低碳转型是我国城镇供热管网绿色发展之路

低碳转型是我国城镇供热管网绿色发展之路

彭在美，上海钢管行业协会，上海，200070

【内容提要】本文简述了我国城镇供热行业产业链的概况，属于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行业。供热领域绿色化的切入点是布局区域集中供热管网和彻底改变以煤为主的能源结构。供热系统实现低碳化的根本途径是“清洁电力+余热利用”。预计“十四五”期间将建设供热管网总长度约5万公里。城镇供热管网的特点：一是温度升高导致热伸长，要有补偿器；二是供热有季节性，冷热冲击，干湿交替，在钢管内壁要有耐高温防腐措施。讨论了供热管道有关热力学的当量应力、过渡段的最大长度、工作钢管计算壁厚与轻量化等问题，和钢管内壁在供热期间和非供热期间都存在腐蚀的机理。从低碳的视角看，延长供热管道的全生命周期，在于提高热力管道耐高温内防腐蚀的性能。热力公司要摸清自身的碳足迹，提高节能减排的效果，争取碳排放权，为进入碳市场作铺垫。城镇热力行业与电力行业因热电联产而密不可分，可以同时进入火电行业碳排放权的碳交易市场。

1.我国城镇供热行业能耗现状概况

我国城镇供热行业产业链属于“三高一低”---高能耗、高排放、高投入、低效率的行业。据有关统计显示，2020年，我国建筑业运行阶段CO₂排放量为21.7亿吨，其中化石燃料燃烧排放6.9亿吨，而城镇供热系统化石燃料排放占到总化石燃料燃烧排放的76%。

我国北方城镇采暖热源主要来自热电联产和各类燃煤、燃气锅炉。其中燃煤供热比重达70~80%。据有关研究部门测算，2018年，北方城镇供暖能耗为2.12亿吨标准煤，排放量为5.5亿吨CO₂。

截止2020年底，我国北方城镇供热面积约147亿平方米，农村供热面积70亿平方米，共计217亿平方米，年耗能约2.8亿吨标准煤当量，排放量为7.26亿吨CO₂。我国南方地区供暖需求呈爆发式增长，预计到2030年，我国南方地区包括区域供暖用户数量共计将达到9700万户左右，届时碳排放潜力将超过7000万吨CO₂。

2.城镇供热管网探索低碳绿色发展之路

最近召开的“碳达峰、碳中和与清洁供热绿色发展国际峰会”上，有关专家指出：供热领域绿色化从四个方面入手：（1）超前布局区域供热管网规划，并分步实施改造，适应未来零碳供热布局；（2）高能耗建筑的节能改造；（3）热力末端减少过量供热；（4）深度挖掘电厂余热、工业余热获取足够的零碳热源。

2.1区域集中供热面积继续增长，单位面积供暖能耗不断下降

区域集中供暖作为节约能源、减少污染物排放的高效供热系统，是当前分步实施改造的重点领域。根据住房和城乡建设部于2020年12月发布的《2019年城市建设统计年鉴》和《2019年城乡建设统计年鉴》，截止2019年底，集中供热面积达约110亿平方米，较2018年增长6亿平方米，增长率约5.78%。其中，北方地区城市集中供热平均单位面积供暖能耗为14.5千克标准煤/平方米，较2015年的17.8千克标准煤/平方米降低了18.5%。据统计，我国每年新增城镇集中供热面积均在3~5亿平方米，但新增热源超50%与燃煤有关。

集中供热面积的增长有两个方面，一个是新增长的面积。全国众多居民社区，例如重庆市渝北区投资80亿元，在社区建一个能源供应站，通过管道集中供应暖气或冷气，5年内分布式覆盖1000万平方米居民楼；全国各类工业园区有国家级、省级、市级、县级和镇级约1万多家，需要新建集中供热（冷）区，例如，陕西省蒲城县高新技术产业开发区投资1.6亿元建设供热项目，提供工业用蒸汽。另一个是老旧供热管网改造，例如：辽宁省沈阳市供热管网总长约1万多公里，局部存在保温层破损、钢管壁腐蚀以及超期服役等问题。河北省三年内计划改造供热管网4891公里，例如沧州市热力有限公司和昊天热力发展有限公司2021年将改造全市73个老旧小区供热管网，改造面积约277.7万平方米。

