变电站碳排放核算及案例分析.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:孙亚玲(),女,硕士,工程师,主要从事绿色低碳、低碳环保工作.变变电电站站碳碳排排放放核核算算及及案案例例分分析析孙亚玲(上海联元智能科技有限公司,上海 )摘要:电力行业是我国碳排放量最高的行业,碳排放占全行业排放总量高达,电力行业减排问题的研究对探索其碳减排路径有重要意义.结合全生命周期碳排放原则和建筑碳排放全生命周期理论,研究了变电站全生命周期碳排放足迹核算,将变电站碳足迹核算划分为建造阶段、建材生产及运输阶段、运行阶段和拆除阶段产生.选取 k V变电站,核算其全生命周期碳排放,根据核算结果,变电站碳排放最主要来源于其运行阶段,占比为其全生命周期碳排放的 ,运行阶段碳排放来源于变电系统、照明暖通能耗以及六氟化硫逸散排放.基于碳源设施、排放边界等盘查情况,提出了智能照明控制系统、智能温控系统,建设光伏、储能设备,采用环保绝缘气体替代S F等建议,以降低变电站全生命周期碳排放,探索变电站低碳建设、零碳建设的路径.关键词:变电站;碳排放;碳核算;低碳中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()C a r b o nE m i s s i o nA c c o u n t i n ga n dC a s eA n a l y s i s f o rS u b s t a t i o n sS u nY a l i n g(S h a n g h a iL i a n y u a nI n t e l l i g e n tT e c h n o l o g yC o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep o w e r i n d u s t r y i s t h e i n d u s t r yw i t ht h eh i g h e s t c a r b o ne m i s s i o n s i nC h i n a,w i t hc a r b o ne m i s s i o n sa c c o u n t i n gf o ru p t o o f t h e t o t a l i n d u s t r ye m i s s i o n s T h e s t u d yo f e m i s s i o nr e d u c t i o n i n t h ep o w e r i n d u s t r y i s i m p o r t a n t f o r i t se x p l o r a t i o no fc a r b o nr e d u c t i o np a t h w a y s C o m b i n i n gt h ew h o l el i f ec y c l ec a r b o ne m i s s i o np r i n c i p l ea n d t h ew h o l e l i f e c y c l e t h e o r yo fb u i l d i n gc a r b o ne m i s s i o n,t h ew h o l e l i f ec y c l e c a r b o ne m i s s i o n f o o t p r i n t a c c o u n t i n go f s u b s t a t i o n i s s t u d i e d,a n d t h e c a r b o n f o o t p r i n t a c c o u n t i n go fs u b s t a t i o n i sd i v i d e d i n t oc o n s t r u c t i o ns t a g e,b u i l d i n gm a t e r i a l sp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ns t a g e,o p e r a t i o ns t a g