低碳轉型是我國城鎮供熱管網綠色發展之路

彭在美，上海鋼管行業協會，上海，200070

【內容提要】本文簡述了我國城鎮供熱行業產業鏈的概況，屬于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行業。供熱領域綠色化的切入點是布局區域集中供熱管網和徹底改變以煤為主的能源結構。供熱系統實現低碳化的根本途徑是“清潔電力+余熱利用”。預計“十四五”期間將建設供熱管網總長度約5萬公里。城鎮供熱管網的特點：一是溫度升高導致熱伸長，要有補償器；二是供熱有季節性，冷熱沖擊，干濕交替，在鋼管內壁要有耐高溫防腐措施。討論了供熱管道有關熱力學的當量應力、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防腐蝕的性能。熱力公司要摸清自身的碳足跡，提高節能減排的效果，爭取碳排放權，為進入碳市場作鋪墊。城鎮熱力行業與電力行業因熱電聯產而密不可分，可以同時進入火電行業碳排放權的碳交易市場。

1.我國城鎮供熱行業能耗現狀概況

我國城鎮供熱行業產業鏈屬于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行業。據有關統計顯示，2020年，我國建筑業運行階段CO₂排放量為21.7億噸，其中化石燃料燃燒排放6.9億噸，而城鎮供熱系統化石燃料排放占到總化石燃料燃燒排放的76%。

我國北方城鎮采暖熱源主要來自熱電聯產和各類燃煤、燃氣鍋爐。其中燃煤供熱比重達70~80%。據有關研究部門測算，2018年，北方城鎮供暖能耗為2.12億噸標準煤，排放量為5.5億噸CO₂。

截止2020年底，我國北方城鎮供熱面積約147億平方米，農村供熱面積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。我國南方地區供暖需求呈爆發式增長，預計到2030年，我國南方地區包括區域供暖用戶數量共計將達到9700萬戶左右，屆時碳排放潛力將超過7000萬噸CO₂。

2.城鎮供熱管網探索低碳綠色發展之路

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

2.1區域集中供熱面積繼續增長，單位面積供暖能耗不斷下降

區域集中供暖作為節約能源、減少污染物排放的高效供熱系統，是當前分步實施改造的重點領域。根據住房和城鄉建設部于2020年12月發布的《2019年城市建設統計年鑒》和《2019年城鄉建設統計年鑒》，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%。據統計，我國每年新增城鎮集中供熱面積均在3~5億平方米，但新增熱源超50%與燃煤有關。

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，例如重慶市渝北區投資80億元，在社區建一個能源供應站，通過管道集中供應暖氣或冷氣，5年內分布式覆蓋1000萬平方米居民樓；全國各類工業園區有國家級、省級、市級、縣級和鎮級約1萬多家，需要新建集中供熱（冷）區，例如，陜西省蒲城縣高新技術產業開發區投資1.6億元建設供熱項目，提供工業用蒸汽。另一個是老舊供熱管網改造，例如：遼寧省沈陽市供熱管網總長約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。河北省三年內計劃改造供熱管網4891公里，例如滄州市熱力有限公司和昊天熱力發展有限公司2021年將改造全市73個老舊小區供熱管網，改造面積約277.7萬平方米。

集中供熱系統要實現低碳化，有兩個方面的工作要做：一個是提高能效。目前我國供熱系統的平均能效約30%，最大挖掘潛力是供熱管網實現三零---零節流、零過流量、零過熱量。歸根結蒂，要提高管網輸送效率。另一個是，使用清潔能源的熱源。

2.2徹底改變能源結構，是集中供熱系統實現低碳化的根本途徑

前已敘述，超50%的新增熱源均與燃煤有關。因此，正在改變能源結構，由燃煤、燃油、燃氣的熱源結構，轉變為水、風、光、核電和生物質能等清潔的熱源結構，擺脫對化石能源的依賴。（說明：目前歐洲一些國家認為風電會破壞生態平衡。）

尤其在2016年以來，我國清潔取暖率得以快速提升。有關研究單位統計數據，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實現清潔能源的熱源主要途徑：清潔電力+余熱利用

供熱領域實現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，未來國內尤其是北方城鎮供熱源將由“核電+調峰火電余熱+電驅動熱泵”等協同組成。

