數(shù)字化技術與碳排放領域的深度融合

潘井寶，閆立新，梁宏霞，張顯雨

(內蒙古自治區(qū)計量測試研究院，內蒙古 呼和浩特 010050)

1 重要發(fā)展背景和政策導向

目前，積極應對氣候變化，減少溫室氣體排放，已經成為世界達成的共識。在全球降碳減排工作者的不懈努力下，摸索出一種經得起實踐檢驗的手段——碳交易。這一手段的實現(xiàn)，經歷了漫長過程，但最終成為目前落實減排相關重要承諾、實現(xiàn)減碳目標的重要政策和技術工具。自2011年起開展碳排放權交易試點的地區(qū)包括北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東和深圳等7個省市，2017年正式啟動建設全國統(tǒng)一碳排放權交易市場，并預計率先啟動上線交易時間定在2020年底，以發(fā)電行業(yè)為率先突破口，“十四五”時期諸如石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、航空等高排放行業(yè)也將陸續(xù)納入全國碳市場，到“十四五”時期末，全球最大碳交易市場將在中國建成。2020年9月習近平主席在聯(lián)合國大會上宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，12月12日再次宣布，到2030年，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。這為中國應對氣候變化工作明確了目標，也為中國全國碳排放權交易市場建設提振了信心。

2 數(shù)字化技術引領新的技術變革

當前，以數(shù)字技術為代表的第四次工業(yè)革命正在加速改變這個世界，引領生產模式和組織方式的變革。數(shù)字化創(chuàng)新技術也將深化應用于當前熱門領域中，如火力發(fā)電行業(yè)的電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，對電網輸電線路作業(yè)模式、儲存、損耗、管理流程再造、組織結構變革等方面都產生深遠影響。數(shù)字化總體來說分成兩個階段：數(shù)字化建設階段和數(shù)字化轉型階段。其中：①數(shù)字化建設就是把所做的實驗過程、看到的實驗現(xiàn)象和感受到的實驗相關信息用數(shù)字終端、傳感器通過通信網絡、數(shù)字處理平臺形成可供信息系統(tǒng)使用的數(shù)據資源，是數(shù)字化的基礎。②數(shù)字化轉型則是利用大數(shù)據、云計算、物聯(lián)網、人工智能等先進的數(shù)字化應用技術對海量數(shù)據進行分析、驗證、歸納、篩選、學習、計算，通過特定的應用系統(tǒng)自動處理后進行發(fā)布決策和執(zhí)行。

3 數(shù)字化技術優(yōu)越性逐步顯現(xiàn)

相關數(shù)據顯示，在能源方面，通過數(shù)字化智能配電不同客戶、不同行業(yè)，能夠實現(xiàn)最高達到80%的能耗降低，節(jié)約至少30%的成本，通過利用節(jié)省的最高達55%和70%的資本及運營支出來推動生產力提升，不光如此，還能提升最高40%和30%的設備可用性和場所安全性，并有效降低碳足跡，這都是源于數(shù)字化的力量。種種數(shù)據表明，只有靠數(shù)字化的手段，才能更好地實現(xiàn)規(guī)劃、建設、運行、管理、調控，再靠人工智能來進一步提升效能。碳中和目標提出后，所有新建項目都要考慮碳排放的問題，數(shù)字化、智慧能源已經成了基礎條件，數(shù)字化將圍繞項目全生命周期。研究結果表明，數(shù)字化發(fā)電站前景之所以非常樂觀，其中一個重要原因是惠及環(huán)境。據大部分公用事業(yè)單位和規(guī)模以上企業(yè)相關業(yè)內人士預估，數(shù)字化轉型投資將助推一次能源損耗率的降低和提升化石燃料發(fā)電效率，更為重要的是還可降低碳排放量。盡管數(shù)字化發(fā)電站的收益可能極為可觀，但目前僅有8%的公用事業(yè)企業(yè)在數(shù)字化方面發(fā)展成熟，并僅有不到20%的發(fā)電站預計將于五年內完成數(shù)字化轉型。如果更多的公用事業(yè)企業(yè)優(yōu)先投資數(shù)字技術，則行業(yè)和全球氣候都將獲得更大收益。

