海外油气工程建设项目碳排放分析与控制技术

郭 超，沈全锋，韩长军，魏小平，宋跃军

(中国石油工程建设有限公司，北京 100120)

1 引言

随着现代工业的快速发展，人类活动产生的CO2排放量迅速增加，大气层中CO2的浓度已经从工业革命前的280×10-6升到目前的400×10-6以上[1]。大气CO2浓度的变化给人类的生存环境造成了严重影响[2]。为此各国相继制定了限制碳排放的目标和具体措施[3～6]。作为碳排放规模已多年位居世界第一的中国所制定的目标为2030年碳达峰，2060年实现碳中和[7]。2020年12月召开的中央经济工作会议已明确碳达峰、碳中和是中国2021年8项经济工作重点任务之一。生态环境部于2021年1月正式发布了《碳排放权交易管理办法(试行)》，该办法自2月1日起正式施行[8]。同时，各行业关于碳排放的评价和核算办法也相继制订并实施。中国将成为全球最大的碳排放交易市场，目前全国碳市场系统已基本建设完成，首批2225家电力企业已完成开户工作，即将开始交易。后续石油、化工、建材等八大能耗重点行业也将陆续纳入碳排放交易市场。因此，碳排放的核算与控制将是各行业从远景目标制定到具体实施方案中需考虑的主要因素之一。建筑行业碳排放为全国全过程碳排放的主要来源，2018年建筑行业碳排放49.3亿t CO2,占全国碳排放比重51.3%，其中包括建材生产阶段排放27.2亿t CO2，施工阶段排放1亿t CO2，以及运行阶段排放21.1亿 t CO2[9]。目前大部分碳排放的核算方法都是基于某个行业的统计数据[10]，无法充分考虑每个项目的具体情况。且专门针对国内外油气建设行业碳排放的系统研究较少，特别对于碳排放量相对较高的土建专业未见针对碳排放的分析和研究。

AGPP项目是中俄油气合作的标志性项目，同时也是为解决国内清洁能源供应的重点项目。该项目共分6列装置按5期建设投产，建成后年输入国内天然气380亿m3/a，占目前我国天然气进口量的1/3左右，对我国能源安全意义重大。该项目位于高纬度地区，年均有7个月最低温度位于0 ℃以下，相对于国内项目或其它低纬度国家项目能耗较高，特别对于施工温度有严格要求的土建等专业碳排放量较大[11]。相关标准和法规大多为针对整个行业的整体要求，结合本项目土建冬期施工实际情况可对工程建设碳排放的因素和核算方法进行补充完善，并据此采取相应碳排放减排控制措施。

2 土建碳排放核算

若不考虑运行和拆除阶段，土建专业碳排放根据能耗来源和施工顺序，可分为原材料生产过程、原材料运输过程、施工过程以及部分办公管理等其它过程的碳排放，即：

t总=t材料+t运输+t施工

(1)

式(1)中，t总为总碳排放，单位tCO2e；t材料为原材料生产过程碳排放，单位tCO2e；t运输为原材料运输过程碳排放，单位tCO2e；t施工为施工过程碳排放，单位tCO2e。因此要计算土建施工碳排放总量需对上述各阶段的碳排放分别进行计算和汇总。

2.1 原材料生产过程的碳排放

土建原材料包括工程材料和施工过程的手段用料，即：

t材料=t工程材料+t施工材料

(2)

式(2)中，t材料为原材料生产过程碳排放，单位tCO2e；t工程材料为工程材料生产过程的碳排放，单位tCO2e；t施工材料为施工材料生产过程的碳排放，单位tCO2e。

2.1.1 工程材料碳排放的核算

工程原材料碳排放的测算方法有经济消耗测算法和实物消耗测算法，其中实物消耗测算法以主要建材消耗量和其排放因子进行核算，准确性相对更高。根据GB 51366建材生产阶段碳排放的计算公式为[12]：

(3)

式(3)中,Mi为第i种土建材料的消耗量；Fi为第i种土建材料的碳排放因子(tCO2e/单位建材数量)。

本项目根据当地的惯例，土建专业主要范围为挖填土方、混凝土基础、混凝土路面、混凝土检查井、钢结构等。本项目土建材料工程量及相应碳排放量计算结果如表1所示，各类材料碳排放所占比重见图1。由此可见，原材料中碳排放主要来源为钢结构和钢筋等金属结构，其次为混凝土结构。剩余材料由于工程量较少或排放系数较小CO2排放量相对较少。

表1 主要土建工程材料碳排放

图1 土建各类工程材料碳排放

2.1.2 施工手段用料碳排放的核算

工程原材料碳排放的测算方法有经济消耗测算法和实物消耗测算法，其中实物消耗测算法以主要建材消耗量和其排放因子进行核算，准确性相对更高(表2和图2)。根据GB 51366建材生产阶段碳排放的计算公式为[12]：

图2 土建各类施工材料碳排放

表2 主要土建施工材料碳排放

(4)

