蒸汽管道保溫層性能惡化對其經濟性的影響

摘要：目前卷煙廠蒸汽管線具有點多、線長、面廣的特點，熱力折合系數較高，蒸汽能耗占總體能耗比重較大，對蒸汽管道保溫層性能開展研究對提升蒸汽使用效率、減少蒸汽管網熱損失意義重大。以4種保溫材料為例，基于穩態法測量不同溫度下的保溫層熱導率，明確保溫材料熱導率與蒸汽溫度間的關系，確定了適合應用場景的高效保溫材料。通過最大允許熱損失方法及經濟厚度法確定了合適的保溫層厚度，并對不同使用年限的保溫層熱導率進行測量，隨保溫層使用年限增加，其熱導率呈線性增加趨勢。將保溫層性能惡化因素納入模型中，研究了保溫層運行費用與其外徑及使用年數的關系。針對不同設計使用壽命的保溫層，基于經濟厚度法計算最優外徑及運行費用，結果表明：將材料老化因素考慮在內設計保溫層厚度，在設計使用年限內，其累計費用減少10.7%，當超出設計使用年限后，由于保溫層老化，散熱損失費用增加，考慮材料老化的運行費用高于未考慮材料老化時的費用。通過保溫層設計，降低蒸汽散熱損失，提升蒸汽利用率，為卷煙廠綠色低碳高質量發展提供理論指導。

關鍵詞：保溫層；熱導率；最大允許熱損失法；經濟厚度法；性能惡化

中圖分類號：TK124""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1002-4026（2025）01-0074-09

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20240063【新材料】

收稿日期：2024-04-18

基金項目：山東中煙重大科技項目（620000082）

作者簡介：曹凱（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為能源管理。E-mail：550901873@qq.com

*通信作者，鮑文龍（1995—），男，博士，工程師，研究方向為熱能工程。Tel：15621181185，E-mail：b_w_long@126.com

Effect of thermal insulation performance deterioration

on the economy of steam pipelines

CAO Kai， BAO Wenlong*， ZHAO Kun， JIANG Haoyong， YIN Xinglei

（China Tobacco Shandong Industrial Co.， Ltd， Qingdao 266100， China）

Abstract∶Currently， the steam pipelines in cigarette factories are characterized by numerous points， extensive lengths， and broad coverage. The thermal conversion factor of these pipelines is high， and their steam energy consumption accounts for a large proportion of the total energy consumption. Therefore， investigating the performance of the insulation layer of steam pipes is of considerable importance for improving steam utilization efficiency and reducing heat loss in the steam pipe network. In this study， the thermal conductivities of insulation layers made of four insulation materials were measured using the steady-state method at different temperatures to elucidate the relationship between the thermal conductivity of an insulation material and the steam temperature， thereby identifying the efficient insulation materials suitable for application scenarios. The appropriate insulation layer thickness was determined using the maximum allowable heat loss method and economic thickness method. Moreover， the thermal conductivities of insulation layers with different service lives were measured. Results indicate that the thermal conductivity increased linearly with the increasing service life. Factors causing the deterioration of insulation layer performance were incorporated into the model to study the relationship between the operating cost of an insulation layer and its outer diameter and service life. For insulation layers with different designed service lives， their optimal outer diameters and operating costs were calculated using the economic thickness method. Results show that considering material aging factors in the design of insulation layer thickness can reduce cumulative costs by 10.7% within the designed service life. However， when the service life expires， the operating cost of a design that considered the aging issue is higher than that of a design that did not consider the aging issue owing to increased heat loss as a result of aging of the insulation layer. The insulation layer can be designed to reduce steam heat loss and improve steam utilization efficiency as well as provide theoretical guidance for the green， low-carbon， and high-quality development of cigarette factories.

