數(shù)字化技術(shù)與碳排放領(lǐng)域的深度融合

潘井寶，閆立新，梁宏霞，張顯雨

(內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

1 重要發(fā)展背景和政策導(dǎo)向

目前，積極應(yīng)對(duì)氣候變化，減少溫室氣體排放，已經(jīng)成為世界達(dá)成的共識(shí)。在全球降碳減排工作者的不懈努力下，摸索出一種經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)的手段——碳交易。這一手段的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)過(guò)程，但最終成為目前落實(shí)減排相關(guān)重要承諾、實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的重要政策和技術(shù)工具。自2011年起開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)的地區(qū)包括北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東和深圳等7個(gè)省市，2017年正式啟動(dòng)建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，并預(yù)計(jì)率先啟動(dòng)上線交易時(shí)間定在2020年底，以發(fā)電行業(yè)為率先突破口，“十四五”時(shí)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(guó)碳市場(chǎng)，到“十四五”時(shí)期末，全球最大碳交易市場(chǎng)將在中國(guó)建成。2020年9月習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。這為中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化工作明確了目標(biāo)，也為中國(guó)全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)建設(shè)提振了信心。

2 數(shù)字化技術(shù)引領(lǐng)新的技術(shù)變革

當(dāng)前，以數(shù)字技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命正在加速改變這個(gè)世界，引領(lǐng)生產(chǎn)模式和組織方式的變革。數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)也將深化應(yīng)用于當(dāng)前熱門(mén)領(lǐng)域中，如火力發(fā)電行業(yè)的電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)輸電線路作業(yè)模式、儲(chǔ)存、損耗、管理流程再造、組織結(jié)構(gòu)變革等方面都產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。數(shù)字化總體來(lái)說(shuō)分成兩個(gè)階段：數(shù)字化建設(shè)階段和數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段。其中：①數(shù)字化建設(shè)就是把所做的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和感受到的實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息用數(shù)字終端、傳感器通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字處理平臺(tái)形成可供信息系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)資源，是數(shù)字化的基礎(chǔ)。②數(shù)字化轉(zhuǎn)型則是利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、驗(yàn)證、歸納、篩選、學(xué)習(xí)、計(jì)算，通過(guò)特定的應(yīng)用系統(tǒng)自動(dòng)處理后進(jìn)行發(fā)布決策和執(zhí)行。

3 數(shù)字化技術(shù)優(yōu)越性逐步顯現(xiàn)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在能源方面，通過(guò)數(shù)字化智能配電不同客戶(hù)、不同行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)最高達(dá)到80%的能耗降低，節(jié)約至少30%的成本，通過(guò)利用節(jié)省的最高達(dá)55%和70%的資本及運(yùn)營(yíng)支出來(lái)推動(dòng)生產(chǎn)力提升，不光如此，還能提升最高40%和30%的設(shè)備可用性和場(chǎng)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(jù)表明，只有靠數(shù)字化的手段，才能更好地實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、管理、調(diào)控，再靠人工智能來(lái)進(jìn)一步提升效能。碳中和目標(biāo)提出后，所有新建項(xiàng)目都要考慮碳排放的問(wèn)題，數(shù)字化、智慧能源已經(jīng)成了基礎(chǔ)條件，數(shù)字化將圍繞項(xiàng)目全生命周期。研究結(jié)果表明，數(shù)字化發(fā)電站前景之所以非常樂(lè)觀，其中一個(gè)重要原因是惠及環(huán)境。據(jù)大部分公用事業(yè)單位和規(guī)模以上企業(yè)相關(guān)業(yè)內(nèi)人士預(yù)估，數(shù)字化轉(zhuǎn)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(yù)計(jì)將于五年內(nèi)完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型。如果更多的公用事業(yè)企業(yè)優(yōu)先投資數(shù)字技術(shù)，則行業(yè)和全球氣候都將獲得更大收益。

