趙 旭, 沈 愜, 張 寧, 孫大明, 鄒 江
(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院, 杭州 310027)
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材料沉降對(duì)水平圓形管道保溫層設(shè)計(jì)的影響
趙旭,沈愜,張寧,孫大明,鄒江
(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院, 杭州 310027)
定量分析了保溫層材料下沉對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算的影響,并通過分析整個(gè)保溫層傳熱的熱通路提出了經(jīng)濟(jì)厚度法的修正方法.在理論上研究經(jīng)濟(jì)厚度法的設(shè)計(jì)思路,通過修改設(shè)計(jì)參數(shù)值研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度的影響.利用修正后的經(jīng)濟(jì)厚度法對(duì)黃臺(tái)電廠實(shí)際運(yùn)行的熱力管道保溫層進(jìn)行設(shè)計(jì).結(jié)果表明:采用修正后的經(jīng)濟(jì)厚度法可以使年總費(fèi)用節(jié)約0.7%左右;熱力管道直徑D0、下沉率M和管內(nèi)介質(zhì)溫度T0是影響經(jīng)濟(jì)厚度設(shè)計(jì)的主要參數(shù).
火電廠; 熱力管道; 散熱; 保溫; 經(jīng)濟(jì)厚度法
符號(hào)說明:
D0——熱力管道直徑,m
D1——保溫層外表面直徑,m
qL——周向漏熱量,W
qf——下沉后的周向漏熱量,W
T0——管內(nèi)介質(zhì)溫度,℃
Tw——保溫層外表面溫度,℃
Ts——環(huán)境溫度,℃
h——對(duì)流傳熱系數(shù),kg/(m2·K)
Pi——保溫層造價(jià),元/m3
Pp——保護(hù)層造價(jià),元/m2
M——下沉率
λ——導(dǎo)熱系數(shù),kg/(m·K)
τ——年運(yùn)行時(shí)間,h
S——初始投資年分?jǐn)偫?/p>
Lf——下沉深度,m
D1f——考慮下沉之后的保溫層外徑,m
Pef——考慮下沉之后的散熱導(dǎo)致的可用能損失,元
Pf——考慮下沉之后的年總費(fèi)用,元
δ——傳統(tǒng)設(shè)計(jì)保溫層厚度,m
δf——考慮下沉之后的設(shè)計(jì)保溫層厚度,m
Δδ——修正前后經(jīng)濟(jì)厚度差值,m
Pe——熱價(jià),元/GJ
火力發(fā)電廠中通過管道輸送高溫蒸汽、煙氣、預(yù)熱空氣等載熱介質(zhì),而在這些管道外部需要包裹保溫層以保障生產(chǎn)安全,提高發(fā)電效率.當(dāng)今世界能源消耗的30%~40%都用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,熱力管道的保溫對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義[1].
目前,國內(nèi)外學(xué)者主要通過經(jīng)濟(jì)厚度法對(duì)熱力管道的保溫層進(jìn)行設(shè)計(jì),該方法在設(shè)計(jì)過程中同時(shí)考慮了保溫層鋪設(shè)時(shí)的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用和投入使用后的年散熱損失費(fèi)用,取二者之和最小時(shí)的保溫層厚度,即為“經(jīng)濟(jì)厚度”[2].我國目前已經(jīng)出臺(tái)了一系列相關(guān)章程,規(guī)定了采用經(jīng)濟(jì)厚度法設(shè)計(jì)熱力管道保溫層的流程[3-4].
經(jīng)濟(jì)厚度法在熱力管道保溫層設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了很大的作用.Basogul等[5]的研究表明采用經(jīng)濟(jì)厚度法進(jìn)行保溫層設(shè)計(jì)可以使火力發(fā)電廠的CO2排放量減少21%左右;Sahin等[6]指出在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)厚度的設(shè)計(jì)過程中,管外自然對(duì)流和輻射的影響不可忽視;也有研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)厚度的設(shè)計(jì)時(shí),引入分析的方法可以使經(jīng)濟(jì)性得到進(jìn)一步提升[7].
