王文歡，潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

國家“十一五”期間確立的節(jié)能減排目標(biāo)，使電力行業(yè)更加注重節(jié)能工作，其中的熱力系統(tǒng)是有節(jié)能潛力可挖的重要方面，管道作為熱力系統(tǒng)的重要組成部分，輸送高溫高壓蒸汽(或水)，具有不可忽視的散熱損失量［1］.《火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》DL/T5072——2007中第501條規(guī)定:為保證良好的工作環(huán)境，外表面溫度高于50℃且需要減少散熱損失的設(shè)備和管道一般均應(yīng)保溫.第505條規(guī)定:環(huán)境溫度不高于27℃時(shí)，設(shè)備和管道保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不應(yīng)超過50℃.火力發(fā)電廠中的高溫管道一般都采用復(fù)合型保溫結(jié)構(gòu)［2］，就是在高溫管道外壁上先包裹一層耐熱溫度較高、價(jià)格也較昂貴的保溫材料，再在這些材料外面包裹一層耐熱溫度較低，價(jià)格便宜的保溫材料，達(dá)到降低投資成本、改善保溫材料的外觀和強(qiáng)度、延長保溫結(jié)構(gòu)的使用壽命的目的［3］.因此，合理應(yīng)用復(fù)合保溫材料可減少管道的散熱損失，降低成本，節(jié)約能源，降低機(jī)組的供電煤耗率.

1 管道復(fù)合保溫的計(jì)算

1.1 保溫管道散熱損失的計(jì)算

保溫管道熱力計(jì)算的任務(wù)之一是計(jì)算保溫管道的散熱損失，其計(jì)算公式為:

式中:t——管道內(nèi)介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度，℃;

ta——環(huán)境溫度，℃;

∑R——單位長管道的總熱阻，(m·℃)/W.

1.2 保溫管道熱阻的計(jì)算

管道熱阻的計(jì)算公式為:

式中:αn——管內(nèi)介質(zhì)對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m·℃);

αw——管道外表面對(duì)外放熱系數(shù)，W/(m·℃);

dn——管道內(nèi)徑，m;

di——第 i層保溫材料的外徑，m;

dz——管道保護(hù)層外徑，m;

λi——第i層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃).

式(2)中，第1項(xiàng)為管道內(nèi)熱流體的放熱熱阻;第2項(xiàng)為保溫結(jié)構(gòu)如鋼管壁、保溫層、保護(hù)層和防腐層熱阻;第3項(xiàng)為保溫管外壁的放熱熱阻.由于管道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)一般處于紊流區(qū)內(nèi)，其換熱非常充分，αn遠(yuǎn)大于αw，所以公式中的第1項(xiàng)在計(jì)算中可以忽略不計(jì);鋼管壁、保護(hù)層和防腐涂層的厚度很小，且其材料的導(dǎo)熱系數(shù)也相對(duì)較大，所以計(jì)算時(shí)也可以忽略不計(jì)，并且可以取管道的外壁面溫度等于管內(nèi)蒸汽的溫度.因此，散熱損失計(jì)算過程中總熱阻主要考慮的是保溫層的導(dǎo)熱熱阻及保溫外壁對(duì)環(huán)境的放熱熱阻［4］.

αw表征保溫管道外表面向周圍空氣的放熱能力的大小，主要由管道周圍介質(zhì)的換熱條件決定，包括對(duì)流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù):

式中:αf——輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃);

αd——對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2·℃).

當(dāng)保溫管道周圍是不流動(dòng)的空氣時(shí)，αd主要取決于自由對(duì)流換熱，其值僅與溫差有關(guān):

式中，τz——管道保溫層外表面溫度，℃.

當(dāng)管道在室外露天敷設(shè)時(shí)，由于受室外風(fēng)力的影響，自由對(duì)流被強(qiáng)迫對(duì)流代替，并且其值顯著增強(qiáng):

式中，v——環(huán)境空氣的流速，m/s.

對(duì)流放熱系數(shù)αd在計(jì)算時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況選用自然對(duì)流計(jì)算公式或強(qiáng)迫對(duì)流計(jì)算公式，其中的空氣流速可選取年平均風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算.

輻射放熱系數(shù)αf除與熱流體溫度和環(huán)境溫度有關(guān)外，還與保護(hù)層材料的輻射能力有關(guān).保護(hù)層外表面的輻射能力用黑度ε來表征:

1.3 單位管長保溫材料價(jià)格的計(jì)算

單位管長保溫材料價(jià)格的計(jì)算公式為:

式中，ci——第i層保溫材料的價(jià)格，元/m2.

2 實(shí)例分析

以某電廠300 MW機(jī)組為例，某主蒸汽管道計(jì)劃采用雙層保溫材料，管內(nèi)蒸汽溫度540℃，壓力18.3 MPa，蒸汽管道外徑328 mm.該地區(qū)年平均風(fēng)速為5 m/s，要保證蒸汽管道外表面溫度在30℃以內(nèi)，需要對(duì)幾種可供選擇的保溫材料進(jìn)行方案組合.表1是供選擇的保溫材料內(nèi)層和外層的材料性能和價(jià)格.表2列出了4種可供選擇方案的組合情況，并根據(jù)計(jì)算公式(1)～(8)，得出單位管長的散熱損失.各個(gè)方案的最佳保溫層厚度是采用列表法［5］進(jìn)行確定的.從表2可以看出，針對(duì)主蒸汽管道，從傳熱特性、散熱損失和材料價(jià)格角度綜合考慮:方案3的管道外表面溫度可以達(dá)到23.5℃，保溫效果最好，單位管長的散熱損失最低，但該方案的保溫材料總投資費(fèi)用最高;方案2與方案4能夠達(dá)到的外表面溫度較高，但所需的投資費(fèi)用也相對(duì)較高;方案1的散熱損失較小，復(fù)合保溫材料的投資費(fèi)用最低.因此，綜合考慮保溫效果和投資成本兩個(gè)方面，推薦方案1為最佳方案，可滿足經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的需要.

表1 保溫材料特性

表2 不同方案管道的散熱損失

3 結(jié)束語

針對(duì)電廠蒸汽管道散熱損失較大的問題，可以通過優(yōu)化保溫材料的組合方式進(jìn)行解決.具體方法是采用傳熱學(xué)理論，對(duì)不同的組合方式從保溫效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得出較優(yōu)方案.通過案例分析證明，主蒸汽管道可通過優(yōu)化復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，達(dá)到既能滿足保溫特性、又能降低投資成本的目的.

［1］韓彥榮，謝華.熱力管道保溫材料的選用分析［J］.制冷與空調(diào)，2006，(4):59-61.

［2］李維瑯.高溫管道復(fù)合型保溫經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法的探討［J］.西方電力技術(shù)，2004，(2):35-37.

［3］吳川林.高溫玻璃棉在電廠熱力工程中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2005，26(9):12-13.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.第3版.北京:高等教育出版社，1998:313-319.

［5］李雅俠，田曉行.列表法計(jì)算發(fā)電廠蒸汽管道雙層保溫經(jīng)濟(jì)厚度［J］.節(jié)能技術(shù)，2006，24(6):566-568.