低碳轉(zhuǎn)型是我國城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)綠色發(fā)展之路

彭在美，上海鋼管行業(yè)協(xié)會，上海，200070

【內(nèi)容提要】本文簡述了我國城鎮(zhèn)供熱行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的概況，屬于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行業(yè)。供熱領(lǐng)域綠色化的切入點是布局區(qū)域集中供熱管網(wǎng)和徹底改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)。供熱系統(tǒng)實現(xiàn)低碳化的根本途徑是“清潔電力+余熱利用”。預(yù)計“十四五”期間將建設(shè)供熱管網(wǎng)總長度約5萬公里。城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的特點：一是溫度升高導(dǎo)致熱伸長，要有補償器；二是供熱有季節(jié)性，冷熱沖擊，干濕交替，在鋼管內(nèi)壁要有耐高溫防腐措施。討論了供熱管道有關(guān)熱力學(xué)的當量應(yīng)力、過渡段的最大長度、工作鋼管計算壁厚與輕量化等問題，和鋼管內(nèi)壁在供熱期間和非供熱期間都存在腐蝕的機理。從低碳的視角看，延長供熱管道的全生命周期，在于提高熱力管道耐高溫內(nèi)防腐蝕的性能。熱力公司要摸清自身的碳足跡，提高節(jié)能減排的效果，爭取碳排放權(quán)，為進入碳市場作鋪墊。城鎮(zhèn)熱力行業(yè)與電力行業(yè)因熱電聯(lián)產(chǎn)而密不可分，可以同時進入火電行業(yè)碳排放權(quán)的碳交易市場。

1.我國城鎮(zhèn)供熱行業(yè)能耗現(xiàn)狀概況

我國城鎮(zhèn)供熱行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈屬于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行業(yè)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計顯示，2020年，我國建筑業(yè)運行階段CO₂排放量為21.7億噸，其中化石燃料燃燒排放6.9億噸，而城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)化石燃料排放占到總化石燃料燃燒排放的76%。

我國北方城鎮(zhèn)采暖熱源主要來自熱電聯(lián)產(chǎn)和各類燃煤、燃氣鍋爐。其中燃煤供熱比重達70~80%。據(jù)有關(guān)研究部門測算，2018年，北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.12億噸標準煤，排放量為5.5億噸CO₂。

截止2020年底，我國北方城鎮(zhèn)供熱面積約147億平方米，農(nóng)村供熱面積70億平方米，共計217億平方米，年耗能約2.8億噸標準煤當量，排放量為7.26億噸CO₂。我國南方地區(qū)供暖需求呈爆發(fā)式增長，預(yù)計到2030年，我國南方地區(qū)包括區(qū)域供暖用戶數(shù)量共計將達到9700萬戶左右，屆時碳排放潛力將超過7000萬噸CO₂。

2.城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)探索低碳綠色發(fā)展之路

最近召開的“碳達峰、碳中和與清潔供熱綠色發(fā)展國際峰會”上，有關(guān)專家指出：供熱領(lǐng)域綠色化從四個方面入手：（1）超前布局區(qū)域供熱管網(wǎng)規(guī)劃，并分步實施改造，適應(yīng)未來零碳供熱布局；（2）高能耗建筑的節(jié)能改造；（3）熱力末端減少過量供熱；（4）深度挖掘電廠余熱、工業(yè)余熱獲取足夠的零碳熱源。

2.1區(qū)域集中供熱面積繼續(xù)增長，單位面積供暖能耗不斷下降

區(qū)域集中供暖作為節(jié)約能源、減少污染物排放的高效供熱系統(tǒng)，是當前分步實施改造的重點領(lǐng)域。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2020年12月發(fā)布的《2019年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》和《2019年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，截止2019年底，集中供熱面積達約110億平方米，較2018年增長6億平方米，增長率約5.78%。其中，北方地區(qū)城市集中供熱平均單位面積供暖能耗為14.5千克標準煤/平方米，較2015年的17.8千克標準煤/平方米降低了18.5%。據(jù)統(tǒng)計，我國每年新增城鎮(zhèn)集中供熱面積均在3~5億平方米，但新增熱源超50%與燃煤有關(guān)。

集中供熱面積的增長有兩個方面，一個是新增長的面積。全國眾多居民社區(qū)，例如重慶市渝北區(qū)投資80億元，在社區(qū)建一個能源供應(yīng)站，通過管道集中供應(yīng)暖氣或冷氣，5年內(nèi)分布式覆蓋1000萬平方米居民樓；全國各類工業(yè)園區(qū)有國家級、省級、市級、縣級和鎮(zhèn)級約1萬多家，需要新建集中供熱（冷）區(qū)，例如，陜西省蒲城縣高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)投資1.6億元建設(shè)供熱項目，提供工業(yè)用蒸汽。另一個是老舊供熱管網(wǎng)改造，例如：遼寧省沈陽市供熱管網(wǎng)總長約1萬多公里，局部存在保溫層破損、鋼管壁腐蝕以及超期服役等問題。河北省三年內(nèi)計劃改造供熱管網(wǎng)4891公里，例如滄州市熱力有限公司和昊天熱力發(fā)展有限公司2021年將改造全市73個老舊小區(qū)供熱管網(wǎng)，改造面積約277.7萬平方米。