Key words∶thermal insulation; thermal conductivity; maximum allowable heat loss method; economic thickness method; performance deterioration

卷煙廠蒸汽管線具有點多、線長、面廣的特點，蒸汽的能耗占比較大，是用能的關鍵環節。降低蒸汽管網熱損失對提升卷煙廠蒸

汽利用率、降低能耗有重要意義。蒸汽管網熱損失主要取決于保溫層厚度及熱導率、蒸汽及環境溫度、風速等，由于蒸汽溫度、環境溫度及風速受限于工藝要求，因此降低蒸汽管道熱損失主要從保溫層性能及厚度方面著手。保溫層優化設計是蒸汽管網設計的重要一環，保溫層材料熱導率及其厚度是決定管網熱量損失的關鍵因素［1］。選擇熱導率小的保溫層材料以及合適的保溫層厚度是降低管網熱量損失的有效途徑。

目前，常見的蒸汽管網保溫層厚度設計方法主要包括經濟厚度法、允許最大熱損失法和指定溫降法［2-3］。荊瑞靜［4］給出了雙層保溫層厚度簡化設計方案，為雙層保溫層設計提供了理論指導，但其并未結合工程實際進行驗證。陳寶法等［5］將遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法應用于保溫層厚度優化設計，發現模擬退火算法得到的保溫層厚度更符合工程實際。何磊等［6］研究了高溫蒸汽管道保溫層厚度計算影響因素，分析了熱價、環境溫度、管徑及導熱系數在保溫層厚度計算中的影響。Wang等［7］將水凝膠應用于蒸汽管網保溫，研究發現硬質保溫材料的保溫效果優于軟質保溫材料。王克平等［8］通過構建蒸汽保溫效果理論模型分析了保溫層服役年限對保溫效果的影響，發現氣凝膠絕熱材料服役年限較長。鐘升楷等［9］研究發現保溫材料導熱系數在保溫層性能惡化中占主導地位。劉婷［10］采用熱阻法建立了保溫管道等效熱網絡模型，結果表明，保溫層外表面溫度與保溫層厚度和管徑有關。李小鵬［11］提出一種基于虛擬熱源法的直埋蒸汽管道保溫層厚度優化方法，對單一保溫層和復合保溫層的經濟性進行了對比分析。綜上所述，雖然有學者對保溫層設計進行了詳細研究，但

現有研究中未探究保溫層性能惡化對其經濟性的影響。保溫材料性能是影響蒸汽保溫層性能及使用壽命的關鍵因素，對常見的保溫層材料性能進行系統研究，并結合工程實際驗證其保溫效果具有重要意義。

本文以4種常見保溫層材料為例，基于穩態法對保溫材料在不同蒸汽溫度以及不同使用年限的熱導率進行測量，基于最大允許熱損失法和經濟厚度法計算保溫層厚度，并將保溫材料性能惡化考慮在內，計算不同設計使用壽命下的運行費用，并結合現場實際驗證保溫層使用效果，計算經濟效益。

1" 保溫材料熱導率測量

保溫層熱導率基于穩態法［12-13］測量，如圖1所示，在支架D上一次放入圓銅盤C、待測樣品B以及紫銅圓筒A，加熱A，使樣品上下表面維持穩定的溫度T1、T2。由傅里葉導熱定律可知，單位時間內通過橫截面的熱通量與溫度梯度成正比，即：

ΔQΔt=ksT1－T2d ，（1）

其中，Q為熱通量；k為熱導率，W·m-1·K-1；s為截面面積，m2；T為溫度，K；d為距離，m；t為時間，s。

實驗過程中，當熱傳導過程達到穩態時，樣品上下表面的溫度保持不變，此時可認為樣品上表面吸收熱量的速率與C向周圍環境散熱的速率相等，因此可通過C在T2時的散熱率得到熱通量。為了獲得該散熱率，當溫度穩定后，將樣品B取出，讓A與C直接接觸，加熱A，使其溫度上升至比T2高出100 ℃以上，當C的溫度上升到比T2高后，將A移走，使其自然冷卻，測量C的溫度T隨時間的變化，可得到其散熱率。

