油气田地面工程建设设备安装碳排放优化控制

仇 放

中国石油工程建设有限公司,北京 100101

对于工程建设，特别是对于油田地面工程中石油石化建设工程，关于碳排放的文献报道较少。石油石化工程开展主要是以大型工艺设备装置的建设为核心来展开的，大型设备往往优先进场施工，然后再展开配管、电气、仪表等专业施工，因此研究设备安装过程中碳排放的组成和计算，并加以优化，是控制石油石化建设工程碳排放的重要组成[1-4]。

1 设备安装工程碳排放计算模型

建设工程项目的实施主要由六个大阶段组成，即决策阶段、设计准备阶段、设计阶段、施工阶段（设备材料运输及安装）、动用前准备阶段、保修阶段[5]。对于建设单位而言，施工阶段是建设工作的重心，也是碳排放的重要环节。

建设工程项目的大型设备基本为成品设备到货，其生产过程是在工厂里完成，因此，不将设备本体的制造过程以及材料消耗计入施工阶段的设备安装工程阶段，也不计算其碳排放量。

施工阶段的设备安装工程，通常是指进入施工阶段后，建设施工管理界面从设备厂家出厂交货开始至设备机械完工移交、开工、试运为止。因此设备施工阶段的CO2排放主要是指设备从厂家运输到施工现场并完成安装的整个过程中所产生的CO2排放。主要由图1所示的4个部分组成。

图1 设备安装阶段的碳排放组成

2 设备安装阶段碳排放的计算[6]

建设项目设备安装阶段的碳排放主要为施工人员生活和工作产生的碳排放以及施工材料、设备消耗产生的碳排放，见图2。

图2 设备安装阶段的碳排放构成

2.1 施工人员碳排放

施工人员碳排放是指施工人员在施工过程中和正常生活时消耗资源∕能源所产生的CO2。

式中：CR为施工人员CO2排放量，kg；r为施工总工日数；EFr为施工人员单位工日的CO2排放因子，kg∕工日。

由于施工人员生活范围通常局限于施工场所和营地之间，工作生活较为单一，因此不能简单地选取当地居民碳排放因子来进行计算。施工人员的碳排放因子采用实测法[7]，即对施工人员的基本碳排放、生活消耗能源碳排放、往来施工场所和营地的班车交通碳排放进行实测。施工人员碳排放因子为：

2.2 施工材料碳排放

施工材料的碳排放应为材料生产阶段碳排放与材料运输阶段排放之和。

（1）材料生产阶段碳排放计算：

式中：Csc为材料生产阶段碳排放，kg；Mi为第i种主要材料的消耗量，t；Fi为第i种主要材料的碳排放因子，kg∕单位建材数量。

（2）材料运输阶段碳排放计算：

式中：Cys为材料运输过程碳排放，kg；Di为第i种材料的运输距离，km；Ti为在第i种建材采用的运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子，kg∕（t·km）。

施工材料是由形成实体的主材和不形成实体的辅材组成，其中不构成最终实体的辅材可以反复使用，因此实际安装阶段中材料碳排放计算方法如下：

式中：Ccl为材料安装阶段碳排放，kg；RUi为第i

种辅助材料的重复利用系数。

2.3 施工机械碳排放

施工阶段施工机械碳排放量计算：

式中：Cjz为材料运输过程碳排放，kg；Ejz，i为安装阶段第i种能源总用量，kW·h或kg；EFi为第i种能源的碳排放因子，kg∕（kW·h）或kg∕kg。

3 案例分析

以俄罗斯某天然气处理厂项目第1期工程为例，选取主要设备（共计151台）为分析对象，各类运输方式的排放因子见表1。项目进入安装阶段后的设备安装流程见图3。

表1 各类运输方式的碳排放因子

图3 设备安装流程

3.1 设备运输碳排放

项目处于俄罗斯境内，设备运输有海运和陆运两种方式。其中大多数设备均在中国境内生产，超限设备从天津港和张家港两个港口运出并入境俄罗斯，非超限设备从生产地汽运到黑龙江省黑河而后入境俄罗斯。目前实施的运输路线如图4所示。

图4 设备运输路线

天津港和张家港分别距离现场3 566 km（1 925.5 n mile），3 230 km （1 744.1 n mile）；洛阳、重庆、哈尔滨、大连、上海分别距黑河2 600、3 524、583、1 430、2 894 km；圣彼得堡铁路到现场距离8 268 km；布拉戈维申斯克距现场180 km；海运海关码头距现场22.3 km，陆运海关距现场2 km。根据建筑碳排放计算标准GB∕T 51366，可知各类运输方式的碳排放因子（见表1）。