集中供熱系統(tǒng)要實現(xiàn)低碳化，有兩個方面的工作要做：一個是提高能效。目前我國供熱系統(tǒng)的平均能效約30%，最大挖掘潛力是供熱管網(wǎng)實現(xiàn)三零---零節(jié)流、零過流量、零過熱量。歸根結(jié)蒂，要提高管網(wǎng)輸送效率。另一個是，使用清潔能源的熱源。

2.2徹底改變能源結(jié)構(gòu)，是集中供熱系統(tǒng)實現(xiàn)低碳化的根本途徑

前已敘述，超50%的新增熱源均與燃煤有關(guān)。因此，正在改變能源結(jié)構(gòu)，由燃煤、燃油、燃氣的熱源結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗L(fēng)、光、核電和生物質(zhì)能等清潔的熱源結(jié)構(gòu)，擺脫對化石能源的依賴。（說明：目前歐洲一些國家認為風(fēng)電會破壞生態(tài)平衡。）

尤其在2016年以來，我國清潔取暖率得以快速提升。有關(guān)研究單位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年，我國清潔供暖面積為69億平方米，清潔供暖率為34%；到2020年，我國清潔供暖面積已達到144億立平方米，清潔供暖率為65%。

2.3實現(xiàn)清潔能源的熱源主要途徑：清潔電力+余熱利用

供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化的總體思路就是要取消各類燃煤燃氣鍋爐，盡可能依靠清潔電力實現(xiàn)低碳供暖，同時深度挖掘各種余熱資源。從操作層面，未來國內(nèi)尤其是北方城鎮(zhèn)供熱源將由“核電+調(diào)峰火電余熱+電驅(qū)動熱泵”等協(xié)同組成。

2.3.1清潔電力的希望寄托于新能源。有專家期望未來40年光伏、風(fēng)電等清潔能源的整體比重從目前的10%提高到70%以上。國外對發(fā)展風(fēng)電存在爭議；國內(nèi)風(fēng)電、光伏的能源優(yōu)勢在西北地區(qū)，而大多用戶集中在北方和東南沿海地區(qū)。因此，有專家將清潔電力的另一條思路的重點放在核電。

根據(jù)《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，國內(nèi)核電裝機容量達到5800萬千瓦，位于美國（99070萬千瓦）、法國（63130萬千瓦）之后居第3位。2019年中國大陸在運核電機組47臺，目前在建機組11臺的總裝機容量為1134萬千瓦。2019年上半年，已有山東榮威、福建漳州和廣東太平嶺核電站核準開工，2020年3月江蘇省安排連云港田灣核電站擴建工程開工。有資料顯示，目前各地籌建中的核電站達到25個。2030年，中國核電站的總裝機容量可能達到1億千瓦以上。

中國工程院院士、中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會副理事長江億測算，充分利用1億千瓦核電產(chǎn)生的1.5億千瓦余熱，和1億千瓦調(diào)峰火電產(chǎn)生的4.5億千瓦余熱，再輔之以用燃氣末端調(diào)峰，即可為北方地區(qū)160億平方米建筑提供所需熱源；而其余則可采用多種電驅(qū)動熱泵、工業(yè)低品位余熱、中水水源熱泵、垃圾焚燒爐等熱源滿足。

筆者具體詮釋如下：這里所謂“調(diào)峰火電”，主要指的我國600℃以上蒸汽參數(shù)的超超臨界（USC）機組，占全球同類裝機80%以上。目前正在攻關(guān)700℃（USC）發(fā)電技術(shù)，推進60萬千瓦超超臨界CFB發(fā)電示范，已達到650℃/105h階段，逼近700℃目標值。發(fā)展方向是100萬、120萬和160萬千瓦超超臨界機組，達到效率最高、排放為零的世界最先進的火電水平。

這里所謂“燃氣末端調(diào)峰”，就是燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組。例如2021年3月31日哈爾濱舉行黑龍江省首例大型引用俄氣供暖工程啟動儀式，積極推動燃氣調(diào)峰電站項目建設(shè)，可利用天然氣3億立方米，新增供熱能力1200萬平方米，滿足以深哈產(chǎn)業(yè)園區(qū)為核心的環(huán)西片區(qū)供熱需求。

又例如2020年7月30日濟南能源集團正式掛牌成立，四公司（濟南熱力集團、濟南熱電公司、濟南港華燃氣公司、山東濟華燃氣公司）統(tǒng)籌供熱供氣。

又例如寧夏山嘴山市天然氣供熱（天然氣管網(wǎng)）工程，都起到燃氣末端調(diào)峰的功能。

這里所謂“多種電驅(qū)動熱泵”，舉例河北省任澤區(qū)地源熱泵供能項目，總供暖建筑面積59.3萬平方米。又例如河北省邢臺市信都區(qū)新型地源熱泵清潔能源供暖項目，室外鉆井總數(shù)量約1087個，鉆孔深度150米，鉆孔面積為18600平方米，涉及供熱面積23.3萬平方米，供熱負荷9300KW。