集中供热系统要实现低碳化，有两个方面的工作要做：一个是提高能效。目前我国供热系统的平均能效约30%，最大挖掘潜力是供热管网实现三零---零节流、零过流量、零过热量。归根结蒂，要提高管网输送效率。另一个是，使用清洁能源的热源。

2.2彻底改变能源结构，是集中供热系统实现低碳化的根本途径

前已叙述，超50%的新增热源均与燃煤有关。因此，正在改变能源结构，由燃煤、燃油、燃气的热源结构，转变为水、风、光、核电和生物质能等清洁的热源结构，摆脱对化石能源的依赖。（说明：目前欧洲一些国家认为风电会破坏生态平衡。）

尤其在2016年以来，我国清洁取暖率得以快速提升。有关研究单位统计数据，2016年，我国清洁供暖面积为69亿平方米，清洁供暖率为34%；到2020年，我国清洁供暖面积已达到144亿立平方米，清洁供暖率为65%。

2.3实现清洁能源的热源主要途径：清洁电力+余热利用

供热领域实现低碳化的总体思路就是要取消各类燃煤燃气锅炉，尽可能依靠清洁电力实现低碳供暖，同时深度挖掘各种余热资源。从操作层面，未来国内尤其是北方城镇供热源将由“核电+调峰火电余热+电驱动热泵”等协同组成。

2.3.1清洁电力的希望寄托于新能源。有专家期望未来40年光伏、风电等清洁能源的整体比重从目前的10%提高到70%以上。国外对发展风电存在争议；国内风电、光伏的能源优势在西北地区，而大多用户集中在北方和东南沿海地区。因此，有专家将清洁电力的另一条思路的重点放在核电。

根据《核电中长期发展规划》，到2020年，国内核电装机容量达到5800万千瓦，位于美国（99070万千瓦）、法国（63130万千瓦）之后居第3位。2019年中国大陆在运核电机组47台，目前在建机组11台的总装机容量为1134万千瓦。2019年上半年，已有山东荣威、福建漳州和广东太平岭核电站核准开工，2020年3月江苏省安排连云港田湾核电站扩建工程开工。有资料显示，目前各地筹建中的核电站达到25个。2030年，中国核电站的总装机容量可能达到1亿千瓦以上。

中国工程院院士、中国城镇供热协会副理事长江亿测算，充分利用1亿千瓦核电产生的1.5亿千瓦余热，和1亿千瓦调峰火电产生的4.5亿千瓦余热，再辅之以用燃气末端调峰，即可为北方地区160亿平方米建筑提供所需热源；而其余则可采用多种电驱动热泵、工业低品位余热、中水水源热泵、垃圾焚烧炉等热源满足。

笔者具体诠释如下：这里所谓“调峰火电”，主要指的我国600℃以上蒸汽参数的超超临界（USC）机组，占全球同类装机80%以上。目前正在攻关700℃（USC）发电技术，推进60万千瓦超超临界CFB发电示范，已达到650℃/105h阶段，逼近700℃目标值。发展方向是100万、120万和160万千瓦超超临界机组，达到效率最高、排放为零的世界最先进的火电水平。

这里所谓“燃气末端调峰”，就是燃气热电联产机组。例如2021年3月31日哈尔滨举行黑龙江省首例大型引用俄气供暖工程启动仪式，积极推动燃气调峰电站项目建设，可利用天然气3亿立方米，新增供热能力1200万平方米，满足以深哈产业园区为核心的环西片区供热需求。

又例如2020年7月30日济南能源集团正式挂牌成立，四公司（济南热力集团、济南热电公司、济南港华燃气公司、山东济华燃气公司）统筹供热供气。

又例如宁夏山嘴山市天然气供热（天然气管网）工程，都起到燃气末端调峰的功能。

这里所谓“多种电驱动热泵”，举例河北省任泽区地源热泵供能项目，总供暖建筑面积59.3万平方米。又例如河北省邢台市信都区新型地源热泵清洁能源供暖项目，室外钻井总数量约1087个，钻孔深度150米，钻孔面积为18600平方米，涉及供热面积23.3万平方米，供热负荷9300KW。

