王振川 劉雪敏 笪耀東

（國家市場監(jiān)管重點實驗室（特種設(shè)備安全與節(jié)能）,中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

承壓設(shè)備是承壓類特種設(shè)備的簡稱,是指涉及生命安全、危險性較大的鍋爐、壓力容器（含氣瓶)及壓力管道等設(shè)備設(shè)施[1],主要分布在經(jīng)濟比較發(fā)達的城市和地區(qū),同時又是公共安全的重要組成部分,受到國家和政府的高度重視[2]。承壓設(shè)備廣泛應(yīng)用在石油化工、電力能源、熱力供暖、燃氣輸配等關(guān)系國計民生的重要行業(yè)領(lǐng)域,在保障能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、促進新能源發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

承壓設(shè)備具有量大面廣、能源資源消耗量大等特點,截至2022 年底,全國共有鍋爐32.92 萬臺、壓力容器497.15 萬臺、氣瓶2.35 億只、壓力管道8.59×105km（在冊）[3]。承壓設(shè)備是能源資源消費大戶,也是重要的污染物和碳排放源。據(jù)估算,每年承壓設(shè)備生產(chǎn)用鋼材近107t；在能源消耗方面,以鍋爐為例,年消耗能源約2×109t 標準煤,碳排放量占全國碳排放總量的40%[4]。同時,承壓設(shè)備對于氫能儲運、光熱發(fā)電及壓縮空氣儲能等新能源領(lǐng)域發(fā)展具有重要支撐作用,例如在氫氣儲運系統(tǒng)中,幾乎所有的儲氫、輸氫裝備都是由壓力容器、壓力管道、氣瓶等承壓設(shè)備構(gòu)成的。承壓設(shè)備綠色化、低碳化、智能化發(fā)展,對我國綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系建立具有重要意義。

本文從鍋爐、壓力容器、油氣長輸管道等典型承壓特種設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā),論述我國承壓設(shè)備綠色發(fā)展方式,闡述承壓設(shè)備對我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的安全保障作用,分析承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展標準體系脈絡(luò)。通過對承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展趨勢進行分析與展望,助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)。

1 承壓設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及問題

1.1 鍋爐設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及問題

近些年來,鍋爐設(shè)備的設(shè)計與制造取得了較大的技術(shù)發(fā)展和突破,朝著更大容量、更高蒸汽參數(shù)、更低污染物排放方向發(fā)展,其中電站鍋爐主汽壓力已達31 ～35 MPa,主汽參數(shù)已達620 ～630 ℃,并朝650 ℃等級邁進[5]；燃煤工業(yè)鍋爐最大額定熱功率已達168 MW,燃氣工業(yè)鍋爐為116 MW,電加熱工業(yè)鍋爐最大額定蒸發(fā)量為80 t/h,工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的平均測試熱效率呈現(xiàn)明顯的升高態(tài)勢[6]。

我國電站鍋爐的發(fā)展經(jīng)歷了引進、消化吸收、優(yōu)化創(chuàng)新到全面發(fā)展的階段,形成了哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠三大電站鍋爐制造和研發(fā)基地,我國電站鍋爐技術(shù)跨進了世界先進水平行列,開發(fā)了600 ～1 000 MW 超超臨界二次再熱鍋爐,300 ～600 MW 大型循環(huán)流化床鍋爐、余熱鍋爐。目前我國已能制造適合多煤種、不同燃燒方式、不同爐型的全系列產(chǎn)品,形成了中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界等一系列不同壓力等級的電站鍋爐[7]。

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)動力、建筑采暖、人民生活等各個領(lǐng)域。目前我國持有各級別鍋爐制造許可證的企業(yè)1 300 余家,工業(yè)鍋爐年產(chǎn)量約39 萬蒸t/h,我國是當今世界上工業(yè)鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家[8]。在宏觀經(jīng)濟下行、節(jié)能減排需求提升、結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛顯現(xiàn)的形勢下,我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,燃氣鍋爐、生物質(zhì)鍋爐等工業(yè)鍋爐迅速發(fā)展,工業(yè)鍋爐逐步向燃料清潔化、大型化、高效率方向發(fā)展,工業(yè)鍋爐自動化水平不斷提高,能耗高、污染重的狀況得到明顯改善。

