曾 鑫

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

造紙、印染、食品和石油化工等行業(yè)需要大量的蒸汽來(lái)滿足工藝生產(chǎn)的需求。集中供熱作為一種高效、節(jié)能的能源利用方式具有節(jié)能減排雙重優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛[1-3]。以蒸汽為輸送介質(zhì)的集中供熱已呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢(shì)，其輸送半徑已經(jīng)由常規(guī)的8～10 km增加至50 km，甚至更遠(yuǎn)。良好的蒸汽管道保溫性能是確保蒸汽實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送的核心技術(shù)之一。目前，集中供熱管網(wǎng)的散熱損失仍占輸入總熱量的8%～15%左右[4]，也有文獻(xiàn)報(bào)道輸送過(guò)程中的散熱損失可達(dá)25%以上[5]。

做好蒸汽管道保溫工作，是控制蒸汽長(zhǎng)距離輸送溫降性能指標(biāo)的先決條件，同時(shí)也是落實(shí)行業(yè)節(jié)能降碳目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)需求。若管道保溫不利，會(huì)造成大量散熱損失，因此，研究管道保溫對(duì)于節(jié)能具有重要意義[6]。鐘升楷[7]等通過(guò)實(shí)地測(cè)量和數(shù)值模擬，對(duì)蒸汽管道保溫性能進(jìn)行了研究，探究了蒸汽管道保溫性能惡化的影響機(jī)制，其研究結(jié)果顯示：保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、鏤空結(jié)構(gòu)和偏心對(duì)保溫性能惡化所占比重依次為67.7%、18.5%和13.8%。劉承婷[8]采用表面溫度法和熱流法相結(jié)合的方式，對(duì)保溫管線進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)保溫材料選擇不當(dāng)、保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和保溫異形件裸露是導(dǎo)致蒸汽管道散熱量高的主要原因。工業(yè)案例表明，新建的蒸汽管道經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，因設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、保溫選材或管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)存在不足，加之保溫材料受到熱膨脹、變形、雨水和老化等不利因素影響，導(dǎo)致保溫性能下降，進(jìn)而出現(xiàn)蒸汽管道散熱量增加，甚至超過(guò)國(guó)家和行業(yè)規(guī)范要求的下限值。過(guò)高的蒸汽管道散熱量不但造成能源浪費(fèi)，增加運(yùn)行成本，而且不符合國(guó)家節(jié)能降碳政策需求[9]。

工業(yè)節(jié)能對(duì)于推動(dòng)國(guó)家清潔低碳的能源消費(fèi)方式至關(guān)重要[10]。開(kāi)發(fā)綠色新能源的同時(shí)，還需做好節(jié)能減排，尤其在蒸汽管道領(lǐng)域存在巨大的節(jié)能潛力[11]。我國(guó)蒸汽管道系統(tǒng)的能源效率一般在30%～40%之間，比西方國(guó)家低約20%，節(jié)能降碳工作任重道遠(yuǎn)，如果采取有效措施開(kāi)展節(jié)能改造，有望實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%[12]。王鐵民[13]等對(duì)某鋼鐵公司所屬蒸汽管道散熱損失進(jìn)行調(diào)研，其散熱損失為1 044.1 W/m2，遠(yuǎn)高于國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)允許值186 W/m2，經(jīng)保溫改造后，蒸汽管道表面溫度由112 ℃下降至14 ℃，管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的溫差由75 ℃降至17 ℃，節(jié)能效果良好。工程實(shí)踐表明，如果熱力設(shè)備及管道采取合理的保溫隔熱措施，其散熱損失可減少80%～90%[14]。

本研究針對(duì)某工業(yè)園區(qū)集中供熱蒸汽管網(wǎng)存在的管網(wǎng)損失高、散熱量大的問(wèn)題，進(jìn)行了問(wèn)題剖析并提出了改造技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上依據(jù)國(guó)家行業(yè)規(guī)范開(kāi)展改造前后效果測(cè)試工作，并進(jìn)一步分析其節(jié)能減排情況，以期促進(jìn)行業(yè)蒸汽管道節(jié)能降碳工作的開(kāi)展，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似蒸汽管道技術(shù)改造提供參考和借鑒。