依據(jù)規(guī)范,在采用經(jīng)濟(jì)厚度法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),通常認(rèn)為管道周向的保溫層是均勻厚度分布的,并在此假設(shè)的基礎(chǔ)上計(jì)算熱力管道的周向漏熱量.近來,已有研究發(fā)現(xiàn)受管道運(yùn)輸過程中漏熱的影響,管內(nèi)介質(zhì)的溫度發(fā)生變化,從而導(dǎo)致管道不同部位的經(jīng)濟(jì)厚度發(fā)生變化[8].也有研究顯示管道外部空氣對(duì)流采用定傳熱系數(shù)和變傳熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)厚度法的設(shè)計(jì)結(jié)果不同[9].筆者所在課題組在研究熱力管道保溫層時(shí)發(fā)現(xiàn),由于重力等因素的影響,水平圓形管道的保溫材料常常會(huì)發(fā)生下沉現(xiàn)象,使管道周向包裹厚度不均,進(jìn)而導(dǎo)致管道實(shí)際漏熱量大于設(shè)計(jì)值,影響了保溫設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性.筆者利用形狀因子法定量討論了由于保溫材料下沉導(dǎo)致的周向漏熱不均對(duì)熱力管道保溫性能的影響,并提出了修正方法,對(duì)于完善經(jīng)濟(jì)厚度法,提高熱力管道保溫的經(jīng)濟(jì)性具有一定的指導(dǎo)意義.
1.1經(jīng)濟(jì)厚度法原理
圖1為經(jīng)濟(jì)厚度法的原理示意圖.圖中曲線A為初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用隨保溫層厚度的變化曲線,曲線B為年散熱費(fèi)用,曲線C為二者之和,即年平均總費(fèi)用.隨著保溫層厚度的增加,初始投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用增加,而年散熱費(fèi)用減少,年平均總費(fèi)用先減少后增加.年平均總費(fèi)用最低時(shí)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度即為“經(jīng)濟(jì)厚度”,其計(jì)算公式為
(1)
圖1 經(jīng)濟(jì)厚度法原理示意圖Fig.1 Design principles of the economic thickness method
1.2周向?qū)崃康母倪M(jìn)計(jì)算
圖2為水平圓形單層保溫管道截面示意圖,左邊為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱力管道保溫層,右邊為下沉后的熱力管道保溫層,在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中各個(gè)角度保溫層厚度是均勻的,管道和保溫層的內(nèi)部和外表面為等溫面,則保溫層導(dǎo)熱量的計(jì)算公式為
(2)
圖2 水平單層保溫圓管示意圖Fig.2 Single-layer insulation for horizontal circular heating pipeline
然而在保溫管道的實(shí)際運(yùn)行過程中,由于重力等因素的影響,管道保溫層會(huì)發(fā)生下沉,導(dǎo)致各個(gè)角度保溫層厚度發(fā)生變化,如圖2(b)所示.此時(shí)按照式(2)計(jì)算漏熱量會(huì)導(dǎo)致很大的誤差.
對(duì)于圖2(b)形狀的熱力管道截面的導(dǎo)熱問題,可以按照形狀因子法計(jì)算導(dǎo)熱量.該計(jì)算基于以下假設(shè):(1) 保溫材料下沉后的保溫層仍然呈圓形;(2) 忽略由于保溫材料形狀變化導(dǎo)致的管外對(duì)流傳熱系數(shù)的變化;(3) 保溫材料下沉后,保溫層外表面為等溫面;(4) 忽略由于保溫層厚度變化導(dǎo)致的管外對(duì)流傳熱系數(shù)的變化,即修正前后經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算使用相同保溫層對(duì)流傳熱系數(shù).
圖3中A點(diǎn)為保溫層圓心,B點(diǎn)為熱力管道圓心,由于保溫材料下沉,A點(diǎn)與B點(diǎn)不重合,保溫層厚度δ會(huì)隨著θ角度發(fā)生變化.
圖3 保溫層下沉示意圖Fig.3 Sinking diagram of the insulation material
對(duì)于下沉深度為Lf的熱力管道,其導(dǎo)熱量為
(3)
式(3)中K為管道偏心保溫層的形狀因子[10],當(dāng)管道長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外表面直徑時(shí),單位長度該種管道的形狀因子為
(4)
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所用計(jì)算公式即是Lf=0時(shí)形狀因子法的計(jì)算公式,由于導(dǎo)熱量變化會(huì)影響經(jīng)濟(jì)厚度的設(shè)計(jì),考慮保溫材料下沉后保溫層外徑變?yōu)镈1f,其計(jì)算方法將在下一節(jié)介紹.