2005 年以來,我國加大了鍋爐節(jié)能減排工作力度,鍋爐節(jié)能環(huán)保水平有了大幅度提高,其中電站鍋爐平均供電煤耗由2011 年的330 g/（kW·h）持續(xù)下降至2022 年的301.5 g/（kW·h）[9],工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的平均測試熱效率明顯升高[6]。但在當前“雙碳”目標背景下,電站鍋爐還存在大容量、高參數(shù)機組所占比例有限、平均供電煤耗與先進機組存在一定差距、大量燃煤電站鍋爐仍有較大節(jié)能增效改造空間等問題。為保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性,應(yīng)對新能源的間歇性和不穩(wěn)定性挑戰(zhàn),煤電機組將通過深度調(diào)峰等方式承擔(dān)新能源消納作用,電站鍋爐面臨著燃燒穩(wěn)定性降低、鍋爐效率降低、NOx排放濃度升高等多重安全節(jié)能環(huán)保挑戰(zhàn)[10]；在工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)、自動化水平明顯改善情況下,仍存在平均運行熱效率與設(shè)計值有較大差距,設(shè)計制造、運行管理水平有待提高等問題,由于其量大面廣、使用分散的特點,工業(yè)鍋爐節(jié)能降碳面臨的形勢也更為復(fù)雜。

1.2 壓力容器發(fā)展現(xiàn)狀及問題

壓力容器是一個涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品,涉及冶金、機械加工、腐蝕與防腐、無損檢測等眾多行業(yè)。壓力容器廣泛應(yīng)用于石油化工、機械動力、航空航天等部門,化工生產(chǎn)中的反應(yīng)裝置、換熱裝置,核動力反應(yīng)堆的壓力殼,鍋爐系統(tǒng)中的汽包等都是壓力容器。它是社會生產(chǎn)過程中必不可少的核心設(shè)備,是一個國家裝備制造水平的重要標志。

全球壓力容器市場主要集中于歐美、日韓和中國等地區(qū),我國壓力容器制造業(yè)從無到有、從小到大,經(jīng)歷了從混業(yè)到專業(yè)的發(fā)展歷程,已形成了多種體制、多種類型生產(chǎn)企業(yè)并存的格局。我國壓力容器設(shè)計制造與維護技術(shù)已達到發(fā)達國家先進水平,實現(xiàn)了從跟跑、并跑到局部領(lǐng)跑的跨越,壓力容器逐漸向高溫、高壓、低溫、深冷、超大容積、超大壁厚、超長超高等極端方向發(fā)展[11]。

隨著我國石化領(lǐng)域千萬噸級煉油、百萬噸級乙烯、50 萬噸級醋酸大型煤化工等國家重大工程成套化技術(shù)落地,大型壓力容器制造行業(yè)市場范圍廣闊,潛力巨大。從產(chǎn)業(yè)政策、市場需求方面來看,壓力容器行業(yè)前景總體較好,但仍需在行業(yè)技術(shù)水平、技術(shù)創(chuàng)新能力上持續(xù)突破,在高端壓力容器制造領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。隨著下游行業(yè)的產(chǎn)品升級和轉(zhuǎn)型,未來我國的壓力容器制造業(yè)將呈現(xiàn)大型和特種產(chǎn)品主導(dǎo)、行業(yè)標準國際化但產(chǎn)品定制化的態(tài)勢。

壓力容器行業(yè)中相關(guān)企業(yè)的制造水平、經(jīng)營規(guī)模都有了較大提高,但在技術(shù)實力、產(chǎn)品質(zhì)量等方面仍與國際龍頭企業(yè)存在一定差距。我國壓力容器較歐美同類產(chǎn)品重3%～12%[11],導(dǎo)致建造成本急劇上升,嚴重降低了我國壓力容器產(chǎn)品的國際競爭力。增加重量并不能必然增加壓力容器的安全性和穩(wěn)定性,在壓力容器大型化、重型化發(fā)展過程中還容易出現(xiàn)耗材耗能費工、加工制造困難、難以實施高質(zhì)量焊接和無損檢測等問題。如何在保障壓力容器本質(zhì)安全的前提下實現(xiàn)超大型、重型壓力容器綠色制造,在減輕重量的同時尋求壓力容器的安全性和經(jīng)濟性統(tǒng)籌提升是今后壓力容器行業(yè)需重點關(guān)注的突出問題。