這里所謂“中水水源熱泵”，例如河北樂亭余熱供熱和中水回用綜合管網(wǎng)建設(shè)項目，新建泵站一座，熱力管網(wǎng)DN1200mm，長度21.4公里，中水一次管網(wǎng)DN800mm，長度1.2公里；中水二次管網(wǎng)DN1000mm，長度20.2公里。

這里所謂“垃圾焚燒爐”熱源，例如有河南省濟源市生活垃圾焚燒發(fā)電廠項目。黑龍江省望奎縣鎮(zhèn)和佳木斯市撫遠縣各建設(shè)一座生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，設(shè)計規(guī)模均為30MW。山東省建設(shè)2×15MW生物質(zhì)熱電項目，包括兩臺75 t/h高溫高壓秸稈直燃循環(huán)流化床鍋爐，兩臺15MW凝汽式汽輪發(fā)電機組。

這里所謂“工業(yè)多品位余熱”，是指工業(yè)余熱余壓高效回收利用，高溫?zé)煔鈨艋厥绽茫苯鹦袠I(yè)各種生產(chǎn)工序的余熱余壓能量回收。目前工業(yè)余熱回收的方法主要有熱交換、熱工交換，以及通過熱泵將熱能直接用于供熱，主要用于低溫余熱收集。工業(yè)余熱利用多為蒸氣發(fā)電系統(tǒng)。

鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)煤氣、蒸汽等熱能回收利用，使得98%以上的資源得到深度開發(fā)。例如山鋼集團“焦爐上升管荒煤氣梯級換熱中壓蒸汽回收關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用”是國內(nèi)首創(chuàng)；沙鋼集團與社會70多家企業(yè)實現(xiàn)蒸汽資源共享；河北邢臺德龍鋼鐵公司高爐沖渣水余熱供暖項目，可向周邊面積達200多萬平方米的居民住宅供暖；山西省呂梁市中陽鋼鐵公司充分利用高爐沖渣水、燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)工序的余熱，接入中陽縣城集中供熱設(shè)施，增加了集中供熱的面積，淘汰了數(shù)百臺采暖燃煤小鍋爐，使企業(yè)綠色發(fā)展的效益從內(nèi)部延伸到社會。

2.3.2水熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)結(jié)合大型跨季蓄熱裝置，是“中國方案”的首創(chuàng)。

中國家電投山東核電與清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的世界首創(chuàng)“水熱同產(chǎn)同送”科技示范工程在山東海陽投運。其通過對核能進行先發(fā)電、后制水、再供暖的三級高效利用，為世界“零碳”能耗供熱+“零碳”能耗制水提供了方案。

據(jù)江億測算，水熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)結(jié)合大型跨季節(jié)儲熱，1億千瓦的核電廠可年產(chǎn)100億噸淡水，并可為100億平方米建筑供熱，且成本可降低到“南水北調(diào)+熱電聯(lián)產(chǎn)”的50%。將為我國北方沿海地區(qū)徹底解決水資源問題、零碳供暖問題提出新思路。

“核電供熱改造為遠距離供熱”項目有福建福清、連云港田青、浙江秦山等。例如秦山核電核能綜合利用項目——核能供暖節(jié)能改造項目，建設(shè)地點位于浙江省嘉興市，建設(shè)周期：2021年至2022年，供熱水主管線長約14.5公里，管徑為DN600mm雙管及配套供熱首站，廠外熱力站等。

供熱有季節(jié)性的特點，因此，大量的核電、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心等余熱，都應(yīng)高效存儲于冬季供暖，而利用大型跨季節(jié)蓄熱裝置回收大量余熱資源，將使僅能運行3~4個月的余熱回收裝置實行全年運行。

有專家建議，一是在沿海地區(qū)建設(shè)若干大型跨季節(jié)蓄熱裝置，開發(fā)利用沿海地區(qū)核電、火電、鋼鐵企業(yè)余熱，理論上可為80億平方米建筑供熱；二是在北方地區(qū)建設(shè)若干大型跨季節(jié)儲熱裝置，開發(fā)利用現(xiàn)存的3億千瓦火電，可以得到4億千瓦熱量，也可以為80億平方米建筑供熱。三是在中西部地區(qū)建設(shè)若干中型跨季度蓄熱裝置，開發(fā)利用鋼鐵、有色、化工、機電產(chǎn)業(yè)和垃圾焚燒等余熱，有望為10億平方米建筑供熱。

2.3.3城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)碳達峰、碳中和的愿景

城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)力爭2030年城鎮(zhèn)分散煤爐基本清零，到2035年城鎮(zhèn)供暖累計替代煤1.1億噸，基本實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)無煤化，實現(xiàn)城鎮(zhèn)供熱領(lǐng)域清潔化。因此，全國各類煤炭、燃油小鍋爐多達100萬臺要關(guān)停。例如河北省辛集市主城區(qū)散煤替代集中供熱（含保障房）項目，天津市武清區(qū)燃煤供熱站改燃天然氣管網(wǎng)配套工程，陜西省延安市黃陵縣黃花溝村、虎尾村、張寨村等煤改氣供熱站項目，等。要在全國逐步建立清潔取暖長效機制。

