蒸汽管道保溫層性能惡化對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響

摘要：目前卷煙廠蒸汽管線具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的特點(diǎn)，熱力折合系數(shù)較高，蒸汽能耗占總體能耗比重較大，對(duì)蒸汽管道保溫層性能開(kāi)展研究對(duì)提升蒸汽使用效率、減少蒸汽管網(wǎng)熱損失意義重大。以4種保溫材料為例，基于穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不同溫度下的保溫層熱導(dǎo)率，明確保溫材料熱導(dǎo)率與蒸汽溫度間的關(guān)系，確定了適合應(yīng)用場(chǎng)景的高效保溫材料。通過(guò)最大允許熱損失方法及經(jīng)濟(jì)厚度法確定了合適的保溫層厚度，并對(duì)不同使用年限的保溫層熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，隨保溫層使用年限增加，其熱導(dǎo)率呈線性增加趨勢(shì)。將保溫層性能惡化因素納入模型中，研究了保溫層運(yùn)行費(fèi)用與其外徑及使用年數(shù)的關(guān)系。針對(duì)不同設(shè)計(jì)使用壽命的保溫層，基于經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算最優(yōu)外徑及運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果表明：將材料老化因素考慮在內(nèi)設(shè)計(jì)保溫層厚度，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，其累計(jì)費(fèi)用減少10.7%，當(dāng)超出設(shè)計(jì)使用年限后，由于保溫層老化，散熱損失費(fèi)用增加，考慮材料老化的運(yùn)行費(fèi)用高于未考慮材料老化時(shí)的費(fèi)用。通過(guò)保溫層設(shè)計(jì)，降低蒸汽散熱損失，提升蒸汽利用率，為卷煙廠綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：保溫層；熱導(dǎo)率；最大允許熱損失法；經(jīng)濟(jì)厚度法；性能惡化

中圖分類號(hào)：TK124""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1002-4026（2025）01-0074-09

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)志碼（OSID）：

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20240063【新材料】

收稿日期：2024-04-18

基金項(xiàng)目：山東中煙重大科技項(xiàng)目（620000082）

作者簡(jiǎn)介：曹凱（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槟茉垂芾?。E-mail：550901873@qq.com

*通信作者，鮑文龍（1995—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)闊崮芄こ獭el：15621181185，E-mail：b_w_long@126.com

Effect of thermal insulation performance deterioration

on the economy of steam pipelines

CAO Kai， BAO Wenlong*， ZHAO Kun， JIANG Haoyong， YIN Xinglei

（China Tobacco Shandong Industrial Co.， Ltd， Qingdao 266100， China）

Abstract∶Currently， the steam pipelines in cigarette factories are characterized by numerous points， extensive lengths， and broad coverage. The thermal conversion factor of these pipelines is high， and their steam energy consumption accounts for a large proportion of the total energy consumption. Therefore， investigating the performance of the insulation layer of steam pipes is of considerable importance for improving steam utilization efficiency and reducing heat loss in the steam pipe network. In this study， the thermal conductivities of insulation layers made of four insulation materials were measured using the steady-state method at different temperatures to elucidate the relationship between the thermal conductivity of an insulation material and the steam temperature， thereby identifying the efficient insulation materials suitable for application scenarios. The appropriate insulation layer thickness was determined using the maximum allowable heat loss method and economic thickness method. Moreover， the thermal conductivities of insulation layers with different service lives were measured. Results indicate that the thermal conductivity increased linearly with the increasing service life. Factors causing the deterioration of insulation layer performance were incorporated into the model to study the relationship between the operating cost of an insulation layer and its outer diameter and service life. For insulation layers with different designed service lives， their optimal outer diameters and operating costs were calculated using the economic thickness method. Results show that considering material aging factors in the design of insulation layer thickness can reduce cumulative costs by 10.7% within the designed service life. However， when the service life expires， the operating cost of a design that considered the aging issue is higher than that of a design that did not consider the aging issue owing to increased heat loss as a result of aging of the insulation layer. The insulation layer can be designed to reduce steam heat loss and improve steam utilization efficiency as well as provide theoretical guidance for the green， low-carbon， and high-quality development of cigarette factories.

