新型預(yù)制架空保溫管技術(shù)及其應(yīng)用

顧景磊，鐘升楷

(1.寧波萬里管道有限公司，浙江 寧波 315800； 2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，杭州 310027)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、生活采暖等領(lǐng)域中，需要從供熱系統(tǒng)中汲取并使用大量熱能。熱力發(fā)電廠作為供熱系統(tǒng)的“心臟”，源源不斷地提供熱能，而熱力管道則發(fā)揮著“血管”的作用，是輸送水、蒸汽等熱能承載介質(zhì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前，集中供熱系統(tǒng)的熱水管網(wǎng)，即使有良好的保溫措施，其散熱損失仍占總輸入熱量的5%～8%[1]，而對(duì)于溫度更高的高溫蒸汽管道，散熱損失將會(huì)更大。在我國的電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃[2]中，推進(jìn)集中供熱，逐步替代燃煤小鍋爐，減少燃煤污染成為重要的發(fā)展方向，而集中供熱規(guī)模的不斷擴(kuò)大必然使得供熱管網(wǎng)的輸送距離不斷加長[3]。由于高溫?zé)崮艿钠肺桓哂诘蜏責(zé)崮躘4]，因此熱力管道的保溫性能將直接影響熱網(wǎng)系統(tǒng)的能源利用效率與環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹了一種新型預(yù)制架空保溫管，闡明了其相較于傳統(tǒng)架空保溫管(傳統(tǒng)管)的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)比研究了分別使用預(yù)制架空管與傳統(tǒng)架空管的兩個(gè)項(xiàng)目，為往后類似項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)提供借鑒。

1 新型預(yù)制架空保溫管技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

在供熱系統(tǒng)中，為了降低熱能在輸送過程中向環(huán)境耗散的量，同時(shí)防止管道表面溫度過高造成燙傷事故，保溫管成為長距離供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

傳統(tǒng)管常使用巖棉、玻璃棉等軟質(zhì)保溫材料[5]，也使用硅酸鈣等硬質(zhì)保溫材料。軟保溫材料的優(yōu)點(diǎn)是初始投資低，短期效果不錯(cuò)，缺點(diǎn)是抗壓能力差，易受外力作用而變形，長時(shí)間使用后還易發(fā)生沉降，造成保溫層上薄下厚，保溫性能下降。硬保溫材料則解決了軟保溫材料易坍塌、不抗壓的問題[6]，使用壽命較長，但硬質(zhì)材料與工作管間以及硬質(zhì)材料相互之間均難以緊密貼合，易形成縫隙而發(fā)生對(duì)流換熱。不管是使用軟質(zhì)還是硬質(zhì)材料，傳統(tǒng)管的施工方法均是先安裝工作芯管，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保溫層及外防護(hù)層的施工。由于現(xiàn)場(chǎng)保溫施工的輔助機(jī)械設(shè)備少、地形復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，制作出的保溫管具有許多缺陷[7]。

(1)隔熱管托的支架形式使得工作管與支架間沒有完整的保溫材料，管托與保溫材料在管道軸線方向上有縫隙，散熱量較大。

(2)現(xiàn)場(chǎng)施工條件差，主要是手工作業(yè)，無機(jī)械輔助，施工工期長、質(zhì)量可控性差、整體保溫性能較差。

(3)由于傳統(tǒng)管存在縫隙，施工中需采用軟質(zhì)保溫材料進(jìn)行嵌縫，現(xiàn)場(chǎng)嵌縫施工耗時(shí)費(fèi)力，監(jiān)理困難，故通常嵌縫效果不佳，造成整體保溫性能下降。

文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)介紹了各類預(yù)制直埋保溫管，可見預(yù)制保溫管技術(shù)在直埋管道項(xiàng)目中已經(jīng)得到了廣泛的使用，而架空管使用預(yù)制方法進(jìn)行建設(shè)的還較為少見。針對(duì)傳統(tǒng)架空保溫管的各種缺點(diǎn)，本文介紹一種新型預(yù)制架空保溫管技術(shù)[9]，與傳統(tǒng)管的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如圖1所示。

與傳統(tǒng)管不同，新型管采用了工廠預(yù)制保溫管的模式，在工廠內(nèi)制作保溫結(jié)構(gòu)及外防護(hù)層并包裝后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，然后采用機(jī)械設(shè)備輔助安裝?，F(xiàn)場(chǎng)安裝工作僅包括各節(jié)成品管道的架設(shè)連接及接口處的保溫施工，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率。以直徑為600 mm、總長1 000 m的蒸汽保溫管道的施工過程為例，在不考慮天氣因素的影響下，2種保溫管保溫施工的周期對(duì)比見表1。

在保溫結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)管通常僅使用單種保溫材料——硅酸鈣，而塊狀硅酸鈣間常出現(xiàn)縫隙，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)嵌補(bǔ)，否則將發(fā)生嚴(yán)重的漏熱。新型管為了解決縫隙問題，采用了3層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。硅酸鈣和工作管間的縫隙由最內(nèi)層的軟保溫材料填補(bǔ)，減少了對(duì)流換熱，提高了整體保溫性能；軟保溫層較薄，可使用比玻璃纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)更低[10]的硅氣凝膠復(fù)合氈；同時(shí)，新型管硬質(zhì)保溫層外層增加了聚氨酯泡沫保溫層。在工廠內(nèi)，將敷設(shè)好硬保溫層的半成品管道放入模具中，注入聚氨酯原料液發(fā)泡成型，聚氨酯完整包裹住硬保溫層，使保溫管成為無縫整體，整體保溫性能大大提高。

