架空蒸汽管道軟硬質(zhì)復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)研究

陳艷旭 徐清

無錫新聯(lián)熱力有限公司

0 引言

城市集中供熱項目作為傳統(tǒng)的環(huán)保節(jié)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(zhuǎn)換率高，不僅可以有效推動工業(yè)生產(chǎn)，促進生產(chǎn)實現(xiàn)安全、環(huán)保、經(jīng)濟的目標(biāo)，還為當(dāng)?shù)刂圃炝己脿I商環(huán)境，著力支撐著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的綠色發(fā)展，加快城市化建設(shè)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(jīng)濟性的重要指標(biāo)，是熱網(wǎng)經(jīng)營管理水平的重要體現(xiàn)，而管道保溫又是長距離管網(wǎng)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(shè)方式都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。實際使用過程中，傳統(tǒng)的軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)低支架敷設(shè)時易受踩踏，導(dǎo)致變形，影響使用壽命。硬質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)較高，能量損失嚴(yán)重。為降耗增益，探索低導(dǎo)熱系數(shù)，且使用壽命較長的保溫結(jié)構(gòu)，本文展開軟硬質(zhì)復(fù)合新型供熱蒸汽架空管道保溫結(jié)構(gòu)研究，以提高供熱技術(shù)水平。

1 實驗方案

本文設(shè)計了3 種軟硬質(zhì)復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)方案。將3種方案與傳統(tǒng)軟質(zhì)和硬質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)共同應(yīng)用于正常運行的DN600 管直管段，每2 m 執(zhí)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(yīng)耐高溫、耐中溫反射層收緊綁扎，最外層敷設(shè)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(shù)據(jù)，比較其散熱損失及經(jīng)濟性。運行一段時間后，對5 種保溫結(jié)構(gòu)各施加6 kg 重量，進一步分析預(yù)測各方案在受壓狀態(tài)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(tài)下實驗圖

圖2 管道受壓狀態(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)外表面溫度℃；R總為保溫結(jié)構(gòu)熱阻℃/W；λi為各層保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)，規(guī)范[7]推薦α=11.63 W（/m·2K），此時風(fēng)速為3.5 m/s。

ξ 為保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使用年限。

3 結(jié)果與討論

3.1 平均單位面積散熱損失對比

實驗結(jié)果如圖3、4 所示。根據(jù)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(shè)計的保溫結(jié)構(gòu)方案C 數(shù)值最小，為53.11 W/m2，保溫效果最佳。這是因為聚氨酯瓦塊導(dǎo)熱系數(shù)較低，具有較好的保溫性能。方案D、E 雖也應(yīng)用該材料，但其保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)的硬質(zhì)硅酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)較高，且硬質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)之間縫隙較大，熱量損失較為嚴(yán)重。由圖4 可知，未受壓狀態(tài)下保溫結(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測

假設(shè)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(yù)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(yù)測，未受壓狀態(tài)下，五種保溫結(jié)構(gòu)方案的使用年限分別為10、11、14、10、10 年。受壓狀態(tài)下，五種保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能，縮短保溫結(jié)構(gòu)的使用年限，其中自主設(shè)計方案C 無論是未受壓狀態(tài)還是受壓狀態(tài)，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(yù)測

3.3 性價比分析

圖6 為各方案單位長度管道保溫結(jié)構(gòu)價格對比圖，由圖可知，軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)方案A 價格最低，為435.47 元/米。自主設(shè)計的保溫結(jié)構(gòu)方案C 居中，為586.29 元/ 米。硬質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)方案E 價格最高，為823.31 元/米。根據(jù)圖7，結(jié)合使用年限，自主設(shè)計方案C 性價比最優(yōu)，未受壓狀態(tài)下為41.88 元/年，受壓狀態(tài)下為58.63 元/年。

圖6 單位長度管道保溫結(jié)構(gòu)價格對比

圖7 性價比對比

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)有軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加入微孔硅酸鈣及聚氨酯瓦塊硬質(zhì)保溫材料，并設(shè)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(jié)構(gòu)下保溫性能的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)最佳保溫結(jié)構(gòu)為方案C。采用軟硬質(zhì)保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)和頂層加蓋技術(shù)，能有效減少管損，其使用年限可達(dá)約14 年，管道受壓后，使用年限縮至10 年。本文成果應(yīng)用可提高管網(wǎng)使用壽命，保證管網(wǎng)蒸汽輸送結(jié)構(gòu)更安全、運行更經(jīng)濟，提高供熱保障力，節(jié)約經(jīng)營成本。