1 某蒸汽管網(wǎng)項(xiàng)目概況

某工業(yè)園區(qū)集中供熱項(xiàng)目建成于2016年，工業(yè)蒸汽主管道長(zhǎng)度近7 km，管徑包括DN 350、DN 250、DN 200和DN 150等，上網(wǎng)蒸汽參數(shù)壓力約1.35 MPa，溫度約230 ℃。該項(xiàng)目因保溫性能下降或無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致蒸汽管網(wǎng)散熱量大，增加輸送能耗，具體表現(xiàn)為蒸汽管網(wǎng)損失(輸送蒸汽量同銷(xiāo)售蒸汽量差值)偏大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，發(fā)現(xiàn)主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)保溫設(shè)計(jì)存在不足，全部采用單一形式的管殼結(jié)構(gòu)，以降低熱傳導(dǎo)方式散熱理念為主，設(shè)計(jì)上未考慮進(jìn)一步降低保溫?zé)彷椛浜蜔釋?duì)流損失措施；(2)管殼之間在環(huán)向接觸區(qū)域存在較大縫隙，形成“熱橋”效應(yīng)，較高溫度蒸汽管道從縫隙向外直接散熱；(3)保溫出現(xiàn)較為嚴(yán)重的偏心下沉現(xiàn)象，即蒸汽管道頂部區(qū)域的保溫厚度明顯低于其他區(qū)域，蒸汽管道保溫層在自身重力、管道振動(dòng)和受潮等因素影響下會(huì)偏心沉降，使保溫層與管道外壁之間形成月牙形鏤空的空氣夾層，蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)偏心下沉示意圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖見(jiàn)圖1；(4)蒸汽管網(wǎng)金屬保護(hù)層被踩踏變形，部分金屬層搭接部位拉開(kāi)，加之保溫設(shè)計(jì)沒(méi)有防潮防水措施，造成雨水從金屬層拉開(kāi)處進(jìn)入保溫材料內(nèi)部，導(dǎo)致局部保溫材料失效，部分現(xiàn)場(chǎng)保溫情況如圖2所示。

圖1 蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)偏心下沉示意圖和現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram and scene photographs of eccentric sinking of steam pipeline insulation structure

圖2 現(xiàn)場(chǎng)管道保溫狀況Fig.2 Thermal insulation condition of on-site pipelines

對(duì)已運(yùn)行的蒸汽管道散熱損失進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以定量分析蒸汽管道的能效運(yùn)行水平，為蒸汽管道保溫改造必要性和實(shí)施方案提供數(shù)據(jù)支撐。表面溫度法常用于城鎮(zhèn)供熱保溫管網(wǎng)系統(tǒng)散熱損失，其散熱量按式(1)計(jì)算：

Q=α×(TW-TF)

(1)

式(1)中：Q為管道散熱量，W/m2；α為綜合換熱系數(shù)，W/(m2·K)；TW為保溫管道外表面溫度，K；TF為環(huán)境溫度，K。

保溫管道外表面與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)按式(2)計(jì)算[16]，該公式計(jì)算的換熱系數(shù)為綜合換熱系數(shù)，已考慮蒸汽保溫管道外層與環(huán)境的對(duì)流換熱和輻射換。

(2)

式(2)中，ω為風(fēng)速，m/s。

為評(píng)估管網(wǎng)散熱情況，按照《城鎮(zhèn)供熱保溫管網(wǎng)系統(tǒng)散熱損失現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法》(GB/T 38588—2020)，在無(wú)風(fēng)和光照的條件下，對(duì)蒸汽管網(wǎng)的散熱損失情況進(jìn)行測(cè)量，蒸汽管道每一個(gè)測(cè)試截面的測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 蒸汽管道的測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of measuring points on the steam pipeline

管徑規(guī)格為DN 250和DN 150的部分測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分別如表1和表2所示，其中溫度差為3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度與環(huán)境溫度之間的差值。

表1 DN 250蒸汽管道保溫測(cè)試結(jié)果

表2 DN 150蒸汽管道保溫測(cè)試結(jié)果

從表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，DN 250和DN 150的蒸汽管道表面平均溫度較環(huán)境溫度分別高出15.3 ℃和11.3 ℃。根據(jù)公式(1)和(2)可以計(jì)算出，DN 250和DN 150管道的散熱量分別為177.9 W/m2和131.4 W/m2，其中DN 250的散熱量已經(jīng)超過(guò)常年運(yùn)行工況最大允許散熱損失值138.6 W/m2，DN 150的散熱量平均值雖然略低于最大允許散熱損失值，但截面1和截面5的散熱量(146.5 W/m2和155.8 W/m2)已超標(biāo)。鑒于此，有必要對(duì)DN 250和DN 150蒸汽管道進(jìn)行保溫改造，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳目的。