这里所谓“中水水源热泵”，例如河北乐亭余热供热和中水回用综合管网建设项目，新建泵站一座，热力管网DN1200mm，长度21.4公里，中水一次管网DN800mm，长度1.2公里；中水二次管网DN1000mm，长度20.2公里。

这里所谓“垃圾焚烧炉”热源，例如有河南省济源市生活垃圾焚烧发电厂项目。黑龙江省望奎县镇和佳木斯市抚远县各建设一座生物质热电联产项目，设计规模均为30MW。山东省建设2×15MW生物质热电项目，包括两台75 t/h高温高压秸秆直燃循环流化床锅炉，两台15MW凝汽式汽轮发电机组。

这里所谓“工业多品位余热”，是指工业余热余压高效回收利用，高温烟气净化回收利用，冶金行业各种生产工序的余热余压能量回收。目前工业余热回收的方法主要有热交换、热工交换，以及通过热泵将热能直接用于供热，主要用于低温余热收集。工业余热利用多为蒸气发电系统。

钢铁企业实现煤气、蒸汽等热能回收利用，使得98%以上的资源得到深度开发。例如山钢集团“焦炉上升管荒煤气梯级换热中压蒸汽回收关键技术的开发与应用”是国内首创；沙钢集团与社会70多家企业实现蒸汽资源共享；河北邢台德龙钢铁公司高炉冲渣水余热供暖项目，可向周边面积达200多万平方米的居民住宅供暖；山西省吕梁市中阳钢铁公司充分利用高炉冲渣水、烧结、转炉等生产工序的余热，接入中阳县城集中供热设施，增加了集中供热的面积，淘汰了数百台采暖燃煤小锅炉，使企业绿色发展的效益从内部延伸到社会。

2.3.2水热联产技术结合大型跨季蓄热装置，是“中国方案”的首创。

中国家电投山东核电与清华大学联合建设的世界首创“水热同产同送”科技示范工程在山东海阳投运。其通过对核能进行先发电、后制水、再供暖的三级高效利用，为世界“零碳”能耗供热+“零碳”能耗制水提供了方案。

据江亿测算，水热联产技术结合大型跨季节储热，1亿千瓦的核电厂可年产100亿吨淡水，并可为100亿平方米建筑供热，且成本可降低到“南水北调+热电联产”的50%。将为我国北方沿海地区彻底解决水资源问题、零碳供暖问题提出新思路。

“核电供热改造为远距离供热”项目有福建福清、连云港田青、浙江秦山等。例如秦山核电核能综合利用项目——核能供暖节能改造项目，建设地点位于浙江省嘉兴市，建设周期：2021年至2022年，供热水主管线长约14.5公里，管径为DN600mm双管及配套供热首站，厂外热力站等。

供热有季节性的特点，因此，大量的核电、工业、数据中心等余热，都应高效存储于冬季供暖，而利用大型跨季节蓄热装置回收大量余热资源，将使仅能运行3~4个月的余热回收装置实行全年运行。

有专家建议，一是在沿海地区建设若干大型跨季节蓄热装置，开发利用沿海地区核电、火电、钢铁企业余热，理论上可为80亿平方米建筑供热；二是在北方地区建设若干大型跨季节储热装置，开发利用现存的3亿千瓦火电，可以得到4亿千瓦热量，也可以为80亿平方米建筑供热。三是在中西部地区建设若干中型跨季度蓄热装置，开发利用钢铁、有色、化工、机电产业和垃圾焚烧等余热，有望为10亿平方米建筑供热。