由于工藝要求，不同的應用場景，蒸汽溫度存在差異，因此，采用上述實驗方法對陶瓷纖維毯、玻璃棉、硅酸鋁、巖棉4種常見的保溫材料熱導率溫度依賴性進行測量，結果如圖2所示。由實驗結果可知，250 ℃下硅酸鋁纖維的熱導率（0.074 W·m-1·K-1）最大，陶瓷纖維毯的熱導率（0.042 W·m-1·K-1）最小。劉承婷［2］通過穩態法測得300 K下陶瓷纖維毯、玻璃棉、硅酸鋁熱導率分別為0.052、0.063、0.087 W·m-1·K-1，與本文所測結果（0.05、0.057、0.092 W·m-1·K-1）基本一致。姚凱等［14］測得305 K下硅酸鋁的熱導率為0.098 W·m-1·K-1，李保春等［15］測得70 K下巖棉的熱導率為0.049 W·m-1·K-1，均與本文所測結果有較好的一致性。四種材料熱導率均隨溫度升高而增大，僅從熱導率數值來看，陶瓷纖維毯的保溫效果最好，隨后依次為玻璃棉、巖棉和硅酸鋁。其中，陶瓷纖維毯、玻璃棉的熱導率隨溫度升高變化幅度相對較小，適合用于蒸汽管道保溫。

為支撐后續設計計算，將所測熱導率的溫度依賴性進行非線性擬合，擬合結果如圖3所示。

根據擬合結果所得擬合關系式如表1所示，陶瓷纖維毯及硅酸鋁熱導率與溫度呈3次多項式關系，玻璃面和巖棉熱導率與溫度呈2次多項式關系，相關系數R均在0.994以上。

2" 保溫層厚度及散熱損失計算

目前，計算蒸汽管道保溫層厚度的方法主要包括：最大允許熱損失法、經濟厚度法、指定表面溫度法［16-18］。最大允許熱損失法是目前管道保溫層厚度計算中常用的設計方法，《工業設備及管道絕熱工程設計規范》（GB 50264—2013）［19］中規定允許熱損失量如表2所示，某卷煙廠蒸汽溫度為250 ℃，絕熱層外表面最大允許熱損失為147 W·m-2。

圓筒型單層最大允許熱損失下保溫層厚度應符合如下要求［2］：

D1lnD1D0=2λ（t0－ta［Q］－1αs） ，（2）

αs=11.63+6.95ω0.5 ，（3）

其中，［Q］為單位面積保溫層外表面最大允許熱損失，W·m-2；λ為保溫材料熱導率，W·m-1·K-1；ta為環境溫度，℃；t0為管道外表面溫度，℃；D0為管道外徑，m；D1為保溫層外徑，m；αs為保溫層外表面與周圍空氣的換熱系數，W·m-2·K-1；ω為風速，m/s。以DN40的蒸汽管道為例，計算蒸汽溫度為250 ℃、環境溫度25 ℃、風速為0（αs=11.63 W·m-2·K-1）時不同保溫層材料的厚度，為保證實際散熱損失低于國家標準，在理論值的基礎上增加30%的安全系數，并根據確定的實際厚度計算蒸汽管道的散熱損失，結果如表3所示。

如表3所示，根據最大允許熱損失法計算的保溫層厚度均滿足國標要求，熱導率越小的保溫層材料所需厚度越小，且散熱損失越小，效果更好。根據理論計算，對部分蒸汽管道進行保溫層更換，更換完成后，對熱力站保溫層外壁溫度進行測量，由于管道保溫層外表面材料發射率低，使用紅外線測溫儀測量溫度時在被測點表面貼3M電氣絕緣膠帶，預留5 min以上使被測物體表面與膠帶間達到熱平衡。熱力站蒸汽管道溫度由40 ℃降低至30～31 ℃，保溫層外壁溫度均小于33 ℃。

最大允許熱損失法僅從保溫層熱損失方面計算保溫層厚度，未將使用年限，年散熱損失費用等因素考慮在內。在我國熱力管道保溫層設計標準，如GB/T50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》［19］及GB/T 8175—2008《設備及管道絕熱設計導則》［20］中推薦使用經濟厚度法計算保溫層厚度。經濟厚度法原理是將初始投資年分攤費用與年散熱損失費用考慮在內，保證特定保溫層厚度下保溫管道的年平均總費用最低［21］。保溫層的經濟厚度主要由初始投資費用和散熱損失費用決定，初始投資費用的年分攤額度計算方法如下［22］：