e a n dd e m o l i t i o ns t a g eg e n e r a t e d k Vs u b s t a t i o n i s s e l e c t e d t oa c c o u n t f o r i t sw h o l e l i f e c y c l ec a r b o ne m i s s i o n s A c c o r d i n g t o t h e a c c o u n t i n g r e s u l t s,t h em o s t i m p o r t a n t s o u r c eo f c a r b o ne m i s s i o n sf r o ms u b s t a t i o n s i s t h e i ro p e r a t i o np h a s e,a c c o u n t i n gf o r o f t h e i rt o t a l l i f e c y c l ec a r b o ne m i s s i o n s C a r b o ne m i s s i o n s i n t h eo p e r a t i o np h a s e c o m e f r o mt h e s u b s t a t i o ns y s t e m,l i g h t i n ga n dHVA Ce n e r g yc o n s u m p t i o n,a n d f u g i t i v ee m i s s i o n so f s u l f u rh e x a f l u o r i d e B a s e do nt h e i n v e n t o r yo f c a r b o ns o u r c ef a c i l i t i e sa n de m i s s i o nb o u n d a r i e s,i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m s,i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m s,c o n s t r u c t i o no f p h o t o v o l t a i c a n de n e r g ys t o r a g e e q u i p m e n t,a d o p t i o no f e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yi n s u l a t i n gg a s i n s t e a do f S F,e t c a r ep r o p o s e d i no r d e r t o r e d u c e c a r b o ne m i s s i o n s i n t h ew h o l e l i f e c y c l eo f s u b s t a t i o n s a n de x p l o r e t h ep a t ho f l o w c a r b o nc o n s t r u c t i o na n dz e r o c a r b o nc o n s t r u c t i o no f s u b s t a t i o n s K e yw o r d s:s u b s t a t i o n;c a r b o ne m i s s i o n s;c a r b o na c c o u n t i n g;l o wc a r b o n 引言 年以来,“双碳”目标现已成为我国各行各业战略发展的目标之一,在区域和行业规划、发展中起到了重要的指引作用.电力行业在我国各行业中碳排放量是最高的,相对于发达国家,我国 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期电力行业碳排放量也是较高的.在国民经济高速发展的时代,碳排放量随之剧增,而“双碳”目标背景下,电力低碳发展尤为重要.