輸電線路鐵塔及基礎的低碳方案設計研究

文陳路 杜海強 何蘭寬

實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性綠色革命，本質是推動經濟社會全面高質量、可持續發展。當前，能源活動是碳排放的最主要來源，降低化石能源燃燒排放，是碳中和的關鍵。而現有研究碳排放量計算各行業存在差異，缺乏綜合的橫向對比。因此針對輸電線路的特點，通過對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、桿塔材料對環境的影響及能耗

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，隨著輸電線路建設加快，尤其是特高壓輸電線路建設，鋼材使用量大幅上升。

（一）鋼材生產及排放

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。中國鋼鐵產量位居全球第一，占比達到全球產量的一半以上。

從能量構成來看，高—轉長流程的技術結構仍然是主要的，煤炭和焦炭占總能耗的90%左右，而且能源的結構呈現出較大的高碳化趨勢。中國的鋼鐵工業在2021年所產生的二氧化碳排放量僅次于電力及供熱行業。根據粗略估計，鋼鐵工業用水量占工業用水總量的20%，廢水排放量約占工業廢水排放總量的11.3%，二氧化碳排放占工業排放的比重約18%，煙塵約占全國煙粉塵排放總量的10%。如圖1所示

圖1 鋼鐵工業對環境影響因素占比圖

巨大的鋼產量必然會加大廢水、廢氣、廢渣等污染物的產生量。這對我國鋼鐵行業的排污總量管理提出了嚴峻的要求。

（二）鋼材生產能耗趨勢及面臨問題

通過不懈的努力，我國鋼鐵行業在生產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，鋼鐵企業在生產過程中每噸鋼材的實際能耗從694千克/噸減少到545.27千克/噸，削減幅度達21.4%。

從圖2可知，自2015年開始，至2020年下降趨勢放緩，表明鋼鐵生產能耗及排放優化接近瓶頸，進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、同時還須具備與鋼材差不多的穩定力學特征。

圖2 噸鋼綜合能耗趨勢

二、桿塔鋼材節能降耗選擇分析

（一）優化桿塔重量

自電發明應用以來，輸電線路架設的載體出現過多種型式，有木制電桿、水泥電桿、懸索支撐架空輸電、復合材料桿塔等。隨著電壓等級的不斷提高，桿塔負荷成倍上升，常規的木制與水泥電桿慢慢退出歷史舞臺，大量應用鋼制桁架結構的桿塔。

設計人員進行了大量優化工作降低鐵塔重量，如設計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，不適合大規模推廣。故在常規Q235、Q355、Q420材質不變的情況下，重量優化幅度有限。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

既然塔重優化成效不大，那么對替代鋼材的材料研究提上日程，即復合材料。

我們通常所說的桿塔復合材料，屬于一種纖維增強復合材料（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。它是由連續相（基體、增強體）通過界面相結合在一起共同作用，其組分的結合，并沒有化合成一種新材料，基本屬于物理結合，其中基體材料占70%-75%，玻纖紡織材料占25%-30%，可以認為其既是材料又是結構。

現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線，綜合能耗如下：粗紗≤0.55噸標煤/噸紗，細紗≤0.75噸標煤/噸紗。少數高性能以及特種玻纖代鉑坩堝法拉絲生產線實際能耗≤0.37噸標煤/噸紗（不包括玻璃球生產過程中所消耗的能源）。

表1中鋼鐵能耗為我國鋼鐵行業實績，與現實生產水平相符。復合材料能耗數值出自行業準入條件，是最低標準。同時，復合材料品種能耗受復合材料的固化溫度所影響。固化溫度越高，能耗就越高。

表1 鋼鐵與復合材料能耗對比表

綜上所述，本文中復合材料的能耗數值與現實存在一定差異，為波動范圍值，僅供與鋼鐵生產對比參考。從數值上來看，復合材料的平均能耗低于目前的鋼鐵能耗至少10%。

三、基礎材料對環境的影響及能耗

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

（一）水泥生產現狀

水泥是輸電線路中的基礎原材料，水泥工業與經濟建設密切相關，在今后很長一段時間里，混凝土仍然是世界上最重要的建材。自改革開放后，水泥行業迅速發展，產量多年居世界第一位，2021年中國水泥產量23.63億噸，使用量巨大。

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

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

（二）水泥生產能耗分析

目前國內存在的水泥生產型式有新型干法窯、機立窯、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整體能耗居高不下的局面。

從表2可以看出，水泥的生產能耗相對鋼材和復合材料低約30%。但根據全壽命周期評估而言，鋼結構較混凝土結構總能耗低18%，所以在實際工程建設中，水泥的能耗較鋼材低約12%左右，與復合材料的能耗相當，但水泥的生產對環境的影響遠高于復合材料。

表2 水泥生產方式能耗表

四、桿塔、基礎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，少數鋼企可達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，通過移動破碎機械破碎后變為骨料使用，但受種類、質量及批量大小的影響，成本不可控。復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方案，回收產業尚待完善，易造成生態環境二次污染。

五、結語

復合材料的平均能耗低于鋼鐵能耗至少10%，且當前鋼材的能耗生產優化接近瓶頸，進一步下降的難度較大。故而在力學性質和環境適應性均滿足要求的條件下，可采用能耗較低的復合材料替代或部分替代鋼材構件。低電壓等級的輸電線路可大規模使用，以達到減少鋼材使用量，降低能耗的目標。

復合材料與水泥的能耗基本相當，但煙塵污染及排放方面遠優于水泥。故在輸電線路基礎低碳設計中，除采用錨桿基礎、螺旋錨基礎等輕量化基礎，減少本體混凝土、鋼筋用量外。還可在基礎中加入復合材料替代水泥，如纖維混凝土、自密實混凝土等，不但減少了水泥用量，還可利用粉煤灰、礦渣、硅灰等工業固體廢棄物，有利于資源的綜合利用和生態環境的保護。

在廢舊材料回收利用率方面，從高到低排序為鋼材、混凝土、復合材料，其中鋼材達到20-35%。值得一提的是，復合材料形成了生產能耗低和回收利用率低的矛盾，急需技術創新和突破。