蒸汽管網(wǎng)保溫材料選擇及保溫厚度計(jì)算分析

丁真裔*

（華東理工大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）

0 前言

節(jié)約能源是我國(guó)的基本國(guó)策，國(guó)家實(shí)施“節(jié)約與開(kāi)發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位”的能源發(fā)展戰(zhàn)略。同時(shí)，隨著“碳中和“和“碳達(dá)峰”的目標(biāo)出臺(tái)，能源有效利用越來(lái)越受到重視。在熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中，城市供熱工程熱網(wǎng)輸送綜合熱效率需要達(dá)到92%以上。因此必須對(duì)蒸汽管道進(jìn)行保溫，從而減少管道運(yùn)行過(guò)程中的散熱損失，達(dá)到節(jié)約能源的目的。然而目前市場(chǎng)上的保溫材料種類(lèi)繁多，保溫效果參差不齊，在選用材料和確定保溫厚度時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較多問(wèn)題。目前，對(duì)蒸汽管道進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)時(shí)有以下兩種情況值得注意：一是大量高效保溫材料用于低要求的管道或者保溫厚度選取過(guò)大，造成資源和成本浪費(fèi)；二是許多保溫要求較高的地方，選用了低效保溫材料或者保溫厚度過(guò)小，達(dá)不到理想的保溫效果，管道熱量損失過(guò)大。因此正確選擇保溫材料，對(duì)于控制蒸汽管網(wǎng)的熱損以及確保項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 保溫材料的選用

1.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蒸汽管道保溫材料的要求

GB/T 8175—2008《設(shè)備及管道絕熱實(shí)際導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：保溫材料在平均溫度為298 K 時(shí)熱導(dǎo)率值不大于0.08 W/（m·K），并應(yīng)有在使用密度和使用溫度范圍下的熱導(dǎo)率方程或圖表。用于保溫的絕熱材料及其制品，硬質(zhì)絕熱制品密度不大于220 kg/m3，半硬質(zhì)絕熱制品密度不得大于200 kg/m3，軟質(zhì)絕熱制品密度不得大于150 kg/m3。用于保溫的硬質(zhì)無(wú)機(jī)成型絕熱制品，其抗壓強(qiáng)度不得小于0.3 MPa，有機(jī)成型絕熱制品的抗壓強(qiáng)度不得小于0.2 MPa。絕熱材料及其制品的化學(xué)性能應(yīng)穩(wěn)定，不得對(duì)金屬有腐蝕作用。當(dāng)用于奧氏體不銹鋼設(shè)備或管道上時(shí)，其氯化物、氟化物、硅酸鹽、鈉離子的含量應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定。

選用保溫材料的時(shí)候，確保其物理、化學(xué)性能滿足工藝要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、濕阻因子大、吸水率低、價(jià)格低廉、施工及維護(hù)方便的保溫材料。為了減少管道的散熱損失，保溫層厚度應(yīng)按經(jīng)濟(jì)厚度方法來(lái)計(jì)算。

1.2 蒸汽管道常用保溫材料的性能參數(shù)與組合

蒸汽管道常用保溫材料可分為四種：硅酸鋁管殼制品、微孔硅酸鈣管殼制品、輕質(zhì)超細(xì)玻璃棉管殼制品及巖礦棉管殼制品。其保溫性能及價(jià)格可見(jiàn)表1。

表1 蒸汽管道保溫材料的性能及價(jià)格

硅酸鋁是一種硅酸鹽，以硬質(zhì)黏土熟料為原料，經(jīng)電阻或電弧爐熔融、噴吹成纖工藝生產(chǎn)制成。硅酸鋁保溫材料有很多種類(lèi)，主要包括硅酸鋁棉、毯、板、氈及模塊等。其優(yōu)勢(shì)是耐高溫，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱傳導(dǎo)率較小等；而其劣勢(shì)是抗壓抗折力比較差，防水性能差，且造價(jià)高。

玻璃棉是以玻璃球?yàn)樵希?jīng)高溫熔制、拉絲等工藝制造而成，是一種無(wú)機(jī)質(zhì)纖維。其優(yōu)勢(shì)是成型好、體積密度小、熱導(dǎo)率小且機(jī)械強(qiáng)度高；而劣勢(shì)是不耐水、不耐擠壓，可承受溫度小于400 ℃。