超限设备采用自行式模块运输车从海关处运输至现场，采用实际柴油消耗量进行计算，得出载重100 t和200 t的碳排放因子分别为327.9 kg∕台班和563.89 kg∕台班。设备运输碳排放数据见表2，因此设备运输碳排放量=Σ出厂运输+Σ安装就位运输=675 926.27 kg。

表2 设备运输碳排放数据

续表2 设备运输碳排放数据

3.2 施工机械碳排放

设备安装过程中主要用的施工机械有起重吊车、焊机、电动灌浆泵。其余人工操作的小型施工工具，如力矩板手、铆钉枪、吊索具、手动葫芦等，不计入材料损耗和施工机械台班中。施工机械能源消耗为柴油和电力。根据建筑碳排放计算标准GB∕T 51366，柴油的碳排放因子为72.59 t∕TJ；根据CARBON FOOTPRINT，可得俄罗斯的电力碳排放因子为0.325 kg∕（kW·h）[8]。施工机械台班消耗量见表3，施工机械碳排放见表4。

表3 施工机械台班能源消耗量

表4 施工机械消耗量

因此，设备安装过程中施工机械碳排放=柴油消耗总量×柴油碳排放因子+电力消耗总量×电力碳排放因子=69 811.72 kg。

续表4 施工机械消耗量

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装过程中主要是消耗人力，材料损耗很低，因此也不计入材料损耗中。设备安装过程中材料碳排放为消耗材料（结构钢焊条、垫铁、灌浆料）和损耗材料（枕木的碳排放）。结构钢焊条J422的碳排放因子取值0.055 kg∕kg[9]；垫铁为普通碳钢，灌浆料为C50混凝土，分别取值 2 050 kg∕t、385 kg∕m3（根据建筑碳排放计算标准GB∕T 51366）；枕木经现场实测的重复使用率为90%，规格为2 500 mm×220 mm×160 mm，木材的碳排放因子取10 kg∕m3[10]。施工材料碳排放见表5。

表5 施工机械材料消耗量

续表5 施工机械材料消耗量

因此，设备安装过程中施工材料碳排放=焊条消耗量×焊条碳排放因子+垫铁消耗量×钢材排放因子+枕木消耗量×（1-重复利用率）×木材碳排放因子+灌浆料消耗量×灌浆料碳排放因子=28 868.32 kg。

3.4 施工人员碳排放

设备安装过程中主要工种为吊装用的起重工、司索工、信号工，设备调平用的装配钳工、测量工，以及焊接的焊工和其他工作的杂工。取项目2020年施工人员碳排放数据来计算碳排放因子，考虑员工休假，项目平均每月实际施工人员3200人，成年人每天呼出CO2约为1 kg，营地和现场消耗柴油和外购电共计1 489 600 kg、2 258 404 kW·h，营地距离施工场地6.8 km，每天往返一次，汽运碳排放因子取0.068 7 kg∕（人·km）[11]，因此施工人员碳排放因子=（施工人员基础碳排放+能源碳排放+交通碳排放）∕365=5.21 kg∕（人·工日）。施工人员消耗人工日见表6，施工人员碳排放=总计人工日×人均碳排放因子=34 658.22 kg。

表6 施工人员消耗人工时

续表6 施工人员消耗人工时

综上所述，施工项目设备工程的碳排放计算结果为，碳排放=设备运输碳排放+施工机械碳排放+施工材料碳排放+施工人员碳排放=675 926.27+69 811.72+28 868.32+34 658.22=809 264.53 kg。其中，设备运输阶段、施工机械、施工材料、施工人员的碳排放占总碳排放的比例分别为83.52%、8.63%、3.57%、4.28%。

4 设备安装过程中碳排放优化控制

根据统计计算结果，设备安装工程中，碳排放主要产生在设备运输阶段，其次为施工阶段机械耗能，施工阶段所需的人工和材料发生的碳排放较低。因此重点是控制设备运输和施工机械产生的碳排放。