电力低碳发展不应局限于发电侧,电力输送也是其中重要的环节,而变电站建设更是电力输送业务中关键排放环节,低碳变电站的建设是行业发展趋势.目前,变电站全生命周期的碳排放核算标准缺乏,而建筑碳排放核算方法相对完善.卓遥提出建筑全生命周期碳排放核算首先要明确核算范围.陈超等认为建筑碳排放源需要通过全生命周期评价法核算,划分为建材生产及运输阶段、运行阶段和建造及拆除阶段.唐忠达将变电站划分为筹建阶段、建设阶段、运行阶段与报废阶段,采用生命周期法核算变电站碳足迹.黄沈海等提出核算变电站建造、运行阶段的碳排放和运行成本,为低碳建造提供参考.本文将变电站工程作为建筑工程的一项进行研究,选取某典型设计的 k V变电站,结合生命周期碳足迹理论,分析碳源与核算边界,建立全生命周期碳排放核算模型,挖掘减碳措施,为变电站减排建设提供有价值的参考方案,为变电站实现低碳建设目标提供理论基础.变电站碳排放核算分析 碳足迹碳足迹以生命周期评价方法研究对象在其生命周期中直接或间接产生的温室气体排放.通过核算变电站的全生命周期碳足迹,可以确定该变电站的碳排放范围和碳源,摸清变电站设计、建设、运行到拆除的全生命周期碳排放,为后续变电站建设提供减碳思路,有利于变电站探索低碳、零碳建设方案.本文所采用的碳足迹核算方法与国际生命周期评估(L C A)标准保持一致.变电站碳足迹核算变电站碳足迹即变电站全生命周期碳排放,变电站工程作为大型基础建设工程,参考 建筑碳排放计算标准(G B/T ),并结合变电站碳排放独有特征,将其碳足迹分为建造阶段碳排放、建材生产及运输阶段碳排放、运行阶段碳排放和拆除阶段碳排放 .建立系统全生命周期能耗及碳排放模型思路:分析基于过程的能耗及碳排放清单,研究变电站工程各阶段的能耗及碳排放以确定整个生命周期内的能耗和碳排放情况 ,建立变电站全生命周期能耗及碳排放动态计算模型,对变电站、基础设施信息、运营阶段能耗及碳排放因子等进行管理,构建模型算法.变电站的建筑建设工序维度分为基础工程、装修工程、结构工程、安装工程、场地运输、施工临设六大分部工程.时间维度分为项目开工起至项目竣工验收止.按照建筑工程分项建立碳排放核算清单,过程比较繁复,且基础数据难以获取.建造阶段碳排放建造阶段碳排放指变电站建造施工能耗产生的碳排放,主要来自个方面:建造施工能耗,建筑施工场地区域内的机械设备、小型机具、临时设施等使用过程中消耗能源产生的碳排放;部分建材加工能耗,现场搅拌的混凝土和砂浆、现场制作的构件和部品产生的碳排放;施工人员在场地工作生活产生的碳排放,包括工棚空调、照明等.建材生产及运输阶段碳排放()建材生产.本文纳入核算的建材包括建筑主体结构材料、建筑围护结构材料、建筑构件和部品等,对于重量比小于 的建筑材料可不纳入计算.电网变电站建材生产阶段主要是建材与设备生产过程排放,由钢筋、混凝土、变压器、导线电 缆、铁 塔 等 建 材 生 产 过 程 能 耗 产 生 的 碳排放 .()建材运输.本文的建材运输碳排放主要是钢筋、混凝土、变压器、导线电缆、铁塔等建材从生产地到施工现场运输能耗产生的碳排放.运行阶段碳排放运行碳排放指建设工程规划许可证范围内能源消耗产生的碳排放,主要包括变电站运行时站用电、六氟化硫逸散等产生的碳排放.()变电站用电能耗.变电站在使用过程中用于供配变电系统、照明系统、暖通系统等方面的电能消耗量,属于站内设备正常运行产生的能耗.考虑到变电站运行周期与设计方案,电力能耗按照 年运行时长核算.()六氟化硫逸散的碳排放.六氟化硫(S F)绝缘性非常好,设备一般会采用S F 作为灭弧气体.虽然密封性好,但S F 还是会逸散.对于其排放的量化可采用填充量法和逸散量法.因其填充周期很长,故一般采用逸散量法进行计算.拆除阶段碳排放拆除施工主要是拆除设备及运输设备将建筑物肢解过程产生的能耗,是建造的逆过程,因此,可以采用与建筑建造阶段相似的方法.孙亚玲:变电站碳排放核算及案例分析能源与节能 核算实例分析 工程概况某变电站位于远郊地区,采用 A 的通用设计方案,电压等级为 k V,本期设计主变容量为 MVA.k V进线本期回,远期回,出线本期 回,远期 回.主设备选型:主变压器为三相双绕自冷有载调压一体式变压器,矿物油绝缘.k V采用户内铠装中置开关柜,k V消弧线圈采用柜式成套装置.