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。國外對發展風電存在爭議；國內風電、光伏的能源優勢在西北地區，而大多用戶集中在北方和東南沿海地區。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《核電中長期發展規劃》，到2020年，國內核電裝機容量達到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、中國城鎮供熱協會副理事長江億測算，充分利用1億千瓦核電產生的1.5億千瓦余熱，和1億千瓦調峰火電產生的4.5億千瓦余熱，再輔之以用燃氣末端調峰，即可為北方地區160億平方米建筑提供所需熱源；而其余則可采用多種電驅動熱泵、工業低品位余熱、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“調峰火電”，主要指的我國600℃以上蒸汽參數的超超臨界（USC）機組，占全球同類裝機80%以上。目前正在攻關700℃（USC）發電技術，推進60萬千瓦超超臨界CFB發電示范，已達到650℃/105h階段，逼近700℃目標值。發展方向是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“燃氣末端調峰”，就是燃氣熱電聯產機組。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，積極推動燃氣調峰電站項目建設，可利用天然氣3億立方米，新增供熱能力1200萬平方米，滿足以深哈產業園區為核心的環西片區供熱需求。

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）統籌供熱供氣。

又例如寧夏山嘴山市天然氣供熱（天然氣管網）工程，都起到燃氣末端調峰的功能。

這里所謂“多種電驅動熱泵”，舉例河北省任澤區地源熱泵供能項目，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新型地源熱泵清潔能源供暖項目，室外鉆井總數量約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建設項目，新建泵站一座，熱力管網DN1200mm，長度21.4公里，中水一次管網DN800mm，長度1.2公里；中水二次管網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電廠項目。黑龍江省望奎縣鎮和佳木斯市撫遠縣各建設一座生物質熱電聯產項目，設計規模均為30MW。山東省建設2×15MW生物質熱電項目，包括兩臺75 t/h高溫高壓秸稈直燃循環流化床鍋爐，兩臺15MW凝汽式汽輪發電機組。

這里所謂“工業多品位余熱”，是指工業余熱余壓高效回收利用，高溫煙氣凈化回收利用，冶金行業各種生產工序的余熱余壓能量回收。目前工業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。工業余熱利用多為蒸氣發電系統。

鋼鐵企業實現煤氣、蒸汽等熱能回收利用，使得98%以上的資源得到深度開發。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鍵技術的開發與應用”是國內首創；沙鋼集團與社會70多家企業實現蒸汽資源共享；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、轉爐等生產工序的余熱，接入中陽縣城集中供熱設施，增加了集中供熱的面積，淘汰了數百臺采暖燃煤小鍋爐，使企業綠色發展的效益從內部延伸到社會。

2.3.2水熱聯產技術結合大型跨季蓄熱裝置，是“中國方案”的首創。

中國家電投山東核電與清華大學聯合建設的世界首創“水熱同產同送”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。

據江億測算，水熱聯產技術結合大型跨季節儲熱，1億千瓦的核電廠可年產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+熱電聯產”的50%。將為我國北方沿海地區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——核能供暖節能改造項目，建設地點位于浙江省嘉興市，建設周期：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。

供熱有季節性的特點，因此，大量的核電、工業、數據中心等余熱，都應高效存儲于冬季供暖，而利用大型跨季節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，一是在沿海地區建設若干大型跨季節蓄熱裝置，開發利用沿海地區核電、火電、鋼鐵企業余熱，理論上可為80億平方米建筑供熱；二是在北方地區建設若干大型跨季節儲熱裝置，開發利用現存的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。三是在中西部地區建設若干中型跨季度蓄熱裝置，開發利用鋼鐵、有色、化工、機電產業和垃圾焚燒等余熱，有望為10億平方米建筑供熱。

2.3.3城鎮供熱系統碳達峰、碳中和的愿景

城鎮供熱系統力爭2030年城鎮分散煤爐基本清零，到2035年城鎮供暖累計替代煤1.1億噸，基本實現農村地區無煤化，實現城鎮供熱領域清潔化。因此，全國各類煤炭、燃油小鍋爐多達100萬臺要關停。例如河北省辛集市主城區散煤替代集中供熱（含保障房）項目，天津市武清區燃煤供熱站改燃天然氣管網配套工程，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，每年將有數百家改造為熱電聯產集中供熱供汽項目?！笆濉逼陂g對9.5億千瓦的燃煤發電機組進行改造，建成全世界最大的清潔發電體系，對京津冀及周邊地區的冬季清潔取暖的散煤替代，完成了2500多萬戶。因此，城鎮供熱系統碳排放先于建筑達峰，與電力系統同步實現碳中和，與電力系統同步進入碳市場。

