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直埋蒸汽管道保温结构计算
2019-3-6 08:45 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:2492
【中国泵阀第一网 行业论文】作者:孙枫然,王卓胤第一作者单位:中国市政工程华北设计研究总院有限公司  第六设计研究院摘自《煤气与热力》2019年1月刊1   概述 近年来直埋蒸汽管道敷设在供热工程中得到了越来越多的应用,随着供热规模的发展,对直埋蒸汽管道的造价控制、减少散热损失也提出了严格要求。直埋蒸汽管道保温结构直接关系到温度降、散热损失以及工

直埋蒸汽管道保温结构计算

作者:孙枫然,王卓胤

第一作者单位:中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院

摘自《煤气与热力》2019年1月刊

1 概述

近年来直埋蒸汽管道敷设在供热工程中得到了越来越多的应用,随着供热规模的发展,对直埋蒸汽管道的造价控制、减少散热损失也提出了严格要求。直埋蒸汽管道保温结构直接关系到温度降、散热损失以及工程造价等。本文将对多个直埋蒸汽管道保温方案进行经济技术比较。

2 保温材料特性

目前国内直埋蒸汽管道保温材料主要有以下几种:传统保温材料微孔硅酸钙、超细离心玻璃棉毡和新型保温材料气凝胶绝热毡等。3种保温材料性能对比见表1[1-3]

表1 3种保温材料性能对比

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3 保温方案

本文以北方某电厂室外直埋蒸汽管道为例进行讨论。工作钢管外直径为820 mm,蒸汽温度为300 ℃。

本工程直埋蒸汽管道的保温结构[4]有以下3种方案:

方案1:气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构;

方案2: 超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构;

方案3:微孔硅酸钙+聚氨酯复合保温结构。

方案1为外滑动型式,此种保温结构形式设计思路来自于热力管沟,在外护管内设置支架,使工作钢管及其相应的保温材料与外护管之间产生滑动(即外滑动),形成“钢管沟”的构造。这种保温结构形式的特点是:工作钢管与保温材料之间紧密接触,工作钢管通过支架支撑在外护管内,使支架在外护管内部产生滑动。保温结构中20 mm的空气层,既起到保温作用,又是排潮的良好通道。

方案2也是外滑动型式,只是将方案1中气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡复合保温结构变为单层的超细离心玻璃棉毡。与方案1相比,由于超细离心玻璃棉毡热导率大于气凝胶绝热毡,因此,保温层厚度与外护管外直径比方案1增大。

方案3为内滑动型式,该种结构形式设计思路来自于热水预制保温管,一般在工作钢管外表面与保温结构内层之间有厚度为5 mm的减阻层,与工作钢管牢固地连成一体,其材质为耐高温的硅酸铝毡,保温结构内层为耐温较高的微孔硅酸钙,外层为聚氨酯。这种保温结构形式的特点是:工作钢管与内层微孔硅酸钙之间产生滑动(即内滑动),微孔硅酸钙与外护管之间采用聚氨酯材料将其粘结为一体。此种结构型式的缺点在于:微孔硅酸钙要承受工作钢管的荷重。

4 保温层厚度计算及经济技术比较

保温层厚度及外护管规格的计算方法执行CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》(以下简称CJJ/T 104—2014)。根据CJJ/T 104—2014第6.1.5条的规定,在计算保温层厚度的过程中,应控制外护管外表面温度不大于50 ℃。同时根据GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》(以下简称GB/T 8174—2008)第9.1.4条,常年运行的直埋蒸汽管道外表面温度≤50 ℃时,允许最大单位面积散热损失为52 W/m2

本文计算以方案1为例,方案2和方案3的计算方法同方案1,计算过程不再详细列出。

4.1 保温材料热导率计算及选取

④聚氨酯

根据GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》第5.4.8条,聚氨酯的热导率λd取0.033 W/(m·K)。

⑤空气层

空气层等效热导率λair参照文献[5],取0.024 W/(m·K)。

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4.2 单位长度初算散热损失计算

4.3 保温层厚度计算

①第1层

对于方案1,第1层保温材料为气凝胶绝热毡,其厚度根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的公式(6.4.1-4)、(6.4.1-5)进行计算:

4.4 热阻计算

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4.5 单位长度散热损失校核计算

4.6 单位长度散热损失相对差值计算

4.7 保温层外表面校核温度计算

4.8 单位面积散热损失计算

4.9 计算过程

①已知参数:D0=0.82m,t0=300℃,ten=10℃,λen=1.1 W/(m·K),λair=0.024 W/(m·K),h=1.5m。气凝胶绝热毡层厚度δ1=0.03m,δair=0.02m。

