輸電線路鐵塔及基礎(chǔ)的低碳方案設(shè)計(jì)研究

文陳路 杜海強(qiáng) 何蘭寬

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性綠色革命，本質(zhì)是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，能源活動(dòng)是碳排放的最主要來源，降低化石能源燃燒排放，是碳中和的關(guān)鍵。而現(xiàn)有研究碳排放量計(jì)算各行業(yè)存在差異，缺乏綜合的橫向?qū)Ρ?。因此針?duì)輸電線路的特點(diǎn)，通過對(duì)比主要材料的碳排放及能耗，尋找替代物或者方案，是一條有效的思路。

一、桿塔材料對(duì)環(huán)境的影響及能耗

目前輸電線路鐵塔以角鋼、鋼管等鋼制材料為主。近十年以來，隨著輸電線路建設(shè)加快，尤其是特高壓輸電線路建設(shè)，鋼材使用量大幅上升。

（一）鋼材生產(chǎn)及排放

輸電鐵塔作為鋼鐵需求大戶，每年僅用于110-500千伏輸電線路上鐵塔用鋼材總量在50萬至60萬噸。中國鋼鐵產(chǎn)量位居全球第一，占比達(dá)到全球產(chǎn)量的一半以上。

從能量構(gòu)成來看，高—轉(zhuǎn)長流程的技術(shù)結(jié)構(gòu)仍然是主要的，煤炭和焦炭占總能耗的90%左右，而且能源的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較大的高碳化趨勢。中國的鋼鐵工業(yè)在2021年所產(chǎn)生的二氧化碳排放量僅次于電力及供熱行業(yè)。根據(jù)粗略估計(jì)，鋼鐵工業(yè)用水量占工業(yè)用水總量的20%，廢水排放量約占工業(yè)廢水排放總量的11.3%，二氧化碳排放占工業(yè)排放的比重約18%，煙塵約占全國煙粉塵排放總量的10%。如圖1所示

圖1 鋼鐵工業(yè)對(duì)環(huán)境影響因素占比圖

巨大的鋼產(chǎn)量必然會(huì)加大廢水、廢氣、廢渣等污染物的產(chǎn)生量。這對(duì)我國鋼鐵行業(yè)的排污總量管理提出了嚴(yán)峻的要求。

（二）鋼材生產(chǎn)能耗趨勢及面臨問題

通過不懈的努力，我國鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)能耗和污染物排放方面取得了較大的成效，噸鋼綜合能耗逐年下降。至2020年，鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中每噸鋼材的實(shí)際能耗從694千克/噸減少到545.27千克/噸，削減幅度達(dá)21.4%。

從圖2可知，自2015年開始，至2020年下降趨勢放緩，表明鋼鐵生產(chǎn)能耗及排放優(yōu)化接近瓶頸，進(jìn)一步下降的難度較大。因此擺在面前有兩條路：要么減少輸電線路中鐵塔鋼材使用量，要么采用其他材料替代鋼材，且此材料必須比鋼材低能耗、低排放、同時(shí)還須具備與鋼材差不多的穩(wěn)定力學(xué)特征。

圖2 噸鋼綜合能耗趨勢

二、桿塔鋼材節(jié)能降耗選擇分析

（一）優(yōu)化桿塔重量

自電發(fā)明應(yīng)用以來，輸電線路架設(shè)的載體出現(xiàn)過多種型式，有木制電桿、水泥電桿、懸索支撐架空輸電、復(fù)合材料桿塔等。隨著電壓等級(jí)的不斷提高，桿塔負(fù)荷成倍上升，常規(guī)的木制與水泥電桿慢慢退出歷史舞臺(tái)，大量應(yīng)用鋼制桁架結(jié)構(gòu)的桿塔。

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了大量優(yōu)化工作降低鐵塔重量，如設(shè)計(jì)新型的懸索支撐架空輸電方式。雖然可以大幅度降低桿塔鋼材的使用量，但其適用條件特殊，不適合大規(guī)模推廣。故在常規(guī)Q235、Q355、Q420材質(zhì)不變的情況下，重量優(yōu)化幅度有限。懸索支撐架空輸電如圖3所示。

圖3 懸索支撐架空輸電

（二）桿塔材料替換

既然塔重優(yōu)化成效不大，那么對(duì)替代鋼材的材料研究提上日程，即復(fù)合材料。

我們通常所說的桿塔復(fù)合材料，屬于一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic），是由纖維紡織材料與基體材料（樹脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料，又俗稱玻璃鋼。它是由連續(xù)相（基體、增強(qiáng)體）通過界面相結(jié)合在一起共同作用，其組分的結(jié)合，并沒有化合成一種新材料，基本屬于物理結(jié)合，其中基體材料占70%-75%，玻纖紡織材料占25%-30%，可以認(rèn)為其既是材料又是結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段我國用于桿塔材料制造的原材料玻纖通常選擇玻纖池窯法拉絲生產(chǎn)線，綜合能耗如下：粗紗≤0.55噸標(biāo)煤/噸紗，細(xì)紗≤0.75噸標(biāo)煤/噸紗。少數(shù)高性能以及特種玻纖代鉑坩堝法拉絲生產(chǎn)線實(shí)際能耗≤0.37噸標(biāo)煤/噸紗（不包括玻璃球生產(chǎn)過程中所消耗的能源）。