全國各類燃煤電廠達8000多家，每年將有數(shù)百家改造為熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱供汽項目。“十三五”期間對9.5億千瓦的燃煤發(fā)電機組進行改造，建成全世界最大的清潔發(fā)電體系，對京津冀及周邊地區(qū)的冬季清潔取暖的散煤替代，完成了2500多萬戶。因此，城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)碳排放先于建筑達峰，與電力系統(tǒng)同步實現(xiàn)碳中和，與電力系統(tǒng)同步進入碳市場。

3.城鎮(zhèn)供熱管道的幾個熱點問題

3.1城鎮(zhèn)供熱管道概況

城鎮(zhèn)供熱管道與給排水、燃氣管道等同屬于市政管道，近年來發(fā)展很快。據(jù)統(tǒng)計，我國于20世紀80年代及以前鋪設(shè)的市政管網(wǎng)約有18.2萬公里，見表1。其中：排水管5.8萬公里，供水管9.7萬公里，燃氣管2.4萬公里，供熱管0.3萬公里，很多已到了使用年限，需要更新。

表1 不同年代地下管網(wǎng)長度及所占比例

2015年以來，我國市政管道建設(shè)長度每年約12萬公里左右，其中排水管道3萬公里，供水管道3.5萬公里，燃氣管道4萬公里，供熱管道1萬公里。因此，評估到2020年我國供熱管道總長度為25萬公里左右。預(yù)計“十四五”期間將建設(shè)供熱管道約5萬公里。2021年基建項目重心已由去年下半年的交通運輸、棚改轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)建設(shè)、城鄉(xiāng)基建項目和市政產(chǎn)業(yè)園，這將拉動供熱管道的需求。

3.2城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的基本特點

城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)有別于其他市政管網(wǎng)的特點主要有兩個：一是因供熱而有一定的溫度；二是供熱需求呈季節(jié)性。

舉例來看，河南省商丘市集中供熱管網(wǎng)建設(shè)項目有：新建本市居民區(qū)采暖熱水主管網(wǎng)直徑DN1200mm，共42.2公里，供水、回水溫度選擇120/60℃，設(shè)計壓力1.6Mpa。新建供應(yīng)產(chǎn)業(yè)集群、開發(fā)區(qū)的工業(yè)蒸汽管網(wǎng)50公里，主管直徑DN600mm，設(shè)計溫度300℃，設(shè)計壓力2.5 Mpa，供汽量可達150t/h。

又例如山西省長治市熱源集中供熱管網(wǎng)工程（一期）（更新），新敷設(shè)供熱管網(wǎng)67.65公里，其中DN1400mm管網(wǎng)10.1公里；DN1200-DN400mm供熱主管網(wǎng)18.3公里，DN300-DN150mm供熱支管網(wǎng)39.28公里。

一般來說，采暖熱水主管其溫度在120~100℃左右，工作管用鋼管（埋弧焊管，高頻焊管等）；供熱支線溫度在75-60℃左右，工作管用鍍鋅焊管、鋼塑復(fù)合管以及PE管等。工業(yè)蒸汽用管溫度300-350℃，工作管用鋼管（埋弧焊管及高頻焊管等）。

3.3城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的幾個主要技術(shù)特點述評

城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)是供熱系統(tǒng)的重要組成部分，主要是輸送高溫高壓水及蒸汽。因此，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)與其他市政管網(wǎng)（供水、燃氣等）有共性的一面（例如都是埋地管網(wǎng)等）；也有個性的一面，其特征主要有如下幾點：①從結(jié)構(gòu)上來看，鋼管需要有保溫層，有熱伸長補償器；②從管網(wǎng)應(yīng)力分布來看，有熱應(yīng)力時空變化的特征；③熱力管網(wǎng)連續(xù)且季節(jié)性運行，冷熱沖擊，干濕交替，腐蝕形貌和特征決定耐高溫內(nèi)防腐層要具有良好的熱穩(wěn)定性；④在安裝上，常常采用預(yù)制直埋保溫鋼管作為輸熱管網(wǎng)的工作管，例如塑套鋼預(yù)制直埋熱力管道（聚氨酯保溫層鋼管），以及補償器、固定支架、滑動支座等均在工廠預(yù)制；在水平定向鉆穿越施工時，主要保護保溫塑套外護管及接頭保溫結(jié)構(gòu)；在綜合管廊內(nèi)安裝時，要按照熱力管膨脹位移以及補償方式來全方位考慮管廊的整體布局。

