復合保溫對電站機組蒸汽管道散熱的影響

王文歡，潘衛(wèi)國

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院，上海 200090)

國家“十一五”期間確立的節(jié)能減排目標，使電力行業(yè)更加注重節(jié)能工作，其中的熱力系統是有節(jié)能潛力可挖的重要方面，管道作為熱力系統的重要組成部分，輸送高溫高壓蒸汽(或水)，具有不可忽視的散熱損失量［1］.《火力發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》DL/T5072——2007中第501條規(guī)定:為保證良好的工作環(huán)境，外表面溫度高于50℃且需要減少散熱損失的設備和管道一般均應保溫.第505條規(guī)定:環(huán)境溫度不高于27℃時，設備和管道保溫結構外表面溫度不應超過50℃.火力發(fā)電廠中的高溫管道一般都采用復合型保溫結構［2］，就是在高溫管道外壁上先包裹一層耐熱溫度較高、價格也較昂貴的保溫材料，再在這些材料外面包裹一層耐熱溫度較低，價格便宜的保溫材料，達到降低投資成本、改善保溫材料的外觀和強度、延長保溫結構的使用壽命的目的［3］.因此，合理應用復合保溫材料可減少管道的散熱損失，降低成本，節(jié)約能源，降低機組的供電煤耗率.

1 管道復合保溫的計算

1.1 保溫管道散熱損失的計算

保溫管道熱力計算的任務之一是計算保溫管道的散熱損失，其計算公式為:

式中:t——管道內介質的設計溫度，℃;

ta——環(huán)境溫度，℃;

∑R——單位長管道的總熱阻，(m·℃)/W.

1.2 保溫管道熱阻的計算

管道熱阻的計算公式為:

式中:αn——管內介質對流放熱系數，W/(m·℃);

αw——管道外表面對外放熱系數，W/(m·℃);

dn——管道內徑，m;

di——第 i層保溫材料的外徑，m;

dz——管道保護層外徑，m;

λi——第i層保溫材料的導熱系數，W/(m·℃).

式(2)中，第1項為管道內熱流體的放熱熱阻;第2項為保溫結構如鋼管壁、保溫層、保護層和防腐層熱阻;第3項為保溫管外壁的放熱熱阻.由于管道內蒸汽的流動一般處于紊流區(qū)內，其換熱非常充分，αn遠大于αw，所以公式中的第1項在計算中可以忽略不計;鋼管壁、保護層和防腐涂層的厚度很小，且其材料的導熱系數也相對較大，所以計算時也可以忽略不計，并且可以取管道的外壁面溫度等于管內蒸汽的溫度.因此，散熱損失計算過程中總熱阻主要考慮的是保溫層的導熱熱阻及保溫外壁對環(huán)境的放熱熱阻［4］.

αw表征保溫管道外表面向周圍空氣的放熱能力的大小，主要由管道周圍介質的換熱條件決定，包括對流放熱系數和輻射放熱系數:

式中:αf——輻射放熱系數，W/(m2·℃);

αd——對流放熱系數，W/(m2·℃).

當保溫管道周圍是不流動的空氣時，αd主要取決于自由對流換熱，其值僅與溫差有關:

式中，τz——管道保溫層外表面溫度，℃.

當管道在室外露天敷設時，由于受室外風力的影響，自由對流被強迫對流代替，并且其值顯著增強:

式中，v——環(huán)境空氣的流速，m/s.

對流放熱系數αd在計算時要根據實際情況選用自然對流計算公式或強迫對流計算公式，其中的空氣流速可選取年平均風速進行計算.

輻射放熱系數αf除與熱流體溫度和環(huán)境溫度有關外，還與保護層材料的輻射能力有關.保護層外表面的輻射能力用黑度ε來表征:

1.3 單位管長保溫材料價格的計算

單位管長保溫材料價格的計算公式為:

式中，ci——第i層保溫材料的價格，元/m2.

2 實例分析

以某電廠300 MW機組為例，某主蒸汽管道計劃采用雙層保溫材料，管內蒸汽溫度540℃，壓力18.3 MPa，蒸汽管道外徑328 mm.該地區(qū)年平均風速為5 m/s，要保證蒸汽管道外表面溫度在30℃以內，需要對幾種可供選擇的保溫材料進行方案組合.表1是供選擇的保溫材料內層和外層的材料性能和價格.表2列出了4種可供選擇方案的組合情況，并根據計算公式(1)～(8)，得出單位管長的散熱損失.各個方案的最佳保溫層厚度是采用列表法［5］進行確定的.從表2可以看出，針對主蒸汽管道，從傳熱特性、散熱損失和材料價格角度綜合考慮:方案3的管道外表面溫度可以達到23.5℃，保溫效果最好，單位管長的散熱損失最低，但該方案的保溫材料總投資費用最高;方案2與方案4能夠達到的外表面溫度較高，但所需的投資費用也相對較高;方案1的散熱損失較小，復合保溫材料的投資費用最低.因此，綜合考慮保溫效果和投資成本兩個方面，推薦方案1為最佳方案，可滿足經濟、節(jié)能的需要.

表1 保溫材料特性

表2 不同方案管道的散熱損失

3 結束語

針對電廠蒸汽管道散熱損失較大的問題，可以通過優(yōu)化保溫材料的組合方式進行解決.具體方法是采用傳熱學理論，對不同的組合方式從保溫效率和經濟性兩方面進行技術經濟比較，得出較優(yōu)方案.通過案例分析證明，主蒸汽管道可通過優(yōu)化復合保溫結構，達到既能滿足保溫特性、又能降低投資成本的目的.

［1］韓彥榮，謝華.熱力管道保溫材料的選用分析［J］.制冷與空調，2006，(4):59-61.

［2］李維瑯.高溫管道復合型保溫經濟厚度計算方法的探討［J］.西方電力技術，2004，(2):35-37.

［3］吳川林.高溫玻璃棉在電廠熱力工程中的應用［J］.電力建設，2005，26(9):12-13.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.第3版.北京:高等教育出版社，1998:313-319.

［5］李雅俠，田曉行.列表法計算發(fā)電廠蒸汽管道雙層保溫經濟厚度［J］.節(jié)能技術，2006，24(6):566-568.