4 數(shù)字化技術成為核心競爭力

眾所周知，降碳與低能耗緊密關聯(lián)，數(shù)字化與信息化息息相關，數(shù)據中心能耗問題將是一個巨大挑戰(zhàn)。根據科學預測，到2025年，數(shù)據中心的能耗將在整個ICT領域占比達30%，碳排放會占整個社會的4.5%，而數(shù)據中心數(shù)字化不僅可以保障數(shù)據中心安全平穩(wěn)運行，還能保障數(shù)據中心綠色節(jié)能運行。通過學習、診斷、維護等數(shù)字化、網絡化和智能化手段，數(shù)據中心即將迎來高效、綠色、智能的新局面。數(shù)字化顯然已在改變發(fā)電領域，幫助公用事業(yè)企業(yè)保持競爭力，并大幅降低全球碳排放量。然而，這個行業(yè)還能走得更遠。許多公用事業(yè)企業(yè)的發(fā)電站尚未實現(xiàn)數(shù)字化；如果這些企業(yè)在數(shù)字化技能和技術方面進行投資，碳排放量將有望進一步降低。如今，選擇接納數(shù)字化發(fā)電趨勢的企業(yè)將得以擴大競爭優(yōu)勢、降低生產成本，并提升品牌聲譽。

5 數(shù)字化技術逐步站穩(wěn)綠色發(fā)展市場

能源支撐著數(shù)字世界和數(shù)字經濟，數(shù)字化、智能化技術正在使能源低碳化、電氣化，基于這一市場需求和轉型趨勢，有的企業(yè)已經走在前列，比如華為公司發(fā)布了全新一代模塊化數(shù)據中心——智能微模塊5.0解決方案。華為數(shù)字能源基于電力電子技術和數(shù)字技術的融合，實現(xiàn)對電能的轉換、存儲和控制，將AI和大數(shù)據的智能應用帶入到傳統(tǒng)的能源里面，支撐了各行各業(yè)的數(shù)字化的轉型。今天人們對“碳交易”這個市場已不再感到陌生，實際上，十九大報告中指出要“加快建立綠色生產和消費的法律制度和政策導向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經濟體系”。2017年底，中國啟動碳市場以來，交易體系建設也正在加速推進，對排放企業(yè)、減排單位和投資機構等均蘊藏巨大的發(fā)展前景。

6 數(shù)字化技術逐步滲透到碳排放領域

筆者根據工作實際以火電廠化驗流程為基礎，建立一套適用于樣品管理、樣品檢測、產品檢測、儀器儀表管理等質量監(jiān)督檢驗工作的專業(yè)管理平臺，其宏觀架構如圖1所示。該系統(tǒng)將智能工作流程應用于樣品管理、檢驗報告管理業(yè)務工作中，根據檢驗數(shù)據自動判定結果、按照標準格式自動打印報告；系統(tǒng)具有很高的數(shù)據準確性、安全性、易用性，大大提高檢驗、檢測工作效率。應用到具體實際工作中初步總結有以下幾個關鍵步驟。

圖1 火電廠數(shù)字化技術宏觀架構

6.1 數(shù)字化驗室系統(tǒng)

以火電廠化驗設備為基礎，建立適用于火電廠的數(shù)字接口，將數(shù)據自動進行傳輸、計算、上報，做到化驗數(shù)據全過程不落地，避免人為干預因素。如：X-熒光光譜分析儀、碳硫儀、ICP分析儀、量熱儀、定硫儀、電子天平、工業(yè)分析自動測定儀、水分自動測定儀等化驗設備。對樣品化驗數(shù)據及設備進行實時、高效的數(shù)字化管控，以保證化驗數(shù)據的客觀、真實、準確與安全，為質檢管理者提供數(shù)據支持，提升化驗室乃至整個質檢管理的能力與水平。

6.2 區(qū)域煤質成分數(shù)據庫

根據系統(tǒng)內收錄的供應商信息，將供應商按地區(qū)分類，并通過基礎的化驗數(shù)據，將該地區(qū)內的燃煤數(shù)據按照區(qū)域、時間段劃分，經過時間積累形成“區(qū)域煤質數(shù)據庫”，為后續(xù)煤質研究提供數(shù)據支撐。

