计算提供全面数据支撑。
（2）碳计量模型与不确定度评估：确保数据“可信”，项目基于直接测量法构建了火电机组碳排放计量模型，总碳排放量 Ctotal计算公式为：
其中，Cs为CO₂体积含量，Qs为湿烟气流量，t为烟气温度，P 为烟气压强，Xsw为烟气含湿量，Ad为外购电量，Ef为碳排放因子。为进一步量化测量结果的可靠性，项目建立了不确定度评估模型。基于GUM方法，合成标准不确定度 uc(y)的计算公式为：
通过计算各输入量（Cs，Qs，t，P，Xsw，）的灵敏度系数，识别出CO₂体积含量和烟气含湿量是对总不确定度影响最大的两个参数。实际测试数据显示，该模型可将碳排放总量的相对不确定度控制在4.215%（置信度97.5%），显著提升了数据的可信度和决策价值。
（3）数字孪生模型构建：打造碳排放“虚拟镜像”。
基于Unity3D引擎进行二次开发，构建覆盖府谷电厂全厂的1:1高精度三维模型。通过模型轻量化算法处理，在保证视觉逼真度的同时将模型面数优化50%，实现大场景流畅渲染。利用物联网技术，通过开发MQTT协议接口与OPC UA接口，实时接入超过1000个传感器数据以及与电厂DCS、SIS等系统进行数据交互，实现数据传输延迟低于1秒，丢包率小于0.1%。将实时数据（如烟气流量、温度、压力、CO₂浓度、机组负荷等）驱动三维模型，实现物理实体与虚拟模型的同步运行与双向交互，从而在虚拟空间中动态、直观地再现碳排放的全过程。
（4）碳资产管理与大数据分析平台：赋能智慧“决策”。
平台采用Java Spring Boot微服务架构，涵盖数据采集、碳盘查、履约管理和交易管理四大核心微服务，支持高并发访问。核心是自主开发的碳盘查核算引擎，严格适配国家《企业温室气体排放核算方法与报告指南》，支持燃煤、燃气及外购电力等多排放源的自动计算。基于“全面生命周期成本法+足迹分析法”计量碳排放成本，并构建了基于Python TensorFlow框架的LSTM神经网络预测模型。该模型融合了府谷电厂近十年超百万条运行数据及行业数据，能够精准预测碳达峰时间点与峰值，准确率达94%。同时，平台具备数据回溯与异常诊断功能，应用“双碳”数据模型与AI算法，精准定位影响碳排放异常的因素，并自动生成优化建议报告，为碳交易与减排决策提供科学依据。
4.应用情况及可推广前景简述
本项目自2023年7月启动，于2024年10月完成，并在陕西德源府谷能源有限公司府谷电厂2*600MW+2*660MW共计四台机组上成功投入应用。项目共部署了8套碳排放在线监测装置，覆盖全部机组的烟气直排口，并同步上线了数字孪生碳管理平台。自2024年4月系统调试投运以来，设备运行稳定率达到98%以上，数据采集完整率超过99.5%。经过连续数月的数据对比分析，在线监测数据与传统核算数据的偏差稳定控制在10%以内，2025年3月至8月期间，1#至4#机组的平均绝对偏差分别为4.06%、7.16%、4.85%和6.58%，表现出良好的一致性与准确性。
该平台实现了碳排放的实时监测、精准计量、全流程可视化管理、碳资产盘查与交易支持，以及碳达峰路径模拟等核心功能，有效解决了传统碳管理模式的痛点。项目成果已在本企业及集团内部形成显著的示范效应，其技术路线成熟、系统运行稳定、功能模块完善，具备高度的可复制性。未来可推广至国家能源集团内所有火电企业，并进一步拓展至钢铁、水泥等高耗能行业，市场前景广阔，对推动全国碳市场建设与行业低碳转型具有重大意义。
5.经济效益及社会效益情况
经济效益
目前能耗双控逐步转向碳排放双控，通过本应用，可使得从碳排放量的“月度核算”到“实时监测”，实现过程管理，根据机组二氧化碳排放量、发电量数据，实时测算出机组每日发电碳排放强度。
得到每日发电碳排放强度趋势曲线。
通过发电碳排放强度趋势曲线，可以对机组的燃煤情况、煤耗情况进行进一步对比分析、查出异常升高或降低的原因，为机组下一步的减碳优化调整提供数据支撑。
发电煤耗与发电碳排放强度不总是正相关，有可能发电煤耗降低或持平，但发电碳排放强度会显著升高，（入炉煤单位热值含碳量增高），碳排放量增加导致企业碳排成本增加。同样发电煤耗升高，也有可能发电碳排放强度降低，可为企业提供综合成本视角：权衡燃料成本（煤耗）与碳排放成本（碳排放强度），哪个边际效益更高。
根据大模型计算，可以较准确的预判企业二氧化碳配额盈缺数量，为电厂碳排放管理、碳市场交易和节能优化提供实时、可靠的数据支持，有效提升了碳管理的精细化水平和决策效率。
社会效益
服务国家战略：项目积极响应国家“双碳”目标，是推动绿色低碳发展、建设美丽中国的具体实践，为火电行业减排提供了可复制、可推广的技术路径。
提升行业监管水平：实现了碳排放从“月度核算”到“实时监测”的跨越，为政府主管部门提供了更精准、透明的监管工具，助力国家碳市场的数据体系建设。
强化企业社会责任形象：项目的成功实施彰显了陕西德源府谷能源有限公司作为央企在应对气候变化、推动可持续发展方面的领先地位与责任担当。
推动技术进步：项目的自主研发成果，推动了TDLAS监测、数字孪生等技术在碳管理领域的深度融合与创新应用，为相关产业发展提供了示范。
6.项目案例获专利及奖励情况：
实用新型专利（已受理）：“一种基于TDLAS技术的火电厂碳排放在线监测装置”（申请方案卷号：H250600800）
相关成果：发表《火电机组烟气碳计量不确定度评估模型设计与应用》论文；获得查新报告、鉴定报告、用户使用报告、模型测试报告等完整技术文档支撑。
7.申报单位内部评审结论意见：
本项目紧密围绕国家“双碳”战略需求，针对火电厂碳排放管理中的关键痛点，开展了基于数字孪生的碳排放监测平台技术研究与应用。项目技术路线清晰先进，创新性显著，成功融合了TDLAS高精度监测、数字孪生可视化与人工智能预测等前沿技术，构建了国内领先的碳排放全流程智慧管控体系。经在府谷电厂四台机组的实际应用验证，系统运行稳定可靠，数据精准，功能全面，在提升碳管理效率、降低履约成本和支撑科学决策方面取得了突出成效，经济效益与社会效益显著。项目成果拥有完全自主知识产权，具备广泛的行业推广价值，对推动热电行业乃至高耗能产业的绿色低碳转型具有重要示范意义。经公司内部评审委员会全面审核，一致认为该项目达到了行业先进水平，同意推荐申报“2025年热电行业高质量发展科技创新项目案例”。
京公网安备 11011502004515号 
