直埋蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算

孫楓然， 王卓胤

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第六設(shè)計(jì)研究院,天津300381)

1 概述

近年來直埋蒸汽管道敷設(shè)在供熱工程中得到了越來越多的應(yīng)用，隨著供熱規(guī)模的發(fā)展，對(duì)直埋蒸汽管道的造價(jià)控制、減少散熱損失也提出了嚴(yán)格要求。直埋蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到溫度降、散熱損失以及工程造價(jià)等。本文將對(duì)多個(gè)直埋蒸汽管道保溫方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

2 保溫材料特性

目前國內(nèi)直埋蒸汽管道保溫材料主要有以下幾種：傳統(tǒng)保溫材料微孔硅酸鈣、超細(xì)離心玻璃棉氈和新型保溫材料氣凝膠絕熱氈等。3種保溫材料性能對(duì)比見表1[1-3]。

表1 3種保溫材料性能對(duì)比

續(xù)表1

3 保溫方案

本文以北方某電廠室外直埋蒸汽管道為例進(jìn)行討論。工作鋼管外直徑為820 mm，蒸汽溫度為300 ℃。本工程直埋蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)[4]有以下3種方案：

方案1：氣凝膠絕熱氈+超細(xì)離心玻璃棉氈+空氣層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)；

方案2： 超細(xì)離心玻璃棉氈+空氣層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)；

方案3：微孔硅酸鈣+聚氨酯復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。

方案1為外滑動(dòng)型式，此種保溫結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)思路來自于熱力管溝，在外護(hù)管內(nèi)設(shè)置支架，使工作鋼管及其相應(yīng)的保溫材料與外護(hù)管之間產(chǎn)生滑動(dòng)(即外滑動(dòng))，形成“鋼管溝”的構(gòu)造。這種保溫結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是：工作鋼管與保溫材料之間緊密接觸，工作鋼管通過支架支撐在外護(hù)管內(nèi)，使支架在外護(hù)管內(nèi)部產(chǎn)生滑動(dòng)。保溫結(jié)構(gòu)中20 mm的空氣層，既起到保溫作用，又是排潮的良好通道。

方案2也是外滑動(dòng)型式，只是將方案1中氣凝膠絕熱氈+超細(xì)離心玻璃棉氈復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)變?yōu)閱螌拥某?xì)離心玻璃棉氈。與方案1相比，由于超細(xì)離心玻璃棉氈熱導(dǎo)率大于氣凝膠絕熱氈，因此，保溫層厚度與外護(hù)管外直徑比方案1增大。

方案3為內(nèi)滑動(dòng)型式，該種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)思路來自于熱水預(yù)制保溫管，一般在工作鋼管外表面與保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)層之間有厚度為5 mm的減阻層，與工作鋼管牢固地連成一體，其材質(zhì)為耐高溫的硅酸鋁氈，保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)層為耐溫較高的微孔硅酸鈣，外層為聚氨酯。這種保溫結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是：工作鋼管與內(nèi)層微孔硅酸鈣之間產(chǎn)生滑動(dòng)(即內(nèi)滑動(dòng))，微孔硅酸鈣與外護(hù)管之間采用聚氨酯材料將其粘結(jié)為一體。此種結(jié)構(gòu)型式的缺點(diǎn)在于：微孔硅酸鈣要承受工作鋼管的荷重。

4 保溫層厚度計(jì)算及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

保溫層厚度及外護(hù)管規(guī)格的計(jì)算方法執(zhí)行CJJ/T 104—2014《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱CJJ/T 104—2014)。根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.1.5條的規(guī)定，在計(jì)算保溫層厚度的過程中，應(yīng)控制外護(hù)管外表面溫度不大于50 ℃。同時(shí)根據(jù)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》(以下簡稱GB/T 8174—2008)第9.1.4條，常年運(yùn)行的直埋蒸汽管道外表面溫度≤50 ℃時(shí)，允許最大單位面積散熱損失為52 W/m2。

本文計(jì)算以方案1為例，方案2和方案3的計(jì)算方法同方案1，計(jì)算過程不再詳細(xì)列出。

4.1 保溫材料熱導(dǎo)率計(jì)算及選取

① 超細(xì)離心玻璃棉氈

超細(xì)離心玻璃棉氈熱導(dǎo)率根據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

λa=0.041+0.000 17(ta-70)

(1)

式中λa——超細(xì)離心玻璃棉氈的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

ta——超細(xì)離心玻璃棉氈層的平均溫度(取超細(xì)離心玻璃棉氈層內(nèi)外表面的算術(shù)平均溫度)，℃

② 微孔硅酸鈣

微孔硅酸鈣熱導(dǎo)率根據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

λb=0.062+0.000 11(tb-70)

(2)

式中λb——微孔硅酸鈣的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

tb——微孔硅酸鈣層的平均溫度(取微孔硅酸鈣層內(nèi)外表面的算術(shù)平均溫度)，℃

③ 氣凝膠絕熱氈

根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本的數(shù)據(jù)，氣凝膠絕熱氈熱導(dǎo)率計(jì)算公式為：

λc=0.017 5·

(3)