Key words∶thermal insulation; thermal conductivity; maximum allowable heat loss method; economic thickness method; performance deterioration

卷煙廠蒸汽管線具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的特點(diǎn)，蒸汽的能耗占比較大，是用能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。降低蒸汽管網(wǎng)熱損失對(duì)提升卷煙廠蒸

汽利用率、降低能耗有重要意義。蒸汽管網(wǎng)熱損失主要取決于保溫層厚度及熱導(dǎo)率、蒸汽及環(huán)境溫度、風(fēng)速等，由于蒸汽溫度、環(huán)境溫度及風(fēng)速受限于工藝要求，因此降低蒸汽管道熱損失主要從保溫層性能及厚度方面著手。保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)是蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，保溫層材料熱導(dǎo)率及其厚度是決定管網(wǎng)熱量損失的關(guān)鍵因素［1］。選擇熱導(dǎo)率小的保溫層材料以及合適的保溫層厚度是降低管網(wǎng)熱量損失的有效途徑。

目前，常見(jiàn)的蒸汽管網(wǎng)保溫層厚度設(shè)計(jì)方法主要包括經(jīng)濟(jì)厚度法、允許最大熱損失法和指定溫降法［2-3］。荊瑞靜［4］給出了雙層保溫層厚度簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，為雙層保溫層設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，但其并未結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證。陳寶法等［5］將遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法應(yīng)用于保溫層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)模擬退火算法得到的保溫層厚度更符合工程實(shí)際。何磊等［6］研究了高溫蒸汽管道保溫層厚度計(jì)算影響因素，分析了熱價(jià)、環(huán)境溫度、管徑及導(dǎo)熱系數(shù)在保溫層厚度計(jì)算中的影響。Wang等［7］將水凝膠應(yīng)用于蒸汽管網(wǎng)保溫，研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)保溫材料的保溫效果優(yōu)于軟質(zhì)保溫材料。王克平等［8］通過(guò)構(gòu)建蒸汽保溫效果理論模型分析了保溫層服役年限對(duì)保溫效果的影響，發(fā)現(xiàn)氣凝膠絕熱材料服役年限較長(zhǎng)。鐘升楷等［9］研究發(fā)現(xiàn)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)在保溫層性能惡化中占主導(dǎo)地位。劉婷［10］采用熱阻法建立了保溫管道等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果表明，保溫層外表面溫度與保溫層厚度和管徑有關(guān)。李小鵬［11］提出一種基于虛擬熱源法的直埋蒸汽管道保溫層厚度優(yōu)化方法，對(duì)單一保溫層和復(fù)合保溫層的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析。綜上所述，雖然有學(xué)者對(duì)保溫層設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，但

現(xiàn)有研究中未探究保溫層性能惡化對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響。保溫材料性能是影響蒸汽保溫層性能及使用壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)常見(jiàn)的保溫層材料性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，并結(jié)合工程實(shí)際驗(yàn)證其保溫效果具有重要意義。

本文以4種常見(jiàn)保溫層材料為例，基于穩(wěn)態(tài)法對(duì)保溫材料在不同蒸汽溫度以及不同使用年限的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，基于最大允許熱損失法和經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算保溫層厚度，并將保溫材料性能惡化考慮在內(nèi)，計(jì)算不同設(shè)計(jì)使用壽命下的運(yùn)行費(fèi)用，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證保溫層使用效果，計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益。

1" 保溫材料熱導(dǎo)率測(cè)量

保溫層熱導(dǎo)率基于穩(wěn)態(tài)法［12-13］測(cè)量，如圖1所示，在支架D上一次放入圓銅盤(pán)C、待測(cè)樣品B以及紫銅圓筒A，加熱A，使樣品上下表面維持穩(wěn)定的溫度T1、T2。由傅里葉導(dǎo)熱定律可知，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)橫截面的熱通量與溫度梯度成正比，即：

ΔQΔt=ksT1－T2d ，（1）

其中，Q為熱通量；k為熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；s為截面面積，m2；T為溫度，K；d為距離，m；t為時(shí)間，s。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)熱傳導(dǎo)過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，樣品上下表面的溫度保持不變，此時(shí)可認(rèn)為樣品上表面吸收熱量的速率與C向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此可通過(guò)C在T2時(shí)的散熱率得到熱通量。為了獲得該散熱率，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，將樣品B取出，讓A與C直接接觸，加熱A，使其溫度上升至比T2高出100 ℃以上，當(dāng)C的溫度上升到比T2高后，將A移走，使其自然冷卻，測(cè)量C的溫度T隨時(shí)間的變化，可得到其散熱率。