2.3.3城镇供热系统碳达峰、碳中和的愿景

城镇供热系统力争2030年城镇分散煤炉基本清零，到2035年城镇供暖累计替代煤1.1亿吨，基本实现农村地区无煤化，实现城镇供热领域清洁化。因此，全国各类煤炭、燃油小锅炉多达100万台要关停。例如河北省辛集市主城区散煤替代集中供热（含保障房）项目，天津市武清区燃煤供热站改燃天然气管网配套工程，陕西省延安市黄陵县黄花沟村、虎尾村、张寨村等煤改气供热站项目，等。要在全国逐步建立清洁取暖长效机制。

全国各类燃煤电厂达8000多家，每年将有数百家改造为热电联产集中供热供汽项目。“十三五”期间对9.5亿千瓦的燃煤发电机组进行改造，建成全世界最大的清洁发电体系，对京津冀及周边地区的冬季清洁取暖的散煤替代，完成了2500多万户。因此，城镇供热系统碳排放先于建筑达峰，与电力系统同步实现碳中和，与电力系统同步进入碳市场。

3.城镇供热管道的几个热点问题

3.1城镇供热管道概况

城镇供热管道与给排水、燃气管道等同属于市政管道，近年来发展很快。据统计，我国于20世纪80年代及以前铺设的市政管网约有18.2万公里，见表1。其中：排水管5.8万公里，供水管9.7万公里，燃气管2.4万公里，供热管0.3万公里，很多已到了使用年限，需要更新。

表1 不同年代地下管网长度及所占比例

2015年以来，我国市政管道建设长度每年约12万公里左右，其中排水管道3万公里，供水管道3.5万公里，燃气管道4万公里，供热管道1万公里。因此，评估到2020年我国供热管道总长度为25万公里左右。预计“十四五”期间将建设供热管道约5万公里。2021年基建项目重心已由去年下半年的交通运输、棚改转向城镇建设、城乡基建项目和市政产业园，这将拉动供热管道的需求。

3.2城镇供热管网的基本特点

城镇供热管网有别于其他市政管网的特点主要有两个：一是因供热而有一定的温度；二是供热需求呈季节性。

举例来看，河南省商丘市集中供热管网建设项目有：新建本市居民区采暖热水主管网直径DN1200mm，共42.2公里，供水、回水温度选择120/60℃，设计压力1.6Mpa。新建供应产业集群、开发区的工业蒸汽管网50公里，主管直径DN600mm，设计温度300℃，设计压力2.5 Mpa，供汽量可达150t/h。

又例如山西省长治市热源集中供热管网工程（一期）（更新），新敷设供热管网67.65公里，其中DN1400mm管网10.1公里；DN1200-DN400mm供热主管网18.3公里，DN300-DN150mm供热支管网39.28公里。

一般来说，采暖热水主管其温度在120~100℃左右，工作管用钢管（埋弧焊管，高频焊管等）；供热支线温度在75-60℃左右，工作管用镀锌焊管、钢塑复合管以及PE管等。工业蒸汽用管温度300-350℃，工作管用钢管（埋弧焊管及高频焊管等）。

3.3城镇供热管网的几个主要技术特点述评

城镇供热管网是供热系统的重要组成部分，主要是输送高温高压水及蒸汽。因此，城镇供热管网与其他市政管网（供水、燃气等）有共性的一面（例如都是埋地管网等）；也有个性的一面，其特征主要有如下几点：①从结构上来看，钢管需要有保温层，有热伸长补偿器；②从管网应力分布来看，有热应力时空变化的特征；③热力管网连续且季节性运行，冷热冲击，干湿交替，腐蚀形貌和特征决定耐高温内防腐层要具有良好的热稳定性；④在安装上，常常采用预制直埋保温钢管作为输热管网的工作管，例如塑套钢预制直埋热力管道（聚氨酯保温层钢管），以及补偿器、固定支架、滑动支座等均在工厂预制；在水平定向钻穿越施工时，主要保护保温塑套外护管及接头保温结构；在综合管廊内安装时，要按照热力管膨胀位移以及补偿方式来全方位考虑管廊的整体布局。