核算范围根据本文 节内容,变电站工程碳排放核算的阶段划分,充分分析变电站建设工程,确定了变电站主要碳排放源,具体碳源见表.表变电站工程碳排放源碳排放阶段碳排放设备与环节建造阶段各品类推土机、挖掘机、轮胎式装载机、压路机、强夯机械、打桩机、压桩机、回旋钻机、起重机、载重汽车、自卸汽车、卷扬机、施工电梯、输送泵、钻床、清水泵、弧焊机、空气压缩机、风机等机械设备使用的柴油、汽油、电力产生的碳排建材生产及运输阶段()材料与设备生产碳排:建筑材料:槽钢、角钢、扁钢综合、铁件钢筋、圆钢、镀锌钢材、H型钢、水泥、砂浆、碎石、混凝土等;安装主材:绝缘子、绝缘导线、k V电缆终端头、光缆、电缆支架;安装设备:变压器、避雷器、G I S组合电器、绝缘导线、开关柜材料等()材料与设备运输能耗碳排:计算上述建筑材料、安装主材、安装设备等运输能耗产生的碳排放运行阶段变压器、站用变、电容器、电抗器、互感器等损耗与站用电碳排,S F 逸散导致的碳排放拆除阶段拆除施工机械设备使用的柴油、汽油、电力产生的碳排 碳排放因子的选取案例中涉及的碳排放因子优先参照 建筑碳排放计算标准G B/T ,当排放因子不可得时,结合 中国电网企业温室气体排放核算方法和报告指南(试行)公共建筑运营单位(企业)温室气体排放核算方法和报告指南(试行)中国产品全生命周期温室气体排放系数集()和其他相关报告中的研究成果.变电站碳足迹核算 建造阶段变电站建造阶段使用机械设备消耗各种能源动力产生碳排放,该阶段的能源总用量采用施工工序能耗估算法,碳排放因子取自 建筑碳排放计算标准G B/T ,采用华东地区电力排放因子 t C O/(MWh).结合工程设计方案与施工方工程数据,统计出建造阶段的能源消耗量,本阶段柴油消耗量共计 t,汽油消耗量共计 t,电力使用量共计 MWh.根据能源消耗量,核算出建造阶段碳排放结果,小计 t C Oe.建材生产及运输阶段建材生产碳排放计算方 式为主要建 材的消耗量与对应碳排放因子的乘积.建材消耗量数据取自于工程设计方案、工程采购清单等相关技术资料,碳排放因子优先取自 建筑碳排放计算标准G B/T 附录D,其次取自 中国 产 品 全 生 命 周 期 温 室 气 体 排 放 系 数 集()和其 他 相 关 报 告 及 文 献 研 究 值.建 材运输碳排放计算方式为主要建材消耗量、对应的平均运输距离与单位重量运输距离的碳排放因子乘积.混凝土的默认平均运输距离为 k m,除混凝土外其他当地建材与设备的默认运输距离为 k m,除混凝土外其他外地建材与设备的默认运输距离为 k m.常规 A 设计方案变电站建设,涉及的 主 要 建 材 见 表,建 材 生 产 碳 排 放 量 为 t C Oe,运输碳排放量为 t C Oe,本阶段碳排放量小计 t C Oe.表建材生产及运输阶段碳排放建材与设备类型消耗量单位生产碳排放量/t C Oe运输碳排放量/t C Oe各类钢材 t 铜 t 水泥 t 混凝土 m 砂 t 碎石 t 砖 千块 石油沥青 t 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期平均逸散率来自I P C C国家清册指南第卷第章 表.续表建材与设备类型消耗量单位生产碳排放量/t C Oe运输碳排放量/t C Oe空调台 变压器台 避雷器台 绝缘子 t 电缆 k m 光缆 k m G I S组合电器组 其他建材/运行阶段变电站运行期间,碳排放量为用电量与电力排放因子的乘积,即供配变电系统、照明系统、暖通系统等方面的电能消耗量之和与电力排放因子之积.变电系统电力能耗根据变压器数量,结合空载电能损耗、空载运行时长、额定负载损耗、负载运行时长等额定参数计算得到,各参数取自 电力变压器能效限定值及能效等级(年技术标准),照明系统、暖通系统的电力能耗参照设计方案与运检单位数据.通用设计方案 A 中变电站运行变电系统、照明系统、暖通系统年平均用电量分别为 、与 MWh,按照 年 运 行 周 期,计 算 得 运 行 电 力 碳 排 放 量为 t C Oe.六氟化硫活动数据为设备铭牌或说明书提供数据,排放系数首先从设备说明书中获得.计算方法:采用平均逸散量法.采用设备年平均逸散率,依据原有填充量和年平均逸散率,求得每年的平均逸散量.根据G B T 气体泄漏,本项目泄漏率取.