一種架空蒸汽管滑動(dòng)支座保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

枚 軍 李 靜 王婧璇 趙晨宏

(太原智博熱電工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

蒸汽供熱系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廠房或工業(yè)區(qū)域[1]。隨著蒸汽供熱系統(tǒng)的發(fā)展，蒸汽管道的一些問(wèn)題也日益凸顯，如蒸汽管道的散熱損失。蒸汽管道的散熱損失直接影響到運(yùn)行的穩(wěn)定、安全以及費(fèi)用投資等[2-7]。本文以山西某市工業(yè)園區(qū)架空蒸汽管網(wǎng)工程為例，針對(duì)架空管普通滑動(dòng)支座弧形板處散熱損失較大的問(wèn)題，提出了一種架空蒸汽管滑動(dòng)支座的新保溫方式，闡述了其保溫結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析了新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座與普通滑動(dòng)支座的散熱損失，最后從施工成本和運(yùn)行費(fèi)用兩方面，對(duì)兩種滑動(dòng)支座進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

以山西某市工業(yè)園區(qū)架空蒸汽管網(wǎng)工程為例，架空蒸汽管外直徑為529 mm，蒸汽溫度為210 ℃，壓力1.5 MPa，該市的環(huán)境溫度[8]為-6 ℃；采用的保溫材料為離心玻璃棉，容重60 kg/m3，耐溫不大于350 ℃，厚度170 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 8 W/(m·K)。該案例在實(shí)際運(yùn)行中熱伸長(zhǎng)最大可達(dá)800 mm。

2 兩種滑動(dòng)支座的保溫結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

圖1為架空蒸汽管DN500滑動(dòng)支座新保溫結(jié)構(gòu)安裝立面圖及橫斷面圖。從圖1可知，新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座是將滑動(dòng)支座和蒸汽管通過(guò)矩形鋼結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行了整體保溫。由圖1可知高強(qiáng)度隔熱板及之上的找平鋼板、下層聚四氟乙烯板均通過(guò)固定肋板固定于土建混凝土墩的預(yù)埋鋼板上；蒸汽管道與管道支座上的弧形板焊接連接，上層聚四氟乙烯板與管道支座下表面粘貼連接；最后將蒸汽管道和管道支座通過(guò)矩形鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體保溫。

圖2為DN500蒸汽管普通滑動(dòng)支座安裝立面圖及橫斷面圖(L=850 mm)，參照《室外熱力管道支座》[9]中的曲面槽滑動(dòng)支座。由圖2可知普通滑動(dòng)支座是蒸汽管道與管道支座的弧形板焊接連接，而管道支座下粘貼聚四氟乙烯板；聚四氟乙烯板與土建混凝土墩的預(yù)埋鋼板直接接觸。蒸汽管道通過(guò)保溫材料纏繞進(jìn)行保溫，但由于管道支座上的弧形板與蒸汽管道焊接，故與管道支座弧形板相連接的蒸汽管道需去掉保溫。

保溫結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致土建支墩也有相應(yīng)區(qū)別。新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支架的土建支墩由400×400的混凝土支墩和400×1 100的土建混凝土支托兩部分構(gòu)成，而普通滑動(dòng)支座的土建支墩為400×400的混凝土墩。考慮普通支座偏心安裝時(shí)，其前進(jìn)邊緣(靠伸縮節(jié)的一方)與支撐板中心線相距50 mm[9]。由于最大熱伸長(zhǎng)為800 mm，因此反推得出支座實(shí)長(zhǎng)為850 mm。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

通過(guò)從施工造價(jià)成本和運(yùn)行費(fèi)用兩方面，探討了DN500蒸汽管滑動(dòng)支座新保溫結(jié)構(gòu)與普通滑動(dòng)支座的技術(shù)經(jīng)濟(jì)。

3.1 施工造價(jià)成本

通過(guò)廣聯(lián)達(dá)計(jì)價(jià)軟件對(duì)兩種滑動(dòng)支座的制作安裝進(jìn)行造價(jià)分析，見(jiàn)表1。由表1可知，新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座施工總造價(jià)為6 635元，普通滑動(dòng)支座施工總造價(jià)為2 379元。顯而易見(jiàn)，在施工階段普通滑動(dòng)支座較新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座省4 256元。

表1 架空蒸汽管新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座與普通滑動(dòng)支座的施工造價(jià)對(duì)比 元

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

對(duì)于蒸汽管道，由于熱量損耗造成的經(jīng)濟(jì)損失也是不可忽略的。因此我們需要計(jì)算架空蒸汽管新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座與普通滑動(dòng)支座的散熱損失，繼而通過(guò)散熱損失得出蒸汽損耗，從而分析兩種滑動(dòng)支座所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

3.2.1散熱損失

由圖1,圖2可知，新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座相較于普通滑動(dòng)支座，是將滑動(dòng)支座和蒸汽管道進(jìn)行整體保溫，滑動(dòng)支座上的曲面槽與土建支墩預(yù)埋鋼板的連接處，也采用了高密度隔熱板進(jìn)行保溫，因此可將新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座弧形板處所對(duì)應(yīng)的蒸汽管道按采取保溫措施計(jì)算。而普通滑動(dòng)支座的弧形板處通過(guò)曲面槽(曲面槽下面粘接聚四氟乙烯板)與土建支墩預(yù)埋鋼板接觸，中間沒(méi)有任何保溫措施，故普通滑動(dòng)支座弧形板處所對(duì)應(yīng)的蒸汽管道按未采取任何保溫措施計(jì)算。