3.3.1城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點

①供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，一般來說100-120℃溫度的高溫?zé)崴艿溃刹捎镁垡蚁┳o套聚氨酯保溫鋼管，纏繞玻璃外護層聚氨酯保溫鋼管；300-350℃高溫蒸汽供熱管道采用鋼（管）護套保溫鋼管；水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling）采用鋼套保溫鋼管。就是兩層鋼管套在一起，內(nèi)部的鋼管為工作管，輸送高溫水或蒸汽等介質(zhì)；外部鋼管既是工作管的保護管，也是工作管伸縮固定的主要受力體，類似一個密封嚴密的管溝。工作管和外護管之間是保溫層和空氣層，保溫層可用超細玻璃絲綿。目前由于鋼材漲價因而出現(xiàn)的新課題是研制用聚氨酯鋼化層取代外套鋼管。

供水溫度≤75℃，壓力≤1.0Mpa的城鎮(zhèn)供熱二級管網(wǎng)和地暖管可采用PE-RTII型管，城鎮(zhèn)熱供熱二級管網(wǎng)也可用鍍鋅鋼管、鋼塑復(fù)合管等。

②供熱管網(wǎng)有熱伸長補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)。常用的有波紋管補償器，波紋管的材料為316L不銹鋼。此外補償器還有自然補償器（方形補償器）、套筒補償器、旋轉(zhuǎn)補償器等。

表2 補償器種類的優(yōu)缺點比較

③供熱鋼管內(nèi)壁防腐的結(jié)構(gòu)

以前供熱鋼管內(nèi)壁若采用普通防腐涂料，因耐高溫性能差，故一般都未作防腐保護，老舊熱力管網(wǎng)因內(nèi)壁腐蝕嚴重需要更新改造。在全球大量修復(fù)舊管道的工程中也已經(jīng)廣泛采用非開挖方式——通過在舊管道中拉入一根柔性的全塑料管，我國燃氣管工程已采用這種方法。北京熱力集團在2020年8月為朝陽區(qū)望京花園西區(qū)這個老舊小區(qū)改造熱力舊管道時，因為工期短、環(huán)境復(fù)雜，而采用了非挖掘方法，即所謂“翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯”技術(shù)，就是以一種復(fù)合纖維增強的軟管做載體，浸漬環(huán)氧或不飽和樹脂后，用壓縮空氣做動力，將軟管緊貼在舊管內(nèi)壁，固化后在舊管內(nèi)形成整體性強的防腐蝕內(nèi)壁層。這種“翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯”技術(shù)體現(xiàn)了“低碳化”。

國內(nèi)有多家科研機構(gòu)如寶雞石油鋼管公司研究院等開發(fā)出耐高溫內(nèi)防腐涂料及熱力鋼管的內(nèi)壁防腐制造新工藝，在國內(nèi)首次開發(fā)出耐高溫、內(nèi)防腐熱力管道。^[1]耐高溫內(nèi)防腐涂料是一種以環(huán)氧改性的耐高溫酚醛樹脂為主要成膜基料，加入不同比例的耐熱顏填料、環(huán)氧硅烷偶聯(lián)劑、磷酸酯偶聯(lián)劑、耐熱有機硅、特種添加劑等制備而成。防腐制造新工藝主要采用噴涂、成膜及固化工藝從而制成耐高溫防腐涂層。應(yīng)用于熱力管道，最高運行溫度實現(xiàn)了從80℃到130℃的突破，沒有被腐蝕，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。延長使用壽命，也是低碳的內(nèi)涵。

④熱力管網(wǎng)在綜合管廊內(nèi)布置結(jié)構(gòu)

熱力管網(wǎng)溫度控制范圍≤120℃，蒸氣管網(wǎng)溫度控制范圍＜250℃，支線工況壓力可控制在≤PN1.6Mpa，每年最多供熱時間為150天。

熱力管網(wǎng)在綜合管廊內(nèi)布置的主要特點是處于高架上，而且其它各種管線以熱力管網(wǎng)技術(shù)要求最高，因此，綜合管廊的結(jié)構(gòu)形式是以滿足熱力管網(wǎng)技術(shù)來進行設(shè)計，主要是適應(yīng)熱力管網(wǎng)的熱膨脹位移，首選以自補償方式吸收熱力管網(wǎng)熱伸長。當采用補償器對熱伸長進行補償，可以采用套筒補償器。

熱力管道尤其是蒸汽管道在綜合管廊內(nèi)架空敷設(shè)有很多支架。傳統(tǒng)支架產(chǎn)生很大的熱橋效應(yīng)，是因為供熱管道尤其是蒸汽管道與支架之間，支架部件之間沒有隔熱措施，使熱量從管道傳遞到支座，再擴散到管廊空氣中。中國市政工程華北設(shè)計研究總院第六設(shè)計研究院研發(fā)了新型架空管道節(jié)能支柱結(jié)構(gòu)，它主要特點是其保溫層為硬質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅足夠支撐中央的工作鋼管，而且切斷了熱橋效應(yīng)，能夠保證熱力管道尤其是蒸汽管道的保溫效果。這種節(jié)能支座消除了傳統(tǒng)支座的熱橋效應(yīng)，是低碳化又一成果。

