一種架空蒸汽管滑動支座保溫結構的優化方案

枚 軍 李 靜 王婧璇 趙晨宏

(太原智博熱電工程設計有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

蒸汽供熱系統，廣泛地應用于工業廠房或工業區域[1]。隨著蒸汽供熱系統的發展，蒸汽管道的一些問題也日益凸顯，如蒸汽管道的散熱損失。蒸汽管道的散熱損失直接影響到運行的穩定、安全以及費用投資等[2-7]。本文以山西某市工業園區架空蒸汽管網工程為例，針對架空管普通滑動支座弧形板處散熱損失較大的問題，提出了一種架空蒸汽管滑動支座的新保溫方式，闡述了其保溫結構，計算分析了新保溫結構滑動支座與普通滑動支座的散熱損失，最后從施工成本和運行費用兩方面，對兩種滑動支座進行了技術經濟分析。

以山西某市工業園區架空蒸汽管網工程為例，架空蒸汽管外直徑為529 mm，蒸汽溫度為210 ℃，壓力1.5 MPa，該市的環境溫度[8]為-6 ℃；采用的保溫材料為離心玻璃棉，容重60 kg/m3，耐溫不大于350 ℃，厚度170 mm，導熱系數為0.038 8 W/(m·K)。該案例在實際運行中熱伸長最大可達800 mm。

2 兩種滑動支座的保溫結構技術分析

圖1為架空蒸汽管DN500滑動支座新保溫結構安裝立面圖及橫斷面圖。從圖1可知，新保溫結構滑動支座是將滑動支座和蒸汽管通過矩形鋼結構的形式進行了整體保溫。由圖1可知高強度隔熱板及之上的找平鋼板、下層聚四氟乙烯板均通過固定肋板固定于土建混凝土墩的預埋鋼板上；蒸汽管道與管道支座上的弧形板焊接連接，上層聚四氟乙烯板與管道支座下表面粘貼連接；最后將蒸汽管道和管道支座通過矩形鋼結構進行整體保溫。

圖2為DN500蒸汽管普通滑動支座安裝立面圖及橫斷面圖(L=850 mm)，參照《室外熱力管道支座》[9]中的曲面槽滑動支座。由圖2可知普通滑動支座是蒸汽管道與管道支座的弧形板焊接連接，而管道支座下粘貼聚四氟乙烯板；聚四氟乙烯板與土建混凝土墩的預埋鋼板直接接觸。蒸汽管道通過保溫材料纏繞進行保溫，但由于管道支座上的弧形板與蒸汽管道焊接，故與管道支座弧形板相連接的蒸汽管道需去掉保溫。

保溫結構的不同導致土建支墩也有相應區別。新保溫結構滑動支架的土建支墩由400×400的混凝土支墩和400×1 100的土建混凝土支托兩部分構成，而普通滑動支座的土建支墩為400×400的混凝土墩。考慮普通支座偏心安裝時，其前進邊緣(靠伸縮節的一方)與支撐板中心線相距50 mm[9]。由于最大熱伸長為800 mm，因此反推得出支座實長為850 mm。

3 技術經濟分析

通過從施工造價成本和運行費用兩方面，探討了DN500蒸汽管滑動支座新保溫結構與普通滑動支座的技術經濟。

3.1 施工造價成本

通過廣聯達計價軟件對兩種滑動支座的制作安裝進行造價分析，見表1。由表1可知，新保溫結構滑動支座施工總造價為6 635元，普通滑動支座施工總造價為2 379元。顯而易見，在施工階段普通滑動支座較新保溫結構滑動支座省4 256元。

表1 架空蒸汽管新保溫結構滑動支座與普通滑動支座的施工造價對比 元

3.2 運行費用

對于蒸汽管道，由于熱量損耗造成的經濟損失也是不可忽略的。因此我們需要計算架空蒸汽管新保溫結構滑動支座與普通滑動支座的散熱損失，繼而通過散熱損失得出蒸汽損耗，從而分析兩種滑動支座所對應的經濟損失。

3.2.1散熱損失

由圖1,圖2可知，新保溫結構滑動支座相較于普通滑動支座，是將滑動支座和蒸汽管道進行整體保溫，滑動支座上的曲面槽與土建支墩預埋鋼板的連接處，也采用了高密度隔熱板進行保溫，因此可將新保溫結構滑動支座弧形板處所對應的蒸汽管道按采取保溫措施計算。而普通滑動支座的弧形板處通過曲面槽(曲面槽下面粘接聚四氟乙烯板)與土建支墩預埋鋼板接觸，中間沒有任何保溫措施，故普通滑動支座弧形板處所對應的蒸汽管道按未采取任何保溫措施計算。

