新型耐溫耐壓多層結(jié)構(gòu)管道及其壁溫計算

李建鋒，呂俊復(fù)，冷 杰，柴曉軍

（1.中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京100055；2.清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京100084；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽110006）

以燃煤為主的發(fā)電方式給我國帶來了巨大的能源消耗與環(huán)境保護壓力，因此節(jié)能減排工作成為目前火力發(fā)電企業(yè)必須面對的問題，而降低火電廠的廠用電率能夠明顯降低發(fā)電能耗［1-4］.文獻［1］～文獻［4］中提出的通過耦合空氣透平系統(tǒng)能夠有效降低火電廠的廠用電率，但是由換熱器出來的高溫高壓空氣參數(shù)可以達到700 ℃、0.5～0.6 MPa，因而高溫換熱器出口與空氣透平之間的連接管道是該系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素之一.對于換熱器來說，由于換熱器管道較細，所以抗壓能力較強，同時在換熱器的高溫段可以采用較耐高溫的材料.根據(jù)目前高溫換熱器的技術(shù)進展，產(chǎn)生700 ℃、0.5～0.6 MPa的空氣有條件實現(xiàn)［5-8］.但對于連接管道來說，由于溫度高、壓力大，而且管道很粗，所以管道壁面承受的熱應(yīng)力和拉伸應(yīng)力很大，繼續(xù)采用常規(guī)的金屬管道加保溫的方式可能會有較大困難，或者需采用更加耐高溫的合金材料［9-12］，這樣會大大增加管道的制造成本.

同時，為進一步提高火力發(fā)電機組的發(fā)電效率，主蒸汽壓力超過30MPa、溫度為700℃的下一代超超臨界機組的研發(fā)已顯得較為迫切，此前對高溫高壓管道的研究［11-12］多集中在耐高溫與耐高壓材料的研發(fā)上，未見對管道結(jié)構(gòu)改進的研究報道.因此，為了降低這些高溫高壓管道生產(chǎn)制造上的技術(shù)困難，同時降低管道的造價，基于耐溫與耐壓分開的原則，筆者提出了一種新型的多層管道設(shè)計方案.

1 新型管道結(jié)構(gòu)介紹

目前，在能源、化工和石油等領(lǐng)域，高溫高壓管道的應(yīng)用非常廣泛，為了防止保溫材料本身或者保溫材料脫落對管道內(nèi)流體的污染與堵塞，常采用金屬管道外加保溫層的方式（見圖1）.金屬管道既要承受較高的溫度，又要承受很高的壓力.因此，在高溫高壓領(lǐng)域?qū)饘俟艿赖牟馁|(zhì)提出了嚴格的要求，需要使用較為昂貴的耐溫合金鋼，大大增加了管道的造價［12-13］.

圖1 傳統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of a conventional pipe

為提高管道的耐溫、耐壓能力，可以采用保溫材料內(nèi)置的方式實現(xiàn)耐溫與耐壓分離（見圖2）.管道由內(nèi)管道、保溫材料以及外管道構(gòu)成.其中，內(nèi)管道主要承受高溫，而壓力則主要靠外管道來承受，相當(dāng)于把圖1中的保溫材料內(nèi)置，同時在保溫材料里面又覆蓋上一層金屬管，這主要是為了防止保溫材料在運行過程中長時間承受流體沖刷而脫落.為了防止內(nèi)層金屬管與外管道在常溫和受熱時因為膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力破壞管道，同時為了平衡內(nèi)管道內(nèi)外的壓差，內(nèi)管道可以采用兩段式結(jié)構(gòu)，二者用套管連接，這樣內(nèi)管道在受熱過程中有了自由膨脹的空間，大大降低了熱應(yīng)力，當(dāng)然這也相當(dāng)于把整個保溫材料置于高壓氣體之中.因為內(nèi)、外管道之間有保溫材料，所以外管道的壁溫為常溫，這樣，外管道可以采用普通鋼材制造，而內(nèi)管道因為不承受大的壓力，在制造過程中可采用較便宜的耐熱不銹鋼制造，成本大大降低.但是由于這種方式保溫材料內(nèi)置，一方面會導(dǎo)致整個管徑變得很大，外管道所受到的應(yīng)力也會大幅增加；更重要的是，由于在機組啟?；蛘咻斔偷臍怏w參數(shù)發(fā)生變化時，保溫材料內(nèi)部微孔中空氣不斷增壓和泄壓，會對保溫層纖維產(chǎn)生一定的破壞，最終會對材料的保溫性能和使用壽命產(chǎn)生不良影響［14］，且不方便維修.此外，保溫材料與管內(nèi)流體直接接觸，部分保溫材料在高溫時會出現(xiàn)有機物揮發(fā)現(xiàn)象［14］，有可能污染管內(nèi)氣體.在輸送非空氣氣體時，保溫材料與氣體在高溫高壓下是否會發(fā)生反應(yīng)也需認真考慮.