1.3經(jīng)濟(jì)厚度的改進(jìn)計(jì)算
根據(jù)形狀因子法對(duì)管道導(dǎo)熱量進(jìn)行修正后,由于設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱量發(fā)生了變化,經(jīng)濟(jì)厚度值必然會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化.因此,整個(gè)經(jīng)濟(jì)厚度法的設(shè)計(jì)步驟也需
要進(jìn)行修正.
由于保溫材料下沉,熱力管道保溫層厚度發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致保溫層外表面局部溫度和局部漏熱量不均勻,對(duì)于本文討論的管內(nèi)介質(zhì)為300 ℃,環(huán)境溫度為25 ℃的熱力管道,外表面最高局部溫度和最低局部溫度之間相差15 K左右,此時(shí)若假設(shè)管道外表面是一個(gè)溫度為外表面平均溫度的等溫面,總漏熱量和實(shí)際漏熱量相差0.08%左右,因此可以按照外表面為等溫面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,也證明了1.2節(jié)中假設(shè)(3)的合理性.
對(duì)保溫層厚度進(jìn)行修正后,管外空氣對(duì)流傳熱系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化,從而影響漏熱量的計(jì)算.然而由于管外對(duì)流熱阻只占整個(gè)傳熱總熱阻的5%左右,經(jīng)濟(jì)厚度變化導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)的變化在2%左右,由此產(chǎn)生的總漏熱量變化在0.1%以內(nèi),對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度的影響可以忽略不計(jì),證明了1.2節(jié)中假設(shè)(4)的合理性.
考慮保溫材料下沉之后,散熱導(dǎo)致可用能損失總費(fèi)用為
(5)
式(5)中qf由式(3)和式(4)計(jì)算得到,質(zhì)系數(shù)Ae用于計(jì)算可用能損失在總散熱量中所占的比例,年運(yùn)行時(shí)間τ和熱價(jià)Pe均可根據(jù)相關(guān)章程進(jìn)行計(jì)算[4].式(4)中的下沉深度Lf受到保溫層厚度、熱力管道直徑等諸多因素的影響,為了方便計(jì)算,可以通過保溫層外表面直徑D1f將下沉深度Lf轉(zhuǎn)化為無量綱的下沉率M.
(6)
則修正之后的熱力管道運(yùn)行總費(fèi)用為
(7)
(8)
其中,
根據(jù)式(8)即可得到保溫層外表面直徑D1f,則修正之后的平均經(jīng)濟(jì)厚度δf為
(9)
2.1經(jīng)濟(jì)厚度法修正實(shí)例
為了驗(yàn)證和顯示經(jīng)濟(jì)厚度法修正的必要性和效果,選取濟(jì)南市黃臺(tái)電廠9號(hào)機(jī)組的低溫蒸汽管道進(jìn)行修正計(jì)算.該管道的照片如圖4所示,管道直徑為0.5 m,外部采用復(fù)合硅酸鹽(氈)包裹進(jìn)行單層保溫,全部保溫層設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.
圖4 低溫蒸汽管道Fig.4 Low-temperature steam pipeline表1 低溫蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the low-temperature steam pipeline
設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值管道直徑D0/m0.5管內(nèi)介質(zhì)溫度/℃300熱價(jià)Pe/(元·GJ-1)50環(huán)境溫度/℃25年運(yùn)行時(shí)間/h3000保溫層造價(jià)/(元·m-3)500質(zhì)系數(shù)1.0保護(hù)層造價(jià)/(元·m-2)600初始投資年分?jǐn)偫?.1保溫材料巖棉(氈)下沉率0.2
根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程,對(duì)于筆者設(shè)計(jì)的管道,考慮輻射和對(duì)流之后管外空氣的等效對(duì)流傳熱系數(shù)可取5.51 W/(m2·K),巖棉(氈)的導(dǎo)熱系數(shù)可按λ=0.049+0.000 18×(Tm-70)進(jìn)行計(jì)算[4].其中,Tm為保溫層平均溫度,其計(jì)算公式為
(10)
經(jīng)過計(jì)算,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度δ為0.166 2 m.根據(jù)式(8)可計(jì)算得到修正后的平均保溫層經(jīng)濟(jì)厚度δf為0.185 m,修正后的平均經(jīng)濟(jì)厚度比原經(jīng)濟(jì)厚度厚11.3%,這是因?yàn)楸夭牧系南鲁翆?dǎo)致相同厚度下其保溫效果更差,因此在經(jīng)濟(jì)厚度法的原理之下,需要周向均勻加厚保溫層厚度以保證保溫效果,而進(jìn)行修正計(jì)算后,熱力管道的實(shí)際漏熱費(fèi)用會(huì)明顯下降.根據(jù)式(7)可知,考慮下沉之后設(shè)計(jì)所得經(jīng)濟(jì)厚度下年總運(yùn)行費(fèi)用比原設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)厚度下年運(yùn)行總費(fèi)用節(jié)約0.7%左右.