4 數(shù)字化技術(shù)成為核心競(jìng)爭(zhēng)力

眾所周知，降碳與低能耗緊密關(guān)聯(lián)，數(shù)字化與信息化息息相關(guān)，數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題將是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)科學(xué)預(yù)測(cè)，到2025年，數(shù)據(jù)中心的能耗將在整個(gè)ICT領(lǐng)域占比達(dá)30%，碳排放會(huì)占整個(gè)社會(huì)的4.5%，而數(shù)據(jù)中心數(shù)字化不僅可以保障數(shù)據(jù)中心安全平穩(wěn)運(yùn)行，還能保障數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能運(yùn)行。通過(guò)學(xué)習(xí)、診斷、維護(hù)等數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化手段，數(shù)據(jù)中心即將迎來(lái)高效、綠色、智能的新局面。數(shù)字化顯然已在改變發(fā)電領(lǐng)域，幫助公用事業(yè)企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力，并大幅降低全球碳排放量。然而，這個(gè)行業(yè)還能走得更遠(yuǎn)。許多公用事業(yè)企業(yè)的發(fā)電站尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；如果這些企業(yè)在數(shù)字化技能和技術(shù)方面進(jìn)行投資，碳排放量將有望進(jìn)一步降低。如今，選擇接納數(shù)字化發(fā)電趨勢(shì)的企業(yè)將得以擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、降低生產(chǎn)成本，并提升品牌聲譽(yù)。

5 數(shù)字化技術(shù)逐步站穩(wěn)綠色發(fā)展市場(chǎng)

能源支撐著數(shù)字世界和數(shù)字經(jīng)濟(jì)，數(shù)字化、智能化技術(shù)正在使能源低碳化、電氣化，基于這一市場(chǎng)需求和轉(zhuǎn)型趨勢(shì)，有的企業(yè)已經(jīng)走在前列，比如華為公司發(fā)布了全新一代模塊化數(shù)據(jù)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(shù)和數(shù)字技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和控制，將AI和大數(shù)據(jù)的智能應(yīng)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(zhuǎn)型。今天人們對(duì)“碳交易”這個(gè)市場(chǎng)已不再感到陌生，實(shí)際上，十九大報(bào)告中指出要“加快建立綠色生產(chǎn)和消費(fèi)的法律制度和政策導(dǎo)向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系”。2017年底，中國(guó)啟動(dòng)碳市場(chǎng)以來(lái)，交易體系建設(shè)也正在加速推進(jìn)，對(duì)排放企業(yè)、減排單位和投資機(jī)構(gòu)等均蘊(yùn)藏巨大的發(fā)展前景。

6 數(shù)字化技術(shù)逐步滲透到碳排放領(lǐng)域

筆者根據(jù)工作實(shí)際以火電廠化驗(yàn)流程為基礎(chǔ)，建立一套適用于樣品管理、樣品檢測(cè)、產(chǎn)品檢測(cè)、儀器儀表管理等質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)工作的專(zhuān)業(yè)管理平臺(tái)，其宏觀架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)將智能工作流程應(yīng)用于樣品管理、檢驗(yàn)報(bào)告管理業(yè)務(wù)工作中，根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)判定結(jié)果、按照標(biāo)準(zhǔn)格式自動(dòng)打印報(bào)告；系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、安全性、易用性，大大提高檢驗(yàn)、檢測(cè)工作效率。應(yīng)用到具體實(shí)際工作中初步總結(jié)有以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

圖1 火電廠數(shù)字化技術(shù)宏觀架構(gòu)

6.1 數(shù)字化驗(yàn)室系統(tǒng)

以火電廠化驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，建立適用于火電廠的數(shù)字接口，將數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行傳輸、計(jì)算、上報(bào)，做到化驗(yàn)數(shù)據(jù)全過(guò)程不落地，避免人為干預(yù)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(dòng)測(cè)定儀、水分自動(dòng)測(cè)定儀等化驗(yàn)設(shè)備。對(duì)樣品化驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效的數(shù)字化管控，以保證化驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確與安全，為質(zhì)檢管理者提供數(shù)據(jù)支持，提升化驗(yàn)室乃至整個(gè)質(zhì)檢管理的能力與水平。