由于工藝要求，不同的應(yīng)用場(chǎng)景，蒸汽溫度存在差異，因此，采用上述實(shí)驗(yàn)方法對(duì)陶瓷纖維毯、玻璃棉、硅酸鋁、巖棉4種常見(jiàn)的保溫材料熱導(dǎo)率溫度依賴性進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，250 ℃下硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率（0.074 W·m-1·K-1）最大，陶瓷纖維毯的熱導(dǎo)率（0.042 W·m-1·K-1）最小。劉承婷［2］通過(guò)穩(wěn)態(tài)法測(cè)得300 K下陶瓷纖維毯、玻璃棉、硅酸鋁熱導(dǎo)率分別為0.052、0.063、0.087 W·m-1·K-1，與本文所測(cè)結(jié)果（0.05、0.057、0.092 W·m-1·K-1）基本一致。姚凱等［14］測(cè)得305 K下硅酸鋁的熱導(dǎo)率為0.098 W·m-1·K-1，李保春等［15］測(cè)得70 K下巖棉的熱導(dǎo)率為0.049 W·m-1·K-1，均與本文所測(cè)結(jié)果有較好的一致性。四種材料熱導(dǎo)率均隨溫度升高而增大，僅從熱導(dǎo)率數(shù)值來(lái)看，陶瓷纖維毯的保溫效果最好，隨后依次為玻璃棉、巖棉和硅酸鋁。其中，陶瓷纖維毯、玻璃棉的熱導(dǎo)率隨溫度升高變化幅度相對(duì)較小，適合用于蒸汽管道保溫。

為支撐后續(xù)設(shè)計(jì)計(jì)算，將所測(cè)熱導(dǎo)率的溫度依賴性進(jìn)行非線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)擬合結(jié)果所得擬合關(guān)系式如表1所示，陶瓷纖維毯及硅酸鋁熱導(dǎo)率與溫度呈3次多項(xiàng)式關(guān)系，玻璃面和巖棉熱導(dǎo)率與溫度呈2次多項(xiàng)式關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均在0.994以上。

2" 保溫層厚度及散熱損失計(jì)算

目前，計(jì)算蒸汽管道保溫層厚度的方法主要包括：最大允許熱損失法、經(jīng)濟(jì)厚度法、指定表面溫度法［16-18］。最大允許熱損失法是目前管道保溫層厚度計(jì)算中常用的設(shè)計(jì)方法，《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50264—2013）［19］中規(guī)定允許熱損失量如表2所示，某卷煙廠蒸汽溫度為250 ℃，絕熱層外表面最大允許熱損失為147 W·m-2。

圓筒型單層最大允許熱損失下保溫層厚度應(yīng)符合如下要求［2］：

D1lnD1D0=2λ（t0－ta［Q］－1αs） ，（2）

αs=11.63+6.95ω0.5 ，（3）

其中，［Q］為單位面積保溫層外表面最大允許熱損失，W·m-2；λ為保溫材料熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；ta為環(huán)境溫度，℃；t0為管道外表面溫度，℃；D0為管道外徑，m；D1為保溫層外徑，m；αs為保溫層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；ω為風(fēng)速，m/s。以DN40的蒸汽管道為例，計(jì)算蒸汽溫度為250 ℃、環(huán)境溫度25 ℃、風(fēng)速為0（αs=11.63 W·m-2·K-1）時(shí)不同保溫層材料的厚度，為保證實(shí)際散熱損失低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在理論值的基礎(chǔ)上增加30%的安全系數(shù)，并根據(jù)確定的實(shí)際厚度計(jì)算蒸汽管道的散熱損失，結(jié)果如表3所示。

如表3所示，根據(jù)最大允許熱損失法計(jì)算的保溫層厚度均滿足國(guó)標(biāo)要求，熱導(dǎo)率越小的保溫層材料所需厚度越小，且散熱損失越小，效果更好。根據(jù)理論計(jì)算，對(duì)部分蒸汽管道進(jìn)行保溫層更換，更換完成后，對(duì)熱力站保溫層外壁溫度進(jìn)行測(cè)量，由于管道保溫層外表面材料發(fā)射率低，使用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量溫度時(shí)在被測(cè)點(diǎn)表面貼3M電氣絕緣膠帶，預(yù)留5 min以上使被測(cè)物體表面與膠帶間達(dá)到熱平衡。熱力站蒸汽管道溫度由40 ℃降低至30～31 ℃，保溫層外壁溫度均小于33 ℃。