2.2各參數(shù)對(duì)修正前后經(jīng)濟(jì)厚度差值的影響
由式(8)可知,保溫層的經(jīng)濟(jì)厚度由多種因素決定,這些因素中除了年運(yùn)行時(shí)間和質(zhì)系數(shù)根據(jù)管道類型直接選取外,其他設(shè)計(jì)參數(shù)常會(huì)在一定范圍內(nèi)變化,本節(jié)針對(duì)圖4所示的熱力管道,通過單獨(dú)改變?cè)O(shè)計(jì)計(jì)算中的各個(gè)參量,計(jì)算修正前后的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的變化,其計(jì)算公式為
(11)
2.2.1管道幾何參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)的影響
熱力管道的幾何參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)是設(shè)計(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的重要參數(shù),也會(huì)對(duì)修正前后的經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ產(chǎn)生影響,其中熱力管道直徑D0、下沉率M和管內(nèi)介質(zhì)溫度T0是影響比較大的3個(gè)因素.
圖5給出了熱力管道直徑D0和下沉率M這2個(gè)保溫層設(shè)計(jì)幾何參數(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響.由圖5可以看出,隨著D0和M的增大,Δδ越來越大,由式(2)和式(7)可知,這是由于D0和M的增大會(huì)增大修正前后的設(shè)計(jì)散熱量差距,Δδ也會(huì)隨之增大.從圖5還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)D0較大時(shí),Δδ隨M增大而增加的速率也越來越大,由式(6)可知,這是由于D0較大時(shí),相同下沉率M對(duì)應(yīng)的下沉深度Lf增加,因此Δδ也會(huì)隨之增大;當(dāng)M較大時(shí),Δδ隨D0增大而增加的速率也越來越大,同樣由式(6)可知,這是由于M較大時(shí),相同的熱力管道直徑D0對(duì)應(yīng)的下沉深度Lf增加,因此Δδ也隨之增大.
圖5 管道直徑和下沉率的影響Fig.5 Deviation of economic thickness vs. pipe diameter and sink rate
圖6給出了管內(nèi)介質(zhì)溫度T0對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響.從圖6可以看出,隨著管內(nèi)介質(zhì)溫度從150 ℃升高到450 ℃,修正前后的經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ從0.225 m減小到0.013 m,由式(7)可知,這是由于介質(zhì)溫度下降后,保溫層內(nèi)外溫差減小,修正前后的經(jīng)濟(jì)厚度都會(huì)變薄,相同下沉率M對(duì)應(yīng)的下沉深度Lf減小,因此Δδ也會(huì)隨之減小.
圖6 熱力管道介質(zhì)溫度的影響Fig.6 Deviation of economic thickness vs. steam temperature
2.2.2經(jīng)濟(jì)學(xué)參數(shù)的影響
由圖(1)可知,經(jīng)濟(jì)厚度法的年總費(fèi)用由初始投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用和年散熱費(fèi)用2部分組成,因此這2部分費(fèi)用對(duì)于修正前后的經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ也會(huì)產(chǎn)生影響.在經(jīng)濟(jì)厚度法的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)中,保護(hù)層造價(jià)Pp、初始投資年分?jǐn)偫蔛和熱價(jià)Pe對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響較大.