1.3 油氣長輸管道發(fā)展現(xiàn)狀及問題

管道運輸是目前大規(guī)模、長距離輸送石油及天然氣的主要方式,管道運輸成為繼鐵路、公路、水運、航空運輸之后的第五大運輸業(yè),具有運輸量大、連續(xù)、經(jīng)濟等優(yōu)點[12]。我國作為全球最大的發(fā)展中國家,隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展,工業(yè)企業(yè)與居民對油氣資源的消費逐漸加大,油氣管道運輸需求不斷增長。截至2022 年底,我國油氣長輸管網(wǎng)總里程約1.8×105km,其中原油管道2.8×104km,成品油管道3.2×104km,天然氣管道1.18×105km,新建長輸管道里程3 000 km 以上[13]。

在原油輸送上,我國管輸原油多為高蠟、高粘、易凝原油,經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)和改造,我國與國外先進技術(shù)水平差距逐漸縮小,減阻劑室內(nèi)合成技術(shù)、易凝高粘原油添加降凝劑改性輸送技術(shù)、低輸量添加降凝劑綜合處理輸送工藝等已達到世界先進水平,節(jié)能降耗配套技術(shù)攻關(guān)取得顯著成果,管輸綜合能耗降低約20%。原油流變學(xué)的一些研究成果已用于生產(chǎn)實踐,取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益[14]。在天然氣輸送上,我國大規(guī)模生產(chǎn)和消費天然氣是由西氣東輸工程的建成投產(chǎn)開始的,我國天然氣干線管道具有分布零散、相互調(diào)配較難等特點。我國在管道內(nèi)涂層技術(shù)、水合物的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)方面開展了研究工作,取得了一定成果并且制定了相關(guān)標準,但是仍需在分布、聯(lián)網(wǎng)、調(diào)配、儲氣設(shè)施上加強研究。在成品油輸送上,我國主要以輸送柴油和汽油為主,輸送工藝包括密閉輸送、順序輸送、隔離輸送等方法,我國在輸送水力計算以及批量跟蹤等方面取得了一定研究成果并完成了軟件開發(fā)。

通過分析我國油氣長輸管道技術(shù)現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)我國油氣長輸管道技術(shù)與國外先進水平仍存在一定差距。主要體現(xiàn)以下幾個方面：1）原油流變學(xué)的研究仍待深化,尤其是對已建管道原油改性輸送、降溫輸送、間歇輸送等工藝改進仍需深入；2）天然氣管道系統(tǒng)運行管理和維護軟硬件水平均需提高；3）仍需深入開展在役管道的剩余強度評價和剩余壽命預(yù)測研究；4）管輸系統(tǒng)整體優(yōu)化技術(shù)尚在起步階段,能耗指標較高,節(jié)能降耗、降低成本仍有較大空間。

2 承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展趨勢

為實現(xiàn)“中國二氧化碳排放力爭2030 年前達到峰值,努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標,必須深入推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展,努力構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系。推進承壓設(shè)備輕量化綠色設(shè)計制造、高效節(jié)能長周期運維以及全生命周期綠色低碳循環(huán)等,是未來承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展的重要方向。

承壓設(shè)備設(shè)計、制造、維護的綠色化是其綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),包括設(shè)備的設(shè)計方法綠色化使得產(chǎn)品能夠節(jié)材節(jié)能,制造過程中的綠色化、智能化促進整個制造環(huán)節(jié)的節(jié)能減排,以及運行過程中的綠色運維、合于使用評價、檢驗檢測等方式實現(xiàn)使用環(huán)節(jié)安全節(jié)能環(huán)保。結(jié)合承壓設(shè)備的特點,承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展方向有相似的地方又有所不同,下文將討論鍋爐、壓力容器、油氣長輸管道等承壓設(shè)備的綠色低碳發(fā)展趨勢以及全生命周期內(nèi)承壓設(shè)備的綠色低碳應(yīng)用方向。

2.1 鍋爐設(shè)備朝燃料綠色低碳、運行高效節(jié)能方向發(fā)展

我國能源體系下長期形成了以化石能源（尤其是煤炭）為主體的能源結(jié)構(gòu)和基本格局,在“雙碳”目標下非化石能源發(fā)展十分迅速,規(guī)模持續(xù)擴大,但是化石能源主體消費地位仍較難發(fā)生根本性改變。因此在當前能源轉(zhuǎn)型升級背景下,伴隨節(jié)能環(huán)保政策的不斷收緊,電站鍋爐、工業(yè)鍋爐的燃料結(jié)構(gòu)將進一步優(yōu)化,節(jié)能環(huán)保水平仍需不斷提升,運行管理能力需持續(xù)提高。國家發(fā)展改革委等部門提出,到2025 年,通過實施鍋爐更新改造,帶動工業(yè)鍋爐、電站鍋爐平均運行熱效率較2021 年分別提高5 個百分點、0.5 個百分點,實現(xiàn)年節(jié)能量約3×107t 標準煤,年減排二氧化碳約8 ×107t[4]。