6.2 區(qū)域煤質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)收錄的供應(yīng)商信息，將供應(yīng)商按地區(qū)分類(lèi)，并通過(guò)基礎(chǔ)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，將該地區(qū)內(nèi)的燃煤數(shù)據(jù)按照區(qū)域、時(shí)間段劃分，經(jīng)過(guò)時(shí)間積累形成“區(qū)域煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”，為后續(xù)煤質(zhì)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

6.3 構(gòu)建碳排放模型

通過(guò)“數(shù)字化驗(yàn)室系統(tǒng)”中入廠、煤場(chǎng)、入爐的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合火電廠中生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成采購(gòu)—存放—燃燒的燃煤全生命周期的閉環(huán)管理，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建“機(jī)組—排放模型”“煤質(zhì)—排放模型”，為后續(xù)合理?yè)脚洌瑑?yōu)化燃燒提供指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)減少燃煤使用，降低排放總量的目的。

6.4 平臺(tái)建設(shè)

對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)層進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證硬件配置高效化的同時(shí)，靈活應(yīng)用虛擬化技術(shù)來(lái)將火電廠化驗(yàn)所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳到云網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。并通過(guò)常見(jiàn)的服務(wù)器虛擬化，來(lái)對(duì)物理機(jī)進(jìn)行虛擬化，減少硬件配置的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多資源信息的存儲(chǔ)與應(yīng)用，減少各火電廠在化驗(yàn)室方面的硬件投入，實(shí)現(xiàn)“一處投入，多處使用”。

6.5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(guān)鍵煤炭物流信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集并集中存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)字建模技術(shù)，完成煤炭流轉(zhuǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)展示，滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)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(chǎng)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)與鍋爐燃燒的重要支持，通過(guò)優(yōu)化排放模型及數(shù)字化驗(yàn)室可對(duì)煤場(chǎng)管理實(shí)現(xiàn)可視化動(dòng)態(tài)管理；通過(guò)三維煤場(chǎng)動(dòng)態(tài)管控及查詢(xún)，實(shí)時(shí)反饋煤場(chǎng)儲(chǔ)量、分布、煤質(zhì)情況；通過(guò)對(duì)原煤倉(cāng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，對(duì)原煤倉(cāng)煤質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；優(yōu)化排放模型是對(duì)入爐煤質(zhì)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)控制，做到預(yù)測(cè)前根據(jù)鍋爐要求指定上煤區(qū)域，并對(duì)上煤和鍋爐燃燒全過(guò)程跟蹤，根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析反映機(jī)組運(yùn)行情況；同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)采集形成指標(biāo)報(bào)表用以對(duì)入爐煤進(jìn)行總結(jié)分析。系統(tǒng)為鍋爐燃燒提供了有效的保證，對(duì)控制機(jī)組非停(非正常停產(chǎn)、維修等情況)、降低標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)、提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。同時(shí)系統(tǒng)利用廠內(nèi)調(diào)運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前期數(shù)據(jù)依托，采集廠內(nèi)生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和輸煤過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模及大數(shù)據(jù)處理，提煉精華數(shù)據(jù)以提高電廠生產(chǎn)管理及經(jīng)濟(jì)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(jié)合了傳統(tǒng)火電廠燃料管理過(guò)程中堆、存、取、耗、燒等各個(gè)流程，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煤場(chǎng)管理中的各個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息化改造。實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)的動(dòng)態(tài)管理，引入閉環(huán)管理理念，使煤場(chǎng)管理更加精細(xì)化，并提供有效的管控和優(yōu)化手段。

7 結(jié)束語(yǔ)

以數(shù)字化和低碳化相結(jié)合，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。當(dāng)前加強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)及高新科技產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以數(shù)字化來(lái)提高資源和能源的利用效率。另一個(gè)方面是新型城鎮(zhèn)化，加強(qiáng)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(shè)，也有利于優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)輸效率，促進(jìn)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(jié)合來(lái)推進(jìn)碳強(qiáng)度的下降，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促使二氧化碳排放盡快達(dá)峰。