Pt=S×［π4（D12－D22）（F1P1+P2）+πD1（F2P3+P4）］ ，（4）

其中，D2為保溫層內徑，m；F1為保溫層損耗系數；F2為外防護層損耗系數；P1為保溫層每立方米單價；P2為外防護層每立方米單價；P3為保溫材料施工費；P4為外防護層施工費；S為投資年均攤率，按下式計算：

S=i（1+i）n（1+i）n－1 ，（5）

其中，i為投資貸款的年利率，一般取為10%；n為投資貸款的還款年數。

保溫層年散熱損失費用由公式（6）計算：

Ph=2πkPfτ（t1－ta）lnD1D2+2kαsD1 ，（6）

其中，t1為保溫層內壁溫度，℃；ta為環境溫度，℃；k為保溫材料熱導率，W·m-1·K-1；τ為熱力管道年運行時間；Pf為熱價，元/GJ，由下式可得：

Pf=1 000C1C2PFHFηB ，（7）

其中，C1為工況系數；C2為系數；PF為燃料價格；ηB為熱效率。

保溫層年平均總費用P=Pf+Ph，對P求保溫層厚度的偏導，導數最小處即為年平均總費用的最小值。如圖4所示，按照經濟厚度法計算陶瓷纖維毯和玻璃棉的厚度分別為0.13、0.15 m，年平均費用分別為78.5、85.7元/m。但上述計算過程中未考慮使用過程中保溫層性能的變化，因此每年的散熱損失是固定值。而在實際應用中，保溫層的保溫性能會隨著運行年限的增加逐漸惡化，導致年散熱費用增加。

隨著運行年數的增加，保溫材料熱導率逐年增加，利用穩態法對不同運行年數（0～7年）的保溫材料熱導率進行測量，結果如圖5所示，通過線性擬合可得到熱導率與運行年數間的一次線性關系式，陶瓷纖維毯和玻璃棉熱導率與運行年數間關系式分別為式（8）和式（9），殘差平方和均10-6量級，擬合具有較好的準確性。

kt=0.002 09N+0.040 17 ，（8）

kb=0.002 29N+0.048 66 。（9）

將式（8）和式（9）分別代入式（6），可計算保溫層散熱損失費用的平均值。

Ph=∫N02πk（N）Pfτ（T1－T2）lnD1D2+2k（N）αsD1dNN ，（10）

其中，N為保溫層設計使用年數。同時將投資貸款還款年數n設為設計使用年數N，此時對P求偏導可得：

PD1=D1（∫N02πk（N）Pfτ（T1－T2）lnD1D2+2k（N）αsD1dNN）

+D1i（1+i）N（1+i）N－1（π4（D12－D22）（F1P1+P2）+πD1（F2P3+P4））=0。（11）

年總運行費用P與保溫層外徑以及設計使用年數關系如圖6所示，當使用年數和保溫層外徑都較小時，由于初始投資費用償還年數少，且散熱損失費用高，年總運行費用較高。當使用年數較小時，隨著保溫層外徑的增加，由于散熱損失費用減少，初始投資費用增加，總運行費用先減少后增加。隨著使用年數的增加，由于保溫層性能下降，散熱損失費用迅速增加，從而導致年總運行費用急劇增加。由于玻璃棉的熱導率惡化速率高于陶瓷纖維毯，因此隨著使用年數的增加，玻璃棉的運行費用增長速率高于陶瓷纖維毯。

根據公式（11），可以得到不同設計使用壽命下的經濟外徑，結果如圖7所示，未考慮保溫材料老化且設計使用壽命小于20年時，由于初始投資年分攤費用較高，經濟外徑隨設計使用壽命的增加迅速增加。設計使用壽命為20年時，陶瓷纖維毯和玻璃棉的經濟外徑分別為0.58和0.69 m。隨著設計使用壽命進一步增加，初始投資年分攤費用對總費用的影響逐漸小于散熱損失費用的影響，經濟外徑趨于穩定值，陶瓷纖維毯和玻璃棉穩定經濟外徑分別為0.62和0.74 m。如圖5所示，在實際使用過程中，由于熱力站溫濕度較高，保溫材料熱導率隨使用年數的增加呈線性增加趨勢，將材料老化因素考慮在內時，經濟外徑與設計使用壽命間為正相關關系。設計使用壽命為10年時，考慮材料老化后陶瓷纖維毯和玻璃棉的經濟外徑分別為0.59和0.697 m，相較于不考慮材料老化因素時增加17.2%和16.1%，且隨著設計使用年數的增加，增長幅度逐漸上升。