我國電站鍋爐面臨提高效率、降低污染物排放、碳減排以及新能源消納等多重任務(wù),通過推行更嚴格的能效環(huán)保標準,開發(fā)高效清潔燃煤電站鍋爐技術(shù),節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造制造“三改聯(lián)動”,以及清潔燃料替代等措施,將深入推進電站鍋爐和煤電行業(yè)清潔、高效、靈活、低碳、智能化高質(zhì)量發(fā)展[15]。

1）通過技術(shù)創(chuàng)新和燃料優(yōu)化替代等方式,將有助于推動電站鍋爐朝著綠色低碳方向發(fā)展,提高鍋爐能效環(huán)保水平的同時,降低電站鍋爐和火電機組的碳排放量。當前超超臨界機組普遍采用過熱蒸汽壓力25.0 MPa,過熱蒸汽/再熱蒸汽溫度600 ℃/600 ℃參數(shù),通過研制高效率二次再熱超超臨界鍋爐,可將鍋爐出口參數(shù)提高至過熱蒸汽壓力35.0 MPa,過熱蒸汽溫度605 ℃,一次再熱蒸汽溫度/二次再熱蒸汽溫度623 ℃/623 ℃,供電煤耗降低約12 g/（kW·h）,年減排二氧化碳近2×105t。提高蒸汽參數(shù)至650 ℃可進一步降低能耗和減少污染物排放,650 ℃機組成為今后一段時間我國火電建設(shè)重要目標[16]；在黑龍江、河南等生物質(zhì)資源豐富的地區(qū),進一步推廣生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)純燒發(fā)電技術(shù),實現(xiàn)部分燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化,替代燃煤可實現(xiàn)近1.3×109t 的二氧化碳減排量[6]。

2）通過節(jié)能改造、靈活性改造以及深度調(diào)峰技術(shù)等,可充分挖掘電站鍋爐及火電機組調(diào)峰潛力,提高電力系統(tǒng)可再生能源消納能力,推動整個能源系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展體系的建立。在《全國煤電機組改造升級實施方案》中指出,“十四五”期間將對供電煤耗在300 g/（kW·h）以上的煤電機組,加快創(chuàng)造條件實施節(jié)能改造,同時對存量煤電機組靈活性改造應(yīng)改盡改,促進清潔能源消納[15]。通過對供電煤耗300 g/（kW·h）以上機組,特別是亞臨界機組節(jié)能降碳改造,大型風(fēng)光基地配套煤電靈活性改造以及東北地區(qū)和工業(yè)園區(qū)供熱改造,將逐步降低煤電裝機占比和發(fā)電量占比,進一步提升煤電靈活調(diào)節(jié)能力和清潔高效水平。

我國工業(yè)鍋爐面臨燃料優(yōu)化轉(zhuǎn)型、日趨嚴格的節(jié)能減排環(huán)保要求、運行管理水平有待提高、新產(chǎn)品和新技術(shù)有待研究和突破等問題,未來工業(yè)鍋爐領(lǐng)域?qū)⒕劢构?jié)能、環(huán)保、減排、智能化等多重領(lǐng)域,通過研發(fā)、轉(zhuǎn)化、集成創(chuàng)新等手段形成關(guān)鍵新技術(shù)、新產(chǎn)品,進一步提升工業(yè)鍋爐能效水平,持續(xù)推動工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,從源頭控制污染物和二氧化碳排放水平。

1）工業(yè)鍋爐能源結(jié)構(gòu)進一步調(diào)整,天然氣、生物質(zhì)比重逐步提高,燃煤比重逐步減少。自2018 年開始,工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品測試中天然氣鍋爐總數(shù)占比超過50%,燃煤鍋爐總數(shù)占比為24.4%,生物質(zhì)鍋爐總數(shù)占比為15.5%[6],可以看出工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)根本性變化。隨著我國重點用煤區(qū)域燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐等天然氣替代改造完成,我國“煤改氣”項目將會繼續(xù)深化,新增項目將以燃氣鍋爐為主,燃煤更多集中利用在大型集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)項目上。

