蒸汽管道保溫材料的優(yōu)化探析

王建軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

供熱管道是石油化工企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，也是主要的熱媒渠道之一，承擔(dān)著為各生產(chǎn)裝置輸送熱能的重要作用。供熱管道的保溫層破損或者失效則會引起熱能損失，不僅浪費了大量的生產(chǎn)資源，還污染了環(huán)境。供熱管道的保溫失效導(dǎo)致主蒸汽管線溫度和壓力下降，引起生產(chǎn)裝置的停產(chǎn)停工，污染環(huán)境，甚至造成火災(zāi)、爆炸等重大事故，其損失比管道本身的熱損嚴(yán)重得多。做好供熱管道的保溫管理，不僅是建設(shè)資源節(jié)約型社會的要求，也是延長管道使用壽命、保證企業(yè)安全生產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟效益的有效途徑。

1 供熱管道保溫材料的現(xiàn)狀

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)大部分建成投用較早，當(dāng)時供熱管道采用的內(nèi)保溫材料大多是微孔硅酸鈣或硅酸鋁軟氈，外保溫材料則大多采用巖棉或超細(xì)玻璃棉，總厚度為120～130 mm。隨著裝置運行時間的延長，部分保溫材料使用時間已超過期限，保溫效果不理想。蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)保溫效果不好，致使管道保溫表面溫度升高，一方面導(dǎo)致散熱損失增加、蒸汽耗量增加、裝置燃動能耗上升；另一方面，管網(wǎng)中存在的眾多局部高溫點增加了發(fā)生燙傷事故的可能性，存在安全隱患。隨著企業(yè)對安全生產(chǎn)節(jié)能降耗工作的重視，迫切需要對熱力蒸汽管道外保溫進(jìn)行全面更換。在更換管道保溫以前，需要了解熱力蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀況和效果，根據(jù)國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對熱力蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行評價，找出不符合保溫標(biāo)準(zhǔn)要求的管段。在此基礎(chǔ)上優(yōu)選保溫材料，優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)，制定可行的改造方案并適時實施，確保蒸汽管道保溫效果滿足國家和相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料

2.1 選擇氣凝膠的依據(jù)

二氧化硅氣凝膠保溫材料是迄今為止保溫性能最好的材料之一，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.017 W/(m·K)，保溫厚度只需傳統(tǒng)材料的1/4～1/5即可達(dá)到相同的表面溫度，因此可大幅減少管道散熱面積，從而減少熱損耗。經(jīng)權(quán)威部門檢測，對于Φ114 mm、400 ℃的蒸汽管線，30 mm厚的二氧化硅氣凝膠即可達(dá)到120 mm厚的巖棉保溫能達(dá)到的表面溫度，節(jié)能率可達(dá)48%。對于長距離輸送的主蒸汽管線，散熱損失的減小可使管道終端蒸汽溫度提高，含水率下降，從而使終端用戶的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提高。此外，二氧化硅氣凝膠保溫材料還具有較好的抗拉、抗壓性能，憎水率高達(dá)99%以上，使用過程中，振動和日曬雨淋對其導(dǎo)熱系數(shù)均不會有任何影響。通過阿倫尼烏斯加速老化試驗測試可知，二氧化硅氣凝膠的使用壽命高達(dá)20年以上。管線檢修時，拆下來的二氧化硅氣凝膠仍可重復(fù)利用，避免了傳統(tǒng)保溫材料需要頻繁更換和不能二次利用等問題，減少管線保溫維護、降低成本的同時，也減少了工業(yè)垃圾，對于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展都是十分有利的。

2.2 二氧化硅氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料的比較

2.2.1 常規(guī)保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈對比

常規(guī)保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈的性能對比情況如表1所示。由表1可知：與傳統(tǒng)保溫材料復(fù)合硅酸鹽、高溫玻璃棉以及巖棉相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的導(dǎo)熱系數(shù)更低，防水性更好，保溫厚度更是大大減小，使用壽命更長，使用過程中性能也更為穩(wěn)定，結(jié)合性能更佳。

表1 常規(guī)保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈對比

2.2.2 二氧化硅氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料的現(xiàn)場比較

選取上海石化公用界區(qū)的化中管(Φ377 mm×17 mm)作為實驗載體，根據(jù)《設(shè)備及管道絕熱技術(shù)通則》(GB/T 4272—2008)，對二氧化硅氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料進(jìn)行現(xiàn)場比較。為確保實驗的有序進(jìn)行，本次實驗依據(jù)化中管的現(xiàn)場運行實際狀況，結(jié)合公用界區(qū)熱網(wǎng)系統(tǒng)的共性常溫下得出的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