結(jié)合本案例實(shí)際工程的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)根據(jù)蒸汽管道絕熱層表面散熱量[10,11]的計(jì)算公式，計(jì)算得出表2。由于熱媒到管內(nèi)壁的熱阻以及金屬管壁的熱阻相較于保溫材料的熱阻以及保溫層外表面到空氣的熱阻數(shù)值很小，可忽略不計(jì)[1]。

(1)

q=πD1Q

(2)

式中：q——管道絕熱表面每米長(zhǎng)度的散熱量，W/m；

Q——管道絕熱層表面單位面積的散熱量，W/m2；

To——管道或設(shè)備的外表面溫度，本案例蒸汽溫度210 ℃；

Ta——環(huán)境溫度，本案例取-6 ℃；

D0——管道或設(shè)備外徑，m；

D1——絕熱層外徑，m；

λ——平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

as——保溫結(jié)構(gòu)表面放熱系數(shù)，當(dāng)無(wú)風(fēng)速時(shí)，as可取為11.63 W/(m2·K)。

表2 架空蒸汽管兩種滑動(dòng)支座的相關(guān)參數(shù)及散熱量

3.2.2散熱損失所造成的蒸汽損耗

在本實(shí)際案例中，年運(yùn)行時(shí)間7 200 h，蒸汽價(jià)格按150元/t計(jì)算，由圖2可知普通滑動(dòng)支座兩端各有一個(gè)弧形板，且弧形板兩端間距L=850 mm?？紤]到滑動(dòng)支座弧形板和蒸汽管周邊的保溫施工操作等因素，蒸汽管與弧形板連接處的實(shí)際散熱量遠(yuǎn)大于弧形板弧度所對(duì)應(yīng)的散熱量；因此普通滑動(dòng)支座弧形板的散熱長(zhǎng)度按弧形板兩端間距850 mm計(jì)算，散熱弧長(zhǎng)按照蒸汽管表面的1/3周長(zhǎng)來(lái)確定散熱損失。以普通滑動(dòng)支座為例，計(jì)算其散熱損失所造成的蒸汽損耗。計(jì)算步驟如下：

1)滑動(dòng)支座弧形板處每米的散熱損失為：4 174.83/3=1 391.61 W/m。

2)根據(jù)滑動(dòng)支座弧形板處每米的散熱損失、弧形板散熱長(zhǎng)度以及年運(yùn)行時(shí)間，得出普通滑動(dòng)支座弧形板處年散熱量為1 391.61×850×7 200×3 600=30 659.9 MJ。

3)根據(jù)焓濕圖可知，T=210 ℃，P=1.5 MPa，H1=2 823.91 kJ/kg的過(guò)熱蒸汽降溫至T=100 ℃，P=1.5 MPa，H2=2 823.91 kJ/kg的冷凝水所損失的熱量為2 823.91-420.15=2 403.76 kJ/kg。

4)弧形板處相對(duì)應(yīng)的蒸汽損耗量30 659.9/2 403.76=12.8 t。

5)根據(jù)蒸汽價(jià)格150元/t，計(jì)算的滑動(dòng)支架的經(jīng)濟(jì)損失為150×12.8=1 913元。

通過(guò)計(jì)算得出普通滑動(dòng)支座弧形板處的年經(jīng)濟(jì)損失為1 913元，同理可得新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座弧形板處的年經(jīng)濟(jì)損失為48元。由此可見(jiàn)，在運(yùn)行階段，新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座比普通滑動(dòng)支座年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省1 865元。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 滑動(dòng)支座弧形板處蒸汽損耗量以及經(jīng)濟(jì)損失

3.3 結(jié)果討論

通過(guò)分析DN500蒸汽管滑動(dòng)支座新保溫結(jié)構(gòu)方案與普通滑動(dòng)支座的施工造價(jià)成本和運(yùn)行費(fèi)用，見(jiàn)表4。由表4可知，在施工階段，采用新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座相對(duì)于普通滑動(dòng)支座多投資4 256元，但在后期運(yùn)行由于弧形板處散熱損失導(dǎo)致的年蒸汽損耗可達(dá)1 865元/年。當(dāng)采用新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座運(yùn)行時(shí)，兩年半即可收回前期多投資的金額。同時(shí)普通滑動(dòng)支座由于弧形板處的散熱損失，在某種程度上也會(huì)影響后期運(yùn)行工況的穩(wěn)定。因此采用新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座既能滿足實(shí)際工程的穩(wěn)定運(yùn)行的要求，同時(shí)又能做到節(jié)能，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

表4 蒸汽管滑動(dòng)支座新保溫結(jié)構(gòu)方案與普通滑動(dòng)支座的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要以山西某市工業(yè)園區(qū)架空蒸汽管網(wǎng)工程為例，提出了一種滑動(dòng)支座的新保溫方式，闡述了其保溫結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，并相較于普通滑動(dòng)支座，分析了新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座的施工成本和運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果表明該新保溫結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座既能滿足實(shí)際工程的穩(wěn)定運(yùn)行要求，同時(shí)又能做到節(jié)能，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。