城市燃氣市政基礎設施綠色發展理念

高文學， 楊 林， 李顏強， 王 艷， 徐少杰、3

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院，天津300384；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381；3.天津大學環境科學與工程學院，天津300072)

1 概述

隨著社會經濟的快速發展，城鎮化水平不斷提高，城市燃氣因其具有清潔、低碳、高效、方便等優勢在城市能源中占據一席之地，并且在低碳經濟、節能減排需求的推動下得到迅速發展，國家政策和基礎設施的建設同樣為其發展創造了優越條件。本文以城市燃氣為研究對象，其定義與GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》中城鎮燃氣相同，但涉及的研究范圍相對縮小，不包括縣和鄉鎮，只針對城市中的燃氣市政基礎設施，城市燃氣一般包括天然氣、液化石油氣和人工煤氣。城市燃氣系統即城市燃氣供應體系涵蓋了燃氣從城市的地區性氣源點，通過城市燃氣輸配系統，供給各類城市終端用戶的整個環節，主要包括氣源、城市燃氣輸配系統、燃氣用戶3部分。城市燃氣市政基礎設施則主要包括氣源和城市燃氣輸配系統中需要的設備設施等，城市燃氣市政基礎設施的完整性建設構成城市燃氣供應工程。城市燃氣輸配系統與城鎮燃氣輸配系統相同，一般由門站、燃氣管網、儲氣設施、調壓設施、管理設施、監控系統等組成。

2016年國家發展和改革委員會聯合國家能源局共同發布發改能源[2016]2744號《能源發展“十三五”規劃》，提出2020年能源發展在消費總量、安全保障、供應能力、消費結構、系統效率、環保低碳和普遍服務等多方面的目標，為實現上述目標，我國需要大幅度調整能源系統結構，提高能源利用率，提高居民生活質量，針對城市燃氣市政基礎設施，則需要向清潔低碳、安全高效的綠色化方向發展。綠色發展理念起源于1989年英國經濟學家皮爾斯提出的綠色經濟的概念，2002年聯合國開發計劃署發布《中國人類發展報告2002：綠色發展，必選之路》，正式提出綠色發展理念。2015年我國“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念的提出順應世界能源發展大勢，促進清潔低碳、安全高效現代能源體系的構建，其中綠色發展理念歷史發展過程為：合理利用資源—科學技術是第一生產力—堅持科學發展觀—建立資源節約型、環境友好型社會，直到“綠色發展理念”的提出，綠色發展規模不斷擴大，認識逐漸深化。

關于綠色發展理念的內涵，曹建宇[1]認為綠色發展理念是指節約利用自然資源、保護自然環境、改善修復生存狀態、促進協調共同發展的理念；彭暢[2]指出綠色發展不同于傳統發展觀念，要以“自然共生”為核心，健全生態體制、實現資源高效利用且有效控制污染，推動生態效益和社會經濟發展效益的統籌、可持續發展；吳曉青[3]提出要從轉變發展觀和發展理念、加強環境治理、加快工業綠色化、推動綠色消費革命4個方面促進綠色發展；杜玥[4]認為綠色發展理念是尋求和諧生態關系的價值理念，應置于社會發展的動態過程中；胡鞍鋼[5]提出綠色發展能力和綠色發展戰略概念，指出綠色發展能力包括識別能力、投入能力和評估能力，綠色發展戰略包括綠色規劃、綠色金融和綠色財政，從功能界定、機制分析與發展戰略方面詮釋了綠色發展的定義。上述關于綠色發展理念的理解雖有差異，但核心內容一致，即在與自然和諧共生的前提下發展技術，實現資源的高效利用且能有效控制污染，促進經濟建設與生態環境的協調、可持續發展。

近年來，隨著我國綠色發展理念的提出，各行業將其運用在各自領域的研究如火如荼，其中“綠色建筑”的研究和實踐走在前列，2006年建設部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布國家標準GB/T 50378—2006《綠色建筑評價標準》，提出綠色建筑的概念與“四節一環保”的綠色發展理念，即“節能、節地、節水、節材、保護環境”。之后分別于2014年、2019年對此標準進行了修訂，最新版標準(以下簡稱GB/T 50378—2019)將于2019年8月1日實行。張濱[6]、朱小溪[7]、李光煜[8]分析了綠色發展理念下建筑學的發展前景，可通過合理利用土地、科學選用環保材料和突出植物生態功能應用價值等途徑在建筑學領域實現綠色發展理念。此外，在城市規劃、水利工程等方向也有學者展開研究。2017年張程[9]提出綠色發展理念在城市規劃中的應用，通過合理布局建筑、優化建筑構造等方式滿足綠色建筑設計的嚴格要求，在全生命周期內減少能耗和廢棄物，在各個設計層面把握生態發展理念和原則，堅持生態環境保護、綠色發展理念，合理控制板塊景觀，做好城市規劃工作。梁貞堂[10]將綠色發展理念融入到水利工程設計中，對水庫、河道、灌區等工程項目分別提出綠色發展理念下的設計原則與設計要點。2015年詹夢愚等人[11]剖析了建筑給排水及供暖通風空調安裝遇到的常見問題，給出在綠色發展理念下的安裝優化措施。