4.城鎮(zhèn)供熱管道有關(guān)熱力學(xué)的幾個理論問題述評

4.1城鎮(zhèn)供熱管道應(yīng)力狀態(tài)的特征

城鎮(zhèn)供熱管道從結(jié)構(gòu)型式也是埋地的鋼管結(jié)構(gòu)，似乎與燃氣鋼管、輸水鋼管都是埋地結(jié)構(gòu)有相同之處，例如都有內(nèi)壓導(dǎo)致的環(huán)向應(yīng)力、軸向拉應(yīng)力、以及外部荷載及管溝基礎(chǔ)缺陷形成的彎曲壓力。但是埋地供熱鋼管道有溫度效應(yīng)使鋼管伸長而引起的軸向壓應(yīng)力，是典型的三向拉應(yīng)力狀態(tài)。管道運行狀態(tài)還受到管道與土壤間的摩擦的變化，時刻影響到供熱管道錨固段與過渡段補償器軸向壓應(yīng)力的改變，造成供熱管道力學(xué)響應(yīng)具有顯著時空演變的特征。

①直埋供熱管道的工作管（鋼管）當量應(yīng)力的確定

簡言之，工作管實際發(fā)生的軸向應(yīng)變是熱膨脹應(yīng)變與軸向壓縮應(yīng)變以及熱膨脹應(yīng)變與保溫管周圍土壤摩擦產(chǎn)生的應(yīng)變這三者疊加耦合的結(jié)果。根據(jù)標準CJJ/T81-2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》，應(yīng)采用第三強度理論計算管道的當量應(yīng)力，有文獻^[2]歸納當量應(yīng)力計算公式如下：

σ_e(x,t)= σ_b(x,t)+ σ_c(x,t)+(1-υ) σ_h(t)

式中：σ_e(x,t)——當量應(yīng)力，pa；   σ_c(x,t)——工作管軸向應(yīng)力，pa；

     σ_b(x,t)——工作管彎曲應(yīng)力，pa；   σ_h(x,t)——工作管環(huán)向應(yīng)力，pa。

      σ_e(x,t) ≤3σa₁₁                          σa₁₁——鋼管許用應(yīng)力

舉例：某直埋供熱水管，其工作管參數(shù)如下：DN350mm，壁厚9 mm，外直徑377 mm，鋼材Q235B，泊松系數(shù)υ=0.3，屈服限σs=235Mpa，σa₁₁=125 Mpa。

保溫管一端連結(jié)固定支架，另一端連結(jié)波紋管補償器。計算其錨固段的當量應(yīng)力σ_e為228 Mpa及過渡段的當量應(yīng)力σ_e為229.4Mpa，均小于3倍鋼材許用應(yīng)力σa₁₁，所設(shè)計的工作管（鋼管）的基本參數(shù)是合理的，可靠的。

②直埋供熱管道的工作管（鋼管）過渡段最大長度的確定

供熱管道由于熱脹而伸長，因而和土壤有相對滑動，從而導(dǎo)致了土壤作用于管道的軸向摩擦力。當土壤與直管段的摩擦力大于管道的主動軸向力時，此管道段稱為錨固段；當土壤與直管段的摩擦力小于管道的直主動軸向力時，此直管段稱為過渡段。

最大軸向力F_max=10⁶[α E(t₁-t₀)- υσ_t]

1+Ko

主管段與土壤的最小單位長度程度摩擦力

4

2

F_min=0.2(        πD_cσa+G-        D_c²pg)

直管過渡段最大長度L_max=

（公式內(nèi)詳細參數(shù)見文獻3）由于管材PE管的線膨脹系數(shù)α比鋼管的線膨脹系數(shù)α小很多，因而熱膨脹伸長很小；不會產(chǎn)生熱位移。

③從低碳化、減量化視角，看埋地供熱管道的工作管（鋼管）壁厚的確定

2σa11

埋地供熱管道的工作管（鋼管）在內(nèi)壓作用下，工作管的壁厚的計算公式一般通用為：δ=

埋地供熱管道由于熱源行業(yè)的不同，工作管（鋼管）壁厚計算方法略有參數(shù)上的補充或修正。例如：直埋蒸汽管道工作管（鋼管）壁厚計算方法參照DL/T5366-2014《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，在內(nèi)壓作用下，工作管直管計算壁厚δ_c的計算式為：^[4]

0.5 pDo

δ_c=δ_m+δ      (1)

σa11β+ rp

δ_m=                   +δ_add      (2)           δ=               (3)

式中：δc---工作管直管的計算壁厚，mm， δm---工作管直管的最小壁厚，mm，

δ---工作管直管壁厚負偏差的附加值，mm；

P---工作管的設(shè)計壓力，Mpa；Do---工作管直管的外徑，mm；

σa₁₁---鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，Mpa；r---修正系數(shù)，取0.4；

