数字化技术与碳排放领域的深度融合

潘井宝，闫立新，梁宏霞，张显雨

(内蒙古自治区计量测试研究院，内蒙古 呼和浩特 010050)

1 重要发展背景和政策导向

目前，积极应对气候变化，减少温室气体排放，已经成为世界达成的共识。在全球降碳减排工作者的不懈努力下，摸索出一种经得起实践检验的手段——碳交易。这一手段的实现，经历了漫长过程，但最终成为目前落实减排相关重要承诺、实现减碳目标的重要政策和技术工具。自2011年起开展碳排放权交易试点的地区包括北京、天津、上海、重庆、湖北、广东和深圳等7个省市，2017年正式启动建设全国统一碳排放权交易市场，并预计率先启动上线交易时间定在2020年底，以发电行业为率先突破口，“十四五”时期诸如石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、航空等高排放行业也将陆续纳入全国碳市场，到“十四五”时期末，全球最大碳交易市场将在中国建成。2020年9月习近平主席在联合国大会上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，12月12日再次宣布，到2030年，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。这为中国应对气候变化工作明确了目标，也为中国全国碳排放权交易市场建设提振了信心。

2 数字化技术引领新的技术变革

当前，以数字技术为代表的第四次工业革命正在加速改变这个世界，引领生产模式和组织方式的变革。数字化创新技术也将深化应用于当前热门领域中，如火力发电行业的电力系统各个环节，对电网输电线路作业模式、储存、损耗、管理流程再造、组织结构变革等方面都产生深远影响。数字化总体来说分成两个阶段：数字化建设阶段和数字化转型阶段。其中：①数字化建设就是把所做的实验过程、看到的实验现象和感受到的实验相关信息用数字终端、传感器通过通信网络、数字处理平台形成可供信息系统使用的数据资源，是数字化的基础。②数字化转型则是利用大数据、云计算、物联网、人工智能等先进的数字化应用技术对海量数据进行分析、验证、归纳、筛选、学习、计算，通过特定的应用系统自动处理后进行发布决策和执行。

3 数字化技术优越性逐步显现

相关数据显示，在能源方面，通过数字化智能配电不同客户、不同行业，能够实现最高达到80%的能耗降低，节约至少30%的成本，通过利用节省的最高达55%和70%的资本及运营支出来推动生产力提升，不光如此，还能提升最高40%和30%的设备可用性和场所安全性，并有效降低碳足迹，这都是源于数字化的力量。种种数据表明，只有靠数字化的手段，才能更好地实现规划、建设、运行、管理、调控，再靠人工智能来进一步提升效能。碳中和目标提出后，所有新建项目都要考虑碳排放的问题，数字化、智慧能源已经成了基础条件，数字化将围绕项目全生命周期。研究结果表明，数字化发电站前景之所以非常乐观，其中一个重要原因是惠及环境。据大部分公用事业单位和规模以上企业相关业内人士预估，数字化转型投资将助推一次能源损耗率的降低和提升化石燃料发电效率，更为重要的是还可降低碳排放量。尽管数字化发电站的收益可能极为可观，但目前仅有8%的公用事业企业在数字化方面发展成熟，并仅有不到20%的发电站预计将于五年内完成数字化转型。如果更多的公用事业企业优先投资数字技术，则行业和全球气候都将获得更大收益。

4 数字化技术成为核心竞争力

众所周知，降碳与低能耗紧密关联，数字化与信息化息息相关，数据中心能耗问题将是一个巨大挑战。根据科学预测，到2025年，数据中心的能耗将在整个ICT领域占比达30%，碳排放会占整个社会的4.5%，而数据中心数字化不仅可以保障数据中心安全平稳运行，还能保障数据中心绿色节能运行。通过学习、诊断、维护等数字化、网络化和智能化手段，数据中心即将迎来高效、绿色、智能的新局面。数字化显然已在改变发电领域，帮助公用事业企业保持竞争力，并大幅降低全球碳排放量。然而，这个行业还能走得更远。许多公用事业企业的发电站尚未实现数字化；如果这些企业在数字化技能和技术方面进行投资，碳排放量将有望进一步降低。如今，选择接纳数字化发电趋势的企业将得以扩大竞争优势、降低生产成本，并提升品牌声誉。

5 数字化技术逐步站稳绿色发展市场

能源支撑着数字世界和数字经济，数字化、智能化技术正在使能源低碳化、电气化，基于这一市场需求和转型趋势，有的企业已经走在前列，比如华为公司发布了全新一代模块化数据中心——智能微模块5.0解决方案。华为数字能源基于电力电子技术和数字技术的融合，实现对电能的转换、存储和控制，将AI和大数据的智能应用带入到传统的能源里面，支撑了各行各业的数字化的转型。今天人们对“碳交易”这个市场已不再感到陌生，实际上，十九大报告中指出要“加快建立绿色生产和消费的法律制度和政策导向，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系”。2017年底，中国启动碳市场以来，交易体系建设也正在加速推进，对排放企业、减排单位和投资机构等均蕴藏巨大的发展前景。