表1中鋼鐵能耗為我國鋼鐵行業(yè)實(shí)績，與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)水平相符。復(fù)合材料能耗數(shù)值出自行業(yè)準(zhǔn)入條件，是最低標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，復(fù)合材料品種能耗受復(fù)合材料的固化溫度所影響。固化溫度越高，能耗就越高。

表1 鋼鐵與復(fù)合材料能耗對(duì)比表

綜上所述，本文中復(fù)合材料的能耗數(shù)值與現(xiàn)實(shí)存在一定差異，為波動(dòng)范圍值，僅供與鋼鐵生產(chǎn)對(duì)比參考。從數(shù)值上來看，復(fù)合材料的平均能耗低于目前的鋼鐵能耗至少10%。

三、基礎(chǔ)材料對(duì)環(huán)境的影響及能耗

我國目前輸電線路桿塔基礎(chǔ)種類豐富多樣，而水泥、鋼筋作為最為基礎(chǔ)原材料，其消耗量是巨大的。

（一）水泥生產(chǎn)現(xiàn)狀

水泥是輸電線路中的基礎(chǔ)原材料，水泥工業(yè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)密切相關(guān)，在今后很長一段時(shí)間里，混凝土仍然是世界上最重要的建材。自改革開放后，水泥行業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)量多年居世界第一位，2021年中國水泥產(chǎn)量23.63億噸，使用量巨大。

目前，我國的水泥生產(chǎn)工藝大致可以歸結(jié)為“兩磨一燒”，其中碳酸鹽分解、燃料燃燒以及用電產(chǎn)生的二氧化碳是其產(chǎn)生的碳排放量。在水泥生產(chǎn)中，90%的碳都來自于生產(chǎn)時(shí)，而這些碳的排放量是由尾氣處理設(shè)備排到空氣中的。

除溫室氣體排放外，我國的工業(yè)排放中，水泥生產(chǎn)的煙塵的排放量占70-80%（含無組織排放）。雖然國家對(duì)水泥行業(yè)的環(huán)保問題日益重視，通過政策引導(dǎo)，使水泥生產(chǎn)的粉塵排放量逐年降低，但距理想目標(biāo)依舊任重道遠(yuǎn)。目前國內(nèi)多數(shù)立窯和干法中空窯企業(yè)，粉塵排放依然遠(yuǎn)未達(dá)標(biāo)。

（二）水泥生產(chǎn)能耗分析

目前國內(nèi)存在的水泥生產(chǎn)型式有新型干法窯、機(jī)立窯、濕法窯、干法中空窯幾種主要形式。與新型干法水泥相比，小立窯和濕法窯等落后的生產(chǎn)工藝能耗要高30%-40%，且存在的比重不低，這就造成了我國水泥工業(yè)整體能耗居高不下的局面。

從表2可以看出，水泥的生產(chǎn)能耗相對(duì)鋼材和復(fù)合材料低約30%。但根據(jù)全壽命周期評(píng)估而言，鋼結(jié)構(gòu)較混凝土結(jié)構(gòu)總能耗低18%，所以在實(shí)際工程建設(shè)中，水泥的能耗較鋼材低約12%左右，與復(fù)合材料的能耗相當(dāng)，但水泥的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)高于復(fù)合材料。

表2 水泥生產(chǎn)方式能耗表

四、桿塔、基礎(chǔ)廢舊物資回收及處理

眾所周知，鋼材是一種可回收再利用資源，2020年底我國鋼企的廢鋼利用率在20%左右，少數(shù)鋼企可達(dá)35%，利用效率提升空間巨大。

混凝土回收利用途徑近年也有突破，通過移動(dòng)破碎機(jī)械破碎后變?yōu)楣橇鲜褂?，但受種類、質(zhì)量及批量大小的影響，成本不可控。復(fù)合材料目前有兩種處理方式，回爐焚燒和土地掩埋均不是最優(yōu)方案，回收產(chǎn)業(yè)尚待完善，易造成生態(tài)環(huán)境二次污染。

五、結(jié)語

復(fù)合材料的平均能耗低于鋼鐵能耗至少10%，且當(dāng)前鋼材的能耗生產(chǎn)優(yōu)化接近瓶頸，進(jìn)一步下降的難度較大。故而在力學(xué)性質(zhì)和環(huán)境適應(yīng)性均滿足要求的條件下，可采用能耗較低的復(fù)合材料替代或部分替代鋼材構(gòu)件。低電壓等級(jí)的輸電線路可大規(guī)模使用，以達(dá)到減少鋼材使用量，降低能耗的目標(biāo)。

復(fù)合材料與水泥的能耗基本相當(dāng)，但煙塵污染及排放方面遠(yuǎn)優(yōu)于水泥。故在輸電線路基礎(chǔ)低碳設(shè)計(jì)中，除采用錨桿基礎(chǔ)、螺旋錨基礎(chǔ)等輕量化基礎(chǔ)，減少本體混凝土、鋼筋用量外。還可在基礎(chǔ)中加入復(fù)合材料替代水泥，如纖維混凝土、自密實(shí)混凝土等，不但減少了水泥用量，還可利用粉煤灰、礦渣、硅灰等工業(yè)固體廢棄物，有利于資源的綜合利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

在廢舊材料回收利用率方面，從高到低排序?yàn)殇摬?、混凝土、?fù)合材料，其中鋼材達(dá)到20-35%。值得一提的是，復(fù)合材料形成了生產(chǎn)能耗低和回收利用率低的矛盾，急需技術(shù)創(chuàng)新和突破。