3.城鎮供熱管道的幾個熱點問題

3.1城鎮供熱管道概況

城鎮供熱管道與給排水、燃氣管道等同屬于市政管道，近年來發展很快。據統計，我國于20世紀80年代及以前鋪設的市政管網約有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 不同年代地下管網長度及所占比例

2015年以來，我國市政管道建設長度每年約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。預計“十四五”期間將建設供熱管道約5萬公里。2021年基建項目重心已由去年下半年的交通運輸、棚改轉向城鎮建設、城鄉基建項目和市政產業園，這將拉動供熱管道的需求。

3.2城鎮供熱管網的基本特點

城鎮供熱管網有別于其他市政管網的特點主要有兩個：一是因供熱而有一定的溫度；二是供熱需求呈季節性。

舉例來看，河南省商丘市集中供熱管網建設項目有：新建本市居民區采暖熱水主管網直徑DN1200mm，共42.2公里，供水、回水溫度選擇120/60℃，設計壓力1.6Mpa。新建供應產業集群、開發區的工業蒸汽管網50公里，主管直徑DN600mm，設計溫度300℃，設計壓力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工程（一期）（更新），新敷設供熱管網67.65公里，其中DN1400mm管網10.1公里；DN1200-DN400mm供熱主管網18.3公里，DN300-DN150mm供熱支管網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、鋼塑復合管以及PE管等。工業蒸汽用管溫度300-350℃，工作管用鋼管（埋弧焊管及高頻焊管等）。

3.3城鎮供熱管網的幾個主要技術特點述評

城鎮供熱管網是供熱系統的重要組成部分，主要是輸送高溫高壓水及蒸汽。因此，城鎮供熱管網與其他市政管網（供水、燃氣等）有共性的一面（例如都是埋地管網等）；也有個性的一面，其特征主要有如下幾點：①從結構上來看，鋼管需要有保溫層，有熱伸長補償器；②從管網應力分布來看，有熱應力時空變化的特征；③熱力管網連續且季節性運行，冷熱沖擊，干濕交替，腐蝕形貌和特征決定耐高溫內防腐層要具有良好的熱穩定性；④在安裝上，常常采用預制直埋保溫鋼管作為輸熱管網的工作管，例如塑套鋼預制直埋熱力管道（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構；在綜合管廊內安裝時，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城鎮供熱管網的結構特點

①供熱管網的結構，一般來說100-120℃溫度的高溫熱水管道，可采用聚乙烯護套聚氨酯保溫鋼管，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，內部的鋼管為工作管，輸送高溫水或蒸汽等介質；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的城鎮供熱二級管網和地暖管可采用PE-RTII型管，城鎮熱供熱二級管網也可用鍍鋅鋼管、鋼塑復合管等。

②供熱管網有熱伸長補償的結構。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、旋轉補償器等。

表2 補償器種類的優缺點比較

③供熱鋼管內壁防腐的結構

以前供熱鋼管內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，老舊熱力管網因內壁腐蝕嚴重需要更新改造。在全球大量修復舊管道的工程中也已經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月為朝陽區望京花園西區這個老舊小區改造熱力舊管道時，因為工期短、環境復雜，而采用了非挖掘方法，即所謂“翻轉內襯”技術，就是以一種復合纖維增強的軟管做載體，浸漬環氧或不飽和樹脂后，用壓縮空氣做動力，將軟管緊貼在舊管內壁，固化后在舊管內形成整體性強的防腐蝕內壁層。這種“翻轉內襯”技術體現了“低碳化”。

國內有多家科研機構如寶雞石油鋼管公司研究院等開發出耐高溫內防腐涂料及熱力鋼管的內壁防腐制造新工藝，在國內首次開發出耐高溫、內防腐熱力管道。^[1]耐高溫內防腐涂料是一種以環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、環氧硅烷偶聯劑、磷酸酯偶聯劑、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。應用于熱力管道，最高運行溫度實現了從80℃到130℃的突破，沒有被腐蝕，現場應用效果良好。延長使用壽命，也是低碳的內涵。

④熱力管網在綜合管廊內布置結構

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

熱力管網在綜合管廊內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技術要求最高，因此，綜合管廊的結構形式是以滿足熱力管網技術來進行設計，主要是適應熱力管網的熱膨脹位移，首選以自補償方式吸收熱力管網熱伸長。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架空敷設有很多支架。傳統支架產生很大的熱橋效應，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計研究總院第六設計研究院研發了新型架空管道節能支柱結構，它主要特點是其保溫層為硬質復合結構，不僅足夠支撐中央的工作鋼管，而且切斷了熱橋效應，能夠保證熱力管道尤其是蒸汽管道的保溫效果。這種節能支座消除了傳統支座的熱橋效應，是低碳化又一成果。