結合本案例實際工程的運行參數，同時根據蒸汽管道絕熱層表面散熱量[10,11]的計算公式，計算得出表2。由于熱媒到管內壁的熱阻以及金屬管壁的熱阻相較于保溫材料的熱阻以及保溫層外表面到空氣的熱阻數值很小，可忽略不計[1]。

(1)

q=πD1Q

(2)

式中：q——管道絕熱表面每米長度的散熱量，W/m；

Q——管道絕熱層表面單位面積的散熱量，W/m2；

To——管道或設備的外表面溫度，本案例蒸汽溫度210 ℃；

Ta——環境溫度，本案例取-6 ℃；

D0——管道或設備外徑，m；

D1——絕熱層外徑，m；

λ——平均溫度下的導熱系數，W/(m·K)；

as——保溫結構表面放熱系數，當無風速時，as可取為11.63 W/(m2·K)。

表2 架空蒸汽管兩種滑動支座的相關參數及散熱量

3.2.2散熱損失所造成的蒸汽損耗

在本實際案例中，年運行時間7 200 h，蒸汽價格按150元/t計算，由圖2可知普通滑動支座兩端各有一個弧形板，且弧形板兩端間距L=850 mm。考慮到滑動支座弧形板和蒸汽管周邊的保溫施工操作等因素，蒸汽管與弧形板連接處的實際散熱量遠大于弧形板弧度所對應的散熱量；因此普通滑動支座弧形板的散熱長度按弧形板兩端間距850 mm計算，散熱弧長按照蒸汽管表面的1/3周長來確定散熱損失。以普通滑動支座為例，計算其散熱損失所造成的蒸汽損耗。計算步驟如下：

1)滑動支座弧形板處每米的散熱損失為：4 174.83/3=1 391.61 W/m。

2)根據滑動支座弧形板處每米的散熱損失、弧形板散熱長度以及年運行時間，得出普通滑動支座弧形板處年散熱量為1 391.61×850×7 200×3 600=30 659.9 MJ。

3)根據焓濕圖可知，T=210 ℃，P=1.5 MPa，H1=2 823.91 kJ/kg的過熱蒸汽降溫至T=100 ℃，P=1.5 MPa，H2=2 823.91 kJ/kg的冷凝水所損失的熱量為2 823.91-420.15=2 403.76 kJ/kg。

4)弧形板處相對應的蒸汽損耗量30 659.9/2 403.76=12.8 t。

5)根據蒸汽價格150元/t，計算的滑動支架的經濟損失為150×12.8=1 913元。

通過計算得出普通滑動支座弧形板處的年經濟損失為1 913元，同理可得新保溫結構滑動支座弧形板處的年經濟損失為48元。由此可見，在運行階段，新保溫結構滑動支座比普通滑動支座年運行費用節省1 865元。結果見表3。

表3 滑動支座弧形板處蒸汽損耗量以及經濟損失

3.3 結果討論

通過分析DN500蒸汽管滑動支座新保溫結構方案與普通滑動支座的施工造價成本和運行費用，見表4。由表4可知，在施工階段，采用新保溫結構滑動支座相對于普通滑動支座多投資4 256元，但在后期運行由于弧形板處散熱損失導致的年蒸汽損耗可達1 865元/年。當采用新保溫結構滑動支座運行時，兩年半即可收回前期多投資的金額。同時普通滑動支座由于弧形板處的散熱損失，在某種程度上也會影響后期運行工況的穩定。因此采用新保溫結構滑動支座既能滿足實際工程的穩定運行的要求，同時又能做到節能，節省運行費用。

表4 蒸汽管滑動支座新保溫結構方案與普通滑動支座的技術經濟分析

4 結語

本文主要以山西某市工業園區架空蒸汽管網工程為例，提出了一種滑動支座的新保溫方式，闡述了其保溫結構的構造，并相較于普通滑動支座，分析了新保溫結構滑動支座的施工成本和運行費用，結果表明該新保溫結構滑動支座既能滿足實際工程的穩定運行要求，同時又能做到節能，節省運行費用。