2）我國工業(yè)鍋爐型式已基本成熟,在技術(shù)層面工業(yè)鍋爐將由有到優(yōu)、由整體到細節(jié)、由單體到系統(tǒng)的方向優(yōu)化提高。燃煤工業(yè)鍋爐中將逐步淘汰鏈條爐,節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢較為明顯的循環(huán)流化床鍋爐、煤粉鍋爐將得到優(yōu)先利用,煤炭潔凈燃燒鍋爐一體化技術(shù)將被優(yōu)化和推廣[17]；燃氣工業(yè)鍋爐將繼續(xù)朝著低氮燃燒、冷凝化方向發(fā)展,同時摻氫、摻氨等天然氣鍋爐燃燒關(guān)鍵技術(shù)將深入研究和突破；基于天然氣鍋爐的深度利用技術(shù)和產(chǎn)品將繼續(xù)開發(fā)和推廣,未來將朝著多能源系統(tǒng)化、集成化方向發(fā)展,大幅度提高能源利用率及降低二氧化碳等污染物排放。

2.2 壓力容器朝輕量化綠色制造、長周期綠色運維方向發(fā)展

隨著我國煉油、石油化工及煤化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,結(jié)合冶金、機械加工、焊接和無損檢測等技術(shù)的不斷進步,我國壓力容器行業(yè)得到了高質(zhì)量的快速發(fā)展。在“中國制造2025”、制造強國、國家“一帶一路”倡議的不斷推進下,壓力容器設(shè)備也面臨轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn),需不斷推動壓力容器設(shè)計、制造、檢驗檢測、使用管理等方面朝著綠色智能化、高端化、長周期化方向進步。壓力容器行業(yè)突破了“拓邊界、修準則、控風(fēng)險”等技術(shù)瓶頸,揭示了極端服役條件下壓力容器失效模式和機理,建立完善了壓力容器設(shè)計準則和方法。在保障壓力容器本質(zhì)安全的前提下,深入推進壓力容器輕量化綠色制造、突破長周期運行保障技術(shù)等方面將是壓力容器行業(yè)面臨的突出問題。

在壓力容器輕量化設(shè)計制造方面,我國在國外先進技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行了再創(chuàng)新,在現(xiàn)行GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1 部分：通用要求》中對材料許用強度系數(shù)進行了調(diào)整,許用抗拉強度系數(shù)由3.0 調(diào)整為2.7、許用屈服強度系數(shù)由1.6 調(diào)整為1.5,壓力容器理論節(jié)材約10%；通過微合金彌散強化、組織和厚度均勻性控制等措施,開發(fā)了更高強度技術(shù)材料,實現(xiàn)了重型化壓力容器輕量化,節(jié)材的同時降低了壓力容器生產(chǎn)成本；通過多場耦合分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和高效傳熱元件開發(fā),有效提高傳熱效率和減小結(jié)構(gòu)厚度,實現(xiàn)換熱器輕量化和高效節(jié)能；利用材料應(yīng)變強化效應(yīng)提高材料的屈服強度和承載能力,實現(xiàn)奧氏體不銹鋼深冷儲運壓力容器輕量化運用[11]。壓力容器輕量化是安全與節(jié)能節(jié)材并重設(shè)計理念的具體體現(xiàn),已成為壓力容器的主要發(fā)展方向,未來在壓力容器輕量化設(shè)計制造、局部失效判據(jù)、材料應(yīng)變強化等方面仍需加強基礎(chǔ)研究[18],實現(xiàn)壓力容器安全環(huán)保節(jié)能節(jié)材綠色化應(yīng)用。

在壓力容器運行維護過程中,面臨著運行環(huán)境日趨復(fù)雜、傳統(tǒng)檢驗方式失效、結(jié)構(gòu)完整性不明晰、設(shè)備壽命不明確、腐蝕減薄開裂綜合作用等問題。通過開發(fā)基于風(fēng)險的檢驗、合于使用評價、在線檢測監(jiān)測技術(shù)等,我國已形成一套達到國際先進水平的基于風(fēng)險的在役維護技術(shù)體系,實現(xiàn)了我國檢修理念和方式的根本變革,我國煉油裝置檢修周期由原來的1 年延長至3 ～6 年,乙烯裝置由原來的2 年延長至4 ～6 年。在追求系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性統(tǒng)一的理念下,繼續(xù)完善大型石化裝置長周期運行工程風(fēng)險評估與控制技術(shù)、優(yōu)化石化裝置基于風(fēng)險的檢驗周期、檢驗檢測方法、豐富在線檢測監(jiān)測技術(shù)手段以及深入開展腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化和機械損失等失效模式研究,將在有效保證設(shè)備安全運行的前提下,實現(xiàn)經(jīng)濟性與安全性的統(tǒng)一,避免不必要的檢測、維修、報廢造成的巨大損失。