保溫管道外徑為617 mm，保溫材料及厚度均為120 mm，年平均環(huán)境溫度Tm=273.15+15.7=288.85 K。

(1)管道保溫層外表年平均溫度T1比較

T1計算公式為：

T1=Tm+【(Tf-Tm)∕(T,f-T,m)】(T,1-T,m)

式中：T1——管道保溫層外表年平均溫度，K；

T,1——管道保溫層外表面平均溫度，K；

Tm——年平均環(huán)境溫度，K；

T,m——環(huán)境溫度，K；

Tf——年平均管內(nèi)介質(zhì)溫度，K；

T,f——管內(nèi)介質(zhì)溫度，K。

氣凝膠：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-299)】(306-299)=296.09 K

傳統(tǒng)保溫：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-300.5)】(318.2-300.5)=307.253 K

(2)年平均保溫管散熱損失值q比較

q計算公式為：

q=q,×(T1-Tm)/(T,1-T,m)

式中：q——年平均保溫管散熱損失值，W/m2；

q,——保溫管散熱損失值,W/m2；

T1——管道保溫層外表年平均溫度，K；

T,1——管道保溫層外表面平均溫度，K；

在本研究中，我們將PCK更多地看成是個人知識，強調(diào)教師的教學(xué)建構(gòu)及在這一過程中的反思.因此，本研究采用質(zhì)性研究的方法，采取個案研究策略，對具有一定代表性的某教師在新課程背景下的PCK發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深描，旨在深度地描寫現(xiàn)狀和全面地發(fā)現(xiàn)問題，而不是定量研究所追求的推廣性.

Tm——年平均環(huán)境溫度，K；

T,m——環(huán)境溫度，K。

氣凝膠：q=40.672×(296.09-288.85)/(306-299)=42.071 W/m2

傳統(tǒng)保溫：q=98.5557×(307.253-288.85)/(318.2-300.5)=102.468 W/m2

經(jīng)過對管道保溫層試驗數(shù)據(jù)分析可知，使用氣凝膠節(jié)能優(yōu)勢十分明顯，節(jié)能率達(dá)到了58.7%，對蒸汽管網(wǎng)的散熱損耗有較大幅度的改善。

3 使用二氧化硅氣凝膠取得的效果

表2 氣凝膠與傳統(tǒng)保溫效能比較

(1)與傳統(tǒng)保溫相比較，采用氣凝膠進(jìn)行保溫改造后，1 km管線每年可節(jié)約能源3 231.4 GJ，折合17.8萬元；蒸汽流量為60 t/h時，1 km管線溫降可降低2.6 K，終端蒸汽熱值可提高3 264 GJ，折合18.0萬元。

(2)蒸汽流量為60 t/h時，1年可提供的總熱值為1.46×106GJ，氣凝膠與傳統(tǒng)保溫每1 km的散熱損失分別占總熱值的0.156%，0.378%。因此在蒸汽流量不變的情況下，采用氣凝膠進(jìn)行保溫改造后，1 km管線即可使生產(chǎn)效率和總產(chǎn)值提高0.22%以上，可帶來的平均經(jīng)濟效益折合14.8萬元。

(3)采用氣凝膠進(jìn)行保溫改造，1 km管線的總造價約為150.2萬元。通過以上經(jīng)濟效益分析可知，實際成本回收時間小于3年，之后1 km管線每年的經(jīng)濟效益將高于50.5萬元，具有較為可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

蒸汽管網(wǎng)的熱量損失會降低蒸汽熱能的利用效率，使企業(yè)不能達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。因此采用有效的保溫材料是減少熱量損失的重要手段。對于需更新的保溫層或者新管敷設(shè)時的保溫層可以考慮使用新型保溫材料，例如納米孔絕熱材料，復(fù)合絕熱材料石棉代用品、玻璃棉等都具有更好的保溫性能。通過合理配置達(dá)到節(jié)約和優(yōu)化能源的利用，從而實現(xiàn)盈利，這也是企業(yè)實現(xiàn)低成本戰(zhàn)略的一個途徑。實踐證明，采取有效的保溫措施后，供熱管道的熱損失可減少90%以上，而良好保溫的關(guān)鍵是選擇合適的保溫材料和經(jīng)濟(最佳)厚度。保溫層由保溫材料構(gòu)成，是實現(xiàn)保溫、隔熱的主要組成部分和保溫結(jié)構(gòu)的主體，因此選擇二氧化硅氣凝膠保溫材料是供熱系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。