保溫材料多為疏松多孔的材料，實際的保溫效果是因為在多孔介質(zhì)中含有大量的空氣，空氣在不流通時，其本身的導(dǎo)熱系數(shù)極小，小于一般保溫材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)，因此如果能夠直接利用空氣層作為保溫材料，可能會取得較好的效果.圖3給出了利用空氣層作為絕熱層的多層管道結(jié)構(gòu)，即在內(nèi)管道和外管道之間安裝了多層遮熱管.這樣一方面降低了輻射換熱，另一方面也能防止氣體對流換熱.

在縫隙的寬度較小時，縫隙內(nèi)的熱傳遞將只有導(dǎo)熱和輻射，而沒有對流，這相當(dāng)于空氣夾層就是保溫材料.同樣，為了防止管道在高溫時產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時平衡內(nèi)管道的管內(nèi)外壓差，內(nèi)管道仍然采用套管式結(jié)構(gòu)，在內(nèi)管和外管之間有撐桿，起到固定內(nèi)管的作用，遮熱管的表面拋光或者鍍銀，以進一步減小輻射換熱量.如果套管縫隙很小，而且比較長，如圖4所示，那么即使內(nèi)管道的氣體在流動中，也不會對內(nèi)外管道之間的空氣產(chǎn)生影響，因此，遮熱管之間以及遮熱管與內(nèi)外管道之間的縫隙中，空氣仍可認為是靜止的.

圖4 套管式結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram in the sleeve section

采用這種多層管道結(jié)構(gòu)是為了降低承壓的外管道的溫度，因此在外管道溫度可控、管內(nèi)空氣壓力不是太高的情況下，管段之間可以采用法蘭連接，如同汽輪機上下缸體的連接方式，或者外管道采用焊接方式連接，主要控制焊接位置的溫度在一定范圍內(nèi)，這種管道結(jié)構(gòu)連接強度可以認為是可靠的.對于彎頭，可以將內(nèi)外管以及遮熱管做成1／4圓周的方式，按照管徑的不同依次插入并固定即可，如圖5所示.

圖5 彎管切面示意圖Fig.5 Sectional view of the bend

由于內(nèi)管道的一端為自由端，為了防止內(nèi)管道的震動，可以采用以下幾個主要措施：（1）降低空氣流速，可以采取適當(dāng)增大內(nèi)管道半徑的方式，遮熱管和外管道的半徑也適當(dāng)增大；（2）增加支撐，在圖3和圖4中均有撐桿，適當(dāng)增加撐桿的數(shù)量可以大大減弱管道的震動；（3）適當(dāng)增加內(nèi)管道的厚度以提高其強度.而對于遮熱管，其內(nèi)部縫隙之間的空氣為相對靜止?fàn)顟B(tài)，因此如果內(nèi)管道震動不大，遮熱管也不會有太大的震動.

這種多層結(jié)構(gòu)的管道可以輸送空氣，也可以輸送其他高溫高壓的氣體，但是這種結(jié)構(gòu)能否成功取決于耐壓管道（即外管道）最終的溫度范圍.如果能夠保持在一定的溫度范圍內(nèi)，那么可以認為這種結(jié)構(gòu)的管道在生產(chǎn)過程中是可行的.下面以空氣介質(zhì)為例，對穩(wěn)態(tài)條件下該結(jié)構(gòu)的壁溫進行計算.