最大允許熱損失法僅從保溫層熱損失方面計(jì)算保溫層厚度，未將使用年限，年散熱損失費(fèi)用等因素考慮在內(nèi)。在我國(guó)熱力管道保溫層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［19］及GB/T 8175—2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》［20］中推薦使用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算保溫層厚度。經(jīng)濟(jì)厚度法原理是將初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用與年散熱損失費(fèi)用考慮在內(nèi)，保證特定保溫層厚度下保溫管道的年平均總費(fèi)用最低［21］。保溫層的經(jīng)濟(jì)厚度主要由初始投資費(fèi)用和散熱損失費(fèi)用決定，初始投資費(fèi)用的年分?jǐn)傤~度計(jì)算方法如下［22］：

Pt=S×［π4（D12－D22）（F1P1+P2）+πD1（F2P3+P4）］ ，（4）

其中，D2為保溫層內(nèi)徑，m；F1為保溫層損耗系數(shù)；F2為外防護(hù)層損耗系數(shù)；P1為保溫層每立方米單價(jià)；P2為外防護(hù)層每立方米單價(jià)；P3為保溫材料施工費(fèi)；P4為外防護(hù)層施工費(fèi)；S為投資年均攤率，按下式計(jì)算：

S=i（1+i）n（1+i）n－1 ，（5）

其中，i為投資貸款的年利率，一般取為10%；n為投資貸款的還款年數(shù)。

保溫層年散熱損失費(fèi)用由公式（6）計(jì)算：

Ph=2πkPfτ（t1－ta）lnD1D2+2kαsD1 ，（6）

其中，t1為保溫層內(nèi)壁溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；k為保溫材料熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；τ為熱力管道年運(yùn)行時(shí)間；Pf為熱價(jià)，元/GJ，由下式可得：

Pf=1 000C1C2PFHFηB ，（7）

其中，C1為工況系數(shù)；C2為系數(shù)；PF為燃料價(jià)格；ηB為熱效率。

保溫層年平均總費(fèi)用P=Pf+Ph，對(duì)P求保溫層厚度的偏導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)最小處即為年平均總費(fèi)用的最小值。如圖4所示，按照經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算陶瓷纖維毯和玻璃棉的厚度分別為0.13、0.15 m，年平均費(fèi)用分別為78.5、85.7元/m。但上述計(jì)算過(guò)程中未考慮使用過(guò)程中保溫層性能的變化，因此每年的散熱損失是固定值。而在實(shí)際應(yīng)用中，保溫層的保溫性能會(huì)隨著運(yùn)行年限的增加逐漸惡化，導(dǎo)致年散熱費(fèi)用增加。

隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，保溫材料熱導(dǎo)率逐年增加，利用穩(wěn)態(tài)法對(duì)不同運(yùn)行年數(shù)（0～7年）的保溫材料熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示，通過(guò)線性擬合可得到熱導(dǎo)率與運(yùn)行年數(shù)間的一次線性關(guān)系式，陶瓷纖維毯和玻璃棉熱導(dǎo)率與運(yùn)行年數(shù)間關(guān)系式分別為式（8）和式（9），殘差平方和均10-6量級(jí)，擬合具有較好的準(zhǔn)確性。

kt=0.002 09N+0.040 17 ，（8）

kb=0.002 29N+0.048 66 。（9）

將式（8）和式（9）分別代入式（6），可計(jì)算保溫層散熱損失費(fèi)用的平均值。

Ph=∫N02πk（N）Pfτ（T1－T2）lnD1D2+2k（N）αsD1dNN ，（10）

其中，N為保溫層設(shè)計(jì)使用年數(shù)。同時(shí)將投資貸款還款年數(shù)n設(shè)為設(shè)計(jì)使用年數(shù)N，此時(shí)對(duì)P求偏導(dǎo)可得：