2.3 油氣長輸管道朝降凝減阻、輸送效率提高方向發(fā)展

隨著我國油氣長輸管道總里程不斷增加,管道輸運量高速增長,管道消耗能量總量也在大幅增加,如何提高管輸系統(tǒng)的能源利用率,減少單位輸送能源的能耗水平,降低管輸系統(tǒng)的生產(chǎn)成本,是未來油氣長輸管道系統(tǒng)需要重點關(guān)注的研究方向。

我國油氣長輸管道輸運的原油具有凝點高、粘度大、流動特性差等特點,一般采用加熱輸送,造成能耗高、運行效率偏低等問題。通過添加減阻劑,可以阻止油品形成湍流,降低原油流動阻力；通過在原油中添加降凝劑可以改變原油形態(tài)和特性,降低原油凝點,進而改善原油在低溫下的流動性能,減少原油在輸運過程中的加熱能量使用。在天然氣輸送過程中,普遍采用管道內(nèi)壁涂層技術(shù),內(nèi)涂層的使用可以有效改善氣體流動特性,同時有效防止管壁腐蝕工況的發(fā)生。在天然氣中添加減阻劑是一種新型天然氣輸送節(jié)能技術(shù),國內(nèi)已在天然氣輸送管道中應(yīng)用具有潤滑、防凍等效果的化學(xué)添加劑,但這項技術(shù)仍需深入研究[19]。

我國油氣輸運設(shè)備存在運行效率偏低、一些管道存在“大馬拉小車”現(xiàn)象,輸運管道能耗管理制度不夠精細等問題。有效提高輸運設(shè)備節(jié)能水平,采用先進的輸送工藝,對管輸行業(yè)能耗提供科學(xué)有效的評價、指導(dǎo)和監(jiān)管,將是我國未來油氣長輸管道節(jié)能的重點方向。加熱爐、輸油泵、換熱器是輸油管道加熱的關(guān)鍵設(shè)備,提高加熱爐燃燒效率、開發(fā)新型高效加熱爐燃燒設(shè)備、采用輸油泵變頻技術(shù)、超聲波清洗換熱器積垢等方式都能對油氣管輸節(jié)能減排產(chǎn)生積極作用。同時應(yīng)用熱泵或光熱加熱等方式替代加熱爐加熱,也可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟節(jié)能效益。

2.4 承壓設(shè)備朝著全生命周期綠色低碳應(yīng)用方向發(fā)展

承壓設(shè)備全生命周期可分為材料選取、設(shè)備設(shè)計、設(shè)備制造、設(shè)備運維、設(shè)備報廢回收等方面[20],按照全生命周期理論對承壓設(shè)備進行綠色低碳管理與應(yīng)用,對我國能源綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系的建立具有重要意義,也是未來我國應(yīng)對環(huán)境污染、資源短缺等環(huán)境問題的重要手段。

合理選用材料,是保證承壓設(shè)備安全運行的重要措施。當材料選用不當,即使具有較大的強度裕度,仍可能在運行環(huán)節(jié)發(fā)生破壞事故。選用承壓設(shè)備的材料,不僅要從操作條件（工作介質(zhì)、壓力、溫度、載荷特性等）、使用環(huán)境（氣溫、濕度等）的角度考慮,還要從制造角度進行考慮,即保證材料容易加工并且不易產(chǎn)生加工缺陷。通過開發(fā)和應(yīng)用高強度鋼、新型復(fù)合材料等,對材料端進行優(yōu)化,可有效解決生產(chǎn)工藝控制技術(shù)難題,同時滿足設(shè)備輕量化設(shè)計需求。

承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要保證各受壓部件具有足夠的強度,避免和減小復(fù)合應(yīng)力和集中應(yīng)力,還應(yīng)在保證安全運行前提下進行多場協(xié)同耦合分析等設(shè)計優(yōu)化,降低承壓設(shè)備材料用量、制造能源消耗,提高運行過程中能效水平。