2 壁溫計算模型

對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、保溫層內(nèi)置結(jié)構(gòu)或者外管道設(shè)置保溫層結(jié)構(gòu)，由于金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠遠大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此忽略金屬管道所帶來的溫降（即接觸熱阻），管道表面的散熱熱流密度為

式中：λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；t1為保溫材料內(nèi)壁面溫度；t2為保溫材料外壁面的溫度；R1為保溫材料內(nèi)壁面的半徑；R2為保溫材料外壁面的半徑.

對于多層管道結(jié)構(gòu)，遮熱管／管道壁面之間的換熱模型見圖6.在圖6中，假定第i層與第i＋1層遮熱管間的空氣相對封閉，那么二者之間的換熱有2種模式：一種是熱傳導(dǎo)或?qū)α?，?個遮熱管之間通過空氣進行熱交換；另一種是熱輻射，即2個遮熱管之間直接輻射換熱.

圖6 遮熱管／管道壁面的換熱模型Fig.6 Heat transfer mode between heat shields and pipe walls

假定管道為豎向布置，2個遮熱管之間的空氣相對封閉，同時只考慮遮熱管間的空氣夾層為純導(dǎo)熱模式，即夾層空氣物性參數(shù)滿足下列關(guān)系式［15］：

式中：Pri為夾層空氣的普朗特數(shù)；Gri為夾層空氣的格拉曉夫數(shù).

式中：g為重力加速度；αi為空氣的熱膨脹系數(shù)；δi為兩層之間的間隙；νi為空氣的動力黏度；ti和ti＋1分別為第i層和第i＋1層遮熱管的溫度.

在2個遮熱管間以導(dǎo)熱方式傳遞的熱流密度為

式中：λi為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；ri為內(nèi)層遮熱管外壁面半徑.

除了空氣導(dǎo)熱外，在2個遮熱管之間還有輻射換熱，輻射換熱的熱流密度為

式中：εi為遮熱管的表面發(fā)射率.

因此，通過第i層的總熱流密度為

由于管道中通過任意半徑處的熱流密度并不相等，而總散熱功率（即熱流功率）卻相同，因此在單位管道長度上有：

即

由式（8）可知，盡管不同半徑處的熱流密度不同，但是熱流密度與半徑的乘積為定值，為了計算方便，單位長度上的管道總散熱功率Φ為

3 計算結(jié)果與分析

在計算過程中，假定對遮熱管的表面進行磨光處理，發(fā)射率可以取0.05［15］，遮熱管厚度取1mm，且其內(nèi)外表面溫度相同.取內(nèi)管道外壁面和外管道內(nèi)壁面的表面發(fā)射率均為0.8［15］.

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［16］，在管內(nèi)介質(zhì)參數(shù)超過600 ℃時，常年運行的管道外表面散熱熱流密度不能超過314 W／m2，同時外表面溫度不能超過50℃.因此，如果采用膨脹珍珠巖作為保溫材料，采用迭代計算，根據(jù)式（1）可以計算出在管內(nèi)介質(zhì)溫度為700°C時，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保溫層內(nèi)置管道的保溫層厚度至少為0.17m.

但對于多層結(jié)構(gòu)的管道來說，不同內(nèi)管道外徑（0.4m、0.5 m 和0.6 m）下隨著遮熱管數(shù)量的增加，遮熱管的溫度不斷降低（見圖7）.其中橫坐標(biāo)1代表內(nèi)管道外壁，7代表外管道內(nèi)壁，中間的數(shù)字代表該層遮熱管.由圖7可知，遮熱管的溫度與內(nèi)管道外徑的關(guān)系不是很大，但隨著遮熱管層數(shù)的增加，外層遮熱管的溫度卻不斷降低.當(dāng)遮熱管超過5層時，外管道內(nèi)壁面的溫度已經(jīng)降至350 ℃以下，此時的外管道完全可以使用普通鋼材制造.另外，盡管內(nèi)管道壁溫為700℃，但是內(nèi)管道并不承受壓力，可以使用防止氧化的普通材料制造，遮熱管也可以采用表面有鍍層的普通鋼材制造.同時由于外管道的溫度較低，因此保溫材料就有更多的選擇，且保溫材料在中低溫以下的性能基本保持不變，大大降低了管道的制造成本.