巖棉產(chǎn)品常采用優(yōu)質(zhì)玄武巖、白云石等作為主要原料。巖棉可根據(jù)不同的用途制成巖棉氈或巖棉條等。其優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量小、熱導(dǎo)率小、彈性好，不容易燃燒及造價(jià)低；而劣勢(shì)是吸水率大，水分容易聚集在巖棉內(nèi)，長(zhǎng)期以往會(huì)增加保溫層的質(zhì)量，導(dǎo)致保溫層脫落返修，且?guī)r棉可能致癌。

硅酸鈣保溫制品是以氧化硅、氧化鈣和增強(qiáng)纖維為主要原料制成的。其優(yōu)勢(shì)是抗壓強(qiáng)度大、使用壽命長(zhǎng)、耐酸堿、不易腐蝕、不易變形且防水性能好；而劣勢(shì)是后期維護(hù)、維修難度較大，工程安裝較為繁瑣，且其密度較大，從而縮短了管道跨距。

2 保溫厚度的計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)選取

目前蒸汽管道保溫計(jì)算方法繁多，為了有效減少管道散熱損失，推薦根據(jù)保溫層表面散熱損失的方法來(lái)計(jì)算保溫層厚度。蒸汽管道保溫厚度計(jì)算結(jié)果需滿足GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的最大允許熱損失量Q，詳細(xì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)表2。

表2 最大允許熱損失量

2.2 計(jì)算實(shí)例

某室外架空的DN 200 mm 蒸汽管道介質(zhì)溫度為250 ℃，周?chē)Ｄ昶骄h(huán)境溫度為20 ℃，年平均風(fēng)速為3.8 m/s。由于保溫材料眾多，不同保溫材料會(huì)得到不同的計(jì)算結(jié)果，首先選用硅酸鋁制品作為保溫材料進(jìn)行計(jì)算。

（1）保溫層內(nèi)、外表面平均溫度值計(jì)算

保溫層內(nèi)、外表面平均溫度值可按下式計(jì)算：

把常溫時(shí)熱導(dǎo)率及保溫層內(nèi)、外表面平均溫度數(shù)據(jù)代入可得λ=0.069 W/( m·K)。

（3）保溫層外表面散熱損失計(jì)算

保溫層外表面散熱損失可按下式計(jì)算：

測(cè)量保溫厚度后不斷試算求出保溫層外表面散熱損。試算結(jié)果如下：當(dāng)保溫厚度δ=0.1 m 時(shí)，Q=145.9 W/m2＜163 W/m2，滿足要求。

（4）保溫外層表面溫度計(jì)算

保溫外層表面溫度可按下式計(jì)算：

式中：Ts——保溫外層表面溫度，℃；

把表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，保溫層外表面散熱損失及環(huán)境溫度代入上式后可得出Ts=25.78 ℃。

（5）單位長(zhǎng)度保溫費(fèi)用計(jì)算

單位長(zhǎng)度保溫費(fèi)用可按下式計(jì)算：

式中：F——單位長(zhǎng)度保溫費(fèi)用，元/m；

C——保溫材料價(jià)格，元/m3。

把保溫材料價(jià)格、管道外徑、保溫層外徑代入上式后可得出F=120 元/m。

2.3 不同保溫材料計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用上述方法，對(duì)每種保溫材料的熱損失及保溫費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算。表3 列出了滿足最大允許熱損失量時(shí)，管道采用不同保溫材料時(shí)所需的厚度、費(fèi)用等相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3 管道采用不同保溫材料時(shí)各數(shù)據(jù)計(jì)算表

3 結(jié)論

影響蒸汽管道保溫效果的因素有很多。在同樣熱損失的情況下，通常導(dǎo)熱系數(shù)λ及保溫層表面放熱系數(shù)a越小，保溫層厚度也越小。所處環(huán)境的平均氣溫越高，平均風(fēng)速越小，所需的保溫層厚度就越小。選擇保溫材料時(shí)必須考慮外部環(huán)境條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，具體選用何種保溫材料也需結(jié)合工程實(shí)際情況及造價(jià)等多種因素決定。但無(wú)論何種外部環(huán)境或者工程環(huán)境，保溫厚度和材料的選取均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，從而選出最經(jīng)濟(jì)合理的方案，真正做到節(jié)約能源，節(jié)省資金。