式中λc——?dú)饽z絕熱氈的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

tc——?dú)饽z絕熱氈層的平均溫度(取氣凝膠絕熱氈層內(nèi)外表面的算術(shù)平均溫度)，℃

④ 聚氨酯

根據(jù)GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件》第5.4.8條，聚氨酯的熱導(dǎo)率λd取0.033 W/(m·K)。

⑤ 空氣層

空氣層等效熱導(dǎo)率λair參照文獻(xiàn)[5],取0.024 W/(m·K)。

4.2 單位長度初算散熱損失計(jì)算

單位長度初算散熱損失根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.1條的公式(6.4.1-3)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中qcs——單位長度初算散熱損失，W/m

tws——外護(hù)管外表面初設(shè)溫度，℃,按設(shè)計(jì)要求取值，取50 ℃

ten——直埋蒸汽管道周邊土壤環(huán)境溫度，℃，取10 ℃

λen——土壤熱導(dǎo)率，W/(m·K)，取1.2 W/(m·K)

h——直埋蒸汽管道中心埋深，m，取1.5 m

Dws——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初設(shè)的最外層保溫層的外直徑，m，對(duì)于方案1，最外層保溫層為空氣層

4.3 保溫層厚度計(jì)算

① 第1層

對(duì)于方案1，第1層保溫材料為氣凝膠絕熱氈，其厚度根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.1條的公式(6.4.1-4)、(6.4.1-5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

式中D1——第1層保溫材料的外直徑，m

D0——工作鋼管外直徑，m

λ1——第1層保溫材料在運(yùn)行溫度下的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

t0——工作鋼管外表面溫度，℃，按蒸汽溫度取值，取300 ℃

t1，s——第1層保溫材料外表面設(shè)定溫度，℃，按設(shè)計(jì)要求取值，取216 ℃

δ1——第1層保溫層厚度，m

對(duì)于λ1，按公式(3)計(jì)算，公式(3)中，tc按公式(7)計(jì)算。

(7)

由于氣凝膠絕熱氈價(jià)格較高，本方案氣凝膠絕熱氈層厚度選取為0.03 m。

② 第2層

對(duì)于方案1，第2層保溫材料為超細(xì)離心玻璃棉氈，其厚度根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.1條的公式(6.4.1-6)、(6.4.1-7)進(jìn)行計(jì)算：

(8)

(9)

式中D2——第2層保溫材料的外直徑，m

λ2——第2層保溫材料在運(yùn)行溫度下的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

t2，s——第2層保溫材料外表面設(shè)定溫度，℃，按設(shè)計(jì)要求取值，取79 ℃

δ2——第2層保溫材料厚度，m

對(duì)于λ2，按公式(1)計(jì)算，公式(1)中，ta按公式(10)計(jì)算。

(10)

③ 空氣層

空氣層外直徑計(jì)算公式如下：

Dout=D2+2δair

(11)

式中Dout——空氣層外直徑，m

δair——空氣層厚度，m，根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.3.1條的規(guī)定，取0.02 m

④ 外護(hù)管外直徑

外護(hù)管外直徑計(jì)算公式為：

Dw=Dout+2δ3

(12)

式中Dw——外護(hù)管外直徑，m

δ3——外護(hù)管壁厚，m，根據(jù)CJJ/T 104—2014第7.2.2條的規(guī)定，取0.012 m

4.4 熱阻計(jì)算

① 空氣層等效熱阻

空氣層等效熱阻依據(jù)CJJ/T 104—2014的第6.4.1條的公式(6.4.1-8)進(jìn)行計(jì)算：

(13)

式中Rair——空氣層等效熱阻，m·K/W

λair——空氣層等效熱導(dǎo)率，W/(m·K)

② 直埋蒸汽管道環(huán)境熱阻

直埋蒸汽管道的周圍環(huán)境為土壤，其熱阻根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.3條的公式(6.4.3-1)進(jìn)行計(jì)算：

(14)

式中Ren——直埋蒸汽管道環(huán)境熱阻， m·K/W

4.5 單位長度散熱損失校核計(jì)算

單位長度校核散熱損失根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.3條的公式(6.4.3-1)進(jìn)行計(jì)算：

(15)

式中qjh——單位長度校核散熱損失，W/m

4.6 單位長度散熱損失相對(duì)差值計(jì)算

單位長度散熱損失相對(duì)差值計(jì)算公式如下：

(16)

式中δh——單位長度散熱損失相對(duì)差值

4.7 保溫層外表面校核溫度計(jì)算

① 第1層

第1層保溫材料外表面校核溫度根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.4條的公式(6.4.4-1)進(jìn)行計(jì)算：

(17)

式中t1——第1層保溫材料外表面校核溫度，℃

② 第2層

第2層保溫材料外表面校核溫度根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.4條的公式(6.4.4-1)進(jìn)行計(jì)算：

(18)

式中t2——第2層保溫材料外表面校核溫度，℃

③ 外護(hù)管

外護(hù)管外表面校核溫度根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.4條的公式(6.4.4-2)進(jìn)行計(jì)算：

(19)