3.3.1城镇供热管网的结构特点

①供热管网的结构，一般来说100-120℃温度的高温热水管道，可采用聚乙烯护套聚氨酯保温钢管，缠绕玻璃外护层聚氨酯保温钢管；300-350℃高温蒸汽供热管道采用钢（管）护套保温钢管；水平定向钻（Horizontal Directional Drilling）采用钢套保温钢管。就是两层钢管套在一起，内部的钢管为工作管，输送高温水或蒸汽等介质；外部钢管既是工作管的保护管，也是工作管伸缩固定的主要受力体，类似一个密封严密的管沟。工作管和外护管之间是保温层和空气层，保温层可用超细玻璃丝绵。目前由于钢材涨价因而出现的新课题是研制用聚氨酯钢化层取代外套钢管。

供水温度≤75℃，压力≤1.0Mpa的城镇供热二级管网和地暖管可采用PE-RTII型管，城镇热供热二级管网也可用镀锌钢管、钢塑复合管等。

②供热管网有热伸长补偿的结构。常用的有波纹管补偿器，波纹管的材料为316L不锈钢。此外补偿器还有自然补偿器（方形补偿器）、套筒补偿器、旋转补偿器等。

表2 补偿器种类的优缺点比较

③供热钢管内壁防腐的结构

以前供热钢管内壁若采用普通防腐涂料，因耐高温性能差，故一般都未作防腐保护，老旧热力管网因内壁腐蚀严重需要更新改造。在全球大量修复旧管道的工程中也已经广泛采用非开挖方式——通过在旧管道中拉入一根柔性的全塑料管，我国燃气管工程已采用这种方法。北京热力集团在2020年8月为朝阳区望京花园西区这个老旧小区改造热力旧管道时，因为工期短、环境复杂，而采用了非挖掘方法，即所谓“翻转内衬”技术，就是以一种复合纤维增强的软管做载体，浸渍环氧或不饱和树脂后，用压缩空气做动力，将软管紧贴在旧管内壁，固化后在旧管内形成整体性强的防腐蚀内壁层。这种“翻转内衬”技术体现了“低碳化”。

国内有多家科研机构如宝鸡石油钢管公司研究院等开发出耐高温内防腐涂料及热力钢管的内壁防腐制造新工艺，在国内首次开发出耐高温、内防腐热力管道。^[1]耐高温内防腐涂料是一种以环氧改性的耐高温酚醛树脂为主要成膜基料，加入不同比例的耐热颜填料、环氧硅烷偶联剂、磷酸酯偶联剂、耐热有机硅、特种添加剂等制备而成。防腐制造新工艺主要采用喷涂、成膜及固化工艺从而制成耐高温防腐涂层。应用于热力管道，最高运行温度实现了从80℃到130℃的突破，没有被腐蚀，现场应用效果良好。延长使用寿命，也是低碳的内涵。

④热力管网在综合管廊内布置结构

热力管网温度控制范围≤120℃，蒸气管网温度控制范围＜250℃，支线工况压力可控制在≤PN1.6Mpa，每年最多供热时间为150天。

热力管网在综合管廊内布置的主要特点是处于高架上，而且其它各种管线以热力管网技术要求最高，因此，综合管廊的结构形式是以满足热力管网技术来进行设计，主要是适应热力管网的热膨胀位移，首选以自补偿方式吸收热力管网热伸长。当采用补偿器对热伸长进行补偿，可以采用套筒补偿器。

热力管道尤其是蒸汽管道在综合管廊内架空敷设有很多支架。传统支架产生很大的热桥效应，是因为供热管道尤其是蒸汽管道与支架之间，支架部件之间没有隔热措施，使热量从管道传递到支座，再扩散到管廊空气中。中国市政工程华北设计研究总院第六设计研究院研发了新型架空管道节能支柱结构，它主要特点是其保温层为硬质复合结构，不仅足够支撑中央的工作钢管，而且切断了热桥效应，能够保证热力管道尤其是蒸汽管道的保温效果。这种节能支座消除了传统支座的热桥效应，是低碳化又一成果。