圖7反映了保護(hù)層造價(jià)Pp和初始投資年分?jǐn)偫蔛這2個(gè)初始投資的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響.從圖7可以看出,經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ隨著保護(hù)層造價(jià)Pp的增加而不斷增大,并且增大幅度慢慢變小,經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ隨著初始投資年分?jǐn)偫蔛的增加也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律.由圖1所示的經(jīng)濟(jì)厚度法原理可知,這是由于保護(hù)層造價(jià)Pp和初始投資年分?jǐn)偫蔛的增加都會(huì)導(dǎo)致相同保溫層厚度的熱力管道的初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用增加,經(jīng)濟(jì)厚度變薄,進(jìn)而導(dǎo)致散熱量增加,修正前后的散熱量差也隨之增加,最終使經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ變大,隨著保護(hù)層造價(jià)Pp和初始投資年分?jǐn)偫蔛的增加,經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ變大的幅度逐漸減小.
圖8反映了熱價(jià)Pe對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響.由圖8可知,隨著熱價(jià)Pe的增加,經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ逐漸減小,這是由于熱價(jià)的增加會(huì)導(dǎo)致保溫層厚度增加,管道散熱量減小,修正前后的散熱量差距也隨之減小,最終導(dǎo)致Δδ減小.
圖7 保護(hù)層造價(jià)和初始投資年分?jǐn)偫实挠绊慒ig.7 Deviation of economic thickness vs. insulation cost and the annual interest rate
圖8 熱價(jià)的影響Fig.8 Deviation of economic thickness vs. heat price
2.2.3其他參數(shù)的影響
筆者還計(jì)算了保溫材料種類、保溫層價(jià)格Pi和環(huán)境溫度Ts等因素對(duì)修正前后經(jīng)濟(jì)厚度差值的影響.結(jié)果表明:采用不同材料導(dǎo)致的Δδ的變化在0.005 m以內(nèi);保溫層價(jià)格Pi從200元/m3增加到800元/m3時(shí),Δδ只增加了0.001 7 m;環(huán)境溫度Ts從10 ℃升高到40 ℃時(shí),Δδ增加了0.005 m.因此,這3個(gè)因素對(duì)修正前后經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ的影響不大.
(1) 在熱力管道保溫層設(shè)計(jì)過程中考慮保溫材料下沉的影響后,設(shè)計(jì)所得保溫層厚度變厚,漏熱損失明顯下降,最終年總費(fèi)用降低.
(2) 當(dāng)熱力管道直徑D0、下沉率M和管內(nèi)介質(zhì)溫度T0在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),考慮保溫材料下沉前后的經(jīng)濟(jì)厚度差值Δδ會(huì)發(fā)生0.01 m到0.1 m不等的變化,修正前后的設(shè)計(jì)厚度之差受這些因素影響會(huì)發(fā)生比較明顯的變化;在經(jīng)濟(jì)學(xué)參數(shù)中,保護(hù)層造價(jià)Pp、初始投資年分?jǐn)偫蔛和熱價(jià)Pe在適當(dāng)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致Δδ發(fā)生0.01 m左右的變化,也會(huì)對(duì)修正前后的設(shè)計(jì)厚度之差產(chǎn)生比較明顯的影響.
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Influence of the Sink of Insulation Materials on Design of the Insulation Layer for Horizontal Circular Heating Pipelines
ZHAOXu,SHENQie,ZHANGNing,SUNDaming,ZOUJiang
(School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
Influence of the sink of insulation materials on calculation of the economic insulation thickness over horizontal circular heating pipelines was quantatively analyzed, based on which a correction method was proposed for the design of economic insulation thickness by simultaneously analyzing the heat path of the whole insulation layer. The numerical method of economic thickness was studied theorectically, and the effects of design parameters on the economic thickness was researched by varying the parameters in an acceptable range. Using the corrected numerical method of economic thickness, the insulation for heating pipelines actually operated in Huangtai Power Plant was designed. Results show that the annual insulation expense may be reduced by 0.7% after the insulation is designed by the corrected numerical method of economic thickness. The diameter of heating pipelineD0, the sink rateMand the medium temperatureT0inside the pipeline are all the main factors influencing the design of the economic insulation thickness.
power plant; heating pipeline ; heat dissipation; insulation; economic thickness method
2015-11-05
2015-12-16
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476136)
趙旭(1991-),男,湖北荊門人,碩士研究生,主要從事熱力管道保溫方面的研究.
孫大明(通信作者),男,博士生導(dǎo)師,電話(Tel.):13064718689;E-mail:sundaming@zju.edu.cn.
1674-7607(2016)09-0759-06
TK01+8
A學(xué)科分類號(hào):470.10