油氣田地面工程建設設備安裝碳排放優(yōu)化控制

仇 放

中國石油工程建設有限公司,北京 100101

對于工程建設，特別是對于油田地面工程中石油石化建設工程，關于碳排放的文獻報道較少。石油石化工程開展主要是以大型工藝設備裝置的建設為核心來展開的，大型設備往往優(yōu)先進場施工，然后再展開配管、電氣、儀表等專業(yè)施工，因此研究設備安裝過程中碳排放的組成和計算，并加以優(yōu)化，是控制石油石化建設工程碳排放的重要組成[1-4]。

1 設備安裝工程碳排放計算模型

建設工程項目的實施主要由六個大階段組成，即決策階段、設計準備階段、設計階段、施工階段（設備材料運輸及安裝）、動用前準備階段、保修階段[5]。對于建設單位而言，施工階段是建設工作的重心，也是碳排放的重要環(huán)節(jié)。

建設工程項目的大型設備基本為成品設備到貨，其生產過程是在工廠里完成，因此，不將設備本體的制造過程以及材料消耗計入施工階段的設備安裝工程階段，也不計算其碳排放量。

施工階段的設備安裝工程，通常是指進入施工階段后，建設施工管理界面從設備廠家出廠交貨開始至設備機械完工移交、開工、試運為止。因此設備施工階段的CO2排放主要是指設備從廠家運輸到施工現場并完成安裝的整個過程中所產生的CO2排放。主要由圖1所示的4個部分組成。

圖1 設備安裝階段的碳排放組成

2 設備安裝階段碳排放的計算[6]

建設項目設備安裝階段的碳排放主要為施工人員生活和工作產生的碳排放以及施工材料、設備消耗產生的碳排放，見圖2。

圖2 設備安裝階段的碳排放構成

2.1 施工人員碳排放

施工人員碳排放是指施工人員在施工過程中和正常生活時消耗資源∕能源所產生的CO2。

式中：CR為施工人員CO2排放量，kg；r為施工總工日數；EFr為施工人員單位工日的CO2排放因子，kg∕工日。

由于施工人員生活范圍通常局限于施工場所和營地之間，工作生活較為單一，因此不能簡單地選取當地居民碳排放因子來進行計算。施工人員的碳排放因子采用實測法[7]，即對施工人員的基本碳排放、生活消耗能源碳排放、往來施工場所和營地的班車交通碳排放進行實測。施工人員碳排放因子為：

2.2 施工材料碳排放

施工材料的碳排放應為材料生產階段碳排放與材料運輸階段排放之和。

（1）材料生產階段碳排放計算：

式中：Csc為材料生產階段碳排放，kg；Mi為第i種主要材料的消耗量，t；Fi為第i種主要材料的碳排放因子，kg∕單位建材數量。

（2）材料運輸階段碳排放計算：

式中：Cys為材料運輸過程碳排放，kg；Di為第i種材料的運輸距離，km；Ti為在第i種建材采用的運輸方式下，單位重量運輸距離的碳排放因子，kg∕（t·km）。

施工材料是由形成實體的主材和不形成實體的輔材組成，其中不構成最終實體的輔材可以反復使用，因此實際安裝階段中材料碳排放計算方法如下：

式中：Ccl為材料安裝階段碳排放，kg；RUi為第i

種輔助材料的重復利用系數。

2.3 施工機械碳排放

施工階段施工機械碳排放量計算：

式中：Cjz為材料運輸過程碳排放，kg；Ejz，i為安裝階段第i種能源總用量，kW·h或kg；EFi為第i種能源的碳排放因子，kg∕（kW·h）或kg∕kg。

3 案例分析

以俄羅斯某天然氣處理廠項目第1期工程為例，選取主要設備（共計151臺）為分析對象，各類運輸方式的排放因子見表1。項目進入安裝階段后的設備安裝流程見圖3。

表1 各類運輸方式的碳排放因子

圖3 設備安裝流程

3.1 設備運輸碳排放

項目處于俄羅斯境內，設備運輸有海運和陸運兩種方式。其中大多數設備均在中國境內生產，超限設備從天津港和張家港兩個港口運出并入境俄羅斯，非超限設備從生產地汽運到黑龍江省黑河而后入境俄羅斯。目前實施的運輸路線如圖4所示。

圖4 設備運輸路線

天津港和張家港分別距離現場3 566 km（1 925.5 n mile），3 230 km （1 744.1 n mile）；洛陽、重慶、哈爾濱、大連、上海分別距黑河2 600、3 524、583、1 430、2 894 km；圣彼得堡鐵路到現場距離8 268 km；布拉戈維申斯克距現場180 km；海運海關碼頭距現場22.3 km，陸運海關距現場2 km。根據建筑碳排放計算標準GB∕T 51366，可知各類運輸方式的碳排放因子（見表1）。