4.城镇供热管道有关热力学的几个理论问题述评

4.1城镇供热管道应力状态的特征

城镇供热管道从结构型式也是埋地的钢管结构，似乎与燃气钢管、输水钢管都是埋地结构有相同之处，例如都有内压导致的环向应力、轴向拉应力、以及外部荷载及管沟基础缺陷形成的弯曲压力。但是埋地供热钢管道有温度效应使钢管伸长而引起的轴向压应力，是典型的三向拉应力状态。管道运行状态还受到管道与土壤间的摩擦的变化，时刻影响到供热管道锚固段与过渡段补偿器轴向压应力的改变，造成供热管道力学响应具有显著时空演变的特征。

①直埋供热管道的工作管（钢管）当量应力的确定

简言之，工作管实际发生的轴向应变是热膨胀应变与轴向压缩应变以及热膨胀应变与保温管周围土壤摩擦产生的应变这三者叠加耦合的结果。根据标准CJJ/T81-2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》，应采用第三强度理论计算管道的当量应力，有文献^[2]归纳当量应力计算公式如下：

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

式中：σ_e(x,t)——当量应力，pa；   σ_c(x,t)——工作管轴向应力，pa；

     σ_b(x,t)——工作管弯曲应力，pa；   σ_h(x,t)——工作管环向应力，pa。

      σ_e(x,t) ≤3σa₁₁                          σa₁₁——钢管许用应力

举例：某直埋供热水管，其工作管参数如下：DN350mm，壁厚9 mm，外直径377 mm，钢材Q235B，泊松系数υ=0.3，屈服限σs=235Mpa，σa₁₁=125 Mpa。

保温管一端连结固定支架，另一端连结波纹管补偿器。计算其锚固段的当量应力σ_e为228 Mpa及过渡段的当量应力σ_e为229.4Mpa，均小于3倍钢材许用应力σa₁₁，所设计的工作管（钢管）的基本参数是合理的，可靠的。

②直埋供热管道的工作管（钢管）过渡段最大长度的确定

供热管道由于热胀而伸长，因而和土壤有相对滑动，从而导致了土壤作用于管道的轴向摩擦力。当土壤与直管段的摩擦力大于管道的主动轴向力时，此管道段称为锚固段；当土壤与直管段的摩擦力小于管道的直主动轴向力时，此直管段称为过渡段。

最大轴向力F_max=10⁶[α E(t₁-t₀)- υσ_t]

1+Ko

主管段与土壤的最小单位长度程度摩擦力

4

2

F_min=0.2(        πD_cσa+G-        D_c²pg)

直管过渡段最大长度L_max=

（公式内详细参数见文献3）由于管材PE管的线膨胀系数α比钢管的线膨胀系数α小很多，因而热膨胀伸长很小；不会产生热位移。

③从低碳化、减量化视角，看埋地供热管道的工作管（钢管）壁厚的确定

2σa11

埋地供热管道的工作管（钢管）在内压作用下，工作管的壁厚的计算公式一般通用为：δ=

埋地供热管道由于热源行业的不同，工作管（钢管）壁厚计算方法略有参数上的补充或修正。例如：直埋蒸汽管道工作管（钢管）壁厚计算方法参照DL/T5366-2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》执行，在内压作用下，工作管直管计算壁厚δ_c的计算式为：^[4]

0.5 pDo

δ_c=δ_m+δ      (1)

σa11β+ rp

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

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

δ---工作管直管壁厚负偏差的附加值，mm；

P---工作管的设计压力，Mpa；Do---工作管直管的外径，mm；

σa₁₁---钢材在设计温度下的许用应力，Mpa；r---修正系数，取0.4；

β---许用应力修正系数，取1.0；σa_dd---有腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，mm，取2mm；

 m---管子产品技术条件中规定的壁厚允许负偏差，取15%。

举例：某蒸汽直埋管道DN300mm和DN250mm，其工作管外直径Do分别为325mm和273mm，设计压力分别为4.0 Mpa和1.6 Mpa，蒸汽设计温度为350℃，可选钢材的品种有Q235B或20号钢，对应的许用应力σa₁₁分别为77Mpa和92Mpa。从低碳化、减量化视角来选钢材品种：钢材许用应力大，钢材抗拉强度和变形能力越强，钢管壁厚相应减少，钢管重量因而减轻，其钢材冶金过程减排CO₂越少。从低碳角度应选钢材20号钢，就已知参数代入（1）、（2）、（3）式中，可计算得DN300mm和DN250mm的工作管的计算壁厚（经向上圆整后）分别为11mm和7mm。