β---許用應(yīng)力修正系數(shù)，取1.0；σa_dd---有腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，mm，取2mm；

 m---管子產(chǎn)品技術(shù)條件中規(guī)定的壁厚允許負偏差，取15%。

舉例：某蒸汽直埋管道DN300mm和DN250mm，其工作管外直徑Do分別為325mm和273mm，設(shè)計壓力分別為4.0 Mpa和1.6 Mpa，蒸汽設(shè)計溫度為350℃，可選鋼材的品種有Q235B或20號鋼，對應(yīng)的許用應(yīng)力σa₁₁分別為77Mpa和92Mpa。從低碳化、減量化視角來選鋼材品種：鋼材許用應(yīng)力大，鋼材抗拉強度和變形能力越強，鋼管壁厚相應(yīng)減少，鋼管重量因而減輕，其鋼材冶金過程減排CO₂越少。從低碳角度應(yīng)選鋼材20號鋼，就已知參數(shù)代入（1）、（2）、（3）式中，可計算得DN300mm和DN250mm的工作管的計算壁厚（經(jīng)向上圓整后）分別為11mm和7mm。

4.2城鎮(zhèn)供熱管道的工作管（鋼管）內(nèi)壁腐蝕是其主要短板

4.2.1城鎮(zhèn)供熱管道的工作管輸送高溫水的運行特征

城鎮(zhèn)供熱老舊管道失效的主要原因在于內(nèi)壁腐蝕嚴重，鋼管內(nèi)壁粗糙度增加，腐蝕產(chǎn)生沉淀物使水質(zhì)受到污染從而加速腐蝕。于是工作管（鋼管）壁厚減薄，致使鋼管失效乃至爆裂，溢出高溫水造成事故頻發(fā)。供熱管道的水污染問題不同于城鎮(zhèn)供水管道的水污染問題。因此，熱力管道的腐蝕機理有待于深入研究。

①供熱管道基本參數(shù)：一般設(shè)計最高供水溫度為130℃，實際供水溫度一般小于120℃；供水壓力一般設(shè)計最高4Mpa，實際供水壓力一般小于3.5 Mpa。水質(zhì)為處理后的軟化水，水流速為1-3m/s。

②季節(jié)性運行：供暖期間，每年最多供熱為150天，鋼管充滿了熱水；非供暖期間，鋼管內(nèi)與大氣接觸。因此，冷熱沖擊，干濕交替。

4.2.2城鎮(zhèn)供熱管道的工作管（鋼管）腐蝕機理的特征

（1）在供暖期間。水溫是鋼管內(nèi)壁腐蝕的重要因素：溫度越高，溶解氧越高，從而腐蝕越快。有文獻提供數(shù)據(jù)，水溫每提高10℃，腐蝕速度加快1倍^[5]。在供暖期間，鋼管內(nèi)充滿了水，軟化水的含氧量受到控制，因氧化導(dǎo)致碳鋼腐蝕率也從而受到控制。此時鋼管內(nèi)壁腐蝕的因素主要來自介質(zhì)沖刷腐蝕和鋼管基材引起的電化學(xué)腐蝕。

（2）在非供暖期間。鋼管內(nèi)充滿了空氣，內(nèi)壁含氧濃度大，腐蝕速度加快，比供暖期進一步增加。因為管道停止供熱時的流動氧使鋼管內(nèi)壁水膜，水滴下存在大量活躍的腐蝕電池反應(yīng)。^[6]

從以上分析可知，供熱管道的全生命周期不僅包括供熱期間，也包括非供熱期間，從低碳化角度來看，要延長城鎮(zhèn)供熱管道全生命周期，關(guān)鍵在于補短板，也就是提高熱力管道耐高溫內(nèi)防腐的性能。

5.  城鎮(zhèn)供熱行業(yè)參與碳交易和碳市場的機遇與挑戰(zhàn)

2021年3月15日，習(xí)近平總書記指出：“實現(xiàn)‘碳達峰’‘碳中和’是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，要把‘碳達峰’‘碳中和’納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現(xiàn)2030年前碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。”

城鎮(zhèn)供熱行業(yè)屬于“三高一低”行業(yè)，節(jié)能減排任務(wù)很重。城鎮(zhèn)供熱行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)有三大組成部分：熱源廠、換熱站和供熱管網(wǎng)。從熱源廠來看，往往與電力分不開，多是熱電聯(lián)產(chǎn)機組。從發(fā)展方向來看，“核電+調(diào)峰火電余熱+電驅(qū)動熱泵”組成供熱源。從某種意義上來說，熱力公司依附于電力行業(yè)。

我國目前碳排放權(quán)交易市場開放的順序依次是：電力、石化、鋼鐵、有色等。發(fā)電行業(yè)重點排放單位2162家（年覆蓋45億噸CO₂排放量)已于2021年7月16日上線碳放權(quán)交易市場。熱力行業(yè)有可能進入發(fā)電行業(yè)碳排放權(quán)交易市場。