超限設備采用自行式模塊運輸車從海關處運輸至現場，采用實際柴油消耗量進行計算，得出載重100 t和200 t的碳排放因子分別為327.9 kg∕臺班和563.89 kg∕臺班。設備運輸碳排放數據見表2，因此設備運輸碳排放量=Σ出廠運輸+Σ安裝就位運輸=675 926.27 kg。

表2 設備運輸碳排放數據

續(xù)表2 設備運輸碳排放數據

3.2 施工機械碳排放

設備安裝過程中主要用的施工機械有起重吊車、焊機、電動灌漿泵。其余人工操作的小型施工工具，如力矩板手、鉚釘槍、吊索具、手動葫蘆等，不計入材料損耗和施工機械臺班中。施工機械能源消耗為柴油和電力。根據建筑碳排放計算標準GB∕T 51366，柴油的碳排放因子為72.59 t∕TJ；根據CARBON FOOTPRINT，可得俄羅斯的電力碳排放因子為0.325 kg∕（kW·h）[8]。施工機械臺班消耗量見表3，施工機械碳排放見表4。

表3 施工機械臺班能源消耗量

表4 施工機械消耗量

因此，設備安裝過程中施工機械碳排放=柴油消耗總量×柴油碳排放因子+電力消耗總量×電力碳排放因子=69 811.72 kg。

續(xù)表4 施工機械消耗量

3.3 施工材料碳排放

吊索具、扭矩扳手等手工施工器具在安裝過程中主要是消耗人力，材料損耗很低，因此也不計入材料損耗中。設備安裝過程中材料碳排放為消耗材料（結構鋼焊條、墊鐵、灌漿料）和損耗材料（枕木的碳排放）。結構鋼焊條J422的碳排放因子取值0.055 kg∕kg[9]；墊鐵為普通碳鋼，灌漿料為C50混凝土，分別取值 2 050 kg∕t、385 kg∕m3（根據建筑碳排放計算標準GB∕T 51366）；枕木經現場實測的重復使用率為90%，規(guī)格為2 500 mm×220 mm×160 mm，木材的碳排放因子取10 kg∕m3[10]。施工材料碳排放見表5。

表5 施工機械材料消耗量

續(xù)表5 施工機械材料消耗量

因此，設備安裝過程中施工材料碳排放=焊條消耗量×焊條碳排放因子+墊鐵消耗量×鋼材排放因子+枕木消耗量×（1-重復利用率）×木材碳排放因子+灌漿料消耗量×灌漿料碳排放因子=28 868.32 kg。

3.4 施工人員碳排放

設備安裝過程中主要工種為吊裝用的起重工、司索工、信號工，設備調平用的裝配鉗工、測量工，以及焊接的焊工和其他工作的雜工。取項目2020年施工人員碳排放數據來計算碳排放因子，考慮員工休假，項目平均每月實際施工人員3200人，成年人每天呼出CO2約為1 kg，營地和現場消耗柴油和外購電共計1 489 600 kg、2 258 404 kW·h，營地距離施工場地6.8 km，每天往返一次，汽運碳排放因子取0.068 7 kg∕（人·km）[11]，因此施工人員碳排放因子=（施工人員基礎碳排放+能源碳排放+交通碳排放）∕365=5.21 kg∕（人·工日）。施工人員消耗人工日見表6，施工人員碳排放=總計人工日×人均碳排放因子=34 658.22 kg。

表6 施工人員消耗人工時

續(xù)表6 施工人員消耗人工時

綜上所述，施工項目設備工程的碳排放計算結果為，碳排放=設備運輸碳排放+施工機械碳排放+施工材料碳排放+施工人員碳排放=675 926.27+69 811.72+28 868.32+34 658.22=809 264.53 kg。其中，設備運輸階段、施工機械、施工材料、施工人員的碳排放占總碳排放的比例分別為83.52%、8.63%、3.57%、4.28%。

4 設備安裝過程中碳排放優(yōu)化控制

根據統(tǒng)計計算結果，設備安裝工程中，碳排放主要產生在設備運輸階段，其次為施工階段機械耗能，施工階段所需的人工和材料發(fā)生的碳排放較低。因此重點是控制設備運輸和施工機械產生的碳排放。

4.1 設備運輸碳排放優(yōu)化控制

俄羅斯與我國接壤，設備的運輸方式可以采取三種方式，陸運、海運以及陸運和海運相結合。項目目前的運輸策略為：由于尺寸重量的限制，超限設備只能采用海運方式運輸；其余非超限設備均采用純陸運方式。海運碳排放因子為0.015 kg∕（t·km），而陸運碳排放因子是海運碳排放因子的4～10倍。因此增加海運量可以有效降低碳排放。