施工手段用料与工程材料的区别是根据现场实际情况考虑了材料可重复利用系数Ui。

因此，施工过程所使用材料的总碳排放为338063.49 tCO2e，其中工程材料碳排放总量为施工材料的17倍多。

2.2 材料运输过程的碳排放

材料运输过程的碳排放也分为工程材料运输碳排放和施工材料运输碳排放两部分：

t运输=t工程材料运输+t施工材料运输

(5)

式(3)中：t运输为原材料运输过程碳排放，单位tCO2e；t工程材料运输为工程材料生产过程的碳排放，单位tCO2e；t施工材料运输为施工材料生产过程的碳排放，单位tCO2e。

2.2.1 工程材料运输过程碳排放的核算

工程材料运输过程碳排放与材料数量、运输距离和不同运输方式的碳排放系数有关：

(6)

式(6)中：T工程材料运输为工程材料运输过程碳排放，单位tCO2e；Mi为第i种工程材料的数量，单位t；Di为第i种工程材料的运输距离，单位km；Ti为不同运输方式的单位碳排放系数，铁路碳排放系数为0.011 kg CO2e/(t·km)，汽运碳排放系数为0.162 kg CO2e/(t·km)(表3和图3)。

表3 主要土建工程材料运输过程碳排放

图3 土建各类工程材料运输碳排放

2.2.2 施工手段用料运输过程碳排放的核算

施工手段用料的碳排放(表4、图4)计算公式为：

图4 土建各类施工材料碳排放

表4 主要土建施工材料运输过程碳排放

(7)

式(7)中：t施工材料运输为工程材料运输过程碳排放，单位tCO2e；Ui为第i种工程材料的利用率。

为避免重复计算，挖填方土中只有外购的1.5×105m3回填土计算原材料碳排放，其它挖填土方碳排放在施工过程碳排放中进行统计。成品土建材料从厂家到现场的运输碳排放包含在材料碳排放总量中。项目全部材料运输过程产生的碳排放总量为10382.18 tCO2e，工程材料运输所产生的碳排放总量接近施工材料运输碳排放总量的14倍。

2.3 施工过程的碳排放

在部分施工过程碳排放的计算方法中以不同工序如土方开挖、垫层铺设、混凝土浇筑、混凝土养护、钢结构安装等为单位分别进行计算后累加。这种做法会将计算过程变得繁琐，极易产生重复统计或计算遗漏，且由于参数较多，针对各个参数的准确性难以保证。按碳排放输出进行分类计算则可很大程度上简化计算模型，根据实际能源消耗数据得到准确的结果。

除了上述已讨论的材料碳排放量外土建施工过程的碳排放按照来源主要分为人力、机具两部分，因此只需将这两部分碳排放计算后即可得到施工过程碳排放：

t施工=t人力+t机具

(8)

2.3.1 施工过程人力的碳排放

根据本项目实际情况，人力碳排放主要由营地生活和现场工作活动构成，包括考虑营地基础设施和日常衣食、能源、排污、供暖的碳排放，以及休假期间交通碳排放。由于给水、净化、排污和供暖系统都通过消耗能源来提供，因此不做重复计算。据此，人力碳排放为：

t人力=t基础+t能源+t交通

(9)

按1500名土建专业工作人员统计，人均年基础碳排放为1.29 t[13]，基础设施及消费总碳排放为1939.74 t。项目期间生活和办公需消耗柴油2128 t对应碳排放6588.20 t，消耗外购商品电2823005 kW·h对应碳排放1129.20 t。因此能源总碳排放为7717.40 t。由于项目人员大多来自中亚、印度或俄罗斯西部地区，因此单程距离按从布拉戈维申斯克到莫斯科航空和300 km汽运距离考虑。在项目建设7年周期内平均每人往返现场7次，每次动迁有20人乘同一航班，4人乘坐同一汽运交通工具。按国际民航组织提供的工具计算的航空过程碳排放总量为408.48 t。按国际经济合作与发展组织(OECD)提供的140 gCO2e/km的汽运碳排放系数计算汽运碳排放为220.50。因此交通碳排量合计为628.98 t。

根据上述各项碳排放合计土建施工人力碳排放总量为10286.12 tCO2e。

2.3.2 施工过程机具的碳排放

施工机具能量来源主要有燃油和电力，根据现场所有土建专业用燃油机具耗油量核算项目建设周期柴油耗油量为20025.02 t，合计碳排放量为61995.44 tCO2e。土建专业外电消耗量约为18000 MW·h，合计7200 tCO2e。施工机具碳碳排放总量为69195.44 tCO2e。因此土建施工过程总碳排放量为79481.56 tCO2e。

项目土建建设期间总碳排放量为427927.23 tCO2e，其中主要部分为工程材料和施工材料的碳排放，合计占80.63%。其余部分为建材运输过程的碳排放占2.43%，施工过程人力与机具的碳排放占18.57%。

3 降低土建施工碳排放的措施

3.1 土建材料减排措施

通过上述分析可以看出AGPP项目土建工作主要碳排放源为建筑材料和施工材料，因此在工程材料方面应从设计选材开始进行优化，在满足强度和寿命指标的前提下尽量减少土建材料用量，在保证结构使用性能和美观效果的前提下尽量采用单位重量碳排放量低的无机非金属材料代替金属材料和高分子材料。