4.城鎮供熱管道有關熱力學的幾個理論問題述評

4.1城鎮供熱管道應力狀態的特征

城鎮供熱管道從結構型式也是埋地的鋼管結構，似乎與燃氣鋼管、輸水鋼管都是埋地結構有相同之處，例如都有內壓導致的環向應力、軸向拉應力、以及外部荷載及管溝基礎缺陷形成的彎曲壓力。但是埋地供熱鋼管道有溫度效應使鋼管伸長而引起的軸向壓應力，是典型的三向拉應力狀態。管道運行狀態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力的改變，造成供熱管道力學響應具有顯著時空演變的特征。

①直埋供熱管道的工作管（鋼管）當量應力的確定

簡言之，工作管實際發生的軸向應變是熱膨脹應變與軸向壓縮應變以及熱膨脹應變與保溫管周圍土壤摩擦產生的應變這三者疊加耦合的結果。根據標準CJJ/T81-2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》，應采用第三強度理論計算管道的當量應力，有文獻^[2]歸納當量應力計算公式如下：

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

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

     σ_b(x,t)——工作管彎曲應力，pa；   σ_h(x,t)——工作管環向應力，pa。

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

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

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

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

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的不同，工作管（鋼管）壁厚計算方法略有參數上的補充或修正。例如：直埋蒸汽管道工作管（鋼管）壁厚計算方法參照DL/T5366-2014《發電廠汽水管道應力計算技術規程》執行，在內壓作用下，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---工作管的設計壓力，Mpa；Do---工作管直管的外徑，mm；

σa₁₁---鋼材在設計溫度下的許用應力，Mpa；r---修正系數，取0.4；

β---許用應力修正系數，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---管子產品技術條件中規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，設計壓力分別為4.0 Mpa和1.6 Mpa，蒸汽設計溫度為350℃，可選鋼材的品種有Q235B或20號鋼，對應的許用應力σa₁₁分別為77Mpa和92Mpa。從低碳化、減量化視角來選鋼材品種：鋼材許用應力大，鋼材抗拉強度和變形能力越強，鋼管壁厚相應減少，鋼管重量因而減輕，其鋼材冶金過程減排CO₂越少。從低碳角度應選鋼材20號鋼，就已知參數代入（1）、（2）、（3）式中，可計算得DN300mm和DN250mm的工作管的計算壁厚（經向上圓整后）分別為11mm和7mm。

4.2城鎮供熱管道的工作管（鋼管）內壁腐蝕是其主要短板

4.2.1城鎮供熱管道的工作管輸送高溫水的運行特征

城鎮供熱老舊管道失效的主要原因在于內壁腐蝕嚴重，鋼管內壁粗糙度增加，腐蝕產生沉淀物使水質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。供熱管道的水污染問題不同于城鎮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：一般設計最高供水溫度為130℃，實際供水溫度一般小于120℃；供水壓力一般設計最高4Mpa，實際供水壓力一般小于3.5 Mpa。水質為處理后的軟化水，水流速為1-3m/s。

②季節性運行：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，鋼管內與大氣接觸。因此，冷熱沖擊，干濕交替。

4.2.2城鎮供熱管道的工作管（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。有文獻提供數據，水溫每提高10℃，腐蝕速度加快1倍^[5]。在供暖期間，鋼管內充滿了水，軟化水的含氧量受到控制，因氧化導致碳鋼腐蝕率也從而受到控制。此時鋼管內壁腐蝕的因素主要來自介質沖刷腐蝕和鋼管基材引起的電化學腐蝕。

（2）在非供暖期間。鋼管內充滿了空氣，內壁含氧濃度大，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壁水膜，水滴下存在大量活躍的腐蝕電池反應。^[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，要延長城鎮供熱管道全生命周期，關鍵在于補短板，也就是提高熱力管道耐高溫內防腐的性能。

5.  城鎮供熱行業參與碳交易和碳市場的機遇與挑戰

2021年3月15日，習近平總書記指出：“實現‘碳達峰’‘碳中和’是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把‘碳達峰’‘碳中和’納入生態文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現2030年前碳達峰，2060年前實現碳中和的目標?！?/span>