PD1=D1（∫N02πk（N）Pfτ（T1－T2）lnD1D2+2k（N）αsD1dNN）

+D1i（1+i）N（1+i）N－1（π4（D12－D22）（F1P1+P2）+πD1（F2P3+P4））=0。（11）

年總運(yùn)行費(fèi)用P與保溫層外徑以及設(shè)計(jì)使用年數(shù)關(guān)系如圖6所示，當(dāng)使用年數(shù)和保溫層外徑都較小時(shí)，由于初始投資費(fèi)用償還年數(shù)少，且散熱損失費(fèi)用高，年總運(yùn)行費(fèi)用較高。當(dāng)使用年數(shù)較小時(shí)，隨著保溫層外徑的增加，由于散熱損失費(fèi)用減少，初始投資費(fèi)用增加，總運(yùn)行費(fèi)用先減少后增加。隨著使用年數(shù)的增加，由于保溫層性能下降，散熱損失費(fèi)用迅速增加，從而導(dǎo)致年總運(yùn)行費(fèi)用急劇增加。由于玻璃棉的熱導(dǎo)率惡化速率高于陶瓷纖維毯，因此隨著使用年數(shù)的增加，玻璃棉的運(yùn)行費(fèi)用增長(zhǎng)速率高于陶瓷纖維毯。

根據(jù)公式（11），可以得到不同設(shè)計(jì)使用壽命下的經(jīng)濟(jì)外徑，結(jié)果如圖7所示，未考慮保溫材料老化且設(shè)計(jì)使用壽命小于20年時(shí)，由于初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)外徑隨設(shè)計(jì)使用壽命的增加迅速增加。設(shè)計(jì)使用壽命為20年時(shí)，陶瓷纖維毯和玻璃棉的經(jīng)濟(jì)外徑分別為0.58和0.69 m。隨著設(shè)計(jì)使用壽命進(jìn)一步增加，初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用對(duì)總費(fèi)用的影響逐漸小于散熱損失費(fèi)用的影響，經(jīng)濟(jì)外徑趨于穩(wěn)定值，陶瓷纖維毯和玻璃棉穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)外徑分別為0.62和0.74 m。如圖5所示，在實(shí)際使用過(guò)程中，由于熱力站溫濕度較高，保溫材料熱導(dǎo)率隨使用年數(shù)的增加呈線性增加趨勢(shì)，將材料老化因素考慮在內(nèi)時(shí)，經(jīng)濟(jì)外徑與設(shè)計(jì)使用壽命間為正相關(guān)關(guān)系。設(shè)計(jì)使用壽命為10年時(shí)，考慮材料老化后陶瓷纖維毯和玻璃棉的經(jīng)濟(jì)外徑分別為0.59和0.697 m，相較于不考慮材料老化因素時(shí)增加17.2%和16.1%，且隨著設(shè)計(jì)使用年數(shù)的增加，增長(zhǎng)幅度逐漸上升。

以陶瓷纖維毯為例，對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為10年、20年的蒸汽管道保溫層，材料老化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響如圖8所示，當(dāng)設(shè)計(jì)壽命為10年時(shí)，材料性能惡化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響較小，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，保溫層使用年數(shù)往往超過(guò)設(shè)計(jì)壽命。當(dāng)運(yùn)行年數(shù)超過(guò)10年時(shí)，如圖8（a）所示，由于初始投資費(fèi)用已繳清，僅考慮散熱損失費(fèi)用，考慮材料老化后的運(yùn)行費(fèi)用低于未考慮材料老化的運(yùn)行費(fèi)用。0～10年時(shí)間內(nèi)，是否考慮材料老化的累計(jì)運(yùn)行費(fèi)用分別為2 709.2和2 713.6元/m，兩者相差不大。當(dāng)超過(guò)設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，10～20年時(shí)間內(nèi)，是否考慮材料老化的累計(jì)運(yùn)行費(fèi)用分別為1 307.7和1 447.8元/m，考慮材料老化后累計(jì)費(fèi)用減少10.7%。若蒸汽管道總長(zhǎng)為10 km，20年內(nèi)可減少運(yùn)行費(fèi)用144.5萬(wàn)元。當(dāng)設(shè)計(jì)壽命為20年時(shí)，如圖8（b）所示，前10年由于未考慮材料老化時(shí)經(jīng)濟(jì)厚度較薄，散熱損失費(fèi)用高，運(yùn)行費(fèi)用高于考慮材料老化后的運(yùn)行費(fèi)用。使用年數(shù)超過(guò)10年后，由于保溫層老化，散熱損失費(fèi)用的增加，考慮材料老化的運(yùn)行費(fèi)用高于未考慮材料老化時(shí)的費(fèi)用。