2 改造方案

目前新型復(fù)合保溫技術(shù)主要有兩類(lèi)，其一是應(yīng)用新型保溫材料，例如納米氣凝膠、鋁箔反射類(lèi)材料、保溫涂料和UPVC等；其二是采用復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)層采用抗壓強(qiáng)度高的硬質(zhì)保溫材料硅酸鈣瓦塊，而外層采用保溫性能更佳的軟質(zhì)保溫材料或聚氨酯。此外，為解決保溫管道頂部散熱高問(wèn)題，通常在管道頂部區(qū)域增設(shè)一層保溫層。該項(xiàng)目原保溫設(shè)計(jì)方案采用單一離心玻璃棉管殼和鍍鋅鐵皮。近年來(lái)隨著保溫設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步和新材料應(yīng)用，管道絕熱保溫技術(shù)已取得了較大發(fā)展，鋁箔反射層和鋁箔氣泡復(fù)合材料的使用可以降低蒸汽保溫管道散熱損失，已逐漸應(yīng)用于管道保溫[16]。王偉偉[17]指出利用鋁箔的發(fā)射特性可以減少輻射換熱。王士永[18]等研究成果表明，敷設(shè)鋁箔反射層可以使散熱量減少約5%。吳然[19]等研究了鋁箔反射層對(duì)保溫性能的影響，其研究結(jié)果表明，溫度為200 ℃時(shí)，DN 200的管道敷設(shè)3層鋁箔反射層后，其散熱損失降低了17.5%。圖4為鋁箔反射層和鋁箔氣泡復(fù)合材料的實(shí)物照片。

圖4 鋁箔反射層和鋁箔氣泡復(fù)合材料Fig.4 Aluminum foil reflector and aluminum foil/bubble composite

鋁箔反射層一般由鋁箔和玻纖布通過(guò)粘結(jié)劑復(fù)合而成，也叫鋁箔玻纖布。由于鋁箔對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的反射效果，因此將鋁箔反射層敷設(shè)于保溫層之間，利用輻射傳熱學(xué)中的反射熱量原理，能減少輻射換熱，其熱量傳遞方式見(jiàn)圖5。鋁箔氣泡復(fù)合材料是一種新型蒸汽管道保溫復(fù)合材料，由中間聚的乙烯氣泡膜復(fù)合上下兩層鋁箔反射層而成。鋁箔氣泡復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)0.034 3 W/(m·K)，不但具有良好的隔熱保溫性能，而且防水防潮，逐漸應(yīng)用于市政、電力和石化等領(lǐng)域[17]，圖6為鋁箔氣泡復(fù)合材料的熱量傳遞方式示意圖。

圖5 鋁箔反射層的熱量傳遞方式Fig.5 Heat transfer mode of aluminum foil reflector

圖6 鋁箔氣泡復(fù)合材料的熱量傳遞方式Fig.6 Heat transfer mode of aluminum foil/bubble composite

現(xiàn)有保溫雖然存在性能不達(dá)標(biāo)的情況，但尚處于使用壽命期限內(nèi)。加之蒸汽管道處于連續(xù)運(yùn)行階段，如果在運(yùn)行期間拆除全部原有保溫管殼后再保溫，改造過(guò)程中不但會(huì)急劇增加散熱損失，而且會(huì)增加保溫改造投資。因此，綜合考慮保溫現(xiàn)狀、散熱損失和投資等因素，擬采用在原有保溫管殼的基礎(chǔ)上增加敷設(shè)保溫材料的改造方案。具體改造方案如圖7所示，拆除現(xiàn)有保溫鍍鋅鐵皮，采用高溫離心玻璃棉填實(shí)原保溫管殼之間的縫隙，敷設(shè)耐中溫鋁箔玻纖布(耐溫250 ℃)，之后新增一層40 mm厚高溫離心玻璃棉氈，再敷設(shè)耐低溫鋁箔玻纖布(耐溫150 ℃)，然后在管道頂部120°區(qū)域加設(shè)一層40 mm厚高溫離心玻璃棉氈，再沿保溫管道圓周方向敷設(shè)鋁箔氣泡復(fù)合材料，最后再安裝高耐候彩鋼板(該材料主要起到保護(hù)保溫材料和美觀的作用，圖7中未標(biāo)識(shí))做外護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖7 改造后的保溫結(jié)構(gòu)Fig.7 Insulation structure after transformation