圖7 不同內(nèi)管道外徑時遮熱管壁溫與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.7 Wall temperature vs.number of heat shields for different sizes of inner pipe

隨著遮熱管數(shù)量的增加，遮熱管外半徑也隨之增大（見圖8，圖中橫坐標(biāo)含義與圖7相同）.在增加了5層遮熱管后，內(nèi)外管道之間的縫隙總厚度約為0.18～0.19m，基本上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度相當(dāng)，但此時在外管道外壁仍然需要覆蓋一定厚度的保溫材料，這是因為在多層管道結(jié)構(gòu)中還有輻射換熱的作用，所以總厚度有所增加.當(dāng)然，如果在同樣的熱流功率下，增加外保溫層厚度會提高外管道的溫度，可以適當(dāng)減少遮熱管的層數(shù).但是外管道溫度的提高會對材料性能有要求，可能會增加管道造價.

根據(jù)式（9）可以計算出單位長度多層管道的散熱功率，計算中取外管道內(nèi)壁面的熱流密度為314 W／m2，由于外管道外壁面還有保溫層，因此最終的保溫材料外表面的熱流密度小于314 W／m2，完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求.

圖9給出了內(nèi)管道外徑為0.5m 時輻射熱流功率和導(dǎo)熱熱流功率的大小，圖中橫坐標(biāo)1代表內(nèi)管道外壁面，其余數(shù)字代表該層遮熱管外表面.由圖9可知，隨著遮熱管數(shù)量的增加，遮熱管溫度不斷降低，輻射熱流功率不斷減小，但是導(dǎo)熱熱流功率不斷增大，在第5層遮熱管的外表面，即橫坐標(biāo)6處，輻射熱流功率反而增大，這是由外管道內(nèi)壁面的表面發(fā)射率取為0.8所致.

圖8 不同內(nèi)管道外徑時遮熱管外半徑與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.8 Outer radius vs.number of heat shields for different sizes of inner pipe

圖9 不同內(nèi)管道外徑時熱流功率與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.9 Heat power vs.number of heat shields for different sizes of inner pipe

對于同樣的內(nèi)管道外徑，當(dāng)流體介質(zhì)溫度不同時，遮熱管的數(shù)量也完全不同，而且最終外管道內(nèi)徑以及熱流功率的大小也不同，如圖10～圖12所示.圖10和圖11中，橫坐標(biāo)1代表內(nèi)管道外壁面，每根曲線最右邊的點代表外管道內(nèi)壁面，其余數(shù)字代表該層遮熱管.圖12中橫坐標(biāo)的意義與圖9類似.

4 結(jié) 論

圖10 不同內(nèi)管道壁溫時遮熱管溫度與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.10 Wall temperature vs.number of heat shields at different fluid temperatures

圖11 不同內(nèi)管道壁溫時遮熱管外半徑與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.11 Outer radius vs.number of heat shields at different fluid temperatures

圖12 不同內(nèi)管道壁溫時熱流功率與遮熱管數(shù)量的關(guān)系Fig.12 Thermal flux vs.number of heat shields at different fluid temperatures

采用多層遮熱管結(jié)構(gòu)的保溫管道可以將管道的耐壓與耐溫分開，計算結(jié)果表明，采用該種多層結(jié)構(gòu)管道時，隨著遮熱管數(shù)量的增加，外管道壁溫迅速下降，所以內(nèi)外管道均可考慮采用普通鋼材制造，成本大幅降低.而且這種結(jié)構(gòu)沒有污染管內(nèi)流體的危險，保溫材料覆蓋在管道外面也便于維護和更換，因此值得進一步試驗研究.

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