架空蒸汽管道軟硬質復合保溫結構研究

陳艷旭 徐清

無錫新聯熱力有限公司

0 引言

城市集中供熱項目作為傳統的環保節能項目，受到各地政府的鼓勵與大力提倡[1]。在南方，城市集中供熱項目已升級成蒸汽型的供熱項目，其用熱轉換率高，不僅可以有效推動工業生產，促進生產實現安全、環保、經濟的目標，還為當地制造良好營商環境，著力支撐著當地經濟的綠色發展，加快城市化建設進程[2-3]。

供熱管損直接反映了蒸汽輸送過程中的有效利用率，是蒸汽供熱經濟性的重要指標，是熱網經營管理水平的重要體現，而管道保溫又是長距離管網運行過程中影響熱能損失大小的重要因素[4-6]，保溫材料選擇、敷設方式都發揮著至關重要的作用。實際使用過程中，傳統的軟質保溫結構低支架敷設時易受踩踏，導致變形，影響使用壽命。硬質保溫結構導熱系數較高，能量損失嚴重。為降耗增益，探索低導熱系數，且使用壽命較長的保溫結構，本文展開軟硬質復合新型供熱蒸汽架空管道保溫結構研究，以提高供熱技術水平。

1 實驗方案

本文設計了3 種軟硬質復合保溫結構方案。將3種方案與傳統軟質和硬質保溫結構共同應用于正常運行的DN600 管直管段，每2 m 執行一個方案，方案間間隔2 m，共計實驗長度18 m。方案如表1，實驗圖見圖1。每層保溫層均選取相應耐高溫、耐中溫反射層收緊綁扎，最外層敷設氣囊反射層后捆扎0.7 mm 厚彩鋼板。所有方案均在芯管外壁面及每一層保溫層的上、中、下三處放置測溫元件，并連接到智能測溫儀以讀取收集數據，比較其散熱損失及經濟性。運行一段時間后，對5 種保溫結構各施加6 kg 重量，進一步分析預測各方案在受壓狀態下的使用年限。

表1 方案涉及保溫材料

圖1 管道未受壓狀態下實驗圖

圖2 管道受壓狀態下實驗圖

2 實驗原理及公式

通過測量每一層保溫層的溫度以計算比較每種保溫結構方案單位面積散熱損失和性價比。q 為單位面積散熱損失W/m，其計算公式如下：

其中：t 為芯管溫度℃；t0為保溫結構外表面溫度℃；R總為保溫結構熱阻℃/W；λi為各層保溫材料導熱系數W/（m·K），i=1,2…n；di為各保溫層直徑m，i=1,2…n；α 為保溫層外表面與大氣的換熱系數，規范[7]推薦α=11.63 W（/m·2K），此時風速為3.5 m/s。

ξ 為保溫結構性價比，由以下公式計算：

其中：Δq 為散熱損失年增長量W/m，y 為保溫結構使用年限。

3 結果與討論

3.1 平均單位面積散熱損失對比

實驗結果如圖3、4 所示。根據GB/T 4272-2008[8]要求，管道表面溫度為225 ℃時，常年運行工況允許最大散熱損失為136.5 W/m2。由圖3 可知，相同天氣條件下，5 種方案平均單位面積散熱損失均滿足條件，其中自主設計的保溫結構方案C 數值最小，為53.11 W/m2，保溫效果最佳。這是因為聚氨酯瓦塊導熱系數較低，具有較好的保溫性能。方案D、E 雖也應用該材料，但其保溫結構內的硬質硅酸鈣導熱系數較高，且硬質保溫結構之間縫隙較大，熱量損失較為嚴重。由圖4 可知，未受壓狀態下保溫結構方案C 平均單位面積散熱損失為52.9 W/m2，受壓后，上升至53.03 W/m2，可證，管道受壓將增大管損。

圖3 管道未受壓狀態下平均單位面積散熱損失

圖4 方案C 平均單位面積散熱損失對比

3.2 保溫結構使用年限預測

假設管道每年散熱損失遞增量相同，如圖5 為單位面積散熱損失隨時間變化預測圖。管道表面溫度為225 ℃時，常年運行工況允許最大散熱損失為136.5 W/m2，因此可以預測，未受壓狀態下，五種保溫結構方案的使用年限分別為10、11、14、10、10 年。受壓狀態下，五種保溫結構方案的使用年限分別為7、8、10、8、8年。可知，管道受壓易影響保溫結構性能，縮短保溫結構的使用年限，其中自主設計方案C 無論是未受壓狀態還是受壓狀態，使用年限最長，效果最佳。

圖5 單位面積散熱損失隨時間變化預測

3.3 性價比分析

圖6 為各方案單位長度管道保溫結構價格對比圖，由圖可知，軟質保溫結構方案A 價格最低，為435.47 元/米。自主設計的保溫結構方案C 居中，為586.29 元/ 米。硬質保溫結構方案E 價格最高，為823.31 元/米。根據圖7，結合使用年限，自主設計方案C 性價比最優，未受壓狀態下為41.88 元/年，受壓狀態下為58.63 元/年。

圖6 單位長度管道保溫結構價格對比

圖7 性價比對比

4 結論

本文在現有軟質保溫結構的基礎上，加入微孔硅酸鈣及聚氨酯瓦塊硬質保溫材料，并設計了3 種保溫方案。從散熱損失、使用壽命、性價比著手，實驗測試了不同保溫結構下保溫性能的優劣，發現最佳保溫結構為方案C。采用軟硬質保溫復合結構和頂層加蓋技術，能有效減少管損，其使用年限可達約14 年，管道受壓后，使用年限縮至10 年。本文成果應用可提高管網使用壽命，保證管網蒸汽輸送結構更安全、運行更經濟，提高供熱保障力，節約經營成本。