2 城市燃氣市政基礎設施的發展歷程

2.1 國外城市燃氣市政基礎設施發展歷程

國外城市燃氣的利用開始較早，但發展道路曲折，英國、美國和德國等在城市燃氣利用方面走在世界前列。1684年，英國John Clayton在干餾釜中加熱煤制取煤氣，開始了人工煤氣的利用，人工煤氣成為城市燃氣最初的主要氣源。1805年，英國王子委托德國人在倫敦裝設煤氣燈，并用鍍錫鐵管將炭化爐制取的煤氣輸送到煤氣燈，搭設了第一個歐洲的城市燃氣輸配管道工程。1812年初，英國創立了煤氣公司，用于大規模的照明，并于第二年與煤炭公司達成協議，簽訂第一個市政煤氣照明合同，將煤氣通過管道輸送到用戶用于照明，此事件標志著燃氣供應系統的開始。此后，城市燃氣系統得到迅速發展，1900年，德國已鋪設的配氣管道超過1×104km。1936年，日本的燃氣用戶超越了200×104個。1949年—1960年期間，煤制氣較高的成本促進新技術的研發，油制氣工廠應運而生，液化石油氣逐漸取代人工煤氣成為城市燃氣的主要氣源。1964年10月，美國與阿爾及利亞簽訂液化天然氣合同，完成世界首次天然氣國家貿易。隨后，天然氣利用逐漸增多，拉開了燃氣結構變革的帷幕。德國煤化工水平較為發達且具有豐富的煤炭資源，在煤炭干餾、煤炭氣化等方面技術先進，但煤制氣成本始終較高，相對廉價、清潔的天然氣技術飛速發展，1992年，德國成為西歐最主要的天然氣消費國之一[12]。目前，經過多年發展，各國城市燃氣市政基礎設施日臻完善，使得城市燃氣逐漸成為城市能源的主要組成部分。

2.2 國內城市燃氣市政基礎設施發展歷程

改革開放以來，我國燃氣事業突飛猛進，李猷嘉院士[13]將我國城市燃氣的發展主要劃分為3個階段：第一階段是20世紀80年代，在國家節能政策與資金的推動下，全國范圍內開始建設燃氣輸配管網等基礎設施，開展合理利用工業余氣工程，發展燃氣用具設備制造廠，生產民用燃具，大大提高了居民燃氣普及率，此階段城市燃氣氣源主要為人工煤氣。第二階段是20世紀90年代，國家批準液化石油氣的進口，政策的放開導致液化石油氣資源得到充分利用，液化石油氣逐步成為城市燃氣的主要氣源。第三階段從20世紀90年代末開始，1992年聯合國召開環境與發展大會后，我國加大了對綠色能源的投入，隨著“陜氣進京”、“西氣東輸”等工程的竣工，拉開了天然氣供應的序幕，清潔高效的天然氣逐漸取代液化石油氣，成為城市燃氣的主要氣源。

城市燃氣經過長輸管道運輸后到達城市門站，經過城市燃氣輸配管道輸送至用戶。近年來，隨著我國城鎮化進程的加快，城市燃氣輸配系統發展迅速，大部分城市地下敷設了大量的城市燃氣輸配管道。“十一五”期末，我國城市燃氣管道長度由“十五”期末的16.2×104km增加至30.8 ×104km。“十二五”期間，我國新建城市燃氣管道約22×104km，到“十二五”期末，城市燃氣管道長度達到52.8×104km。2017年，城市燃氣管道長度為64.1×104km，城市燃氣普及率達到96.3%[14]。為了保證城市燃氣輸配管網運行的穩定、安全與高效，智能化技術逐漸融入城市燃氣系統。目前，我國智能燃氣管網的發展已經初具規模，以GIS系統和SCADA系統為典型代表，實現管道地理信息查詢和數據監控與采集功能，創造性地將北斗精準定位技術應用到燃氣管網運行上，提升了定位準確度，方便了燃氣管網的管理。