舉例來看，京能集團以40億元投資建設(shè)湖北十堰熱電聯(lián)產(chǎn)工程一期于2019年上半年投產(chǎn)，這是國務(wù)院批復(fù)的《丹江口庫區(qū)及上游地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃》的第一批啟動項目，為保障南水北調(diào)中線水源區(qū)生態(tài)環(huán)境，自枯水季保供電及十堰市城區(qū)首次“一張網(wǎng)”供熱來看，真正實現(xiàn)了水電、火電互補和電力、熱力互補。2019年京能十堰熱電累計完成發(fā)電量25.04億千瓦時，供熱量367.3萬吉焦，上交利稅1043萬元，滿足了十堰市快速增長的電力、熱力的需求，并推動了城市社會經(jīng)濟的發(fā)展。京能集團有可能獲得碳排放權(quán)進入發(fā)電碳交易市場。

城鎮(zhèn)供熱行業(yè)低碳工作要有序推進，防止運動式“減碳”，不要讓著力點“跑偏”。2021年8月17日國家發(fā)改委線上發(fā)布會提出“糾偏”，主要有三個方面：“一是目標設(shè)定過高，脫離實際。二是遏制‘兩高’行動乏力。三是節(jié)能減排基礎(chǔ)不牢。”這三個方面的“糾偏”，為城鎮(zhèn)供熱行業(yè)低碳工作樹立正確導(dǎo)向、落實細化措施有重要意義。

這里重點展開第三個方面即如何夯實節(jié)能減排管理的基礎(chǔ)。

城鎮(zhèn)供熱行業(yè)各企業(yè)（包括熱源廠、換熱站和管網(wǎng)及制造等）要摸清自身全生命周期的碳足跡（carbon footprint)。這方面，國內(nèi)外都有措施可供借鑒。英國環(huán)境署開發(fā)了全國通用性碳足跡計算器，各個企業(yè)根據(jù)自身特定的生產(chǎn)、運行和商業(yè)活動等，開發(fā)了自己的碳模型和計算器，都是以排放的CO₂計算。中國正在跟上世界低碳技術(shù)的進步；中國鋼鐵行業(yè)已開展碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)填報工作，建立了鋼鐵行業(yè)碳排放統(tǒng)計體系，編制了統(tǒng)計匯報軟件，為碳配額分配提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

為此，城鎮(zhèn)供熱行業(yè)要設(shè)立企業(yè)專職低碳管理部門，建立低碳管理網(wǎng)絡(luò)，要有負責(zé)低碳專人來管。同時，建立低碳管理方面的規(guī)章制度，實現(xiàn)規(guī)范化、標準化運行，向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。這里有一個關(guān)鍵問題，就是計量是碳排放統(tǒng)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能源儀器儀表要配置完善，計量要準確。不但要計算出工序能耗，而且要計算出工位能耗。能耗計量的范圍包括一次能源（煤、電、油、氣）、二次能源（余壓、余熱、余能）。以此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從而建立碳排放統(tǒng)計體系，編制出統(tǒng)計匯報軟件。

能源消耗和碳排放之間如何換算？浙江湖州在全國首創(chuàng)推出“能源碳效碼”。^[7]依托電力大數(shù)據(jù)平臺，集成企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營用電、用氣、用煤、用油等能耗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成碳排放量，進行精準統(tǒng)計、分析和賦碼，讓企業(yè)能效水平一“碼”了然。精準定位企業(yè)能耗消費“碳足跡”。湖州開發(fā)的“能源碳效碼”可供城鎮(zhèn)熱力行業(yè)在設(shè)計低碳統(tǒng)計匯報軟件時作參考。

企業(yè)碳排放配額如何計算？年度碳碳排放量如何確定？有關(guān)文獻^[8]介紹，目前碳排放配額由生態(tài)環(huán)境部門根據(jù)溫室氣體排放控制要求，綜合考慮經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、大氣污染物排放協(xié)同控制等因素，確定當年度碳排放配額分配方案。企業(yè)當年度的實際碳排放量，由企業(yè)申報，再經(jīng)生態(tài)環(huán)境部門審核，最終確定。

6.  結(jié)束語

在低碳轉(zhuǎn)型的起步階段，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)區(qū)域集中供熱面積加速增長，清潔取暖率得以急劇提升。水熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)結(jié)合大型跨季蓄熱裝置，是“中國方案”的首創(chuàng)，熱電聯(lián)產(chǎn)機組是熱源廠的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)。城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)主要特點是因供熱而引起伸長具有熱力學(xué)的特征，因供熱有季節(jié)性而引起冷熱沖擊，在工作管（鋼管）內(nèi)壁存在腐蝕的機理。有效的防腐措施能夠延長供熱管網(wǎng)壽命，和鋼管輕量化是低碳轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)涵。在供熱管網(wǎng)低碳轉(zhuǎn)型的起步階段，重點是夯實節(jié)能減排的基礎(chǔ)，摸清自身全生命周期的碳足跡，建立碳排放的統(tǒng)計體系，為進入碳交易市場提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻

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2.  馮新、王子豪等，供熱管道應(yīng)力分布式實時監(jiān)控方法與原型試驗，管道商務(wù)與技術(shù)，2019年5月，37~42頁。

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7.  唐聞宜，碳排放一碼了然，新民晚報，2021年3月16日，14版。

8.  胡引鳳，碳排放配額可以“換錢”了，新民晚報，2021年8約24日，12版。