式中tw——外護(hù)管外表面校核溫度，℃

4.8 單位面積散熱損失計(jì)算

直埋蒸汽管道單位面積散熱損失計(jì)算公式如下：

(20)

式中qmj——單位面積散熱損失，W/m2

4.9 計(jì)算過程

① 已知參數(shù)：D0=0.82 m，t0=300 ℃，ten=10 ℃，λen=1.1 W/(m·K)，λair=0.024 W/(m·K)，h=1.5 m。氣凝膠絕熱氈層厚度δ1=0.03 m，δair=0.02 m。

② 設(shè)定t1，s=230 ℃。將t0及設(shè)定的t1，s代入公式(7)，得到tc=265 ℃，將tc代入公式(3)，得到λ1=0.0232 W/(m·K)。

③ 設(shè)定t2，s=85 ℃。將設(shè)定的t1，s和t2，s代入公式(10)，得到ta=157.5 ℃，將ta代入公式(1)，得到λ2=0.056 W/(m·K)。

④ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初設(shè)最外層保溫層外直徑Dws=1.098 m, 設(shè)定tws=50 ℃。將Dws、tws、ten、λen和h代入公式(4)，得到單位長度初算散熱損失qcs=162.7 W/m。

⑤ 將D0和δ1代入公式(6)，得到D1=0.88 m；取Dout=Dws=1.098 m，將Dout和δair代入公式(11)，得到D2=1.058 m。

⑥ 將D1、D2、Dout、λair、λen和h代入公式(12)～(15)，計(jì)算得到單位長度校核散熱損失qjh= 193.2 W/m和Dw=1.12 m。

⑦ 根據(jù)CJJ/T 104—2014第6.4.1條的要求，單位長度散熱損失相對(duì)差值的絕對(duì)值︱δh|≤5%，將qjh、qcs代入公式(16)進(jìn)行計(jì)算，得︱δh|為18.7%，不滿足要求，應(yīng)重新設(shè)定Dws，代入公式(4)計(jì)算qcs。

⑧ 重新設(shè)定最外層保溫層外直徑Dws=1.196 m，返回步驟④～⑦重新計(jì)算，可得qcs=171.3 W/m，D2=1.156 m，Dw=1.22 m，qjh=168.6 W/m。將qjh、qcs進(jìn)行比較，︱δh|為1.6%，滿足CJJ/T 104—2014第6.4.1條的要求。

⑨ 將D0、D1、D2、λ1、λ2、t0和qjh代入公式(17)和(18)，計(jì)算得到保溫層外表面校核溫度t1=218 ℃，t2=87 ℃，與所設(shè)定的t1，s和t2，s有一定的差距，應(yīng)重新設(shè)定t1，s和t2，s。

⑩ 重新設(shè)定t1，s=218 ℃、t2，s=87 ℃，返回步驟②～⑦和⑨重新計(jì)算，可得tc=259 ℃，ta=152.5 ℃，λ1=0.023 W/(m·K)，λ2=0.055 W/(m·K)，qcs=171 W/m，qjh= 167 W/m，t1=218 ℃，t2=87 ℃。將qjh、qcs進(jìn)行比較，︱δh|為2.6%，滿足CJJ/T 104—2014第6.4.1條的要求。t1和t2計(jì)算結(jié)果與所設(shè)定的t1，s和t2，s均一致。

4.10 材料價(jià)格

由于方案3中減阻層厚度較小，因此，方案比較中忽略方案3中減阻層造價(jià)，同時(shí)為了便于計(jì)算分析，忽略直埋蒸汽管道土建造價(jià)及外護(hù)管的焊接、探傷以及防腐造價(jià)。由于3種方案工作鋼管外直徑相同，因此，方案比較中不考慮工作鋼管造價(jià)，僅對(duì)外護(hù)管及保溫材料進(jìn)行造價(jià)比較。

本方案外護(hù)管管材為螺旋縫焊接鋼管，螺旋縫焊接鋼管價(jià)格為5 000 元/t，氣凝膠絕熱氈價(jià)格為12 000元/m3，超細(xì)離心玻璃棉氈價(jià)格為800 元/m3，微孔硅酸鈣價(jià)格為470 元/m3，聚氨酯價(jià)格為650 元/m3。

4.11 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)上述公式計(jì)算，直埋蒸汽管道保溫方案對(duì)比見表2， 單位長度外護(hù)管及保溫材料工程造價(jià)比較見表3。表2及表3中“—”表示無此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

表2 直埋蒸汽管道保溫方案對(duì)比

表3 單位長度外護(hù)管及保溫材料工程造價(jià)比較

由于氣凝膠絕熱氈熱導(dǎo)率最低，因此，采用氣凝膠絕熱氈保溫層厚度最小，外護(hù)管外直徑最小，既減少了保溫材料的使用量，又減少了外護(hù)管鋼材的使用量，同時(shí)減少了直埋蒸汽管道占用的空間。由表3可見，方案1造價(jià)位于中等水平，如果考慮土建造價(jià)及外護(hù)管的焊接、探傷以及防腐造價(jià)，方案1與方案2的造價(jià)之差應(yīng)進(jìn)一步降低。因此，綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較，方案1的優(yōu)勢(shì)是比較明顯的。