在施工材料的使用上，应在项目前期尽早规划筹备，在满足使用要求的情况下尽量选择碳排放量小的材料，如采用木跳板代替钢制或铝制跳板等。通过合理安排工期，减少高排放量材料的使用，如将部分冬期保温施工调整到夏季执行可有效降低保温苫布的使用，从而实现降低碳排放的目的。通过合理优化施工方案，通过地面预组装减少高空作业也可降低脚手架的使用，从而降低由此产生的碳排放。通过对各阶段和各工序衔接的合理安排以及对施工材料的有效防护提高施工材料的重复利用率也可有效降低施工材料的使用数量，同时由此产生的降低固体废弃物所造成的碳排放。

3.2 材料运输过程的减排措施

为减少材料运输过程的碳排放，除了需要设计对选用材料的数量进行优化外，还需要根据当地市场情况尽量选用项目所在地资源充足的材料，减少各类工程材料的运输距离。采购部门需要及时搜集当地各类资源信息，通过比价在保证采购成本的前提下尽量通过减少运输距离来降低碳排放。同时增强工程材料运输的统筹安排，尽量做到将散料集中选择海运、铁路运输等单位重量碳排放量低的集中运输方式[14]。对于运输过程需要保温的物资尽量安排在夏季运输，进一步降低运输过程的碳排放。施工材料的选择也应因地制宜，在保证使用性能的前提下尽量就近采购，通过大宗采购避免零散运输造成的碳排放增加。对污水等尽量通过就地处理达到直接外排要求避免通过外运处理而额外产生的运输排放。

3.3 施工过程的减排措施

相较于材料和运输，土建的施工过程具有更大的灵活性因而可采取更多有效的减排措施来降低建设项目的整体碳排放水平。

首先在项目筹划阶段就需要对营地位置和水、电条件等进行充分的考察和优化，尽量缩短项目人员生活营地与工作场所之间的距离。争取正式施工时现场水电等资源已就位，降低人员通勤、水车运输、柴油发电等造成的碳排放负担。并通过制订科学合理的项目计划将对温度要求严格的工作如混凝土、油漆、防火等主要工作量安排在夏季施工，室内工作可安排在冬季进行。从下图可以看出碳排放在环境温度低的月份明显高于气温低的月份，温度最低月份的碳排放量是气温最高月份的碳排放量的5倍左右，这主要是冬季采暖等冬季施工措施引起的能源消耗增加。因此通过将冬季施工尽量安排在夏季完成，并减少现场冬季作业人员可以有效降低施工过程的碳排放。

图5 2020年月均环境温度和碳排放比较

在施工过程中通过有效的管理创新实现施工组织加强EPC深度融合，如采用BIM软件等手段对项目全过程进行监控，及时发现错漏碰缺问题，减少工作返工和人员怠工造成的额外碳排放[15]。通过有效的施工组织和施工管理提高人员和机具的工作效率和有效利用率，对碳排放源进行管控和压缩。通过有效的QHSE管理提高施工成品的一次报验合格率，保障施工时机效率，避免安全质量事故给项目造成额外消耗。同时应加强技术创新，例如通过积极采用撬装化等手段加强部分结构的厂家预制深度，利用厂家的专业团队和施工手段降低在现场进行相同工作由于难度增加造成的碳排放。通过对低温油漆等当地先进技术的吸收和应用降低钢结构施工过程的温度要求从而达到有效降低碳排放的目的。

4 结语

对俄罗斯AGPP项目土建专业施工过程碳排放进行了分析和计算，结果表明项目建设过程土建碳排放的主要部分为工程材料和施工材料的碳排放，合计占80.63%。其余部分为建材运输过程的碳排放占2.43%，施工过程人力与机具的碳排放占18.57%。其中工程材料的碳排放以钢结构和钢筋为主，二者碳排放之和为工程材料碳排放总量的2/3左右。施工材料中脚手架材料和固体废弃物的碳排放占3/4左右。钢结构、混凝土桩和混凝土占工程材料运输产生碳排放的3/4左右，其中钢结构运输1项占总工程材料运输碳排放的1/2左右。施工材料运输碳排放主要来自脚手架和跳板的运输，二者合计超过施工材料碳排放总量的80%。施工过程总碳排放量79481.56 tCO2e，其中主要为施工机具碳排放，占87.10%。

为降低土建施工阶段的碳排放，需要在项目设计阶段即开始选材优化，在满足工程要求的前提下尽量选用当地资源丰富且碳排放量相对较低的材料。采购阶段应充分调研搜集当地各种材料市场信息，尽量缩短运输距离，并根据材料温度、湿度等要求统筹考虑集中采购和运输，以便于采用碳排放量相对较低的运输方式。施工之前应对营地位置和当地水电等施工资源充分调研、对污水处理等合理规划。施工过程通过管理创新和技术创新进一步提高人员工作效率和机具利用率：合理安排施工计划和工序。通过精细化管理针对各项工作选择适用的施工机械设备，避免单台盈余过大、数量过多而增加排放。严格QHSE控制，提高产品合格率，进一步降低因返工或事故等原因造成的施工过程碳排放总量。