②设定t1,s=230 ℃。将t0及设定的t1,s代入公式(7),得到tc=265℃,将tc代入公式(3),得到λ1=0.0232 W/(m·K)。

③设定t2,s=85℃。将设定的t1,s和t2,s代入公式(10),得到ta=157.5 ℃,将ta代入公式(1),得到λ2=0.056 W/(m·K)。

④根据经验初设最外层保温层外直径Dws=1.098 m,设定tws=50 ℃。将Dws、tws、ten、λen和h代入公式(4),得到单位长度初算散热损失qcs=162.7 W/m。

⑤将D0和δ1代入公式(6),得到D1=0.88 m;取Dout=Dws=1.098 m,将Dout和δair代入公式(11),得到D2=1.058 m。

⑥将D1、D2、Dout、λair、λen和h代入公式(12)~(15),计算得到单位长度校核散热损失qjh= 193.2 W/m和Dw=1.12 m。

⑦根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求,单位长度散热损失相对差值的绝对值︱δh|≤5%,将qjh、qcs代入公式(16)进行计算,得︱δh|为18.7%,不满足要求,应重新设定Dws,代入公式(4)计算qcs

⑧重新设定最外层保温层外直径Dws=1.196 m,返回步骤④~⑦重新计算,可得qcs=171.3 W/m,D2=1.156 m,Dw=1.22 m,qjh=168.6 W/m。将qjh、qcs进行比较,︱δh|为1.6%,满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。

⑨将D0、D1、D2、λ1、λ2、t0和qjh代入公式(17)和(18),计算得到保温层外表面校核温度t1=218 ℃,t2=87 ℃,与所设定的t1,s和 t2,s有一定的差距,应重新设定t1,s和 t2,s

⑩重新设定t1,s=218 ℃、t2,s=87 ℃,返回步骤②~⑦和⑨重新计算,可得tc=259 ℃,ta=152.5 ℃,λ1=0.023 W/(m·K),λ2=0.055 W/(m·K),qcs=171 W/m,qjh= 167 W/m,t1=218 ℃,t2=87 ℃。将qjh、qcs进行比较,︱δh|为2.6%,满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。t1和t2计算结果与所设定的t1,s和t2,s均一致。

将D0、D1、D2、Dw、λ1、λ2、t0和qjh代入公式(19)和(20),计算外护管外表面校核温度tw和单位面积散热损失qmj,可得tw=49 ℃,qmj=44 W/m2,满足CJJ/T 104—2014第6.1.5条和GB/T 8174—2008第9.1.4条的要求。

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4.10 材料价格

由于方案3中减阻层厚度较小,因此,方案比较中忽略方案3中减阻层造价,同时为了便于计算分析,忽略直埋蒸汽管道土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价。由于3种方案工作钢管外直径相同,因此,方案比较中不考虑工作钢管造价,仅对外护管及保温材料进行造价比较。

本方案外护管管材为螺旋缝焊接钢管,螺旋缝焊接钢管价格为5 000 元/t,气凝胶绝热毡价格为12 000元/m3,超细离心玻璃棉毡价格为800 元/m3,微孔硅酸钙价格为470 元/m3,聚氨酯价格为650 元/m3

4.11 计算结果

经上述公式计算,直埋蒸汽管道保温方案对比见表2, 单位长度外护管及保温材料工程造价比较见表3。表2及表3中“—”表示无此项数据。

表2 直埋蒸汽管道保温方案对比

表3 单位长度外护管及保温材料工程造价比较

由于气凝胶绝热毡热导率最低,因此,采用气凝胶绝热毡保温层厚度最小,外护管外直径最小,既减少了保温材料的使用量,又减少了外护管钢材的使用量,同时减少了直埋蒸汽管道占用的空间。由表3可见,方案1造价位于中等水平,如果考虑土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价,方案1与方案2的造价之差应进一步降低。因此,综合技术及经济比较,方案1的优势是比较明显的。

参考文献:

[1]董相禄,倪明,罗旭光,等.二氧化硅气凝胶毡在直埋蒸汽管的应用[J].煤气与热力,2017,37(11):A10-A13.

[2]高永军.蒸汽管保温结构优化设计[J].煤气与热力,2017,37(10):A09-A11.

[3]董志军,颜家保,涂红兵,等.二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用[J].化工新型材料,2005(3):46-48,68.

[4]胡静,喻凡,毛煜东,等. SiO2气凝胶绝热材料传热模型及导热性能研究[J].山东建筑大学学报,2018(3):38-43.

[5]《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006:648-649.

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