制造過程是將原材料按照設(shè)計方法應(yīng)用到生產(chǎn)過程中,直至形成最終產(chǎn)品。制造效率對承壓設(shè)備運行效率具有重要影響,也是承壓設(shè)備綠色低碳應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程,提高材料生產(chǎn)過程的要素精益管理和資源配置水平,對實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量精確控制、機械設(shè)備高效可靠、生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保具有重要作用[21]。

承壓設(shè)備的運行管理目的是使設(shè)備在工藝參數(shù)、生產(chǎn)負荷、安全、節(jié)能、操作周期、檢修等方面都具有較好的技術(shù)性能,使設(shè)備處于較好的工作狀態(tài)。承壓設(shè)備在運行使用過程中,受到工作介質(zhì)腐蝕、升降壓等疲勞載荷等操作條件的影響,還受到外部環(huán)境的影響,需通過設(shè)備的定期檢驗,進行設(shè)備的損傷失效檢驗和風(fēng)險控制,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷,消除隱患。為實現(xiàn)承壓設(shè)備的節(jié)能減排,應(yīng)在保證安全運行的情況下,通過智能運維、優(yōu)化控制等方式提高設(shè)備能效水平。

承壓設(shè)備在設(shè)計、制造、使用、檢驗、改造直至報廢的全生命周期應(yīng)用中,依據(jù)特種設(shè)備法規(guī)標準體系進行安全管理使用的同時保證節(jié)能節(jié)材綠色低碳,通過優(yōu)化設(shè)計、智能運維、節(jié)能減排等技術(shù)方法,確保承壓設(shè)備安全運行、系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的底線,拉高承壓設(shè)備綠色低碳應(yīng)用的高線,在材料端、設(shè)計端、制造端、運維端等方面不斷創(chuàng)新優(yōu)化下,提升能源資源利用率,助力我國能源綠色低碳體系的發(fā)展。

3 承壓設(shè)備對我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的保障作用

能源領(lǐng)域是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的主戰(zhàn)場,實現(xiàn)“雙碳”目標必須做好能源綠色低碳轉(zhuǎn)型,需要加快發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù),發(fā)揮氫能、儲能等新能源在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的重要作用。在我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型過程中,承壓設(shè)備發(fā)揮著重要保障作用,氫能、光熱發(fā)電、儲能等多個新能源應(yīng)用領(lǐng)域都大量廣泛使用承壓設(shè)備。

近年來,我國已初步形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈,自主化水平快速提升,氫能技術(shù)研發(fā)持續(xù)突破。但目前仍存在安全風(fēng)險、輕量化、極端化等挑戰(zhàn),其中包括如何在高壓、深冷等極端氫環(huán)境下保障材料可靠性、安全性,如何降低液化制氫能耗、提高氫氣儲存密度等內(nèi)容。未來我國將通過對制、儲、輸、用氫全鏈條安全技術(shù)開發(fā)應(yīng)用,制定涉氫特種設(shè)備安全標準體系,開展液氫制取、儲運與加注關(guān)鍵裝備及安全性研究,推進我國未來實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、低成本應(yīng)用。

太陽能光熱裝置利用大規(guī)模鏡場和吸熱器收集太陽熱能,通過換熱裝置提供蒸汽,驅(qū)動傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機發(fā)電。光熱發(fā)電對推動能源革命,促進能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境等具有十分重要的意義,同時還能繼續(xù)發(fā)揮承壓設(shè)備、汽輪機、發(fā)電機等我國傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)能力。我國光熱產(chǎn)業(yè)在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵設(shè)備、工程實踐等領(lǐng)域都已形成一定的基礎(chǔ),甚至在一些重要技術(shù)領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先地位,但仍存在初投資高、技術(shù)不夠成熟、運行間斷等現(xiàn)實問題及承壓設(shè)備腐蝕行為不清、系統(tǒng)安全運維技術(shù)缺乏等技術(shù)問題。未來光熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)從安全節(jié)能環(huán)保一體化角度出發(fā),針對影響光熱發(fā)電系統(tǒng)安全環(huán)保運行的關(guān)鍵問題開展全鏈條研究,為光熱發(fā)電的長期穩(wěn)定運行與安全保障提供可靠支持。

4 承壓設(shè)備綠色發(fā)展法規(guī)標準體系

承壓設(shè)備綠色發(fā)展法規(guī)標準體系建立在承壓設(shè)備法規(guī)標準體系基礎(chǔ)之上,在保障承壓設(shè)備本質(zhì)安全的前提下,提升承壓設(shè)備綠色低碳水平。構(gòu)建承壓設(shè)備綠色低碳標準體系有助于推動我國承壓設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級,激發(fā)行業(yè)綠色發(fā)展的內(nèi)生動力,增強國際綠色競爭力。