圖1 傳統(tǒng)架空管與新型預(yù)制架空管技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

項(xiàng)目傳統(tǒng)架空管預(yù)制架空管管線長度/m10001000保溫施工長度/m100040保溫施工周期(6人)/d8010

傳統(tǒng)管采用冷態(tài)敷設(shè)的辦法，而工作芯管熱態(tài)下會(huì)發(fā)生膨脹，造成縫隙增大，12 m長的直管出現(xiàn)20條縫隙，整體保溫性能下降嚴(yán)重。新型管采用熱態(tài)敷設(shè)的方法，在架設(shè)連接好各節(jié)保溫管后，通氣使其達(dá)到熱態(tài)。得益于聚氨酯保溫層的包裹作用，保溫管內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)縫隙。工作芯管受熱膨脹而延伸的部分全部出現(xiàn)在芯管連接口處，此時(shí)縫隙縮減為各節(jié)管道頭尾2條，可對(duì)其進(jìn)行集中保溫處理，效率提高的同時(shí)保溫性能也得到提高。

傳統(tǒng)管在架設(shè)工作管時(shí)使用隔熱管托將工作管與支架隔開，新型管由于在工廠已制成成品，支架與工作管間有完整的保溫材料，沒有導(dǎo)熱較好的熱橋存在，整體保溫性能進(jìn)一步提高。

2 新型預(yù)制架空保溫管在供熱項(xiàng)目中的應(yīng)用

表2為傳統(tǒng)架空管與新型預(yù)制架空管的投資成本對(duì)比分析，可以看出，在初始投資中，使用新型管的二期工程土建費(fèi)用相同，材料費(fèi)用相較于一期工程增加了28.9%，管道施工費(fèi)用降低了36.9%，材料及管道施工費(fèi)用總額增加了14.1%?？梢?，由于將保溫施工轉(zhuǎn)移至工廠內(nèi)進(jìn)行且使用了優(yōu)化的保溫結(jié)構(gòu)，新型管項(xiàng)目中的材料費(fèi)用增加，但現(xiàn)場(chǎng)施工效率提高，管道施工費(fèi)用降低?？傮w上看，二期工程的總投資增加了12.06%，但項(xiàng)目建設(shè)周期縮短了50%，提高了項(xiàng)目建設(shè)的工作效率。使用優(yōu)化的保溫結(jié)構(gòu)雖然導(dǎo)致成本上升，但管道熱損明顯下降，下面分析熱損下降帶來的收益。

表2 明州北線一期、二期供熱管道項(xiàng)目初始投資對(duì)比

明州北線一、二期工程均已建設(shè)完畢，管道實(shí)際運(yùn)行后，通過測(cè)量管道始端和末端的供熱蒸汽參數(shù)，可計(jì)算供熱蒸汽在管道內(nèi)的散熱損失。兩期項(xiàng)目在管道始段與末端的供熱蒸汽參數(shù)見表3。

表3 明州北線一期、二期工程供熱參數(shù)對(duì)比

管道熱損計(jì)算公式為

(1)

式中：Q1為管道熱損，W/m；h2為管道末端比焓，kJ/kg；h1為管道初始端比焓，kJ/kg；qm為管道流量，t/h；L為管道長度，m。

經(jīng)計(jì)算，一期工程的管道熱損為984 W/m，二期工程的管道熱損為255 W/m。由此可見，新型預(yù)制架空保溫管的使用大大降低了供熱管網(wǎng)中的散熱損失。為了更加直觀地展現(xiàn)新型管的節(jié)能效果，可對(duì)比兩期管道的年散熱損失。

Q=Q1×3.6×L×24×365 ，

(2)

式中：Q為管道全長每年熱損，kJ；L為管道長度，7 000 m。

經(jīng)計(jì)算，使用新型管的二期工程每年可減少熱損失160 960 GJ，假設(shè)鍋熱效率為80%，管道效率為100%，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 865 t[11]。按熱值為24.3 MJ/kg、單價(jià)為850 元/t的寧波動(dòng)力煤計(jì)算，每年可節(jié)約704萬元。因此，盡管二期工程總投資為2 933.7萬元，但投資回報(bào)期僅為4.17 a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，二期工程每年可減少排放二氧化碳約17 114 t，粉塵約4 668 t，二氧化硫約515 t，氮氧化物約103 t，環(huán)保效益顯著。新型預(yù)制架空保溫管的使用使項(xiàng)目在不提高投資費(fèi)用的基礎(chǔ)上，有效縮短了建設(shè)周期，同時(shí)大大提高了管道的保溫性能，提高了熱能利用效率，環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益良好。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的架空保溫管存在支架熱損大、溫差縫隙大、保溫性能低、施工周期長、保溫施工質(zhì)量難以保障等諸多不足之處。新型預(yù)制架空保溫管在施工流程、保溫結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)、敷設(shè)方法、縫隙處理工藝等方面上均做出了改進(jìn)。實(shí)際應(yīng)用表明，新型管的使用，不但縮短了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工周期，同時(shí)還大大降低了供熱管道的散熱損失，對(duì)于增大大型熱電機(jī)組的供熱半徑，減少小機(jī)組的使用，節(jié)約煤炭資源，減少環(huán)境污染具有重要意義。