為確保改造實(shí)施效果，需要嚴(yán)格甄選改造所用的保溫材料，其中高溫離心玻璃棉容重48 kg/m3，纖維直徑≤7 μm，憎水率≥98%，鋁箔玻纖布的鋁箔厚度≥7 μm，耐中溫鋁箔玻纖布重量≥170 g/m2，耐低溫鋁箔玻纖布重量≥140 g/m2，鋁箔氣泡復(fù)合材料重量≥250 g/m2，彩鋼板基材厚度≥0.42 mm。改造前后保溫結(jié)構(gòu)對(duì)比如表3所示。

表3 改造前后保溫結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 改造效果

此次改造范圍涉及DN 250架空管道長(zhǎng)度合計(jì)1 438 m，DN 150架空管道長(zhǎng)度合計(jì)403 m。改造后按照測(cè)試規(guī)范要求，在無(wú)風(fēng)和光照的條件下，分別對(duì)保溫改造后的DN 250和DN 150蒸汽管網(wǎng)表面溫度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 改造后DN 250蒸汽管道保溫測(cè)試結(jié)果

表4和表5數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)對(duì)原蒸汽管道進(jìn)行保溫改造后，DN 250和DN 150蒸汽管道表面平均溫度和環(huán)境溫度的溫度差分別為4.5 ℃和3.0 ℃。對(duì)比表1和表2數(shù)據(jù)，可以看出DN 250和DN 150蒸汽管道經(jīng)改造后，溫差值較改造前分別下降了10.8 ℃和8.3 ℃。按照公式(1)和(2)

表5 改造后DN 150蒸汽管道保溫測(cè)試結(jié)果

計(jì)算DN 250和DN 150蒸汽管道改造前后的散熱量，如圖8所示。

圖8 改造前后的散熱量對(duì)比Fig.8 Comparison of heat dissipation before and after transformation

由圖8可知，改造后DN 250的蒸汽管道散熱損失由177.9 W/m2降低至52.3 W/m2，DN 150的蒸汽管道散熱損失由131.4 W/m2降低至34.9 W/m2。根據(jù)改造前后的保溫管道周長(zhǎng)、保溫管道長(zhǎng)度和散熱損失，并按照項(xiàng)目年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，本項(xiàng)目可節(jié)約能源9 310.7 GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤317.8 t。按照每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，排放CO22.769 t測(cè)算[20]，每年可減少CO2約880 t。通過(guò)對(duì)該園區(qū)工業(yè)蒸汽管道保溫提升改造后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和理論測(cè)算，可取得較好的節(jié)能和減排效果，契合國(guó)家節(jié)能降碳的能源政策。改造后的蒸汽管道“積雪不化”的效果圖見(jiàn)圖9。

圖9 保溫改造后的蒸汽管道Fig.9 Steam pipelines after thermal insulation transformation

4 結(jié)論與展望

針對(duì)某工業(yè)園區(qū)集中供熱蒸汽管道散熱量大，導(dǎo)致管網(wǎng)損失偏大問(wèn)題，詳細(xì)分析了其原因。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)長(zhǎng)度為1 438 m的DN 250架空管道和403 m的DN 150架空管道進(jìn)行保溫改造，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論測(cè)算獲得主要結(jié)論如下：

(1)在不拆除蒸汽管道原有保溫材料的前提下，采用鋁箔玻纖布、高溫離心玻璃棉和鋁箔氣泡復(fù)合材料的非圓形復(fù)合結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)，可以降低保溫蒸汽管道外表面溫度，以實(shí)現(xiàn)降低散熱損失目的。

(2)保溫改造后，DN 250和DN 150蒸汽管道表面平均溫度和環(huán)境溫度的溫度差分別為4.5 ℃和3.0 ℃，較保溫改造前分別下降了10.8 ℃和8.3 ℃。

(3)保溫改造后，DN 250的蒸汽管道散熱損失由177.9 W/m2降低至52.3 W/m2，DN 150的蒸汽管道散熱損失由131.4 W/m2降低至34.9 W/m2。經(jīng)過(guò)理論測(cè)算，經(jīng)過(guò)保溫改造可節(jié)約能源9 310.7 GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤317.8 t，具有較好的節(jié)能減排效果。