在法律、條例層面,《中華人民共和國節(jié)約能源法》的頒布實施推動了全社會節(jié)約能源,提高能源利用效率,保護和改善環(huán)境,促進經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。在承壓設(shè)備領(lǐng)域,《中華人民共和國節(jié)約能源法》全面推動了承壓設(shè)備設(shè)計、制造、使用的節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和環(huán)境保護?！吨腥A人民共和國特種設(shè)備安全法》中指出建立、健全特種設(shè)備安全和節(jié)能責(zé)任制度,加強特種設(shè)備安全和節(jié)能管理,確保特種設(shè)備生產(chǎn)、經(jīng)營、使用安全,符合節(jié)能要求?！短胤N設(shè)備安全監(jiān)察條例》規(guī)定特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位應(yīng)當建立健全特種設(shè)備安全、節(jié)能管理制度和崗位安全、節(jié)能責(zé)任制度。國家鼓勵特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和推廣,促進特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位和特種設(shè)備檢驗檢測機構(gòu),應(yīng)當保證必要的安全和節(jié)能投入。

在部門規(guī)章、技術(shù)規(guī)范和標準層面,《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》規(guī)定,加強高耗能特種設(shè)備節(jié)能審查和監(jiān)管,提高能源利用效率,促進節(jié)能降耗,推動高耗能特種設(shè)備生產(chǎn)（含設(shè)計、制造、安裝、改造、維修）、使用、檢驗檢測的各個環(huán)節(jié)均納入節(jié)能監(jiān)管。TSG 91—2021《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》優(yōu)化了鍋爐節(jié)能環(huán)保監(jiān)管措施,進一步完善了鍋爐環(huán)?；疽?有助于推進特種設(shè)備碳達峰碳中和工作；TSG R0010—2019《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》制定了板式熱交換器能效限定值和目標值,規(guī)范了熱交換器能效測試與評價工作；TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對安全系數(shù)做出了重大調(diào)整,在保證容器安全的同時,節(jié)省了材料,減輕了容器的自重。國家標準GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》、GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》、GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》、GB/T 27698.1 ～4—2023《熱交換器及傳熱元件性能測試方法》,行業(yè)標準NB/T 47066—2018《冷凝鍋爐熱工性能試驗方法》、NB/T 47004.1—2017《板式熱交換器 第1 部分：可拆卸板式熱交換器》等標準從熱工性能、排放強度等方面,規(guī)定了鍋爐、熱交換器節(jié)能環(huán)保測試方法,有效推動了鍋爐、熱交換器等承壓設(shè)備能效水平的提高；國家標準GB/T 150.1 ～4—2011《壓力容器》對材料許用強度系數(shù)進行了調(diào)整。理論上講,按調(diào)整后的許用強度系數(shù),壓力容器最大可節(jié)省約10%的金屬材料,節(jié)材效果顯著。

總體上講,我國承壓設(shè)備綠色低碳標準體系雛形已初步構(gòu)建,尤其是對鍋爐設(shè)備已構(gòu)建“安全-節(jié)能-環(huán)?！比灰惑w的長效監(jiān)管機制,但是承壓設(shè)備綠色低碳標準體系仍存在節(jié)材標準不夠明確、產(chǎn)品全生命周期綠色低碳標準缺失等問題。隨著新材料、新設(shè)計方法、新制造技術(shù)的逐步成熟和推廣,在滿足安全運行和使用功能需求的基礎(chǔ)上,應(yīng)加強相關(guān)基礎(chǔ)理論研究,科學(xué)合理制定承壓設(shè)備節(jié)能節(jié)材等方面的法規(guī)標準,進一步推動承壓設(shè)備全生命周期綠色低碳標準的制定,順應(yīng)我國節(jié)能、減排、低碳環(huán)保的綠色發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期,能源綠色低碳發(fā)展是關(guān)鍵,我國應(yīng)進一步發(fā)揮好科技創(chuàng)新引領(lǐng)作用,增強能源科技創(chuàng)新能力,充分發(fā)揮承壓設(shè)備在保障能源安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)作用,提高承壓設(shè)備及系統(tǒng)能源利用效率,進一步推動承壓設(shè)備全生命周期綠色低碳標準體系的制定,做好承壓設(shè)備領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。