6.3 構建碳排放模型

通過“數(shù)字化驗室系統(tǒng)”中入廠、煤場、入爐的化驗數(shù)據，結合火電廠中生產的相關數(shù)據，形成采購—存放—燃燒的燃煤全生命周期的閉環(huán)管理，并以此為基礎構建“機組—排放模型”“煤質—排放模型”，為后續(xù)合理摻配，優(yōu)化燃燒提供指導，最終實現(xiàn)減少燃煤使用，降低排放總量的目的。

6.4 平臺建設

對網絡基礎層進行設計，在保證硬件配置高效化的同時，靈活應用虛擬化技術來將火電廠化驗所有業(yè)務數(shù)據上傳到云網絡內。并通過常見的服務器虛擬化，來對物理機進行虛擬化，減少硬件配置的同時實現(xiàn)更多資源信息的存儲與應用，減少各火電廠在化驗室方面的硬件投入，實現(xiàn)“一處投入，多處使用”。

6.5 遠程數(shù)據綜合管理

建立統(tǒng)一的信息傳輸規(guī)范，將不同企業(yè)及企業(yè)之間的關鍵煤炭物流信息數(shù)據實時動態(tài)采集并集中存儲到遠程數(shù)據中心，利用數(shù)據挖掘和數(shù)字建模技術，完成煤炭流轉過程的實時展示，滿足大數(shù)據分析的需要。

6.6 優(yōu)化排放模型

優(yōu)化排放模型是銜接煤場存儲環(huán)節(jié)與鍋爐燃燒的重要支持，通過優(yōu)化排放模型及數(shù)字化驗室可對煤場管理實現(xiàn)可視化動態(tài)管理；通過三維煤場動態(tài)管控及查詢，實時反饋煤場儲量、分布、煤質情況；通過對原煤倉實現(xiàn)動態(tài)管理，對原煤倉煤質情況進行實時跟蹤；優(yōu)化排放模型是對入爐煤質進行有效預測控制，做到預測前根據鍋爐要求指定上煤區(qū)域，并對上煤和鍋爐燃燒全過程跟蹤，根據數(shù)據實時分析反映機組運行情況；同時根據數(shù)據采集形成指標報表用以對入爐煤進行總結分析。系統(tǒng)為鍋爐燃燒提供了有效的保證，對控制機組非停(非正常停產、維修等情況)、降低標煤單價、提高機組經濟效益有重要意義。同時系統(tǒng)利用廠內調運系統(tǒng)產生的基礎數(shù)據為前期數(shù)據依托，采集廠內生產實時系統(tǒng)中的數(shù)據和輸煤過程中的數(shù)據進行數(shù)據建模及大數(shù)據處理，提煉精華數(shù)據以提高電廠生產管理及經濟性分析能力，最終形成最佳尋優(yōu)系統(tǒng)。優(yōu)化排放模型結合了傳統(tǒng)火電廠燃料管理過程中堆、存、取、耗、燒等各個流程，利用計算機技術和物聯(lián)網技術，對煤場管理中的各個環(huán)節(jié)點進行信息化改造。實現(xiàn)煤場的動態(tài)管理，引入閉環(huán)管理理念，使煤場管理更加精細化，并提供有效的管控和優(yōu)化手段。

7 結束語

以數(shù)字化和低碳化相結合，促進產業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展。當前加強數(shù)字經濟及高新科技產業(yè)和新能源產業(yè)基礎設施建設，以數(shù)字化來提高資源和能源的利用效率。另一個方面是新型城鎮(zhèn)化，加強建筑和交通的節(jié)能和能源替代。還有就是交通、水利等重大工程建設，也有利于優(yōu)化交通結構，提高運輸效率，促進能源節(jié)約和電氣化替代。所以總體上是利用數(shù)字化和低碳化的結合來推進碳強度的下降，促進經濟結構調整和產業(yè)轉型升級，促使二氧化碳排放盡快達峰。