6 数字化技术逐步渗透到碳排放领域

笔者根据工作实际以火电厂化验流程为基础，建立一套适用于样品管理、样品检测、产品检测、仪器仪表管理等质量监督检验工作的专业管理平台，其宏观架构如图1所示。该系统将智能工作流程应用于样品管理、检验报告管理业务工作中，根据检验数据自动判定结果、按照标准格式自动打印报告；系统具有很高的数据准确性、安全性、易用性，大大提高检验、检测工作效率。应用到具体实际工作中初步总结有以下几个关键步骤。

图1 火电厂数字化技术宏观架构

6.1 数字化验室系统

以火电厂化验设备为基础，建立适用于火电厂的数字接口，将数据自动进行传输、计算、上报，做到化验数据全过程不落地，避免人为干预因素。如：X-荧光光谱分析仪、碳硫仪、ICP分析仪、量热仪、定硫仪、电子天平、工业分析自动测定仪、水分自动测定仪等化验设备。对样品化验数据及设备进行实时、高效的数字化管控，以保证化验数据的客观、真实、准确与安全，为质检管理者提供数据支持，提升化验室乃至整个质检管理的能力与水平。

6.2 区域煤质成分数据库

根据系统内收录的供应商信息，将供应商按地区分类，并通过基础的化验数据，将该地区内的燃煤数据按照区域、时间段划分，经过时间积累形成“区域煤质数据库”，为后续煤质研究提供数据支撑。

6.3 构建碳排放模型

通过“数字化验室系统”中入厂、煤场、入炉的化验数据，结合火电厂中生产的相关数据，形成采购—存放—燃烧的燃煤全生命周期的闭环管理，并以此为基础构建“机组—排放模型”“煤质—排放模型”，为后续合理掺配，优化燃烧提供指导，最终实现减少燃煤使用，降低排放总量的目的。

6.4 平台建设

对网络基础层进行设计，在保证硬件配置高效化的同时，灵活应用虚拟化技术来将火电厂化验所有业务数据上传到云网络内。并通过常见的服务器虚拟化，来对物理机进行虚拟化，减少硬件配置的同时实现更多资源信息的存储与应用，减少各火电厂在化验室方面的硬件投入，实现“一处投入，多处使用”。

6.5 远程数据综合管理

建立统一的信息传输规范，将不同企业及企业之间的关键煤炭物流信息数据实时动态采集并集中存储到远程数据中心，利用数据挖掘和数字建模技术，完成煤炭流转过程的实时展示，满足大数据分析的需要。

6.6 优化排放模型

优化排放模型是衔接煤场存储环节与锅炉燃烧的重要支持，通过优化排放模型及数字化验室可对煤场管理实现可视化动态管理；通过三维煤场动态管控及查询，实时反馈煤场储量、分布、煤质情况；通过对原煤仓实现动态管理，对原煤仓煤质情况进行实时跟踪；优化排放模型是对入炉煤质进行有效预测控制，做到预测前根据锅炉要求指定上煤区域，并对上煤和锅炉燃烧全过程跟踪，根据数据实时分析反映机组运行情况；同时根据数据采集形成指标报表用以对入炉煤进行总结分析。系统为锅炉燃烧提供了有效的保证，对控制机组非停(非正常停产、维修等情况)、降低标煤单价、提高机组经济效益有重要意义。同时系统利用厂内调运系统产生的基础数据为前期数据依托，采集厂内生产实时系统中的数据和输煤过程中的数据进行数据建模及大数据处理，提炼精华数据以提高电厂生产管理及经济性分析能力，最终形成最佳寻优系统。优化排放模型结合了传统火电厂燃料管理过程中堆、存、取、耗、烧等各个流程，利用计算机技术和物联网技术，对煤场管理中的各个环节点进行信息化改造。实现煤场的动态管理，引入闭环管理理念，使煤场管理更加精细化，并提供有效的管控和优化手段。

7 结束语

以数字化和低碳化相结合，促进产业转型升级和高质量发展。当前加强数字经济及高新科技产业和新能源产业基础设施建设，以数字化来提高资源和能源的利用效率。另一个方面是新型城镇化，加强建筑和交通的节能和能源替代。还有就是交通、水利等重大工程建设，也有利于优化交通结构，提高运输效率，促进能源节约和电气化替代。所以总体上是利用数字化和低碳化的结合来推进碳强度的下降，促进经济结构调整和产业转型升级，促使二氧化碳排放尽快达峰。