3 城市燃氣市政基礎設施綠色發展理念

將綠色發展理念的內涵與城市燃氣市政基礎設施自身的特點結合，提出應用在城市燃氣市政基礎設施上綠色發展理念的內涵，即指城市燃氣供應工程通過科技創新的手段，提高燃氣利用效率，減少污染物排放，做到節約資源，保護環境，促進經濟建設與生態環境的協調、可持續發展。

通過對國內外城市燃氣市政基礎設施發展歷程的回顧可知，燃氣供應工程技術在不斷改革與創新，城市燃氣主要氣源由成本較高的人工煤氣發展到成本較低的液化石油氣，再發展到現在清潔高效的天然氣，城市燃氣輸配管網逐漸復雜，規模日益擴大，且向著智能化方向發展，城市燃氣市政基礎設施逐步完善。

為了加快城市燃氣供應工程的綠色化發展進程，明確發展方向，本文提出綠色發展理念下城市燃氣市政基礎設施的愿景與發展目標，確定其基本屬性，為進一步構建城市燃氣市政基礎設施綠色評價技術指標體系奠定基礎，更好地將綠色發展理念融入到城市燃氣供應工程中。

3.1 愿景

愿景是具有引導與激勵作用的對未來情景的意象描述，在不確定和不穩定的環境中，提出方向性的長程導向，使其能持續依循明確的方向、步驟與路徑前進，一般不包含具體的行動方案和行動策略。城市燃氣市政基礎設施的愿景是指引城市燃氣供應工程建設的根本前提，決定其發展戰略目標，指導其長期發展。

通過分析國內外城市燃氣市政基礎設施的發展歷程，結合綠色發展理念，總結與歸納城市燃氣市政基礎設施的發展愿景為：通過科技創新，發展和推廣城市燃氣供應工程新技術，提高燃氣利用效率，促進經濟建設與生態環境協調發展，推進燃氣生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的城市燃氣供應體系。

3.2 發展目標

結合綠色發展理念在其他領域的應用研究，例如“綠色建筑”，可先確定城市燃氣供應工程的綠色評價技術，明確綠色評價指標，形成城市燃氣市政基礎設施的綠色評價標準，對現有的城市燃氣供應工程進行綠色評價。GB/T 50378—2019中指出，綠色建筑是在全壽命期內最大限度地節約資源、保護環境、減少污染，為人民提供健康、適用和高效的使用空間。城市燃氣供應工程的建設也應在全生命周期內堅持綠色規劃、綠色設計、綠色建設和綠色運行，可以通過智能化手段，優化城市燃氣輸配管網，進而實現燃氣供應網絡的互聯互通，提高能源的利用效率。

總結上述思路，提出綠色發展理念下城市燃氣市政基礎設施的發展目標為：

① 提出符合我國國情的城市燃氣供應工程綠色評價指標，構建城市燃氣市政基礎設施技術指標體系。

② 推動城市燃氣市政基礎設施綠色評價標準化。

③ 逐步實現城市燃氣供應工程規劃、設計、施工、運行等全生命周期的綠色建設、綠色技術應用和智慧管理。

④ 注重材料循環利用，加快可再生能源等新型能源的可持續、綜合和互補應用，促進城市燃氣供應網絡的互聯互通，實現城市燃氣供應高效能利用。

3.3 基本屬性

城市燃氣市政基礎設施的基本屬性可概括為：清潔低碳、保障供應、安全可靠、節約高效、智能管控。

① 清潔低碳

清潔低碳是城市燃氣的最重要特征。

天然氣因其燃燒后的排放產物主要是二氧化碳和水，被公認為地球上最清潔的化石能源。燃煤和燃油會產生二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物和粉塵等，天然氣代替煤和油作為燃料燃燒會大幅減少二氧化碳和氮氧化物的排放，杜絕二氧化硫與粉塵的產生，更加清潔與環保。隨著天然氣在國家能源消費結構中的比例不斷上升，二氧化碳的排放將有效減少，并能起到改善城市空氣質量、降低溫室效應的作用。