在保溫效果方面，陶瓷纖維毯和玻璃棉熱導(dǎo)率較低，保溫性能較好。從運(yùn)行費(fèi)用方面，當(dāng)不考慮保溫層性能惡化因素時(shí)，陶瓷纖維毯的經(jīng)濟(jì)厚度、年平均費(fèi)用均小于玻璃棉。當(dāng)把保溫層性能惡化因素考慮在內(nèi)時(shí)，玻璃棉性能惡化速率高于陶瓷纖維毯，導(dǎo)致其散熱損失費(fèi)用高于陶瓷纖維毯，散熱損失費(fèi)用較大。雖然陶瓷纖維毯?jiǎn)蝺r(jià)高于玻璃棉，但其所需厚度小于玻璃棉，其初始投資費(fèi)用小于玻璃棉。因此，卷煙廠蒸汽管道保溫材料建議選用陶瓷纖維毯，同時(shí)在蒸汽管道大型閥門(mén)處增加保溫層，不僅可降低閥門(mén)散熱損失，還有利于電子元件工作穩(wěn)定，同時(shí)可避免高溫設(shè)備造成人員燙傷。設(shè)計(jì)壽命為10年時(shí)，材料性能惡化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用影響較小，超過(guò)10年后，蒸汽管道散熱損失費(fèi)用迅速增加，建議蒸汽管道保溫層使用壽命設(shè)計(jì)為10年，超過(guò)10年后及時(shí)更換保溫層。

3" 結(jié)論

本文以某卷煙廠蒸汽管道保溫層為研究對(duì)象，首先，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量常用4種保溫材料熱導(dǎo)率隨蒸汽溫度以及使用年限的變化，以熱導(dǎo)率作為輸入，基于最大允許熱損失方法及經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算保溫層理論厚度，并結(jié)合工程實(shí)際更換保溫層，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）4種材料熱導(dǎo)率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，250 ℃下硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率（0.074 W·m-1·K-1）最大，陶瓷纖維毯的熱導(dǎo)率（0.041 6 W·m-1·K-1）最小。4種材料熱導(dǎo)率均隨溫度升高而增大，僅從熱導(dǎo)率數(shù)值來(lái)看，陶瓷纖維毯的保溫效果最好，隨后依次為玻璃棉、巖棉和硅酸鋁。其中，陶瓷纖維毯、玻璃棉的熱導(dǎo)率隨溫度升高變化幅度相對(duì)較小，適合用于蒸汽管道保溫。隨著保溫層使用年數(shù)的增加，其熱導(dǎo)率呈線性增加。

（2）根據(jù)最大允許熱損失法計(jì)算的陶瓷纖維毯、保溫棉、硅酸鋁、巖棉保溫層厚度分別為37.2、43.0、58.1、57.0 mm，計(jì)算得到的散熱損失均滿足國(guó)標(biāo)要求。

（3）未考慮材料性能惡化時(shí)，按照經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算陶瓷纖維毯和玻璃棉的厚度分別為0.13、0.15 m，年平均費(fèi)用分別為78.5、85.7元/m。將材料性能惡化考慮在內(nèi)時(shí)，保溫層經(jīng)濟(jì)厚度增加，以陶瓷纖維毯為例，10年內(nèi)累計(jì)運(yùn)行費(fèi)用分別為1 307.7和1 447.8元/m，考慮材料老化后累計(jì)費(fèi)用減少10.7%。

參考文獻(xiàn)：

［1］鐘升楷. 熱力蒸汽管道保溫散熱性能與其對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響研究［D］. 杭州： 浙江大學(xué)， 2019.

［2］劉承婷. 蒸汽管道保溫材料與保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］. 大慶： 東北石油大學(xué)， 2013.

［3］蒲靜， 蔣福建， 袁艷平. 工業(yè)建筑熱力設(shè)備經(jīng)濟(jì)保溫厚度的優(yōu)化分析［J］. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)， 2022， 41（4）： 77-80. DOI： 10.3969/j.issn.1003-0344.2022.04.017.