4.1 设备运输碳排放优化控制

俄罗斯与我国接壤，设备的运输方式可以采取三种方式，陆运、海运以及陆运和海运相结合。项目目前的运输策略为：由于尺寸重量的限制，超限设备只能采用海运方式运输；其余非超限设备均采用纯陆运方式。海运碳排放因子为0.015 kg∕（t·km），而陆运碳排放因子是海运碳排放因子的4～10倍。因此增加海运量可以有效降低碳排放。

项目指定国内港口为天津港和张家港，入境俄罗斯的港口为德卡斯特莱港，采用海运和陆运相结合的方式，由于线路相对简单，因此采取穷举法可得出以下最优路线，见图5。

图5 优化后设备运输路线

陆运采取同样的重型柴油卡车，海运采用散货船，可以得出优化后设备运输碳排放量=ΣCys出厂运输+ΣCys安装就位运输=474 198.14+15 988.70=490 186.85 kg，相较于优化前的碳排放降低了27.48%。项目所在地处于高寒地带，海运窗口期为每年5月至9月，其余时间港口会冻结。采用海运运输方式来降低碳排放应提前做好设备出厂计划，科学统筹规划运输，在窗口期集中发运设备。

4.2 设备机械碳排放优化控制

单台设备的重量和就位位置是固定的，新建项目不会存在因为吊车站位的原因选择高一挡额定起重量的吊车，就单台设备而言，所采用的施工机械是固定的。合理降低施工机械的碳排放，可以从以下3个方面入手。

（1）统筹设备吊装管理。设备发运前制定设备安装计划，划分区域集中吊装设备，从而减少吊车的反复动迁，降低吊装台班量，提高台班吊装作业效率。

（2）提高设备橇装率。空冷器均为散件到货，需要在现场完成钢结构、风扇、电机的组装后吊装，也要分别进行管束和百叶窗的吊装，这样就会产生多次吊装，消耗大量的吊车台班。因此可以将钢结构进行成片集成化，风扇与电机集成为一个橇体，管束与百叶窗集成为一个橇体，可有效地降低吊车台班量和相应的人力。

（3）合理调整设备安装与其他专业工作的先后顺序。压缩机位于钢结构厂房内，项目先安装了钢结构厂房，导致压缩机的3个橇块无法直接吊装就位，因此采用了铺设轨道、顶升平移的方法完成就位，10名工人连续工作，每套压缩机铺设轨道需要7个工作日，平移就位过程需要3个工作日。提前协调钢结构厂房安装工作的顺序，先进行压缩机吊装就位作业，后安装钢结构厂房，可以减少整个顶升平移轨道的铺设工作，从而降低作业周期并节省大量人力。

统筹设备吊装管理，结合项目平面布置图，分成6个单元，见图6。

图6 设备吊装区域划分

将每个单元的吊装区域进行合理划分，集中作业，从而减少吊车的动迁，并提高同一作业区的吊装效率。提高设备橇装率，将空冷器调整为钢结构、风扇电机、管束百叶窗成橇到货。合理调整各专业的施工顺序，优先进行压缩机等高能耗设备的吊装就位作业。通过划区域集中吊装，降低吊车台班数量。经过优化后，设备安装过程中施工机械碳排放=42 079.44 kg，相较于优化前的碳排放降低了39.72%；机械台班减少，相应的人工数量也减少，优化后施工人员碳排放=14 058.53 kg，降低了59.44%。

综上可得，优化后建设项目设备工程的碳排放为575 193.13 kg，相较于未优化前的碳排放降低了28.92%。

5 结束语

基于工程建设碳排放计算方法，以俄罗斯某天然气处理厂为例，研究了油气田地面工程建设项目设备安装工程的碳排放情况，分析计算了设备运输及安装阶段的人工、材料和施工机械的碳排放，认为设备运输和安装阶段施工机械的碳排量是碳排放控制的关键点，分别占施工阶段设备安装工程总碳排放量的83.52%和8.63%。从两个角度提出了优化施工阶段设备安装工程的碳排放方案，一是降低设备运输的碳排放，提前做好运输路线规划和设备发运时间计划，优先采用低碳排放的海运方式进行集中运输；二是降低施工阶段施工机械的碳排放，通过分区域集中吊装，提高设备成橇率，调整施工顺序的方法来降低机械台班消耗量，从而减少施工机械和人工的碳排放。优化控制后，可降低28.92%碳排放量，具有良好的成效。通过分析总结碳排放控制的关键因素和优化方法，可为工程建设单位降低施工碳排放提供思路和科学依据。