② 保障供應

保障供應是實現城市燃氣發展目標和國家能源戰略的基本要素。

2015年—2016年期間，我國天然氣需求增長緩慢。目前，由于國家出臺改善空氣質量的政策，大力推進清潔能源的消費利用，導致天然氣需求量迅速增加。根據2018年7月英國石油公司(BP)發布的《2018年BP世界能源統計年鑒》，我國2017年天然氣消費量增長15%，占全球天然氣消費凈增長的32.6%。為了確保國內天然氣市場供需總體平衡，保障供應是城市燃氣供應系統需滿足的基本屬性與目標。隨著我國天然氣勘探力度的加大，應進一步建立、健全多元化的海外供應體系，逐漸形成多層次的天然氣儲備體系，強化天然氣基礎設施的建設和互聯互通，以保障國內城市天然氣市場的穩定供應。

③ 安全可靠

安全可靠是城市燃氣應用的基礎與前提。

天然氣是一種無毒無害的氣體，本身是安全的，且天然氣的使用既方便又干凈，給生活帶來一定的便捷。但天然氣同時又是一種易燃易爆氣體，若使用不當，容易發生中毒、爆炸和火災事故。因此，要提高全民安全使用天然氣的用氣意識，可通過加強安全管理、普及日常安全用氣常識、強化安全措施和應急處理能力等手段提升用戶端安全性。同時引入智能管控，實現從供氣端到用戶端的智能化巡檢和隱患排查管理，從根本上保障安全。

④ 節約高效

節約高效是燃氣作為能源應用的特點和屬性。

天然氣是一種清潔、高效、優質的低碳能源，是能源高效利用的最現實選擇。工業鍋爐中，燃煤鍋爐熱效率為55%～79%，燃油鍋爐熱效率為80%～85%，燃氣鍋爐熱效率則在82%～87%[15]。燃煤電廠發電效率較低，平均發電效率為40%，燃氣電廠不僅效率高，且不需要脫硫脫硝裝置，平均發電效率可達56%[16]。天然氣用作區域能源站燃料時，其燃燒產生的高溫煙氣可先經過燃氣輪機發電，發電效率為30%～40%，高溫煙氣產生的高溫高壓蒸汽再發電、供熱或供冷，即冷熱電聯產，能源綜合利用效率達到80%以上，若燃燒產生的水蒸氣冷凝潛熱也被利用，最終的能源綜合利用效率可達90%，天然氣的利用呈現節約高效的應用特點[17]。

⑤ 智能管控

智能管控是燃氣運營企業現代化管理的重要途徑和手段。

隨著我國城鎮化水平的不斷提升，城市燃氣用戶數量逐漸攀升，促使城市燃氣輸配管網規模迅速擴大，城市燃氣輸配管網是城市市政基礎設施的重要組成部分，其安全高效運行關系到人民生命財產安全與社會的和諧穩定。超大規模且復雜的城市燃氣輸配管網、經營領域不斷擴展延伸、安全生產的嚴峻形勢都對運行管理提出越來越高的要求，高效、智能化的管理方法才能滿足其需求，保證供氣的安全與穩定。智能化管控有助于完善燃氣運營與管理，提升服務水平，減少燃氣事故發生，準確掌握燃氣管網及用戶現狀及未來分布，為各業務精細化管理提供完整支撐。

4 結論與展望

4.1 結論

① 城市燃氣市政基礎設施的發展愿景：通過科技創新，發展和推廣城市燃氣供應工程新技術，提高燃氣利用效率，促進經濟建設與生態環境協調發展，推進燃氣生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的城市燃氣供應體系。

② 綠色發展理念下城市燃氣市政基礎設施的發展目標：a. 提出符合我國國情的城市燃氣供應工程綠色評價指標，構建城市燃氣市政基礎設施技術指標體系；b. 推動城市燃氣市政基礎設施綠色評價標準化；c. 逐步實現城市燃氣供應工程規劃、設計、施工、運行等全生命周期的綠色建設、綠色技術應用和智慧管理；d. 注重材料循環利用，加快可再生能源等新型能源的可持續、綜合和互補應用，促進城市燃氣供應網絡的互聯互通，實現城市燃氣供應高效能利用。

③ 城市燃氣市政基礎設施的基本屬性：清潔低碳、保障供應、安全可靠、節約高效、智能管控。

4.2 展望

本文針對城市燃氣市政基礎設施綠色發展理念進行研究，提出了綠色發展理念下的城市燃氣市政基礎設施的發展愿景、目標，定位于實現互聯互通的城市燃氣供應網絡的構建和高效應用，并確定了其基本屬性。后續將以城市燃氣市政基礎設施綠色發展理念為基礎，提出城市燃氣市政基礎設施綠色評價指標，推進城市市政基礎設施綠色發展理念的研究，構建綠色市政基礎設施核心技術指標體系，以加快城市市政基礎設施的綠色發展和建設。