4.2城镇供热管道的工作管（钢管）内壁腐蚀是其主要短板

4.2.1城镇供热管道的工作管输送高温水的运行特征

城镇供热老旧管道失效的主要原因在于内壁腐蚀严重，钢管内壁粗糙度增加，腐蚀产生沉淀物使水质受到污染从而加速腐蚀。于是工作管（钢管）壁厚减薄，致使钢管失效乃至爆裂，溢出高温水造成事故频发。供热管道的水污染问题不同于城镇供水管道的水污染问题。因此，热力管道的腐蚀机理有待于深入研究。

①供热管道基本参数：一般设计最高供水温度为130℃，实际供水温度一般小于120℃；供水压力一般设计最高4Mpa，实际供水压力一般小于3.5 Mpa。水质为处理后的软化水，水流速为1-3m/s。

②季节性运行：供暖期间，每年最多供热为150天，钢管充满了热水；非供暖期间，钢管内与大气接触。因此，冷热冲击，干湿交替。

4.2.2城镇供热管道的工作管（钢管）腐蚀机理的特征

（1）在供暖期间。水温是钢管内壁腐蚀的重要因素：温度越高，溶解氧越高，从而腐蚀越快。有文献提供数据，水温每提高10℃，腐蚀速度加快1倍^[5]。在供暖期间，钢管内充满了水，软化水的含氧量受到控制，因氧化导致碳钢腐蚀率也从而受到控制。此时钢管内壁腐蚀的因素主要来自介质冲刷腐蚀和钢管基材引起的电化学腐蚀。

（2）在非供暖期间。钢管内充满了空气，内壁含氧浓度大，腐蚀速度加快，比供暖期进一步增加。因为管道停止供热时的流动氧使钢管内壁水膜，水滴下存在大量活跃的腐蚀电池反应。^[6]

从以上分析可知，供热管道的全生命周期不仅包括供热期间，也包括非供热期间，从低碳化角度来看，要延长城镇供热管道全生命周期，关键在于补短板，也就是提高热力管道耐高温内防腐的性能。

5.  城镇供热行业参与碳交易和碳市场的机遇与挑战

2021年3月15日，习近平总书记指出：“实现‘碳达峰’‘碳中和’是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把‘碳达峰’‘碳中和’纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。”

城镇供热行业属于“三高一低”行业，节能减排任务很重。城镇供热行业的产业链结构有三大组成部分：热源厂、换热站和供热管网。从热源厂来看，往往与电力分不开，多是热电联产机组。从发展方向来看，“核电+调峰火电余热+电驱动热泵”组成供热源。从某种意义上来说，热力公司依附于电力行业。

我国目前碳排放权交易市场开放的顺序依次是：电力、石化、钢铁、有色等。发电行业重点排放单位2162家（年覆盖45亿吨CO₂排放量)已于2021年7月16日上线碳放权交易市场。热力行业有可能进入发电行业碳排放权交易市场。

举例来看，京能集团以40亿元投资建设湖北十堰热电联产工程一期于2019年上半年投产，这是国务院批复的《丹江口库区及上游地区经济社会发展规划》的第一批启动项目，为保障南水北调中线水源区生态环境，自枯水季保供电及十堰市城区首次“一张网”供热来看，真正实现了水电、火电互补和电力、热力互补。2019年京能十堰热电累计完成发电量25.04亿千瓦时，供热量367.3万吉焦，上交利税1043万元，满足了十堰市快速增长的电力、热力的需求，并推动了城市社会经济的发展。京能集团有可能获得碳排放权进入发电碳交易市场。