城鎮供熱行業屬于“三高一低”行業，節能減排任務很重。城鎮供熱行業的產業鏈結構有三大組成部分：熱源廠、換熱站和供熱管網。從熱源廠來看，往往與電力分不開，多是熱電聯產機組。從發展方向來看，“核電+調峰火電余熱+電驅動熱泵”組成供熱源。從某種意義上來說，熱力公司依附于電力行業。

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

舉例來看，京能集團以40億元投資建設湖北十堰熱電聯產工程一期于2019年上半年投產，這是國務院批復的《丹江口庫區及上游地區經濟社會發展規劃》的第一批啟動項目，為保障南水北調中線水源區生態環境，自枯水季保供電及十堰市城區首次“一張網”供熱來看，真正實現了水電、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濟的發展。京能集團有可能獲得碳排放權進入發電碳交易市場。

城鎮供熱行業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日國家發改委線上發布會提出“糾偏”，主要有三個方面：“一是目標設定過高，脫離實際。二是遏制‘兩高’行動乏力。三是節能減排基礎不牢?！边@三個方面的“糾偏”，為城鎮供熱行業低碳工作樹立正確導向、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能減排管理的基礎。

城鎮供熱行業各企業（包括熱源廠、換熱站和管網及制造等）要摸清自身全生命周期的碳足跡（carbon footprint)。這方面，國內外都有措施可供借鑒。英國環境署開發了全國通用性碳足跡計算器，各個企業根據自身特定的生產、運行和商業活動等，開發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的進步；中國鋼鐵行業已開展碳排放基礎數據填報工作，建立了鋼鐵行業碳排放統計體系，編制了統計匯報軟件，為碳配額分配提供基礎數據支撐。

為此，城鎮供熱行業要設立企業專職低碳管理部門，建立低碳管理網絡，要有負責低碳專人來管。同時，建立低碳管理方面的規章制度，實現規范化、標準化運行，向智能化、網絡化發展。這里有一個關鍵問題，就是計量是碳排放統計系統的基礎，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）。以此基礎數據從而建立碳排放統計體系，編制出統計匯報軟件。

能源消耗和碳排放之間如何換算？浙江湖州在全國首創推出“能源碳效碼”。^[7]依托電力大數據平臺，集成企業生產經營用電、用氣、用煤、用油等能耗數據，轉換成碳排放量，進行精準統計、分析和賦碼，讓企業能效水平一“碼”了然。精準定位企業能耗消費“碳足跡”。湖州開發的“能源碳效碼”可供城鎮熱力行業在設計低碳統計匯報軟件時作參考。

企業碳排放配額如何計算？年度碳碳排放量如何確定？有關文獻^[8]介紹，目前碳排放配額由生態環境部門根據溫室氣體排放控制要求，綜合考慮經濟增長、產業結構調整、能源結構優化、大氣污染物排放協同控制等因素，確定當年度碳排放配額分配方案。企業當年度的實際碳排放量，由企業申報，再經生態環境部門審核，最終確定。

6.  結束語

在低碳轉型的起步階段，城鎮供熱管網區域集中供熱面積加速增長，清潔取暖率得以急劇提升。水熱聯產技術結合大型跨季蓄熱裝置，是“中國方案”的首創，熱電聯產機組是熱源廠的主要設備結構。城鎮供熱管網主要特點是因供熱而引起伸長具有熱力學的特征，因供熱有季節性而引起冷熱沖擊，在工作管（鋼管）內壁存在腐蝕的機理。有效的防腐措施能夠延長供熱管網壽命，和鋼管輕量化是低碳轉型的重要內涵。在供熱管網低碳轉型的起步階段，重點是夯實節能減排的基礎，摸清自身全生命周期的碳足跡，建立碳排放的統計體系，為進入碳交易市場提供基礎數據支撐。

參考文獻

1.  畢宗岳、黃曉輝等，耐高溫內腐蝕熱力管道性能研究，管道商務與技術，2020年1月，38~42頁。

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

3.  黃慶偉、王淮等，PE-RTII型直埋供熱管道熱膨脹分析，管道商務與技術，2020年9月，44~49頁。

4.  申冠學、吳中正等，蒸汽管直埋穿越河流關鍵技術，管道商務與技術，2020年5月，44~50頁。

5.  張士剛、張軍，淺談熱力管道腐蝕、防腐與施工對策，資源節約與環保，2007年3月，45~57頁。

6.  崔明哲，供熱管道的防腐處理，科技創業家，2012年3月，169~171頁。

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。