根据I P C C第次公告,S F 排放因子为 t C Oe q/t,通用设计方案 A 中S F 平均每年逸散量为 t,按照 年运行周期计算得S F 逸散碳排放量为 t C Oe.因此,运行阶段碳排放量小计 t C Oe,具体核算结果见表.表运行阶段碳排放碳排放源年均消耗量 年碳排放量变电系统/(MWh)照明系统/(MWh)暖通系统/(MWh)六氟化硫逸散/t 拆除阶段拆除施工的能耗与建造施工类似,因此本文拆除施工碳排放核算参照建造施工部分.因 此,拆 除 阶 段 的 碳 排 放 量 核 算 结 果为 t C Oe.核算结果分析本变电站各阶段的碳排放情况见图,综上计算 数 据,本 变 电 站 全 生 命 周 期 碳 足 迹 为 t C Oe.图变电站各阶段碳排放量由图可看出,变电站碳足迹由建造阶段、建材生产及运输阶段、运行阶段和拆除阶段产生的碳排放组成.其中,运行阶段碳排放量最大,占变电站全生命周期碳足迹的 ;建材及生产运输阶段排放量次之,占全生命周期的 ;建造阶段和拆除施工阶段碳足迹相同,占比最小,均为 .在变电站运行阶段,碳排放主要来源于变电系统运行产生的能耗,变电系统产生的碳排放量在运行阶段的占比高达 ,六氟化硫逸散产生的碳排放量在运行阶段占比 ,也不可忽视.建造阶段碳排放主要来源于建材的生产碳排放,建材生产碳排放占比高达 .孙亚玲:变电站碳排放核算及案例分析能源与节能 结论与讨论 结论结合上述核算结果,变电站全生命周期碳排放主要来源于运行阶段和建造阶段.为践行低碳设计、建设与运行理念,运行阶段尽可能采用智能照明控制系统、智能温控系统,调节暖通、照明等设备的运行;变电系统的电力消耗是运行过程不可避免的,为减少这部分的碳排放可建设光伏、储能设备,采用围墙光伏、光伏幕墙、混凝土屋顶光伏等建筑方案.开关设备采用环保绝缘气体替代S F,减少S F 泄漏、逸散等导致的碳排放.建造阶段根据近零能耗建筑技术指标进行配置相关保温材料、空调、导光管系统,其他设备选用节能设备,达到节能设计目的.讨论变电站全生命周期碳 足迹核算 基于碳排放系数法,核算首先确定变电站碳足迹的组成,合理划分碳排放阶段,明确各阶段碳排放源,确定碳排放因子,收集数据,根据标准与指南给出的计算方法核算,汇总得出变电站全生命周期碳足迹结果.本文研究目的在于,提供变电站全生命周期碳足迹的核算思路,梳理变电站碳源,从核算过程寻找重点碳排放设备与工序,提供探索变电站减排路径的数据基础,为后续变电站工程低碳建设提供设计思路.参考文献:童庆蒙,沈雪,张露,等基于生命周期评价法的碳足迹核算体系:国际标准与实践J华中农业大学 学报(社会 科 学 版),():,卓遥建筑碳排放计算新规范及建筑设计减碳要点探析J福建建筑,():陈超,薄艾,刘亚运,等建筑碳排放量计算方法发展历程J工程质量,():唐忠 达 k V变电站 生命周期碳排 放分析J电工 电 气,():黄沈海,金显,窦金月,等变电站全过程低碳效益分析J中国电力企业管理,():申娟娟基于L C A的建筑碳足迹测算及减排对策研究D广州:广东工业大学,胡亚山,庄典,朱可,等混凝土结构与钢结构变电站建筑全生命周期碳排放对比研究J建筑科学,():翟吉人,贾志慧,张汇我国碳交易试点地区化工行业碳排放量核算方 法 比 较 分 析 J环 境 与 可 持 续 发 展,():李楠产品碳足迹标准对比及其供应链上的影响研究D北京:北京林业大学,高源整合碳排放评价的中国绿色建筑评价体系研究D天津:天津大学,燕艳浙江省建筑全生命周期能耗和C O排放评价研究D杭州:浙江大学,李兵低碳建筑技术体系与碳排放测算方法研究D武汉:华中科技大学,王卓基于全生命周期的 k V变电站降碳方案研究J电工电气,():住房和城乡建设部关于发布国家标准 建筑碳排放计算标准的公告J建筑节能,():住房和城乡建设部关于发布国家标准 建筑节能与可再生能源利用通用 规范 的公告J建 筑 节 能(中 英 文),():住房和城乡建设部建设部发布 全国统一施工机械台班费用编制规则 J铁路工程造价管理,():杨路远预制混凝土构件物化阶段碳足迹测算D南京:东南大学,于萍,陈效逑,马禄义住宅建筑生命周期碳排放研究综述J建筑科学,():,肖磊,李智勇,王聪,等基于B I M的铁路物化阶段碳排放测算研究J建筑经济,(S):曾文慧绿色低碳变电站设计关键J中国电力企业管理,():