城镇供热行业低碳工作要有序推进，防止运动式“减碳”，不要让着力点“跑偏”。2021年8月17日国家发改委线上发布会提出“纠偏”，主要有三个方面：“一是目标设定过高，脱离实际。二是遏制‘两高’行动乏力。三是节能减排基础不牢。”这三个方面的“纠偏”，为城镇供热行业低碳工作树立正确导向、落实细化措施有重要意义。

这里重点展开第三个方面即如何夯实节能减排管理的基础。

城镇供热行业各企业（包括热源厂、换热站和管网及制造等）要摸清自身全生命周期的碳足迹（carbon footprint)。这方面，国内外都有措施可供借鉴。英国环境署开发了全国通用性碳足迹计算器，各个企业根据自身特定的生产、运行和商业活动等，开发了自己的碳模型和计算器，都是以排放的CO₂计算。中国正在跟上世界低碳技术的进步；中国钢铁行业已开展碳排放基础数据填报工作，建立了钢铁行业碳排放统计体系，编制了统计汇报软件，为碳配额分配提供基础数据支撑。

为此，城镇供热行业要设立企业专职低碳管理部门，建立低碳管理网络，要有负责低碳专人来管。同时，建立低碳管理方面的规章制度，实现规范化、标准化运行，向智能化、网络化发展。这里有一个关键问题，就是计量是碳排放统计系统的基础，能源仪器仪表要配置完善，计量要准确。不但要计算出工序能耗，而且要计算出工位能耗。能耗计量的范围包括一次能源（煤、电、油、气）、二次能源（余压、余热、余能）。以此基础数据从而建立碳排放统计体系，编制出统计汇报软件。

能源消耗和碳排放之间如何换算？浙江湖州在全国首创推出“能源碳效码”。^[7]依托电力大数据平台，集成企业生产经营用电、用气、用煤、用油等能耗数据，转换成碳排放量，进行精准统计、分析和赋码，让企业能效水平一“码”了然。精准定位企业能耗消费“碳足迹”。湖州开发的“能源碳效码”可供城镇热力行业在设计低碳统计汇报软件时作参考。

企业碳排放配额如何计算？年度碳碳排放量如何确定？有关文献^[8]介绍，目前碳排放配额由生态环境部门根据温室气体排放控制要求，综合考虑经济增长、产业结构调整、能源结构优化、大气污染物排放协同控制等因素，确定当年度碳排放配额分配方案。企业当年度的实际碳排放量，由企业申报，再经生态环境部门审核，最终确定。

6.  结束语

在低碳转型的起步阶段，城镇供热管网区域集中供热面积加速增长，清洁取暖率得以急剧提升。水热联产技术结合大型跨季蓄热装置，是“中国方案”的首创，热电联产机组是热源厂的主要设备结构。城镇供热管网主要特点是因供热而引起伸长具有热力学的特征，因供热有季节性而引起冷热冲击，在工作管（钢管）内壁存在腐蚀的机理。有效的防腐措施能够延长供热管网寿命，和钢管轻量化是低碳转型的重要内涵。在供热管网低碳转型的起步阶段，重点是夯实节能减排的基础，摸清自身全生命周期的碳足迹，建立碳排放的统计体系，为进入碳交易市场提供基础数据支撑。

参考文献

1.  毕宗岳、黄晓辉等，耐高温内腐蚀热力管道性能研究，管道商务与技术，2020年1月，38~42页。

2.  冯新、王子豪等，供热管道应力分布式实时监控方法与原型试验，管道商务与技术，2019年5月，37~42页。

3.  黄庆伟、王淮等，PE-RTII型直埋供热管道热膨胀分析，管道商务与技术，2020年9月，44~49页。

4.  申冠学、吴中正等，蒸汽管直埋穿越河流关键技术，管道商务与技术，2020年5月，44~50页。

5.  张士刚、张军，浅谈热力管道腐蚀、防腐与施工对策，资源节约与环保，2007年3月，45~57页。

6.  崔明哲，供热管道的防腐处理，科技创业家，2012年3月，169~171页。

7.  唐闻宜，碳排放一码了然，新民晚报，2021年3月16日，14版。

8.  胡引凤，碳排放配额可以“换钱”了，新民晚报，2021年8约24日，12版。