項目指定國內港口為天津港和張家港，入境俄羅斯的港口為德卡斯特萊港，采用海運和陸運相結合的方式，由于線路相對簡單，因此采取窮舉法可得出以下最優(yōu)路線，見圖5。

圖5 優(yōu)化后設備運輸路線

陸運采取同樣的重型柴油卡車，海運采用散貨船，可以得出優(yōu)化后設備運輸碳排放量=ΣCys出廠運輸+ΣCys安裝就位運輸=474 198.14+15 988.70=490 186.85 kg，相較于優(yōu)化前的碳排放降低了27.48%。項目所在地處于高寒地帶，海運窗口期為每年5月至9月，其余時間港口會凍結。采用海運運輸方式來降低碳排放應提前做好設備出廠計劃，科學統(tǒng)籌規(guī)劃運輸，在窗口期集中發(fā)運設備。

4.2 設備機械碳排放優(yōu)化控制

單臺設備的重量和就位位置是固定的，新建項目不會存在因為吊車站位的原因選擇高一擋額定起重量的吊車，就單臺設備而言，所采用的施工機械是固定的。合理降低施工機械的碳排放，可以從以下3個方面入手。

（1）統(tǒng)籌設備吊裝管理。設備發(fā)運前制定設備安裝計劃，劃分區(qū)域集中吊裝設備，從而減少吊車的反復動遷，降低吊裝臺班量，提高臺班吊裝作業(yè)效率。

（2）提高設備橇裝率。空冷器均為散件到貨，需要在現場完成鋼結構、風扇、電機的組裝后吊裝，也要分別進行管束和百葉窗的吊裝，這樣就會產生多次吊裝，消耗大量的吊車臺班。因此可以將鋼結構進行成片集成化，風扇與電機集成為一個橇體，管束與百葉窗集成為一個橇體，可有效地降低吊車臺班量和相應的人力。

（3）合理調整設備安裝與其他專業(yè)工作的先后順序。壓縮機位于鋼結構廠房內，項目先安裝了鋼結構廠房，導致壓縮機的3個橇塊無法直接吊裝就位，因此采用了鋪設軌道、頂升平移的方法完成就位，10名工人連續(xù)工作，每套壓縮機鋪設軌道需要7個工作日，平移就位過程需要3個工作日。提前協(xié)調鋼結構廠房安裝工作的順序，先進行壓縮機吊裝就位作業(yè)，后安裝鋼結構廠房，可以減少整個頂升平移軌道的鋪設工作，從而降低作業(yè)周期并節(jié)省大量人力。

統(tǒng)籌設備吊裝管理，結合項目平面布置圖，分成6個單元，見圖6。

圖6 設備吊裝區(qū)域劃分

將每個單元的吊裝區(qū)域進行合理劃分，集中作業(yè)，從而減少吊車的動遷，并提高同一作業(yè)區(qū)的吊裝效率。提高設備橇裝率，將空冷器調整為鋼結構、風扇電機、管束百葉窗成橇到貨。合理調整各專業(yè)的施工順序，優(yōu)先進行壓縮機等高能耗設備的吊裝就位作業(yè)。通過劃區(qū)域集中吊裝，降低吊車臺班數量。經過優(yōu)化后，設備安裝過程中施工機械碳排放=42 079.44 kg，相較于優(yōu)化前的碳排放降低了39.72%；機械臺班減少，相應的人工數量也減少，優(yōu)化后施工人員碳排放=14 058.53 kg，降低了59.44%。

綜上可得，優(yōu)化后建設項目設備工程的碳排放為575 193.13 kg，相較于未優(yōu)化前的碳排放降低了28.92%。

5 結束語

基于工程建設碳排放計算方法，以俄羅斯某天然氣處理廠為例，研究了油氣田地面工程建設項目設備安裝工程的碳排放情況，分析計算了設備運輸及安裝階段的人工、材料和施工機械的碳排放，認為設備運輸和安裝階段施工機械的碳排量是碳排放控制的關鍵點，分別占施工階段設備安裝工程總碳排放量的83.52%和8.63%。從兩個角度提出了優(yōu)化施工階段設備安裝工程的碳排放方案，一是降低設備運輸的碳排放，提前做好運輸路線規(guī)劃和設備發(fā)運時間計劃，優(yōu)先采用低碳排放的海運方式進行集中運輸；二是降低施工階段施工機械的碳排放，通過分區(qū)域集中吊裝，提高設備成橇率，調整施工順序的方法來降低機械臺班消耗量，從而減少施工機械和人工的碳排放。優(yōu)化控制后，可降低28.92%碳排放量，具有良好的成效。通過分析總結碳排放控制的關鍵因素和優(yōu)化方法，可為工程建設單位降低施工碳排放提供思路和科學依據。