［4］荊瑞靜. 淺析中壓蒸汽管道保溫層厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2022， 42（19）： 100-102. DOI： 10.3969/j.issn.1673-4076.2022.19.035.

［5］陳寶法， 洪方馳， 徐旭. 智能算法在蒸汽管網(wǎng)保溫層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 32（2）： 203-209. DOI： 10.3969/j.issn.2096-2835.2021.02.009.

［6］何磊， 汪志華. 高溫蒸汽管道保溫層厚度計(jì)算影響因素的研究［J］. 能源與節(jié)能， 2014（10）： 59-60. DOI： 10.3969/j.issn.2095-0802.2014.10.026.

［7］WANG Y P， TU Z T， YUAN L Y. Analysis of thermal energy storage optimization of thermal insulation material and thermal insulation structure of steam pipe-line［J］. Thermal Science， 2020， 24（5）： 3249-3257. DOI： 10.2298/tsci191126116w.

［8］王克平， 李棟， 張謐， 等. 蒸汽管線絕熱材料保溫性能衰減影響研究［J］. 石油石化節(jié)能， 2023， 13（3）： 74-78. DOI： 10.3969/j.issn.2095-1493.2023.03.016.

［9］鐘升楷， 顧景磊， 賀澤平， 等. 熱力蒸汽管道保溫性能惡化的影響機(jī)制研究［J］. 能源工程， 2020（1）： 78-83. DOI： 10.16189/j.cnki.nygc.2020.01.016.

［10］劉婷. 基于熱阻法的LNG輸送管道保溫層厚度計(jì)算研究［J］. 裝備制造技術(shù)， 2023（6）： 71-73. DOI： 10.3969/j.issn.1672-545X.2023.06.019.

［11］李小鵬. 直埋蒸汽管道保溫層厚度優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性研究［D］. 秦皇島： 燕山大學(xué)， 2021.

［12］黃思俞， 魏熾旭， 鄭聯(lián)慧. 穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法的研究［J］. 計(jì)量學(xué)報(bào)， 2023， 44（4）： 508-513. DOI： 10.3969/j.issn.1000-1158.2023.04.03.

［13］肖鑫， 李傳高， 周俊杰， 等. 氮化硼強(qiáng)化聚乙二醇/膨脹石墨復(fù)合相變材料的制備與熱性能［J］. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023， 49（5）： 26-32. DOI： 10.19886/j.cnki.dhdz.2022.0341.

［14］姚凱， 鄭會(huì)保， 劉運(yùn)傳， 等. 硅酸鋁纖維板熱導(dǎo)率擬合方程的建立及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］. 耐火材料， 2017， 51（4）： 297-299. DOI： 10.3969/j.issn.1001-1935.2017.04.014.

［15］李保春， 董有爾. 熱線法測(cè)量保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)［J］. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)， 2006， 19（1）： 10-13. DOI： 10.3969/j.issn.1007-2934.2006.01.003.

［16］郭志陽(yáng)， 莫光貴， 張?zhí)礻?yáng)， 等. 長(zhǎng)距離地上輸油管道保溫層厚度設(shè)計(jì)［J］. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021， 18（4）： 90-97. DOI： 10.16772/j.cnki.1673-1409.2021.04.008.

［17］謝昇， 吳吁生， 張國(guó)釗. 低壓蒸汽管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算［J］. 山西化工， 2007， 27（6）： 67-68. DOI： 10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2007.06.026.

［18］趙鵬宇， 黃解放， 陳建勛， 等. 寒冷地區(qū)隧道防凍保溫層等效厚度計(jì)算方法誤差分析［J］. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2023， 40（4）： 135-143. DOI： 10.19815/j.jace.2022.04109.

［19］. 工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50264—2013［S］. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2013.

［20］全國(guó)能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則： GB/T 8175—2008［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2009.

［21］李鵬， 葛蘇鞍， 帕爾哈提·阿不都克里木， 等. 稠油地面蒸汽管線熱力參數(shù)影響及保溫厚度優(yōu)化［J］. 熱科學(xué)與技術(shù)， 2022， 21（2）： 144-150. DOI： 10.13738/j.issn.1671-8097.020126.

［22］付治博， 王珍妮， 金立文， 等. 不同氣候區(qū)架空供熱管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的分析［J］. 暖通空調(diào)， 2018， 48（11）： 56-62.