以陶瓷纖維毯為例，對于設計壽命為10年、20年的蒸汽管道保溫層，材料老化對運行費用的影響如圖8所示，當設計壽命為10年時，材料性能惡化對運行費用的影響較小，但在實際工程應用中，保溫層使用年數往往超過設計壽命。當運行年數超過10年時，如圖8（a）所示，由于初始投資費用已繳清，僅考慮散熱損失費用，考慮材料老化后的運行費用低于未考慮材料老化的運行費用。0～10年時間內，是否考慮材料老化的累計運行費用分別為2 709.2和2 713.6元/m，兩者相差不大。當超過設計使用壽命時，10～20年時間內，是否考慮材料老化的累計運行費用分別為1 307.7和1 447.8元/m，考慮材料老化后累計費用減少10.7%。若蒸汽管道總長為10 km，20年內可減少運行費用144.5萬元。當設計壽命為20年時，如圖8（b）所示，前10年由于未考慮材料老化時經濟厚度較薄，散熱損失費用高，運行費用高于考慮材料老化后的運行費用。使用年數超過10年后，由于保溫層老化，散熱損失費用的增加，考慮材料老化的運行費用高于未考慮材料老化時的費用。

在保溫效果方面，陶瓷纖維毯和玻璃棉熱導率較低，保溫性能較好。從運行費用方面，當不考慮保溫層性能惡化因素時，陶瓷纖維毯的經濟厚度、年平均費用均小于玻璃棉。當把保溫層性能惡化因素考慮在內時，玻璃棉性能惡化速率高于陶瓷纖維毯，導致其散熱損失費用高于陶瓷纖維毯，散熱損失費用較大。雖然陶瓷纖維毯單價高于玻璃棉，但其所需厚度小于玻璃棉，其初始投資費用小于玻璃棉。因此，卷煙廠蒸汽管道保溫材料建議選用陶瓷纖維毯，同時在蒸汽管道大型閥門處增加保溫層，不僅可降低閥門散熱損失，還有利于電子元件工作穩定，同時可避免高溫設備造成人員燙傷。設計壽命為10年時，材料性能惡化對運行費用影響較小，超過10年后，蒸汽管道散熱損失費用迅速增加，建議蒸汽管道保溫層使用壽命設計為10年，超過10年后及時更換保溫層。

3" 結論

本文以某卷煙廠蒸汽管道保溫層為研究對象，首先，采用穩態法測量常用4種保溫材料熱導率隨蒸汽溫度以及使用年限的變化，以熱導率作為輸入，基于最大允許熱損失方法及經濟厚度法計算保溫層理論厚度，并結合工程實際更換保溫層，進行現場驗證，主要結論如下：

（1）4種材料熱導率與溫度呈正相關關系，250 ℃下硅酸鋁纖維的熱導率（0.074 W·m-1·K-1）最大，陶瓷纖維毯的熱導率（0.041 6 W·m-1·K-1）最小。4種材料熱導率均隨溫度升高而增大，僅從熱導率數值來看，陶瓷纖維毯的保溫效果最好，隨后依次為玻璃棉、巖棉和硅酸鋁。其中，陶瓷纖維毯、玻璃棉的熱導率隨溫度升高變化幅度相對較小，適合用于蒸汽管道保溫。隨著保溫層使用年數的增加，其熱導率呈線性增加。

（2）根據最大允許熱損失法計算的陶瓷纖維毯、保溫棉、硅酸鋁、巖棉保溫層厚度分別為37.2、43.0、58.1、57.0 mm，計算得到的散熱損失均滿足國標要求。

（3）未考慮材料性能惡化時，按照經濟厚度法計算陶瓷纖維毯和玻璃棉的厚度分別為0.13、0.15 m，年平均費用分別為78.5、85.7元/m。將材料性能惡化考慮在內時，保溫層經濟厚度增加，以陶瓷纖維毯為例，10年內累計運行費用分別為1 307.7和1 447.8元/m，考慮材料老化后累計費用減少10.7%。

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